CC BY
7Е^^™!!,,,,* *>естеик АПК
ЖВ Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 631.51:632.931.1
DOI: 10.31279/2222-9345-2020-9-40-4-9
И. М. Киреев, М. В. Данилов, З. М. Коваль, Л. И. Высочкина, В. О. Марченко
Kireev I. M., Danilov M. V., Koval Z. M., Vysochkina L. I., Marchenko V. O.
СПОСОБ КРАЕВОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛЯ
ДЛЯ УНИЧТОЖЕНИЯ СОРНЯКОВ И ВРЕДИТЕЛЕЙ,
ЗИМУЮЩИХ В ПОЛЕЗАЩИТНЫХ ЛЕСОПОЛОСАХ
METHOD FOR EDGE TREATMENT OF A FIELD FOR ELIMINATION OF WEEDS AND PESTS THAT WINTER IN PROTECTIVE FOREST BELTS
Рассмотрен вопрос о необходимости краевой обработки поля по уничтожению сорняков и защите культурных растений от вредителей, зимующих в полезащитных лесополосах. Теоретические исследования были положены в основу создания универсальной конструкции, позволяющей проводить химическую обработку основным способом опрыскивания краевых полей щелевыми распылителями на штанге с одновременным опрыскиванием прилегающих полос к лесозащитным насаждениям и их оснований с применением воздушно-капельного потока. Для решения такой задачи навесной к трактору МТЗ-80 штанговый опрыскиватель был оснащен осевым вентилятором с гидронасосом и соплом со щелевыми распылителями на его плоском наконечнике. Расчетами определена конструкция конического сопла для дальности транспортирования воздушно-капельного потока с различной дисперсностью, контактирующей с обрабатываемой поверхностью за пределами края штанги и транспортируемой в основание лесополосы. Вентилятор с соплом установлен на штанговом опрыскивателе. Привод вентилятора обеспечивался гидравлической системой трактора, а подача рабочей жидкости к щелевым распылителям осуществлялась общей гидравлической системой из емкости опрыскивателя насосом, работающим от вала отбора мощности трактора. На основе расчета гидравлических сопротивлений при движении воздуха от вентилятора по внутренней области сопла и выходящего из него воздушного потока получены значения его скорости -21 м/с и расхода - 1,145 м3/с. Эти показатели являются достаточными для подачи капель пестицидов в места расположения вредителей в лесозащитных полосах.
Ключевые слова: полезащитная лесополоса, вредитель, опрыскиватель, струя, вентилятор, сопло, давление.
The article considers the issue of the need for edge cultivation of a field to destroy weeds and protect cultivated plants from pests wintering in forest shelter belts. Theoretical studies were the basis for the creation of a universal design that allows chemical treatment to be carried out by the main method of spraying marginal fields with slot nozzles on a boom with simultaneous spraying of adjacent strips to forest shelter plantations and their bases using an air-droplet flow. To solve this problem, the boom sprayer mounted on the MTZ-80 tractor was equipped with an axial fan with a hydraulic pump and a nozzle with slot nozzles on its flat tip. Calculations determined the design of a conical nozzle for the distance of transportation of an air-droplet flow with different dispersion, contacting with the treated surface outside the edge of the rod and transported to the base of the forest belt. A fan with a nozzle is mounted on a boom sprayer. The fan was driven by the hydraulic system of the tractor, and the working fluid was supplied to the slot nozzles by a common hydraulic system from the sprayer tank by a pump powered by the tractor PTO shaft. Based on the calculation of hydraulic resistances when air moves from the fan along the inner area of the nozzle and the air flow leaving it, the values of its speed - 21 m/s and flow rate - 1.145 m3/s were obtained. These indicators are sufficient for the delivery of pesticide drops to the locations of pests in forest shelter belts.
Key words: shelter belt, pest, sprayer, jet, fan, nozzle, pressure.
Киреев Иван Михайлович -
доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией разработки средств измерений и испытательного оборудования Новокубанский филиал
ФГБНУ «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» г. Новокубанск РИНЦ SPIN-код: 4348-1536 Тел.: 8-918-157-80-53 E-mail: zinakoval@mail.ru
Данилов Михаил Владимирович -
кандидат технических наук, доцент кафедры
процессов и машин в агробизнесе
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
РИНЦ SPIN-код: 5193-0379
Тел.: 8-903-418-50-75
E-mail: danilomaster80@mail.ru
Kireev Ivan Mikhailovich -
Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher,
Head of the Laboratories for Development
of Measuring Instruments and Test Equipment
Novokubansk branch
FSBSI «Russian Research Institute
of Information and Technical and Economic Research
on Engineering and Technical Support
of Agro-Industrial Complex»
Novokubansk
RSCI SPIN-code: 4348-1536 Tel.: 8-918-157-80-53 E-mail: zinakoval@mail.ru
Danilov Mikhail Vladimirovich -
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Processes and Machines in Agrobusiness
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
RSCI SPIN-code: 5193-0379 Tel.: 8-903-418-50-75 E-mail: danilomaster80@mail.ru
№ 4(40), 2020
Коваль Зинаида Михайловна -
кандидат технических наук, главный научный сотрудник лаборатории разработки средств измерений и испытательного оборудования Новокубанский филиал
ФГБНУ «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» г. Новокубанск РИНЦ SPIN-код: 1378-2953 Тел.: 8-918-450-67-82 E-mail: zinakoval@mail.ru
Koval Zinaida Mikhailovna -
Candidate of Technical Sciences, Chief Researcher of the
Laboratories for Development of Measuring Instruments
and Test Equipment
Novokubansk branch
FSBSI «Russian Research Institute
of Information and Technical and Economic Research
on Engineering and Technical Support of Agro-Industrial
Complex»
Novokubansk
RSCI SPIN-code: 1378-2953 Tel.: 8-918-450-67-82 E-mail: zinakoval@mail.ru
Высочкина Любовь Игоревна -
кандидат технических наук, доцент кафедры
процессов и машин в агробизнесе
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
РИНЦ SPIN-код: 3608-6717
Тел.: 8-961-483-07-99
E-mail: lubasha_vis_67@list.ru
Vysochkina Lubov Igorevna -
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Processes and Machines in Agrobusiness
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
RSCI SPIN-code: 3608-6717 Tel.: 8-961-483-07-99 E-mail: lubasha_vis_67@list.ru
Марченко Вячеслав Олегович -
научный сотрудник лаборатории разработки средств измерений и испытательного оборудования Новокубанский филиал
ФГБНУ «Российский научно-исследовательский институт информации и технико-экономических исследований по инженерно-техническому обеспечению агропромышленного комплекса» г. Новокубанск РИНЦ SPIN-код: 9947-9853 Тел.: 8-918-456-61-59 E-mail: zinakoval@mail.ru
Marchenko Vyacheslav Olegovich -
Researcher of the Laboratories for Development
of Measuring Instruments and Test Equipment
Novokubansk branch
FSBSI «Russian Research Institute
of Information and Technical and Economic Research
on Engineering and Technical Support
of Agro-Industrial Complex»
Novokubansk
RSCI SPIN-code: 9947-9853 Tel.: 8-918-456-61-59 E-mail: zinakoval@mail.ru
Защита сельскохозяйственных земель от негативных природных факторов лесополосами доказана практикой на основе исследований, проводимых В. В. Докучаевым, и имеет важнейшее значение для существования человечества. В настоящее время многие защитные лесополосы зарастают кустарниками, ветви деревьев нависают над краем полей, что затрудняет обработку части поля. В таких условиях хорошо сохраняются и размножаются болезни и вредители сельскохозяйственных культур. Основную опасность, которую несут вредители полей - нанесение значительной порчи или полная гибель урожая. Поэтому выполнение профилактических мер и своевременная борьба с таким опасным врагом, как вредители зерновых, зернобобовых и других культур, является важной задачей [1, 2]. Для выполнения этой задачи в настоящее время отсутствует способ краевой обработки поля для уничтожения сорняков и вредителей, зимующих в полезащитных лесополосах [3]. Краевая обработка поля, как правило, осуществляется с применением штанговых опрыскивателей [4].
Недостатком краевого опрыскивания полей штанговым опрыскивателем является то, что по причине опасного контакта края штанги с краями разросшихся лесопосадок остается необработанной полоса до 5-6 метров, на которой и в основании лесопосадки концентрируется
большое количество вредителей [4]. Обработка полос, примыкающих непосредственно к лесопосадке, требует применения дополнительных технических средств. Однако аэрозольные струи, создаваемые такими техническими средствами, как вентиляторные опрыскиватели, генераторы аэрозолей, практически неуправляемы и существенно зависят от метеоусловий.
Теоретические исследования были положены в основу создания универсальной конструкции, позволяющей проводить химическую обработку основным способом опрыскивания краевых полей щелевыми распылителями, расположенными на штанге, и одновременное опрыскивание прилегающих полос к лесозащитным насаждениям и их оснований за счет использования воздушно-капельного потока. Для решения такой задачи навесной к трактору МТЗ-80 штанговый опрыскиватель был оснащен осевым вентилятором с гидронасосом и соплом со щелевыми распылителями на его плоском наконечнике (рис. 1).
Наиболее рациональным и высокопроизводительным способом защиты краевых участков поля от вредителей, находящихся в лесопосадках, является химическая защита путем подачи воздушно-капельного потока пестицидов определенными размерами капель в зависимости от типа биологических объектов.
Для получения таких капель целесообразно использовать широко применяемые в практике щелевые распылители, которые обеспечивают плоские факелы распыла жидкости. Универ-
6
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
сальное применение щелевых распылителей является результатом их принципа действия, как в штанговом опрыскивателе (рис. 2, вид а), так и на наконечнике сопла при подаче факелов распыла жидкости под углом в воздушный поток для инжектирования капель распыливае-мой жидкости (рис. 2, вид б).
Плоский факел распыла жидкости наиболее целесообразно направлять под неболь-
шим углом в самом начале выхода воздушной струи для обеспечения инжекции капель и их транспортирования в основание лесопосадок в форме воздушно-капельной системы с различными диаметрами капель. Создаваемые щелевыми распылителями размеры капель согласно принятой методике оценивали по 8 категориям в зависимости от их размера [5].
Рисунок1 - Общий видштангового опрыскивателя,оснащенногосоплом сощелевыми распылителями на его плоском наконечнике
Рисунок2 - Плоскиефакелыраспылажидкости:а)плоские факелы распылажидкости от сопелщелевыхраспылителей, установленныхнаштангеопрыскивателя; б)плоские факелы распыла жидкостиот сопелщелевыхраспылителей,установленныхсверхуи снизуплоского сопла под углом к воздушному потоку для инжектирования
Особенностью применения таких капель является то, что определенные соотношения массовых расходов воздуха и жидкости в капельной форме позволяют определять распространение воздушно-капельной системы и точный расчет поуравнениювоздушнойструи[6]
мшах _ _
(1)
ах
+ 0,41'
где
итах - скорость воздушного потока на оси основного участка струи, м/с; и0 - скорость воздушного потока в начальном сечении сопла, м/с;
50 -половинатолщины плоскогосопла,м; х- расстояние от начального сечения струи, м; а «0,09-:-0,12 - коэффициент структуры плоской струи [6].
Для эффективного проникновения капель пестицида в просветы ветвей деревьев полезащитных насаждений необходимо создание интенсивной струи воздуха. С этой целью предлагается использовать осевой вентилятор с гидромотором, обеспечивающим его привод от гидросистемы трактора. В расчетах принят диаметр корпуса вентилятора 0,62 м, с создаваемым расходом воздушного потока 22 000 м3/ч (6,1 м3/с). Такого типа вентиляторы используются при опрыскивании многолетних насаждений и в штанговых опрыскивателях с воздушным рукавом при опрыскивании растений.
Для формирования воздушного потока от вентилятора применено коническое сопло с углом конусности 13о в форме конфузора, име-
в
естник АПК
Ставрополья
№ 4(40), 2020
ющее плоский наконечник. Воздушная струя из такого сопла имеет высокую дальнобойность [8].
Длина сопла и площадь его выходного сечения определялись путем гомотетии с коэффициентом гомотетии усеченного конуса к, равным
/ а
к = —, (2) Н
где Н- высота конуса, м.
Радиус круга в сечении равен
Н
(3)
5 =
я2 .
(4)
стью и0 = 20 м/с на расстоянии от сопла х = 20 м среднее значение относительной скорости струи сотавляет итах/и0 = 0,345.
Внутри сопла воздушный поток от вентилятора претерпевает местные потери напора [9]. Потери напора в конфузорном исполнении сопла Кк состоят из потерь на трение Ктр и потерь на постепенное сужение Кпс:
К = Кр + Кс- (5)
Потери напора на постепенное сужение Кпс определяются по формуле:
где Я - радиус основания конуса (сопла), м.
Следовательно, площадь сечения конуса определяется
(6)
где Слс - коэффициент постепенного сужения.
Коэффициент внезапного сужения определяется по формуле
с„
(7)
Например, при значении радиуса Я = 0,31 м в основании конуса из прямоугольного треугольника, получающегося в сечении конуса по его оси Н, а также значения тангенса угла 82,5о = 9,255, отсюда Н равняется 2,87 м. С учетом калибра сопла в форме конфузора, равного двум, высоту усеченного конуса (длину сопла) можно принять равной 0,72 м, при которой:
- расстояние С от вершины конуса до усеченной области равно 2,15 м;
- радиус круга г в сечении конуса равен 0,232 м;
- площадь сечения конуса 5 равна 0,169 м.
Ширина плоского наконечника сопла должна
обеспечивать подачу в начальный участок воздушной струи капель щелевым распылителем с углом факела распыла 100о. Углы факела распыла жидкости при повышенных ее давлениях могут достигать значений до 120о. Поэтому ширина плоского сечения сопла должна равняться 0,47 м. При такой ширине сопла подача факела распыляемой рабочей жидкости в начальный участок плоской воздушной струи должна осуществляться с расстояния 0,2 м под небольшим углом. Для обеспечения равенства площадей поперечного сечения плоского сопла и усеченного сечения конуса (5 = 0,169 м2) толщина плоского сечения сопла должна быть равна 0,36 м, а его площадь 5 = 0,17 м2.
Возможность пневматического транспортирования капель рабочей жидкости определяется скоростью воздушного потока с учетом их витания.
Для размеров капель, создаваемых щелевыми распылителями: 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,15; 0,1 и 0,08 мм, скорости витания составляют 1,94; 1,48; 1,05; 0, 65; 0,46; 0,28 и 0,19 м/с соответственно [8]. Причем такие разные по размерам капли жидкости оседают на обработанной поверхности из-за наличия таких факторов, как сила инерции (для крупных капель) и турбулентная диффузия (для мелких капель).
Расчет по уравнению (1) показывает, что при выходе воздуха из плоского сопла со скоро-
= 0,33,
V0 У
где в - коэффициент сжатия струи [9].
После проведенных расчетов при Спс = 0,076 потери напора на постепенное сужение равны Ипс = 1,55 м, а потери давления на постепенное сужение в конфузоре (внутри сопла), рассчитанные по формуле
Рпс = К™ • Рв • 8 = 18,22 Па. Потери напора на трение Ктр в конфузоре определяются по следующей зависимости:
8 вт а / 2
Ч И У
(8)
где
X - коэффициент гидравлического трения; п = ю1/ю2 - степень сужения сечения сопла; ю1 - площадь основания сопла 0,302 м2 (равняется площади корпуса вентилятора); ю2 - площадь сопла 0,169 м2; 8 - ускорение свободного падения, м/с2.
Для исследуемого сопла степень сужения равна п = 1,7858.
Коэффициент гидравлического трения X вычисляют по формуле [8]
<9)
Яе0'25
Критерий Рейнольдса Яе определяется по формуле
и0 I
Яе = —, (10)
V
где I- ширина щели плоского сопла, I = 0,36 м;
V - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с.
При Яе = 45860, X = 0,01216, Ктр = 0,201 м, Ртр= 2,366 Па.
Общие потери давления до выхода воздушного потока в атмосферу равны Рус= 20,59 Па.
При выходе из плоского сопла воздуха в атмосферу сопротивление струи определяется коэффициентом £ по формуле [8]:
Л
Е^^™!!,,,,* *>естеик АПК
JQU Ставрополья
научно-практическии журнал
где Р - потери давления, Па;
рв - плотность воздуха, кгм~3; и0 - скорость воздуха при выходе из сопла, мс-1; е - относительный запас кинетическойэнергии в сечении начального участка струи:
«=1-0,21^, (12) 50
где 50 - полуширина сопла, равная 0,18 м;
L - начальный участок струи, м(ЧС 10а-И2а) .
Длина начального участка: L = 1,03 50/а. Значения: L = 2,06^1,545 м.
При средних значениях: L = 1,8 м; ё = 0,79, а = 0,1 - потери давления при выходе струи воздуха из плоского сопла в атмосферу,об2ел2вле2-ные воздушной струей, равны АР = 50,4 Па. Общие потери давления составляютНус= 70,6 Па.
Для подачи капель к объектам обработки необходимо обеспечить скоростьстреиуа выхе-де из сопла и2 (м/с) и расход воздушного потока G (м3/с) [7]:
G = i£l2
2 gk —— Ö1U1 k-l 1 1 l-(^) *
Pi
IgkPl M 2 k k+\~ k
k- 1ц UiJ IAJ
(14)
где
Н/м3
На рисунке 3 показана работа по осаждению капельраспыляемой жидкости за пределами края штанги навесного опрыскивателя при рас-проотрааении воздушно-капельнойсистемы, создаваемой щелевыми распылителями и воз-дошаым потоком от внттаостероекмническим соплом.
Расстояние осашеддаиакетесь па зредема-ма ею я штанги оп р ^к^^а^ п^с^ ^ то ншзуальшому осаждению капель на поверхности, наблюдаемому в течшниьопандеийннегоштомежуткз вреде-ни после начала опыта. Среднее значение такого омозшункнк соетачмзмь5 м, кваорзыможон Г^ьа ь больше или меньше в зависимости от скорости йoздyднвгo тппока, еоздаваемсмш венмомяиап ром, а также от применяемых стел с различной дисперсностью и порядком их расположения для иомштт фшсанми ьшопынш и воздушный пыкок.
(13)
к= ср/сv - показатель адиабаты, равный 1,4; р1 - давление газа во входном сечении сопла, Па (1 Па = Н/м2);
и = — удельный объем воздуха, У
У = Р g - удельный вес, равный весу 1 м3 данного
вещества, Н/м3; р' - давление внешней среды, Па; 02 - поперечное сечение сопла, м2.
Коэффициенты скорости ф и расхода ц воздуха для конического сходящегося сопла (8 = 13° 24') равны: ф = 0,963 и ц = 0,946 [7].
Расчет по уравнениям 13 и 14 показывает, что при атмосферном давлении 101,5 кПа и давлении воздушного потока 300 Па, создаваемого вентилятором, скорость и расход воздуха на выходе из сопла равны 21 м/с и 1,145 м3/с соответственно.
Практическая оценка дальности распространения мелких капель полидисперсного аэрозоля является предметом самостоятельного исследования. Поэтому возможность применения разработанного метода технического средства оценивалась по осаждению крупных капель.
Рисунок 3 - Процесс осаждения капельной жидкости за пределы края штанги навесного
опрыскивателя при распространении воздушно-капельной системы, создаваемой
щелевыми распылителями и воздушным потоком от вентилятора с коническим соплом
Достоверность исследования подтверждена полученными результатами экспериментальной проверки технического средства. Для оптимизации размеров капель осаждаемой жидкости будет использован метод сканирования отпечатков капель, осевших на учетных карточках, с дальнейшей обработкой информации с помощью разработанной сотрудниками КубНИИТиМа компьютерной программы.
Литература
1. Ешеров Р. Р. Вредители зерновых культур в условиях засушливой зоны // Современные тенденции развития науки и технологий : сб. науч. тр. по материалам Между-нар. науч.-практ. конф. 2018. С. 44-45.
References
1. Esherov R. R. Pests of grain crops in arid zone // Modern trends in the development of science and technology : Collection of scientific papers based on the materials of the International Scientific and Practical Conference. 2018. P. 44-45.
№ 4(40), 2020
2. Захаренко В. А. Химическая защита растений в России в ХХ - начале XXI века: цифры и факты // Защита и карантин растений. 2007. № 12. С. 6-10.
3. Полезащитные лесные полосы стали неэффективны [Электронный ресурс]. 2020. URL: https://agroportal-ziz.ru/ articles/polezashchitnye-lesnye-polosy-stali-neeffektivny.
4. Ревякин Е. Л., Краховецкий Н. Н. Машины для химической защиты растений в инновационных технологиях : науч. аналит. обзор. М. : ФГНУ «Росинформагротех», 2010. 124 с.
5. Каталог TeeJet Technologies 50A-RU // TeeJet Technologies [Электронный ресурс]. 2016. URL: http://teejet.it/russian/home/ literature/catalogs/catalog-51a-ru.aspx.
6. Коваль З. М. Технологические характеристики пневмогидравлического распылителя для разработки штанговых опрыскивателей растений // Наука и современность. 2014. № 2 (2). С. 53-59.
7. Коровина Н. В. Создание аэрозольных сред с помощью автономных распылительных устройств, их эволюция и распространение в замкнутых объемах : дис. ... канд. физ.-мат. наук. Бийск, 2014. 120 с.
8. Киреев И. М., Коваль З. М. Защита растений от вредителей, болезней и сорняков пневмотранспортированием и осаждением на них капель рабочей жидкости // Новейшие исследования в современной науке: опыт, традиции, инновации. М. : Науч.-изд. центр «Открытие», 2015. С. 97-107.
9. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / под ред. М. О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1992. 672 с.
2. Zakharenko V. A. Chemical protection of plants in Russia in the XX - early XXI century: figures and facts // Plant protection and quarantine. 2007. № 12. P. 6-10.
3. Field protective forest belts have become ineffective [Electronic resource]. 2020. URL: https://agroportal-ziz.ru/articles/ polezashchitnye-lesnye-polosy-stali-neeffektivny.
4. Revyakin E. L., Krakhovetsky N. N. Machines for chemical plant protection in innovative technologies: scientific and analytical review. M. : FSSI «Rosinformagrotech», 2010. 124 p.
5. Catalog TeeJet Technologies 50A-RU // TeeJet Technologies [Electronic resource]. 2016. URL: http://teejet.it/russian/home/ literature/catalogs/catalog-51a-ru.aspx.
6. Koval Z. M. Technological characteristics of a pneumohydraulic sprayer for the development of boom-type plant sprayers // Science and Modernity. 2014. № 2 (2). P. 53-59.
7. Korovina N. V. Creation of aerosol media using autonomous spraying devices, their evolution and distribution in confined spaces : dissertation of the Candidate of physical and mathematical sciences. Biysk, 2014. 120 p.
8. Kireev I. M., Koval Z. M. Protection of plants from pests, diseases and weeds by pneumatic transport and deposition of droplets of working fluid on them // Latest research in modern science: experience, traditions, innovations. M. : Scientific-Publish Center «Otkrytie», 2015. P. 97-107.
9. Idelchik I. E. Handbook on hydraulic resistance / under the editorship of M. O. Steinberg. 3rd edition, revised and supplemented. M. : Mashinostroenie, 1992. 672 p.
