CC BY
30
УДК 631. 33.022
СТУПЕНЧАТОЕ НАНЕСЕНИЕ ЗАЩИТНО-СТИМУЛИРУЮЩЕГО ПРЕПАРАТА НА СЕМЕНА ЗЕРНОВЫХ И ЗЕРНОБОБОВЫХ КУЛЬТУР ПРИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКЕ
В.И. Сыроватка, академик РАН, зав. лабораторией
ФГБНУ ВНИИМЖ
E-mail: [email protected]
М.В. Запевалов, доктор технических наук
Н.С. Сергеев, доктор технических наук
Южно-Уральский государственный аграрный университет
E-mail: s.n.st@ mail.ru
Аннотация. Одним из эффективных способов защиты растений от болезней и воздействия вредителей является протравливание семян с использованием ядохимикатов, при этом наибольшее предпочтение отдается увлажненной обработке. При данной обработке влажность семян увеличивается не более чем на 1%, поэтому последующая сушка не требуется. Рабочий раствор, состоящий из воды, ядохимикатов, стимуляторов роста растений и других присадок, при мелкодисперсном распылении обеспечивает равномерное его нанесение на поверхность обрабатываемых семян и лучшее его закрепление. Высокоэффективное действие комплекса защитно-стимулирующих препаратов проявляется при соблюдении полноты обработки и равномерности его распределения как между отдельными семенами, так и на поверхности каждого семени. Это предполагает, в свою очередь, высокий уровень технологии обработки семян, выдержать который имеющимися техническими средствами не всегда удается. Рассматривается ступенчатое нанесение защитно-стимулирующих препаратов на семена сельскохозяйственных культур при предпосевной их обработке. Первоначально обработка производится в результате перекрестного взаимодействия вертикально движущегося дисперсного, кольцевого потоков семян и горизонтального дисперсного потока рабочего раствора, а затем обработка семян дисперсным потоком раствора при их скатывании по наклонной поверхности. В результате исследований получены аналитические и эмпирические зависимости движения кольцевого потока семян в один слой, обоснованы рациональные параметры конусного распределителя семян и дозатора. Рассмотрен принцип осаждения капель раствора на поверхности семян на первой и второй ступени. Показано, что формирование кольцевого потока семян, внутри которого от центра к периферии направлены два раздельных потока рабочего раствора, обеспечивает равномерное нанесение защитно-стимулирующих препаратов на поверхность семян, что повышает качество их обработки.
Ключевые слова: семена, болезни и вредители, защитно-стимулирующие препараты, ступенчатая обработка, камера протравливания, параметры.
Актуальность темы. Будущий урожай сельскохозяйственных культур напрямую зависит от семенного фонда. При хранении семян формируется богатая микрофлора. Зачастую семена подвержены воздействиям опасных заболеваний, таких, как фузариоз, гельминтоспориоз корневых гнилей, септо-риоз и др. Каждый процент инфицирования семян возбудителями фузариоза снижает урожайность на 1,6-2,4%, гельминтоспориоза - на 1,0-1,4% [1]. Одним из рациональных методов защиты растений от болезней и поч-
венных вредителей является предпосевная обработка семян химическими препаратами. При этом предпочтение отдается защитно-стимулирующим препаратам, содержащим элементы как подавляющие патогенную флору на семенах и в почве, так и элементы, обеспечивающие благоприятные условия для роста и развития растений. Зачастую в состав рабочих растворов таких препаратов входят прилипатели, которые способствуют лучшему закреплению его на поверхности семян. Однако применение растворов защит-
но-стимулирующих препаратов с прилипате-лями затруднительно в устройствах со щелевыми распылителями. При работе такие распылители забиваются, нарушая технологический процесс.
Обработка семян защитно-стимулирующими препаратами осуществляется различными способами, при этом процессы, происходящие в различных типах машин, предназначенных для обработки семян, зачастую отличаются. Чаще всего для этого применяются протравливатели камерного типа. При этом, независимо от способа взаимодействия препарата и семян, качество их обработки оценивается тремя основными показателями:
1. Равномерностью нанесения препарата на поверхность семян по площади (оценочным показателем является отношение площади поверхности семян с нанесенным препаратом к общей площади семян).
2. Изменение влажности семян на выходе из машины после их обработки.
3. Повреждение семян в процессе их обработки.
Процесс нанесения препарата на семена составляет основу их химической предпосевной обработки. Основная задача при нанесении препарата на семена заключается в обеспечении покрытия всей поверхности семени частицами препарата. От качества его выполнения во многом зависит эффективность защиты растений. Однако даже при электростатической противоположной зарядке частиц препарата и семян, при одноступенчатой обработке полнота покрытия обеспечивается не более чем на 75-80%. Следовательно, нанесение препарата на семена целесообразно осуществлять поэтапно, что позволит обеспечить полноту их обработки с соблюдением заданного количества рабочего раствора [2,3].
Целью исследований является повышение эффективности предпосевной обработки семян зерновых и зернобобовых культур защитно-стимулирующими препаратами.
Материалы и методы. Предлагается процесс нанесения защитно-стимулирующего препарата на семена осуществлять в камере протравливания в два этапа. Первона-
чально в результате перекрестного взаимодействия двух дисперсных потоков - вертикально-движущегося кольцевого потока семян и горизонтально движущегося потока рабочего раствора [4,5]. Обработанные семена поступают на наклонную поверхность, при скатывании семян по ней осуществляется повторное нанесение раствора (рис.1).
Наилучшего качества нанесения защитно-стимулирующего препарата на семена в свободном их падении можно добиться при однослойном движении потока семян [6].
Рис. 1. Принцип нанесения защитно-стимулирующего препарата на поверхность семян:
1 - дозирующая заслонка; 2 - семена; 3 - конусный распределитель семян; 4 - электродвигатель; 5 - трубка подачи рабочего раствора; 6 - распылитель рабочего раствора; 7 - приемная воронка;
I, II - первая и вторая ступени обработки семян; А - зона распыления препарата; Н0-Н,- - высота потока зерна по сечениям
Достигается данное условие при определенном сочетании таких параметров, как угол по вершине конусного распределителя семян 2а, длина образующей распределителя £кон, высота подъема дозирующей заслонки
Н и ее радиус = Д/2 (рис. 2). Требуется установить закономерности изменения толщины потока семян при движении по конической поверхности в зависимости от параметров распределителя.
Боковую площадь усеченного конуса с учетом параметров h и Ькон можно представить в виде:
S6oK = 2п • h(LK0H • sin а + h • cos а) , (2) где h - высота слоя зернового потока, м; ^кон - длина образующей конуса, м; а - половина угла конуса, град.
Таким образом, длину образующей Ькон можно выразить как:
56oK-n-ft2-cosa
-^кон
Рис. 2. Параметры конусного распределителя семян
Распределение потока семян после выхода из дозирующего устройства происходит по определенной закономерности, при этом высота слоя на выходе задается высотой поднятия дозирующей заслонки Н, а начальная скорость у0 - сыпучестью зерна, углом конусности 2а и коэффициентом трения о поверхность конуса. В процессе движения семян от вершины распределителя до его основания с увеличением длины окружности конуса толщина потока к будет уменьшаться. При этом сечение потока семян можно представить в виде боковой площади усеченного конуса £бок, м2, с образующей к и радиусами Я, г (АСЕМ, рис. 2), которая определяется как [7]:
5бок = 2п^Л(й+г) , (1)
где к - толщина потока семян как образующая усеченного конуса, м; Я - больший радиус усеченного конуса, равный на выходе из дозирующего устройства радиусу трубчатого дозатора Яа = Д/2, м; г - меньший радиус усеченного конуса, м.
(3)
При увеличении параметров R и r образующая усеченного конуса (А1'2-2) уменьшается с сохранением первоначальной боковой площади, заданной на выходе из щели. При определении расстояния от вершины конусного распределителя до зоны перехода потока семян в один слой определим начальную площадь поверхности слоя, которая будет иметь форму усеченного конуса с образующей = Hd • sina. Таким образом, боковая площадь усеченного конуса на выходе потока из дозирующего устройства зависит от начальных параметров дозатора и конусного распределителя:
5бок = п • • sin a (2fid — Hd • cos a • sin a) , (4) где Hd - высота подъема дозатора, м; Rd -радиус дозирующей заслонки, м.
Результаты исследований. С увеличением угла по вершине конусного распределителя и высоты подъема дозирующей заслонки боковая площадь рассматриваемого усеченного конуса, а следовательно, и пропускная способность увеличиваются, однако работоспособность устройства ограничивается коэффициентом трения п (рис. 3). Для зерновых культур коэффициент трения зерна о стальную поверхность изменяется в пределах п = 0,35-0,55, что соответствует пределам изменения угла ß = 20-29° или угла при вершине конуса a = 70-61°. В связи с этим принято следующее ограничение: 30 < a < 60°.
С учетом полученных выражений после ряда преобразований зависимость длины участка образующей распределительного конуса относительно вершины, на которой поток семян переходит в один слой, можно описать выражением
Q 1 ----Л ■ ctg a , (5)
где ( - расход семян при начальной скорости движения V).
0,36
0,32
0,28
0,24
0,20
/
л = 0,55 / / /
л = о,; //
л^оЗ 1 = 0,3
С целью подтверждения результатов теоретических расчетов были проведены экспериментальные исследования и составлены эмпирические зависимости толщины движущегося потока семян по длине образующей конуса при варьировании параметрами а и Ндоз. На рисунке 5 представлены теоретическая и экспериментальная зависимости изменения толщины потока семян. Из графика видно, что при угле конуса 2а = 100° и подъеме дозирующей заслонки на 0,09 м переход потока семян в один слой достигается при длине образующей конуса 0,26-0,27 м.
0.0? Hd.lv
Рис. 3. Зависимость боковой площади усеченного конуса от высоты подъема дозирующей заслонки при разных углах по вершине конуса а
При задании исходных параметров (а, п, ^доз) и высоты слоя в одно зерно (при среднем размере зерна, например, для пшеницы Ишш = 0,004 м) уравнение позволяет определить длину образующей конуса от вершины до точки перехода потока в один слой. Таким образом, минимальная длина образующей конуса, обеспечивающая переход зерна в один слой, достигается при величине угла а в пределах 40-50° (рис. 4). При этом длина образующей конусного распределителя при радиусе дозирующей заслонки 0,07 м должна быть не меньше 0,26 м, что обеспечивает переход потока зерна в один слой при максимальном расходе для культур, характеризующихся наибольшим коэффициентом трения.
Ьк, м 0,40
20 30 40 50 60 70 а° Рис. 4. Зависимость длины образующей конусного распределителя семян Ькон от угла а при разных коэффициентах трения п (Ндоз = 0,09 м)
Рис. 5. Теоретическая и экспериментальная зависимости изменения толщины потока семян при движении по образующей конусного распределителя (а = 50°, Ндоз = 0,09 м)
Экспериментальные значения несколько отличаются от теоретически полученных значений. Это можно объяснить тем, что в расчетах не учитывалось взаимодействие зерен при движении, а также их конфигурация. При экспериментальных исследованиях в процессе движения зерна по конусному распределителю образовывался фон (при соударении и вращении зерен), который не позволял с достаточной точностью определить высоту слоя при фотографировании.
Формирование верхнего и нижнего дисперсных потоков рабочей жидкости осуществляется центробежно-роторным распылителем, который имеет форму диска, на котором в средней его части имеются сквозные отверстия, а кромка выполнена в виде «ласточкиного хвоста» [8].
В процессе ротационного распыления жидкости выделяют три основные стадии: течение жидкости по поверхности распылителя; определение капель жидкости за его
кромкой; движение капель в газовом потоке. На характеристики распыла оказывают влияние различные факторы. В первую очередь они зависят от свойств рабочей жидкости и ее количества, подаваемого на распылитель, конструктивных параметров и режимов работы распылителя.
В результате распыления рабочей жидкости ротационными распылителями при малых расходах жидкости образуются в большей степени капли одинакового размера и незначительное количество мелких капель-спутников. При этом факел верхнего распыла на расстоянии свыше 0,2 м от оси вращения распылителя имеет угол раскрытия до 10° и сравнительно однородное распределение капель по высоте, что позволяет считать границы факела распыла близкими к параллели. Так как равномерность и полнота нанесения препарата на семена зависят от концентрации капель в зоне взаимодействия их с семенами, то при заданном количестве рабочей жидкости, подаваемой на распылитель, концентрация капель КК в зоне их взаимодействия с семенами будет составлять
КК =-^-, (6)
к тк -2гс•Др • йф •Ук где КК - концентрация капель в факеле распыла, шт/м ; - расход рабочей жидкости, подаваемой на распылитель, кг/с; тК -масса капли, кг/шт.; ЯР - радиус распыла, м; ИФ - высота факела распыла, м; иК - скорость движения капли, м/с.
Масса капли зависит от ее размера и плотности рабочей жидкости, которая, в свою очередь, зависит от вида защитно-стимулирующего препарата и может быть определена как
Шк=3п^к3-Рж , (7)
где рЖ - плотность рабочей жидкости, кг/м3; гК - радиус капли, м.
Радиус большего количества капель может быть определен выражением [9]:
с
гк = :гт
2МрЛ Гр •рж
(8)
где С - константа (С = 1,8.. .4,6); юР - угловая скорость распылителя, с-1; оЖ - поверхностное натяжение жидкости; гР - радиус распылителя, м.
Под действием силы тяжести т3 •£, приложенной к центру массы, зерно движется в потоке сверху вниз и приобретает какое-то устойчивое положение. Размеры зерна значительно превышают размеры распыленных капель. На движущееся в потоке зерно воздействуют капли рабочей жидкости, движущиеся в перпендикулярном его движению направлении. Происходит своего рода бомбардирование зерна этими каплями, в результате которого они оседают на поверхности. Если форму зерна принять за сферу, то в перекрестном взаимодействии потоков зерна и рабочей жидкости происходит осаждение капель только на У поверхности зерна (рис. 6).
Рис. 6. Схема осаждения частиц на поверхность зерна при перекрестном их взаимодействии
В результате обработки зерна на первой ступени его масса увеличится на массу осевшей рабочей жидкости тЖ, которая определяется как произведение общего количества капель, осевших на поверхности зерна, на массу одной капли:
шж = Пк • шк , (8)
где ПК - количество капель, осевших на поверхности зерна, шт.
Количество капель, осевших на поверхности зерна, зависит от концентрации капель в потоке КК, скорости движения капель в факеле распыла и зерна в потоке, Миделевого сечения зерна и времени его нахождения в факеле распыла. Выражение для определения общего количества осевших на поверхности зерна капель может быть представлено в виде
Пк = + ад^м • Э • ^ , (9)
где иЗ - скорость движения зерна в по-
токе, м/с; 5М - Миделевое сечение семени, м ; Э - коэффициент осаждения капель на поверхность зерна (при простом инерционном осаждении Э = 1); Ь - время нахождения зерна в факеле распыла первой ступени, с.
Продолжительность нахождения зерна в факеле распыла определяется как
(10)
_ Ьф
и — — .
С учетом выражений (7 и 9) масса рабочей жидкости, осевшей на одном зернышке, определяется выражением:
™ж — -&3 + UK)n • гК3 • Рж • ^К • ^М • Э • t .
(11)
Масса зерна после первой ступени обработки составит сумму массы зерна до обработки тЗ и массы осевшей жидкости тЖ. При этом центр тяжести зерна отклонится в сторону обработанной поверхности на величину плеча к, в результате чего появится сила F = (Ш3 + шж) • % • к, под действием которой зерно развернется обработанной поверхностью вниз. При движении в этом положении по наклонной поверхности приемной воронки производится вторая ступень обработки нижним дисперсным потоком рабочего раствора (рис. 7).
Рис. 7. Схема обработки зерна при движении по наклонной поверхности
Опытные образцы протравливателей семян зерновых и зернобобовых культур с двухступенчатым нанесением защитно-стимулирующего препарата изготовлены в мобильном и стационарном исполнениях прошли производственную проверку и показали хорошие результаты [10-13].
Выводы.
1. Распределение потока семян зерновых культур посредством конусной поверхности является одним из эффективных способов, так как на семена не действуют внешние силы, кроме их силы тяжести. Это, в свою очередь, значительно упрощает само устройство и технологический процесс.
2. Предложенные конструкции дозатора и распределителя семян позволяют осуществлять движение кольцевого потока семян с использованием сил гравитации в один слой без их повр еждения.
3. Формирование верхнего и нижнего дисперсных потоков рабочего раствора обеспечивает ступенчатое, равномерное его нанесение по всей поверхности обрабатываемых семян.
Литература:
1. Научные основы защиты растений. М., 1984. 306 с.
2. Пат. 2370937 РФ. Протравливатель семян / Запева-лов М.В. и др. Заяв. 24.04.08, Опубл. 27.10.09
3. Запевалов М.В. Протравливатель семян // Сельский механизатор. 2011. №11. С. 6-7.
4. Запевалов М.В., Сергеев Н.С. Совершенствование средств механизации для протравливания семян // С.-х. машины и технологии. 2012. №1. С. 22-24
5. Запевалов М.В., Мухамадиев В.Э. Исследования движения зерна по конической поверхности // Достижения науки - агропромышленному производству. Челябинск: ЧГАА, 2011. Ч. 3. С. 24-28.
6. Запевалов М.В. Протравливатель с двухступенчатым нанесением защитно-стимулирующего препарата на семена // Сельский механизатор. 2014. №11. С. 14.
7. Запевалов М.В., Сергеев Н.С., Мухамадиев В.Э. Обоснование основных параметров конусного распределителя семян камеры протравливания // Достижения науки и техники АПК. 2012. №12. С. 61-63.
8. Емкости для сыпучих грузов в транспортно-грузо-вых системах / И.В. Горюшинский и др. Самара, 2003.
9. Монодисперсные аэрозоли. М., 1973.
10. Запевалов М.В., Тухбатов И.А. КИС-10/20: экономичность и надежность // Нивы Урала. 2004. №1.
11. Запевалов М.В., Лобач Л.В. Самоходный протравливатель семян зерновых и зернобобовых культур СПС-15 // Каталог науч. разработок. Челябинск, 2015.
12. Сыроватка В.И. Машинные технологии приготовления комбикормов в хозяйствах. М., 2010.
13. Сыроватка В.И., Карташов С.Г. Производство комбикормов в хозяйствах. М., 1991.
Literatura:
1. Nauchnye osnovy zashchity rastenij. M., 1984. 306 s.
2. Pat. 2370937 RF. Protravlivatel' semyan / Zapevalov M.V. i dr. Zayav. 24.04.08, Opubl. 27.10.09
3
3. Zapevalov M.V. Protravlivatel' semyan // Sel'skij mek-hanizator. 2011. №11. S. 6-7.
4. Zapevalov M.V., Sergeev N.S. Sovershenstvovanie sredstv mekhanizacii dlya protravlivaniya semyan // S.-h. mashiny i tekhnologii. 2012. №1. S. 22-24
5. ZapevalovM.V., Muhamadiev V.EH. Issledovaniya dvi-zheniya zerna po konicheskoj poverhnosti // Dostizheniya nauki - agropromyshlennomu proizvodstvu. CHelyabinsk: CHGAA, 2011. CH. 3. S. 24-28.
6. Zapevalov M.V. Protravlivatel' s dvuhstupenchatym naneseniem zashchitno-stimuliruyushchego preparata na semena // Sel'skij mekhanizator. 2014. №11. S. 14.
7. Zapevalov M.V., Sergeev N.S., Muhamadiev V.EH. Obosnovanie osnovnyh parametrov konusnogo ras-
predelitelya semyan kamery protravlivaniya // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2012. №12. S. 61-63.
8. Emkosti dlya sypuchih gruzov v transportno-gruzovyh sistemah / I.V. Goryushinskij i dr. Samara, 2003.
9. Monodispersnye aehrozoli. M., 1973.
10. Zapevalov M.V., Tuhbatov I.A. KIS-10/20: ehkono-michnost' i nadezhnost' // Nivy Urala. 2004. №1.
11. Zapevalov M.V., Lobach L.V. Samohodnyj protravlivatel' semyan zernovyh i zernobobovyh kul'tur SPS-15 // Katalog nauch. razrabotok. CHelyabinsk, 2015.
12. Syrovatka V.I. Mashinnye tekhnologii prigotovleniya kombikormov v hozyajstvah. M., 2010.
13. Syrovatka V.I., Kartashov S.G. Proizvodstvo kombikormov v hozyajstvah. M., 1991.
THE STEP'S APPLICATION OF PROTECTIVE-STIMULATING PREPARATION ON THE SEEDS OF GRAIN AND LEGUMINOUS CROPS AT THE PRESOWING TREATMENT V.I. Syrovatka, RAS academician, laboratory chief FGBNY VNIIMJ
M.V. Zapevalov, doctor of technical sciences N.S. Sergeev, doctor of technical sciences South-Ural state agrarian university
Abstract. One of the effective ways of plants' protection from diseases and pests is the poison impact at seed trea t-ment with pesticides' using, when the greatest preference has moist treatment. After this treatment the seed moisture content increases not more than in 1%, so that subsequent drying is not required. A working solution consisting of water, pesticides, plant growth's stimulants and other additives, at the mist spray provides of its un iform application on the treatment seeds' surface and its the best fixing. High effective influence of protective-stimulating complex of preparations appears at compliance with the completeness of processing and uniformity of its distribution as among individual seeds, and as on the each seed's surface. This implies, in turn, a seed treatment's technology high level, the existing technical means it can not always be sustain. The step's application of the protectively -stimulating preparations on the seeds of crops at pre-sowing processing is considered. Initially, processing is performed by cross-interaction of vertically moving disperse, ring flows of seeds and horizontal dispersed flow of the working solution, and then the seeds treatment is made by dispersed flow of solution at they rolling on an inclined surface. In the results of studies are obtained the analytical and empirical relationships of seeds' circular flow moving in a single layer, rational parameters of cone dispenser of seed and dispenser are justify. The principle of solution's droplets deposition on the seeds' surface on the first and second steps is shown. It is shown that the formation of the ring flow of seeds, inside of which from the center till the periphery are directed two separated working solution's flows, ensures the uniform application of the protective-stimulating preparations on the seeds' surface, that increases their processing's quality.
Keywords: seeds, diseases and pests, protective-stimulating preparations, step treatment, cell of poison impact, parameters.
