Обґрунтування технологічного процесу і режимів роботи робочих органів малооб’ємного виноградного обприскувача

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТАВРІЙСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АГРОТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 631.348

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування технологічного процесу і режимів роботи робочих органів малооб'ємного виноградного обприскувача

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Сєра Катерина Михайлівна

Мелітополь - 2011



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Південному філіалі Національного університету біоресурсів і природокористування України «Кримський агротехнологічний університет».

Науковий керівник - доктор сільськогосподарських наук, професор Догода Петро Ануфрійович Південний філіал Національного університету біоресурсів і природокористування України «Кримський агротехнологічний університет», професор кафедри сільськогосподарської техніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Пастухов Валерій Іванович Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, завідувач кафедри сільськогосподарських машин;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Савін Михайло Олексійович Національний науковий центр «Інститут виноградарства і виноробства ім. В.Є.Таїрова», завідувач відділу механізації виноградарства.

Захист відбудеться «14» червня 2011 р. о 13.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 18.819.01 при Таврійському державному агротехнологічному університеті за адресою: 72312, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр-т. Б. Хмельницького, 18

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Таврійського державного агротехнологічного університету за адресою: 72312, Запорізька обл., м. Мелітополь, пр-т. Б. Хмельницького, 18

Автореферат розісланий «13» травня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Т. Діордієв.



Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Виноград по своєму економічному значенню займає особливе місце серед інших сільськогосподарських культур. Виноградарство нерозривно пов'язане з виноробством і є одним з пріоритетних напрямів розвитку агропромислового комплексу АР Крим. У Криму виноградники займають більше 31,7 тис. га і мають тенденцію до збільшення. На думку експертів, їх оптимальна площа на півострові повинна складати близько 85-90 тис. га. Таким чином, можна прогнозувати збільшення попиту на спеціалізовану техніку для догляду за виноградними насадженнями.

У переліку рекомендованої до використання техніки бази даних Міністер-ства аграрної політики України представлено 74 машини для хімічного захисту рослин, з них тільки 13 виробництва України, з яких 5 - це вентиляторні обприскувачі. Актуальними є наукові дослідження, направлені на підвищення конкурентоспроможності вітчизняних машин, за рахунок розробки і впровадження енерго- і ресурсозберігаючих технологій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до Плану науково-дослідної роботи на 2006-2010 р.р. ПФ НУБіП України «КАТУ»: тема 1, розділ 15.4 «Створення нового малооб'ємного, маневреного, менш металоємного і менш енергоємного садово-виноградникового обприскувача», номер державної реєстрації 0107U001317.

Мета дослідження - знизити енергоспоживання і втрати пестицидів при обприскуванні виноградників через обґрунтування технологічного процесу і режимів роботи робочих органів малооб'ємного обприскувача залежно від площі листової поверхні рослин.

Завдання дослідження:

- провести аналіз стану і перспективних напрямів розвитку техніки і технологічного процесу обприскування;

- теоретично дослідити технологічні процеси, що відбуваються при мало-об'ємному обприскуванні виноградників;

- встановити теоретичні передумови для зниження енергоспоживаня і втрат пестицидів при обприскуванні;

- експериментально встановити закономірності проходження повітряно-рідинного потоку крізь крону куща;

- експериментально встановити діапазон регулювання подачі повітряного потоку на виноградниках;

- розробити механізм регулювання робочих органів обприскувача залежно від площі листової поверхні виноградних насаджень;

- визначити техніко-економічні показники ефективності запропонованих технологічних і технічних рішень.

Об'єкт дослідження - технологічний процес малооб'ємного обприскування виноградників.

Предмет дослідження - енергозбереження і економія пестицидів при обприскуванні через обґрунтування технологічного процесу і режимів роботи робочих органів малооб'ємного виноградного обприскувача.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження базуються на положеннях класичної аєро- і гідродинаміки (теорія турбулентних струменів, теорія прикордонного шару, теорія прилипання рідини, теорія фільтрування і осадження аерозолів), а також чисельного моделювання. Експериментальні дослідження проведені в лабораторних умовах на стендовій установці і в польових умовах на вентиляторному обприскувачі відповідно до СОУ 74.3-37-266:2005 «Випробування сільськогосподарської техніки. Обприскувачі тракторні та самохідні. Методі випробувань». При плануванні і проведенні лабораторно-польових досліджень використані багатофакторні експерименти. Отримані результати обробляли методами математичної статистики з використанням комп'ютерних програм.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше встановлено, що обприскування є процес фільтрування двохфазного аерозолю крізь крону рослини.

Вперше побудована модель технологічного процесу обприскування, яка надає можливість кількісно описати процеси, які відбуваються при обприскуванні рослин, виявляє закономірності руху потоку скрізь крону і може бути використана для проектування конструкції і режимів роботи робочих органів обприскувачів.

Вперше експериментально встановлений діапазон регулювання подачі повітряного потоку, що дозволяє забезпечити якісне енерго- і пестицидозберігаюче обприскування залежно від площі листової поверхні виноградних насаджень.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені рекомендації по вдосконаленню режимів роботи малооб'ємного обприскувача на виноградниках розглянуто і схвалено на Науково-технічній раді Міністерства аграрної політики Автономної Республіки Крим (протокол №3 від 05.11.2010 р.).

Розроблено гідро-кінематичну схему малооб'ємного виноградного обприскувача, яка дозволяє здійснювати регулювання режимів подачі повітряного потоку залежно від площі листової поверхні рослин. Технічна новизна отриманих рішень захищена патентами України на корисну модель №28593 і №28595. Запропоновано і впроваджено гідро-кінематичну схему конструкції обприскувача ОВН-300М у НВСГП «Наука» (м. Сімферополь). Техніко-економічна ефективність обприскувача підтверджена річним економічним ефектом на виноградниках 418,57 грн/га при впровадженні в ДП «Таврида» (м. Алушта).

Особистий внесок здобувача. Дисертація виконана автором самостійно. На підставі аналізу літературних джерел здобувачем виявлені передумови для зниження енерговитрат вентиляторних обприскувачів [1, 4]. Розвинуто теоретичну модель технологічного процесу обприскування як процесу фільтрування аерозолів скрізь проникну перегородку [6]. Отримано вихідні дані для проведення аналізу, розрахований енергетичний ефект від впровадження запропонованих в дисертації заходів [9]. Запропоновані конструкція механізму безступінчастого регулювання продуктивності вентилятора обприскувача [11] и конструкція пристрою для регулювання подачі потоку по висоті крони [12].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповілися на 5-ій міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки» (м. Харків, ХНТУСГ ім. П. Василенка, 2006 р.); на VI-й міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки» (м. Кіровоград, КНТУ, 2007 р.); на міжнародній науково-практичній конференції «Технічний прогрес в АПК» (м. Харків, ХНТУСГ ім. П. Василенка, 2007 р.); на 10-ій міжнародній науково-технічній конференції «Науково-технічні засади, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки і технологій» (м. Херсон, Південно-Українська філія УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого, 2008 р.); на щорічних науково-практичних конференціях ПФ НУБіП України «КАТУ» (м. Сімферополь, 2006...2011 р.р.); на міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми механізації сільськогосподарського виробництва» (м. Київ, НУБіП України, 2010 р.). За конкурсну роботу, виконану за матеріалами дисертації, у 2010 р. отримано Грант Верховної Ради Автономної Республіки Крим «За наукові досягнення у сфері пріоритетних напрямів розвитку Криму».

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 наукових праць у спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України, з них 6 - самостійні. Отримано 2 патенти України на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел з 144 найменувань. Основна частина викладена на 104 сторінках машинописного тексту, робота містить 39 рисунків 14 таблиць і 11 додатків. Повний обсяг дисертації складає 143 сторінки.

Основний зміст

У вступі представлено загальну характеристику роботи. Обґрунтовано актуальність теми, сформульовані мета і завдання досліджень, викладені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

Перший розділ «Вибір напряму досліджень» присвячено аналізу літера-турних джерел по темі дисертації і вибору напряму досліджень.

Основи теорії проектування і розрахунку вентиляторних обприскувачів закладені в працях таких вчених, як Нагірний Ю.П., Георгієв М.П., Болбочан Е.К., Леонтьева І.А., Хантадзе М.З., Гущин Е.Г., Прокопенко В.Ф., Войтюк Д.Г., Заїка П.М., Догода П.А. та ін. Проте, загальноприйнята на сьогоднішній день теорія турбулентних струменів не дозволяє повною мірою врахувати всі процеси що відбуваються при осадженні крапель в кроні рослини.

Дослідження умов роботи обприскувачів виявило, що обприскування виноградних насаджень проводять в середньому від 7 до 8 разів за календарний рік, в окремі роки - до 15 раз за сезон. Виноград є ліаною, що володіє винятковим різноманіттям форм і розмірів крони, які залежать від форми ведення куща, періоду вегетації та ін. Порівняльний аналіз сучасних вентиляторних обприскувачів і режимів їх роботи показав, що машини мають один або два режими подачі повітряного потоку, тобто фіксовану продуктивність вентилятора, яка у різних фірм-виробників варіюється в діапазоні від 12500 м³/ч до 65000 м³/ч.

Передумовами для зниження енерговитрат є регулювання режимів роботи обприскувача залежно від середовища експлуатації. В процесі розв'язання задачі зменшення енерго- і ресурсовитрат технологічного процесу обприскування використано методичні положення, розроблені такими вченими, як Медведовський О.К., Ільченко В.Ю., Пастухов В.І., Ярошенко П.П. та іншими вченими.

У другому розділі «Теоретичне обґрунтування технологічного процесу вентиляторного обприскування» проведено моделювання процесів, що відбуваються при вентиляторному обприскуванні рослин, запропоновані робочі гіпотези і теоретичні приклади їх практичного застосування. технологічний обприскування виноградник

Рис. 1. Схема обприскування.

Вважаємо, що процес обприскування - це процес фільтрування двофазного аерозолю крізь крону рослини.

Тоді суть процесу обприскування полягає у наступному (рис. 1). Приточний газовий потік, що складається з повітря L і крапель робочої рідини Q, проходить крізь крону рослину (фільтрувальну перегородку). Налітаючи на поверхню фільтрувальної перегородки, краплі затримуються і осідають. У результаті повітряно-рідинна суміш розділяється на повіт-ря і осад. Основний механізм уловлювання крапель на горизонтальних поверхнях є гравітаційне осадження, на вертикальних - інерційне зіткнення.

Тоді, з певними допущеннями, для опису технологічного процесу обприскування можна використовувати основне диференціальне рівняння фільтрування з утворенням нестискуваного осаду на нестискуваній перегородці

,(1)

де L - об'єм потоку що фільтрують (об'єм повітря), м³; S - площа поверхні фільтрування, м²; ф - тривалість фільтрування, с; Др - різниця тиску, Па; - в'язкість, Н·с·м^-2; R_ф.п. - опір фільтрувальної перегородки (рослини), м^-1.

Ліва частина рівняння (1) є швидкістю фільтрування (швидкість проход-ження потоку крізь крону), тобто кількість фільтрату, який проходить скрізь одиницю площі за одиницю часу

.(2)

Рекомендована швидкість подачі повітряного потоку для обприскування виноградників складає від 8 км/год до 15 км/год (швидкість фільтрування U=0,975…2,22 м/с). Рекомендована поступальна швидкість руху обприскувача - від 6 км/год до 8 км/год. Звідки знаходимо, що час дії потоку на 1 погонний метр (час фільтрування) ф = 0,45…0,6 с. Тоді із (2), теоретична подача повітряного потоку L на 1 погонний метр складає від 1,8 м³ до 4,5 м³. Отже, конструкція вентиляторного обприскувача має забезпечити регулювання подачі повітря у вказаному діапазоні.

Швидкість проходження потоку крізь крону так само можна описати рівнянням

U=Дp/(мЧR_ф.п.). (3)

Швидкість фільтрування пропорційна перепаду тиску Др на навітряній і підвітряній поверхнях рослини і обратнопропорційна опору R_ф.п куща.

Ефективність обприскування (фільтрування) визначається за формулою

,(4)

де Q_Ж - кількість рідини в потоці на вході в крону, м³; Q_П - кількість рідини, що перелетіла за межі крони, м³.

Рис. 2. Глибина проникнення потоку.

Регулювання роботи робочих органів обприскувача залежно від розмірів фільтрувальної перегородки слід здійснювати таким чином, щоб забезпечити максимально можливу ефективність фільтрування з_оч .

Проведено моделювання поведінки повітряно-рідинного потоку перед кроною (рис. 2). Процес проникнення рідини, що розпилюється, представимо рівнянням дифузії. Глибина проникнення потоку h=h(t) в паралелепіпед відстані від сопла до умовної границі куща це функція часу t. Переходячи до безрозмірної змінної о=z/h, в змінних о і t рівняння турбулентної дифузії можна представити у вигляді

(5)

де с - коефіцієнт діффундіровання; с - щільність середовища; л - коефіцієнт, зв'язаний із швидкістю заповнення об'єму; Т - концентрація; ?h₀/?t - показник при-росту шару; S - показник потоку; М - врахування впливу перемішування на концентрацію у напрямку вісі 0z.

Для розрахунку потоку в об'ємі застосовано експоненціальну залежність S(о) = S(0) exp(-бhо), де б - коефіцієнт ослаблення потоку.

Параметризацію рівняння (5) здійснено на основі рівняння кінетичної енергії турбулентності Е і швидкості її дисипації е:

(6)

де б_Е і б_е - безрозмірні величини; С₁ - функція числа Рейнольдса.

Числову реалізацію здійснено по наступному алгоритму.

1) Складається рівняння дифузії в кінцевих різницях:

(7)

2) Апроксимація рівняння для турбулентної енергії і швидкості її дисипації має вигляд:

,

,

, ,

; ;(8)

; .

3) На кожному кроці рішення перших двох рівнянь визначається методом прогонки.

4) Швидкості і до моменту рішення рівнянь (8) вже визначені з наступних рівнянь

(9)

5) Після визначення і знаходиться коефіцієнт турбулентної дифузії . Таким чином, маємо повністю неявну схему щодо величин Е і е, що забезпечує її стійкість і нелінійность.

Приведений алгоритм дозволяє здійснити числовий розрахунок процесу при різних поєднаннях параметрів для запропонованої моделі розподілу концерн-трації крапель рідини в будь-якій точці простору перед кроною рослини.

Перевага використання положень фільтрування аерозолів для розрахунку режимів робочих органів обприскувачів в тому, що вперше можливе кількісно обґрунтувати потрібну подачу повітряно-рідинного потоку (об'ємну або масову, залежно від мети розрахунків) з урахуванням фактичних розмірів рослини.

На основі системного підходу складена структурна схема підсистеми «Рослина» (рис. 3).

Рис. 3. Структурна схема підсистеми «Рослина».

Режим роботи вентилятора визначає кількість повітря L_В, що подається. Режими роботи насоса регулюють норму внесення пестициду Q_Ж. Від правильного вибору цих параметрів залежать якість і ефективність боротьби з шкідниками і хворобами винограду. Дисперсність розпилу і густина покриття листової поверхні є показниками якості виконання технологічного процесу обприскування. Дисперсність розпилу залежить головним чином від конструкції розпилювача, густина покриття листової поверхні залежить безпосередньо від режиму подачі повітряно-рідинного потоку. Тому саме густину покриття доцільно використовувати як критерій якості фільтрування.

Біологічні зміни рослини як фільтрувальної перегородки можна умовно розділити на дві групи: такі, що є функцією часу фп= f(t), і такі, що вимагають регулювання по висоті крони фп= f(Н).

Подачу повітряного потоку можна визначити як суму подач повітря по висоті крони

.(10)

Регулювання подачі повітряного потоку по висоті крони дозволить поліпшити якість обприскування за рахунок підбору швидкості фільтрування залежно від форми фільтрувальної перегородки.

Основним завданням роботи є необхідність експериментально встановити функціональні залежності подачі повітря від розмірів рослини як фільтрувальної перегородки L_B=f(фп).

Передумови для економії пестицидів. Розглянемо технологічний процес обприскування виноградних насаджень, коли на рослинах відсутнє листя, тобто фазі початку зростання лози, а також в період спокою виноградного куща (рис. 4).

Рис. 4. До обґрунтування ефективності використання пестицидів.

Під час обприскування частина пестицидів осідає на рослинах, частина на ґрунті в міжряддях, а деяка кількість зноситься за межі оброблюваної ділянки. Умовний ефективний об'єм, в якому відбувається осадження пестицидів приймаємо Щ_еф=0,63 м³ (де довжина А=0,35 м, ширина В=1 м, висота Н=1,8 м виноградного куща).

Із закону збереження маси для струменя газу відомо, що при сталій течії і відсутності розривів в рухомому середовищі, приток газу приймається рівним його витраті. Зрозуміло, що під дією сили тяжіння фаза рідини осяде з потоку на поверхнях, над якими перебуває двофазний газовий потік.

Порівняємо співвідношення ефективного об'єму осадження і об'єму притоку повітря L_прит, що змінюється в діапазоні від 1,5 м³ до 4,5 м³ (рис. 5). Об'єм притоку повітря до 7 разів перевищує потрібний ефективний об'єм осадження.

Рис. 5. Співвідношення об'єму осадження і притоку повітря.

Рис. 6. Залежність втрат пестицидів від подачі повітряного потоку.

Тоді П=( L_прит - Щ_еф) · 100 / L_прит, наприклад, П= (4,5 - 0,63)·100 /4,5 = 86 %.

Графік залежності втрат пестициду від подачі повітряного потоку представ-лено на рис. 6. Якщо площа уловлювання фільтрувальної перегородки мала, то вірогідність інерційного зіткнення крапель з поверхнею рослини низька. У такому разі має місце переліт краплі крізь рослину, а значить, збільшується ризик забруднення ґрунту пестицидами. За відсутності листової поверхні на рослинах непро-дуктивні втрати пестицидів за рахунок осадження в міжряддях винограднику складають від 58% до 86 %.

Робоча гіпотеза №1: «За відсутності листової поверхні у рослин завищена подача повітряно-рідинного потоку приводить до осадження більшості пестицидів в міжряддях. В результаті збільшуються матеріальні витрати на придбання пестицидів і собівартість обприскування; відбувається забруднення ґрунту пестицидами; виникає необхідність в додаткових матеріальних витратах на заходи щодо ліквідації наслідків забруднень».

Передумови для економії енергії. Теоретичний графік зв'язку між витратою енергії на створення потоку і площею листової поверхні виноградного куща показано на рис. 7.

Формування листової поверхні винограднику впродовж періоду вегетації залежить від густини посадки і формовки рослин (рис. 7, лінії 1-6, вісь Л ). Зростання листя починається на початку травня і триває до вересня, протягом періоду вегетації площа листової поверхні рослин змінюється від 0,001 м²/га до 13000 м²/га і більше.

Режими подачі повітряного потоку визначаються конструктивними можливостями вентиляторного обприскувача, а саме наявністю механізму регулювання. Як відомо, всі регулюючі пристрої і механізми можна розділити на три групи: із ступінчастим регулюванням, безступінчастим, без регулювання. Сумісний графік формування площі листової поверхні з графіком споживання потужності вентиляторним обприскувачем (рис. 7, вісь N).

Рис. 7. Режими роботи вентиляторного обприскувача протягом періоду вегетації: варіанти (формовка, число кущів на 1 га) 1 - вєєрна, 1600; 2 - вєєрна, 6666; 3 - вєєрна, 8888; 4 - кордонна на Т-образній шпалері, 3333; 5 - кордонна дворядна, 4000; 6 - кордонна з вільним розміщенням лози, 1333.

Порівняння регулюючих пристроїв показало, що введення в конструкцію вентиляторного обприскувача механізму безступінчастого регулювання подачі теоретично дозволяє знизити споживання енергії на 37%.

Робоча гіпотеза №2: «У випадку, коли технологічний процес допускає зменшення подачі повітря, понизити енерговитрати вентиляторного об-прискувача можна за рахунок регулювання потоку залежно від площі листової поверхні рослин».

У третьому розділі «Програма і методика експериментальних досліджень» представлено програму і методики, за якими проведенні експериментальні дослідження, оброблено отримані данні. Описано використані установки, прилади та устаткування.

Мета лабораторних експериментів - перевірити можливість застосування закономірностей теорії фільтрування аерозолів для опису технологічного процесу обприскування, встановити залежності між енергоспоживанням, подачею повітряного потоку і площею листової поверхні рослини. Лабораторні дослідження реалізовано на стендовій установці. Моделювання технологічного процесу вентиляторного обприскування зазначено на рис. 8.

Рис. 8. Моделювання технологічного процесу обрис-кування: 1 - електродвигун; 2 - ремінь; 3 - шків; 4 - ємність; 5 - манометр; 6 - розпилювачі; 7 - обгінна муфта; 8 - корпус вентилятора; 9 - вентилятор

Мета польових експериментів - отримати початкові дані для обґрунтування енергозберігаючих режимів подачі повітряного потоку на виноградниках залежно від площі листової поверхні рослин.

Для проведення польових досліджень використовували дослідний зразок машини, розроблений НВСГП «Наука» (м. Сімферополь) - обприскувач причіпний садово-виноградниковий ОПСВ-1600 «Крим». Дослідження проведені на винограднику з типовим для степової зони фоном випробувань. Дати проведення експериментів відображають динаміку зміни площі листової поверхні рослин залежно від фаз вегетації.

Швидкість і подачу повітряного потоку встановлювали через вимір динамічного напору. Площу листової поверхні рослин замірювали ампелографічним методом. Густину покриття листової поверхні визначали на водочутливому папері, кількісне відкладення робочої рідини - колориметруванням. Отримані дані обробляли методами статистичного аналізу з використанням комп'ютерних програм Microsoft Excel 2007, Statistica 8,0.

У четвертому розділі «Результати експериментальних досліджень і їх аналіз» представлено залежності, отримані за результатами лабораторних і польових експериментів, і їх аналіз.

Отримані закономірності обприскування і проходження повітряно-рідинного потоку скрізь крону рослини в цілому підкоряються закономірностям теорії фільтрування аерозолів крізь проникну перегородку. Характер осадження рідини по шарах крони представлено на рис. 9. По осі х відкладаємо режими подачі повітряного потоку для трьох шарів крони: навітряного, середнього і підвітряного. Вісь у - відносна площа листя. Вісь z - отримане значення густини покриття листа, що характеризує якість обприскування.

Рис. 9. Розподіл рідини по шарах крони

Краплі рідини з потоку у кроні рослини затримуються і осідають нерівномірно. На навітряній стороні якість осадження не залежить від подачі повітряного потоку і залишається стабільно високим. Отже у разі обприскування рослини з малою площею листової поверхні немає потреби у подачі великої кількості повітря. Зі збільшенням площі листя на підвітряній (внутрішньої) стороні рослини кількість рідини, що осіла, зменшується до нуля.

Рис. 10. Лінійна апроксимація експериментальних даних.

Інтерес представляє розподіл крапель в середині крони, оскільки різниця між вибірковими середніми отриманої густини покриття виявилася істотною. Розглянемо комбінований вплив площі листової поверхні і подачі повітряного потоку на якість обприскування.

Лінійна апроксимація даних для середнього шару розташування листа дозволила отримати модель (рис. 10)

z = - 0,154 + 0,062 x - 15,66 y , (11)

де х - подача повітряного потоку, м³/год; у - відносна площа листя; z _ густина покриття листа, %.

Звідси найдемо прийнятну подачу повітряного потоку, яка дозволить забезпечити необхідну якість обробки для заданих умов роботи обприскувача. На підставі експериментальних даних отримано рівняння залежності густини покриття листа від подачі вентилятора при різній відносній площі листя (табл. 1).



Таблиця 1 - Вплив подачі повітряного потоку на густину покриття листа

Відносна площа листя	Рівняння	Прийнятне значення
		Подача, м3/год, х	Густота покриття, %, у
1,1	у = 107,96 - 0,11 х + 0,000062 х2	960	60
1,7	у = - 260,61 + 0,39 х - 0,0001 х2	1120	50
2,2	у = - 44,15 + 0,06 х + 0,0000043 х2	1276	40
2,9	у = - 4,11 - 0,02 х + 0,000038 х2	1383	40
3,4	у = - 165,95 + 0,27 х - 0,000088 х2	1420	40

Приймаємо, що найменше прийнятне значення густини покриття дорівнює у = min.40% за умови двостороннього обприскування рослини. Знаходимо прий-нятну подачу потоку х. Побудуємо графік L_В = f(фп) залежності прийнятної подачі повітряного потоку від відносної площі листя для перетину 20 Ч 20 см² (рис. 11).

Рис. 11. Графік залежності L_В = f(фп).

Рис. 12. Регулювання подачі по висоті крони.

Рівняння, що описує отриману лінійну залежність

у = 802,06+191,72 х, (12)

тут х - відносна площа листя; у - подача повітряного потоку, м³/год.

Щоб поліпшити якість обробки рослин при мінімальній витраті робочого розчину регулювання подачі повітря повинно здійснюватися по висоті куща (рис. 12), що можна виконати через введення в конструкцію вентиляторного обприскувача розпилюючого пристрою з регульованим зазором між площинами дифузора в зоні виходу повітряного потоку.

Для аналізу ефективності використання енерговитрат розглянемо закономірності розподілу крапель рідини по шарах крони.

Рис. 13. Вплив потужності на якість обприскування: а) Навітряний шар. б) Підвітряний шар.

На рис. 13,а сформовані категорії порівняння густини покриття листової поверхні за відносною площею листя та потужністю для навітряного шару розташування листя.

На навітряній стороні рослини незалежно від потужності, якість обприскування залишається прийнятною при будь-яких розмірах рослини. Перевитрата енергії для обприскування рослин з малою площею листової поверхні склала 56%.

Аналогічна гістограма для підвітряної зони розташування листя (рис. 13,б) показує, що із збільшенням розмірів рослини спостерігається різке зниження якості. Тут потужність на створення потоку була витрачена неефективно, оскільки не було забезпечено прийнятну густоту покриття листа, а це може привести до втрати урожаю із-за шкідників і хвороб. Тому при регулюванні подачі повітряного потоку, слід забезпечувати прийнятну якість обприскування на підвітряній стороні рослини у разі обробки з одного боку куща, і в середині крони при двосторонньому обприскуванні.

За результатами польових досліджень встановимо прийнятне значення подачі повітряного потоку, при якому якість обприскування залишається відповідною до агровимог. Для визначення допустимої межи зниження подачі повітряного потоку реалізовано двохфакторний експеримент, де: фактор А - площа листової поверхні куща; фактор В - подача повітря; результуюча ознака - густина покриття листової поверхні.

На рис. 14 представлений комбінований вплив досліджуваних факторів. Рівняння, що описує отриману залежність

у = 76,45 - 2,38 А + 0,0021 В - 0,23 А² + 0,0001 А В - 4,95·10^-8 В² . (13)

Дисперсійний аналіз показав, що всі головні ефекти і ефект взаємодії АВ значущі. Найбільший вплив має площа листової поверхні куща. Прогнозування фактору В по середнім значенням експериментальних даних за допомогою методу найменших квадратів дозволило отримати рівняння апроксимації для досліджуваних режимів і результати прогнозу за ними.

Рис. 14. Вплив дослідних факторів на якість обприскування.

Рис. 15. Номограма прогнозування якості обприскування.

На рис. 15 представлено номограму залежності подачі від площі листової поверхні обприскувача. Знаючи площу листової поверхні куща, слід вибирати режим подачі повітряного потоку не нижче за граничну лінію, інакше не буде забезпечено прийнятну якість обприскування. Наприклад, якщо площа листової поверхні рослини менше ніж 3,5 м²/кущ, можна вибирати будь-який режим в діапазоні від 10980 м³/год до 27000 м³/год. Якщо площа листової поверхні складає від 5 м²/кущ до 8,0 м²/кущ подача має бути понад 15000 м³/год.

Щоб визначити межу збільшення подачі повітряного потоку, за якої втрати пестицидів на ґрунті перевищать допустиму норму, було проведено аналіз впливу режимів подачі повітряного потоку на втрати пестицидів. Розглядали закономірності розподілу робочої рідини по поверхні поля. При аналізі результатів експериментів робоча рідина, яка осіла на ґрунті на відстані до 0,75 м від осі ряду, роз-глядали як неминучі втрати при обприскуванні. У разі, якщо робоча рідина осідає далі, ніж 0,75 м, вона є непродуктивними втратами і забруднює навколишнє середовище пестицидами.

За результатами двохфакторного експерименту дослідження тісноти зв'язку подачі повітряного потоку (х₁), площі листової поверхні (х₂) і показника втрат отрутохімікату (у), і після підрахунку коефіцієнтів регресії було отримано модель, яка дає уявлення про ефект впливу факторів, на результуючу ознаку

у = 37,66 + 0,76 х₁ + 0,0028 х₂ - 0,7 х₁² + 4,15·10^-5 х₁ х₂ - 5,8·10^-8 х₂ ² . (14)

Поверхня регресії по рівнянню (16) представлена на рис. 17. Таким чином, за відсутності листової поверхні у рослини завищена подача повітряно-рідинного потоку приводить до 72% непродуктивних втрат робочої рідини в міжряддях. В результаті висока подача потоку є причиною неефективного використання пестицидів і забруднення ґрунту.

Рис. 16. Поверхня регресії.

Рис. 17. Номограма L = f(S).

На підставі узагальнення результатів польових експериментів, побудовано номограму залежності L = f(S) для вибору продуктивності вентилятора залежно від обліственності виноградних насаджень (рис. 17). По осі абсцис відкладена площа листової поверхні, по осі ординат - продуктивність вентилятора обприскувача. Крива L = f(S) - рекомендована функціональна залежність продуктивності вентилятора від площі листової поверхні для роботи на виноградниках.

Рівняння, що описує отриману залежність:

L =10059,44+29,16 S + 56,99 S². (15)

Для забезпечення рекомендованих режимів в конструкції вентиляторного обприскувача має бути передбачена можливість безступінчасто змінювати режими подачі повітряного потоку в діапазоні від 10000 м³/год до 16000 м³/год.

У п'ятому розділі «Техніко-економічна ефективність дисертаційної роботи» викладені результати розробки, впровадження і розрахунку техніко-економічної ефективності обприскувача.

На базі НВСГП «Наука» (м. Сімферополь) обприскувач виноградний ОВН-300М був оснащений гідравлічним механізмом безступінчастого регулювання обертів вентилятора (рис. 18).

Рис. 18. Гідро-кінематична схема приводу вентиляторного обприскувача ОВН-300М: 1 - вентилятор; 2 - регульований гидромотор; 3 - перепускний клапан; 4 - мембранний насос; 5 - карданний вал; 6 - трубопровід; ДР - дросель з регулятором; ГСТ - гідросистема трактора; ВВП - вал відбору потужності трактора.

Конструкція обприскувача ОВН-300М передбачає мож-ливість змінювати подачу повітряного потоку залежно від площі листової поверхні виноградних насаджень відповідно до розроблених номограм.

Дослідно-виробнича перевірка показала зниження енерговитрат на 8,2 кВт у порівнянні з серійним обприскувачем. Очікувана річна економія енергії на виноградниках - 124 кВт ч/га.

Виробнича перевірка обприскувача ОВН-300М проведена в ДП «Таврида» (м. Алушта). Впровадження у виробництво рекомендованих режимів роботи робочих органів малооб'ємного вентиляторного обприскувача на 15 га виноградних насаджень показало річний економічний ефект 6278,55 грн, або 418 грн/га. Строк окупності складає 0,72 року.



Висновки

В дисертації наукова задача зниження енергоспоживання і втрати пестицидів при обприскуванні виноградників вирішена шляхом обґрунтування технологічного процесу обприскування, як процесу фільтрування аерозолів, та режимів роботи робочих органів малооб'ємного обприскувача залежно від площі листової поверхні рослин.

1. Аналіз конструкцій малооб'ємних вентиляторних обприскувачів українського і зарубіжного виробництв показав, що в машинах передбачено один або два режими подачі повітряного потоку. Числові значення продуктивності вентилятора у різних фірм-виробників варіюється в широкому діапазоні від 12500 м³/год до 65000 м³/год. Виявлена відсутність теоретичних і експериментальних даних відносно кількісного опису потрібної подачі повітряного потоку на виноградниках.

2. Теоретично встановлено, що обприскування є процесом фільтрування аерозолю крізь крону рослини, де двохфазний газовий потік, що складається із суміші повітря і крапель робочої рідини, проходить крізь простір крони, стикаючись з поверхнею рослини, краплі затримуються і осідають, при цьому повітряно-рідинна суміш розділяється на повітря і осад. В результаті для опису технологічного процесу обприскування можна використовувати основне диференціальне рівняння фільтрування та інші теоретичні закономірності.

3. Обприскування виноградників проводять в середньому від 7 до 8 разів за календарний рік, в окремі роки до 15 разів за сезон. За цей час площа листової поверхні рослин змінюється в середньому від 0,01 м²/кущ до 13 м²/кущ. Оскільки енергоспоживання вентилятора прямопропорційно продуктивності, понизити до 37% енерговитрат можна за рахунок регулювання подачі повітряного потоку в залежності від розмірів рослин.

4. Теоретично обґрунтовано, що за відсутності листової поверхні у рослин завищена подача повітряно-рідинного потоку приводить до втрати від 58 % до 86 % пестицидів через осадження в міжряддях. Регулювання продуктивності потоку понизить ці втрати, а значить зменшаться матеріальні витрати на придбання пестицидів, понизиться забруднення ґрунту міжрядь і буде виключено додаткові матеріальні витрати на заходи щодо ліквідації наслідків забруднень.

5. Експериментальні дослідження підтвердили, що закономірності обприскування і проходження потоку крізь крону рослини в цілому підкоряються закономірностям теорії фільтрування аерозолів крізь проникну перегородку. Отримано номограму залежності подачі повітряного потоку від розмірів рослини L_В = f(фп), яка дозволяє регулювати подачу по висоті крони рослини.

6. Експериментально знайдено прийнятні межі зниження подачі повітряного потоку. При площі листової поверхні рослини до 3,5 м²/кущ можна вибирати будь-який режим в діапазоні від 10980 м³/год до 27000 м³/год; від 3,5 м²/кущ до 5,0 м²/кущ - не меншого 12000 м³/год; від 5 м²/кущ до 8,0 м²/кущ - понад 15000 м³/год. У конструкції вентиляторного обприскувача слід передбачати можливість безступінчасте змінювати режими подачі повітряного потоку в діапазоні від 10000 м³/год до 16 000 м³/год. Побудовано номограму регулювання подачі обрис-кувача від площі листової поверхні рослин для роботи на виноградниках.

7. Розроблено і впроваджено гідро-кінематичну схему малооб'ємного виноградного обприскувача ОВН-300М, що забезпечує регулювання подачі повітряного потоку у встановленому діапазоні. Дослідно-виробнича перевірка в НВСГП «Наука» показала зниження енерговитрат на 8,2 кВт у порівнянні з серійним об-прискувачем. Очікувана річна економія енергії 124 кВт год/га виноградників.

8. Впровадження у виробництво обприскувача ОВН-300М на 15 га вино-градників ДП «Таврида» показало річний економічний ефект 6278,55 грн, або 418,57 грн/га. Термін окупності 0,72 року. Соціальний і науково-технічний ефект отримано від зниження витрати ПММ на 12% і зниження втрат пестицидів на 27%. Річний енергетичний ефект склав 942,4 МДж/га. Економія питомих витрат непоновлюваної енергії склала 28,3%. Запобіжено економічний збиток від забруд-нення виноградників пестицидами на суму 2608,63 грн/га.



Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Догода П.А. Анализ режимов работы системы привода вентилятора опрыскивателя в зависимости от фазы вегетации винограда / П. А. Догода, Е. М. Серая // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2006. - № 35. - С. 18-24. (здобувачем проведено аналіз перспектив зниження енерговитрат обприскувача залежно від фаз вегетації винограду).

2. Серая Е. М. Обеспечение энергосберегающих режимов работы вентиляторного опрыскивателя на виноградниках / Е. М. Серая // Вісник Харківського національного університету сільського господарства ім. П. Василенка. - Харків, 2006. - № 47. - С. 196-200.

3. Серая Е. М. Обоснование энергетических параметров привода вентилятора виноградникового опрыскивателя / Е. М. Серая // Научные труды ЮФ «Крымского агротехнологического университета» НАУ. - Симферополь, 2007. -№ 102. - С. 45-49.

4. Сєрий І. С. Енергозбереження - найактуальніша задача сучасного сільськогосподарського виробництва. / І. С. Сєрий, О. В. Полуденко, К. М. Сєра // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2007. - Вип. 8, т. 1. - С. 55-62. (здобувачем представлено теоретичні розрахунки зниження енерговитрат в вентиляторних обприскувачах).

5. Серая Е. М. Исследование факторов, влияющих на качество опрыскивания виноградников / Е. М. Серая // Праці Таврійської державної агротехнічної академії. - Мелітополь, 2007. - Вип. 8, т. 1. - С. 78-84.

6. Степанов А. В. Модель распространения воздушно-жидкостного потока в кроне виноградника при опрыскивании / А. В. Степанов, Е. М. Серая // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства ім. П. Василенка. - Харків, 2007. - № 62. - С. 269-275. (здобувачем розроблено теоретичну модель технологічного процесу обприскування).

7. Серая Е. М. Интенсификация осаждения пестицидов при опрыскивании сельскохозяйственных культур / Е. М. Серая // Праці Таврійського державного агротехнологічного університету. - Мелітополь, 2008. - Вип. 8, т. 9. - С. 119-124.

8. Серая Е. М. Влияние облиственности виноградников на загрязнение почвы пестицидами при вентиляторном опрыскивании / Е. М. Серая // Труды ЮФ «Крымского агротехнологического университета» НАУ. - Сімферополь, 2008. - № 109. - С. 153-158.

9. Догода П.А. Энергетический анализ внедрения малообъемного опрыскивания на виноградниках / П.А. Догода, Е.М. Серая // Виноградарство і виноробство: Міжвідомчий тематичний науковий збірник. - Одеса, 2009. - Спец. випуск. - С. 47-52. (здобувачем отримано вихідні дані для проведення аналізу, розрахований енергетичний ефект від впровадження запропонованих в дисертації заходів).

10. Серая Е. М. Методика определения густоты покрытия листовой поверхности при опрыскивании / Е. М. Серая // Сборник научных трудов ЮФ НУБиП Украины «Крымский агротехнологический университет». - Сімферополь, 2010.

11. Пат. №28593 Україна, МПК⁷ (2006) А 01 М 7/00. Обприскувач причіпний садово-виноградниковий / П. А. Догода, К. М. Сєра, М. П. Догода (Україна) ; Власник Національний аграрний університет. - №u200710257 ; заявл. 14.09.07 ; опубл. 10.12.07, Бюл. № 20. (здобувачем запропоновано конструкцію механізму безступінчастого регулювання продуктивності вентилятора обприскувача).

12. Пат. №28595 Україна, МПК⁷ (2006) А 01 М 7/00. Вентиляторно-розпилюючий пристрій / П. А. Догода, К. М. Сєра, О. П. Догода (Україна). ; Власник Національний аграрний університет. - №u200710259 ; заявл. 14.09.07; опубл. 10.12.07, Бюл. № 20. (здобувачем запропоновано конструкцію пристрою для регулювання подачі повітряного потоку по висоті крони).

Анотація

Сєра К.М. Обґрунтування технологічного процесу і режимів роботи робочих органів малооб'ємного виноградного обприскувача. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Таврійський державний агротехнологічний університет. - Мелітополь, 2011.

Дисертацію присвячено вирішенню проблеми зниження енерговитрат та підвищенню якості обприскування виноградних насаджень, через обґрунтування технологічного процесу і режимів роботи робочих органів малооб'ємного обприскувача залежно від площі листової поверхні рослин.

Теоретичний аналіз і експериментальні дослідження процесів, що відбуваються при малооб'ємному обприскуванні виноградних насаджень, показали, що обприскування є процес фільтрування аерозолю крізь проникну перегородку. Встановлено закономірності проходження повітряно-рідинного потоку крізь крону куща. Отримано номограму залежності подачі повітряного потоку від розмірів рослини, як фільтрувальної перегородки. Встановлено діапазон регулювання подачі повітряного потоку на виноградниках, що дозволяє забезпечити якісне енерго- і пестицидозберігаюче обприскування залежно від площі листової поверхні виноградних насаджень. Розроблено та впроваджено гідрокінематичну схему малооб'ємного виноградного обприскувача ОВН-300М, що забезпечує регулювання подачі повітряного потоку у встановленому діапазоні.

Очікувана річна економія енергії 124 кВт год/га виноградних насаджень. Впровадження у виробництво показало річний економічний ефект 6278,55 грн, або 418,57 грн/га. Термін окупності 0,72 року. Запобіжено економічний збиток від забруднення виноградників пестицидами на суму 2608,63 грн/га.

Ключові слова: вентиляторний обприскувач, виноградник, технологічний процес, повітряно-рідинний потік, фільтрування, регулювання, режим, вентилятор, енергозбереження.

Аннотация

Серая Е.М. Обоснование технологического процесса и режимов работы рабочих органов малообъемного виноградного опрыскивателя. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Таврический государственный агротехнологический университет. - Мелитополь, 2011.

Диссертация посвящена решению задачи снижения энергозатрат и повышению качества опрыскивания виноградных насаждений, путем обоснования технологического процесса и режимов работы рабочих органов малообъемного опрыскивателя в зависимости от площади листовой поверхности обрабатываемых растений.

Анализ конструкций малообъемных вентиляторных опрыскивателей украинского и зарубежного производства показал, что в машинах предусмотрены один-два режима подачи воздушного потока. Числовые значения производительности вентилятора варьируется в широком диапазоне от 12500 м³/ч до 65000 м³/ч у различных фирм-производителей. Ежегодно на виноградниках проводят от 7 до 8 опрыскиваний, в отдельные годы - до 15 раз за сезон. За это время площадь листовой поверхности растений изменяется в среднем от 0,01 м²/куст до 13000 м²/куст. Снизить до 37% энергозатрат можно за счет регулирования подачи воздушного потока в зависимости от изменяемых размеров растений.

Теоретический анализ процессов, происходящих при малообъемном опрыс-кивании виноградных насаждений, показал, что опрыскивание есть процесс фильтрования аэрозоля сквозь проницаемую перегородку. Т.е. двухфазный газовый поток, состоящий из смеси воздуха и капель рабочей жидкости, проходит сквозь кроновое пространство, соприкасаясь с поверхностью растения, капли задерживаются и оседают, при этом воздушно-жидкостная смесь разделяется на воздух и осадок. Проведено математическое моделирование процессов, происходящих при опрыскивании.

Экспериментальные исследования подтвердили, что закономерности оп-рыскивания и прохождения потока сквозь крону растения в целом подчиняются закономерностям теории фильтрования аэрозолей сквозь проницаемую перегородку. Установлены закономерности прохождения воздушно-жидкостного потока сквозь крону куста. Получена номограмма L_В= f(фп) зависимости подачи воздушного потока от размеров растения, как фильтровальной перегородки, которая позволяет регулировать подачу по высоте кроны обрабатываемого растения. Установлен диапазон регулирования подачи воздушного потока на виноградниках L_В= 10000…16000 м³/ч, позволяющий обеспечить качественное энерго- и пестицидосберегающее опрыскивание в зависимости от площади листовой поверхности виноградных насаждений.

Разработана и внедрена гидрокинематическая схема малообъемного виноградного опрыскивателя ОВН-300М, обеспечивающая регулирование подачи воздушного потока в установленном диапазоне. Опытно-производственная проверка в НПСХП «Наука» показала снижение энергозатрат на 8,2 кВт по сравнению с серийным опрыскивателем. Ожидаемая годовая экономия энергии 124 кВт-ч/га виноградниковых насаждений.

Внедрение в производство предлагаемых режимов работы опрыскивателя ОВН-300М на 15 га виноградников ГП «Таврида» показало годовой экономичес-кий эффект 6278,55 грн, или 418,57 грн/га. Срок окупаемости 0,72 года. Социальный и научно-технический эффект получен от снижения расхода ГСМ на 12% и снижения потерь пестицидов на 27%. Годовой энергетический эффект составил 942,4 МДж/га. Экономя удельных затрат невозобновляемой энергии составила 28,3%. Предотвращен экономический ущерб от загрязнения виноградников пестицидами на сумму 2608,63 грн/га.

Ключевые слова: вентиляторный опрыскиватель, виноградник, технологический процесс, воздушно-жидкостный поток, фильтрование, регулирование, режим, вентилятор, энергосбережение.

Abstract

Syera K.M. Investigation to technological process and adjustment of the low-volume airblast sprayer at the vineyards. - Manuscript.

Dissertation for the Candidate of the Technical Sciences degree, specialty 05.05.11 - machines and facilities to mechanize the agricultural production. Tavriyskiy State Agrotechnological University, Melitopol, 2011.

Dissertation has the target to decrease the energy supplying of the airblast sprayers and to improve the quality of vineyards spraying, via investigation to the technological process and adjustment of the low-volume airblast sprayer at the vineyards according to the leaf area surface.

The theoretical analysis and experimental researches were carried out to study the processes that take place at the low-volume spraying of vineyards. Results showed that spraying is the process of aerosol filtration through a canopy. The model of how the characteristics of the air-flow and plant canopy influence to the stick of liquid and the pesticide losses found out. Experimental data were used to build a diagram for the calibration of the air volume according to the plants sizes considered as a filter. The air-flow range was determined to provide both the quality and the energy- and pesticide-saving spraying on the vineyards. The hydro-kinematic scheme was projected to adjust the airflow within the recommended range; the scheme was applied at the low-volume vineyards sprayer ОВН_300М.

The expected annual economy of energy on vineyards is 124 kW/h. The annual efficiency is 6278.55 grn, or 418.57 grn/ha. Term of recoupment is 0.72 year. Prevented economic losses from the pollution by pesticides is 2608.63 grn/ha on vineyards.

Keywords: airblast sprayer, vineyard, technological process, air volume, filtration, adjustment, mode, fan, supplying of energy.

Размещено на Allbest.ru

...