Kazan, Kazan, Russian Federation
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
The state of technologies for plant protection with chemical and biological preparations is described. The problems of using biological means of protection are considered, in particular, the lack of technical means intended for applying biological preparations to seeds. The task is to develop the necessary technical means for applying biological preparations to seeds, taking into account the negative impact of spraying technologies and applying working compositions of biological preparations to seeds. The developed pneumomechanical etcher adapted for working with biological products is described, the main nodes of which are the etching chamber and the sprayer of the working composition of the biological product. The design and principle of operation of the etching chamber, the sprayer of the working composition of the biological product, the hydraulic and pneumatic system of the device are described. A wide range of spray pressure adjustment, as well as a gentle pneumatic method of applying the working preparation to seeds, allows the use of biological preparations for carrying out work on preparing seeds for sowing. The most important working organs of the presented pneumomechanical etcher, on the work of which the quality of the process as a whole depends, are the etching chamber and the sprayer of the working composition of biological products. The theoretical justification of the design and technological parameters of the etching chamber is given. Based on the parameters of the screw conveyor: screw diameter, D,m, screw pitch, S,m, conveyor capacity, N, t/h, culture (seed sizes), the screw speed p_b, rpm, material flow cross-sectional area, F_pot, m2, material movement speed on the conveyor, v, m/s, the required minimum pressure Rd, Pa, the cross-sectional area of the duct openings SB, m2 is calculated. Recommendations are given for determining the optimal design and technological parameters of the device based on the developed nomogram for determining the cross-sectional area of the duct openings and fan performance, depending on the performance of the pneumomechanical etcher, culture and the mesh used. Recommendations for production are given
pneumomechanical treater, biological product, microorganisms, fluidization, seed soaring, plant protection
Введение. Современные интенсивные технологии возделывания сельскохозяйственных культур предусматривают применение различных химических средств защиты растений в больших объемах [1, 2, 3].
При этом, наряду с получаемым эффектом, чрезмерное применение химикатов для борьбы с сорняками, вредителями и болезнями нарушает естественный баланс сельскохозяйственной экосистемы. Оно подвергает серьезному риску здоровье людей, влечет негативные последствия для всей окружающей среды и несомненно приводит к ухудшению экологической обстановки [4, 5].
В связи с этим, в настоящее время во всем мире активно ведутся исследования по созданию различных биологических средств защиты растений, а также совершенствованию технологий их применения [6, 7].
Использование биологических средств защиты ограничивает тот факт, что физико-механическое воздействие на микробиологическую клетку может быть различным. Факторы воздействия в виде температуры, давления, света, химических веществ при превышении определенных значений могут приводить к необратимым изменениям в клетках микроорганизмов и как следствие снижать эффективность применения биологически препаратов [8].
Выпускаемые в настоящее время машины для защиты растений, в первую очередь предназначены для работы с химическими препаратами и не учитывают отрицательное влияние различных физических факторов на биологические агенты, находящиеся в составе биопрепаратов.
Нами предложено устройство [9, 10] для обработки семян биопрепаратами в котором используется воздушно-жидкостная форсунка
[11, 12], разработанная для минимизации отрицательного воздействия указанных факторов на микроорганизмы, находящиеся в рабочем растворе.
Для обеспечения эффективной работы разработанного устройства необходимо обосновать конструктивно-технологические параметры его основных узлов и элементов, в частности камеры обработки, где происходит основной технологический процесс нанесения биопрепаратов на семена [13]. Поэтому целью данной работы является исследование и обоснование параметров камеры обработки устройства для обработки семян, обеспечивающих качественную обработку семян биологическими препаратами.
Условия, материалы и методы. Общая схема разработанного устройства для работы с биопрепаратами, его составные узлы и элементы представлены на рисунке 1.
Основными рабочими органами машины, от которых зависит качество выполняемого технологического процесса в целом, являются камера обработки и распылители рабочего состава биопрепаратов
В процессе работы семенной материал проходит через камеру обработки за счет вращения шнека, где на него снизу действует воздушный поток, подаваемый через диффузор. Величина давления воздушного потока регулируется до достижения семенами скорости витания. Тем самым создается псевдоожиженный поток семян, навстречу которому распылителями впрыскивается рабочий состав биопрепарата и происходит равномерное нанесение препарата на поверхность семян.
Конструкция камеры обработки обеспечивает: оптимальное использование типовых и (или) повторно применяемых конструктивных решений, рационально ограниченную номенклатуру изделий, марок и сортамента материалов; взаимозаменяемость однотипных и комплектующих изделий без дополнительной подгонки; сочленяемость деталей и сборку без использования дополнительного инструмента.
Основными конструктивно-технологическими параметрами устройства для обработки семян являются его производительность П (т/час), производительность вентилятора Q (м3/час), диаметр винта D (м), шаг винта S (м), площадь сечения отверстия воздуховода SВ (м2) и коэффициент «живого сечения» используемой сетки воздуховода LS.
При обосновании параметров устройства для обработки семян применялись теоретические методы исследования движения зерна, пневмотранспортирования, а также аналитической геометрии и теоретической механики.
Анализ и обсуждение результатов. Для обеспечения качественной обработки семян биопрепаратами камера обработки должна обеспечивать создание псевдоожиженного слоя. Для этого рассмотрим схему камеры (рисунок 3) и приведем необходимые расчеты, связывающие подачу семян в камеру обработки, обороты транспортирующего шнека, скорость перемещения материала, площадь живого сечения сетки воздуховода.
Исходные данные расчета шнекового конвейера камеры обработки, следующие: диаметр винта D, шаг винта S, производительность транспортёра П. Приведем расчет шнекового конвейера камеры обработки.
Скорость вращения винта nв (об/мин) определяется из формулы определения производительности шнекового транспортера:
(1)
где r - насыпная плотность материала, т/м3, для пшеницы r = 0,78;
Ψ- коэффициент заполнения желоба, для зерновых материалов Ψ = 0,4;
Площадь сечения потока материала:
(2)
Скорость перемещения материала на конвейере:
(3)
Максимальная частота вращения винта:
(4)
Основные технологические параметры вентилятора, создающего необходимый для создания псевдоожижженного слоя можно определить исходя из необходимой скорости воздушного потока, при которой происходит витание семян пшеницы, которая составляет
Vз = 8…11,5 м/с и площади сечения отверстий воздуховода, SB, м2,
Производительность вентилятора определяется по следующей формуле:
(5)
Необходимое минимальное давление можно определить по формуле:
(6)
Коэффициент «живого сечения» сетки LS (для квадратных отверстий) определяется по формуле:
(7)
где l – длина отверстия ячейки сетки, м;
a – диаметр проволоки, м.
Минимальное давление PД должно удовлетворять условию:
(8)
где РЗ – гидравлическое сопротивление слоя семян, Па.
(9)
где L – длина отверстия воздуховода, м.
Интенсивность «кипения» слоя семян КП устанавливает зависимость между рабочей скоростью воздуха VР и скоростью витания семян VЗ:
(10)
Вполне достаточное псевдоожижжение происходит при значении интенсивности «кипения» КП=2 [14].
Используя вышеприведенные формулы после преобразования запишем формулу для определения площади сечения отверстий воздуховода:
(11)
На рисунке 4 приведена диаграмма зависимости оборотов шнека устройства для обработки семян биопрепаратами от производительности и диаметра винта шнека.
Для производительности шнековых транспортеров сельскохозяйственного назначения на уровне 10 т/ч, рациональное значение частоты вращения шнека находится в интервале от 50 до 150 об/мин [7]. Уменьшение частоты вращение шнека приведет к увеличению его диаметра, а в результате к росту размеров установки и затрат на ее изготовление. Снижение коэффициента заполнения желоба может привести увеличению расхода воздуха, рабочей жидкости и биологических препаратов.
В таблице 1 представлены рациональные параметры сетки в зависимости и размеров обрабатываемых семян [15].
Исходя из этого, для расчета площади сечения воздуховода устройства для обработки семян принимаем следующие значения основных параметров устройства: производительность П = 10 т/ч, диаметр трубы шнека D = 0,2 м, шаг винта S = 0,2 м, коэффициент живого сечения сетки LS = 0,4, скорость винта n = 100 об/мин.
По полученным зависимостям при различных значениях производительности шнекового конвейера камеры обработки и его геометрических характеристик, определили теоретически необходимую площадь сечения отверстий воздуховода для создания псевдоожижженного слоя семян (таблица 2).
На рисунке 5 представлена диаграмма для определения площади сечения отверстий воздуховода и производительности вентилятора в зависимости от производительности шнекового конвейера и используемой сетки.
Данные, полученные в результате экспериментальных исследований, позволяют провести рациональную настройку устройства для обработки семян различных культур биопрепаратами для конкретных значений его производительности.
Ниже приведены рациональные значения площади сечения отверстий воздуховода для конкретных значений производительности устройства:
П = 2 … 4 т/ч SB = от 5,6×10-5 до 8,0 ×10-5 м2;
П = 5 … 10 т/ч SB =от 9,0×10-5 до 16×10-5 м2;
П = 11 … 18 т/ч SB = от 18,0×10-5 до 22×10-5 м2
Выводы
Получены математические выражения для определения производительности вентилятора (5) и параметров сетки (11) в зависимости от конструктивно-технологических параметров камеры обработки семян.
Приведена диаграмма (рисунок 5) для определения конструктивно-технологических параметров устройства для обработки семян пшеницы биологическими препаратами.
Определены рациональные значения площади сечения отверстий воздуховода при обработке семян пшеницы в зависимости от производительности устройства для обработки семян биопрепаратами: соответственно для производительности (П) в интервале от 2 до 4 т/ч площадь сечения воздуховода SВ принимает значения от 5,6×10-5 до 8,0 ×10-5 м2, от 5 до 10 т/ч - от 9,0×10-5 до 16×10-5 м2, от 11 до 18 т/ч - от 18,0×10-5 до 22×10-5 м2.
1. Fayzrakhmanov DI, Valiev AR, Ziganshin BG. [The current state of grain production in the Russian Federation]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2021; Vol.16. 2 (62). 138-142 p. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-138-142.
2. Fayzrakhmanov DI, Nezhmetdinova FT, Ziganshin BG, Valiev AR. [Food safety in the WTO]. Sel'skii mekhanizator. 2013; 11. 4-6 p.
3. Sabirov RF, Valiev AR, Safin RI., Karimova LZ [Forecasting the influence of physical factors on the vitality of microorganisms of biological plant protection agents]. Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2020. Vol. 4(274). 29-33 p. - DOIhttps://doi.org/10.33267/2072-9642-2020-4-29-32.
4. News about pesticides. [Internet]. [cited 2021, October 01]. Available from: http://rupest.ru/.
5. Karimova LZ, Nizhegorodtseva LS, Kolesar VA, Klimova LR, Kadyrova FZ, Safin RI [Productivity of agricultural crops using biological products based on rhisospheric bacteria (pgpr)]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019. - Vol. 14. - № S4-1(55). - 52-58 p. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2020-53-58..
6. Agieva GN, Nizhegorodtseva LS, Diabankana RZK, Abramova AA, Safin RI, Hismatullin MM [Methods for increasing the efficiency of the application of biological pesticides in crop management]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2020. - Vol. 15. - № 4(60). - 5-9p. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-5-9.
7. Sabirov RF, Valiev AR, Semushkin NI. [Technical means for surface treatment of seeds and their etching before sowing with plant protection products]. Agroinzhenernaya nauka XXI veka : Nauchnye trudy regional'noi nauchno-prakticheskoi konferentsii, Kazan', 18 yanvarya 2018 goda. Kazan': Kazanskii gosudarstvennyi agrarnyi universitet. 2018; 201-204 p.
8. Ivanov BL, Ziganshin BG, Sharafeev RF, Sagbiev IR. [Theory of liquid spraying by nozzles]. Vestnik Kazan-skogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019; Vol.14. 2 (53). 95-99 p. - DOIhttps://doi.org/10.12737/article_5d3e174f90fe69.76703992.
9. Kotlyarov VV, Sedinina NV, Donchenko DYu. [Influence of pressure when spraying plants with microbiological preparations on the preservation of the viability of microorganisms and their number]. Nauchnyi zhurnal KubGAU. 115 (01). 2016 goda. 1219-1232 p.
10. Sabirov RF, Valiev AR, Safin RI. Pnevmomekhanicheskii protravlivatel', adaptirovannyi dlya raboty s biopreparatami. [Pneumomechanical mordant adapted to work with biological products]. Patent RF №2018111370, 14.09.2018.
11. Sabirov RF, Valiev AR, Safin RI. Modul'nyi pnevmomekhanicheskii protravlivatel' semyan. [Modular pneumomechanical seed pickler]. Patent RF № 2018111383, 18.12.2018
12. Sabirov RF, Valiev AR, Safin RI. Forsunka dlya raspyleniya rabochego sostava biopreparata. [Nozzle for spraying the working composition of the biological product]. Patent RF № 181323, 10.07.2018.
13. Sabirov RF, Valiev AR, Safin RI. Raspylitel' rabochego sostava biopreparata. [Sprayer of the working composition of the biological product]. Patent RF № 2018113215, 11.03.2019.
14. Sabirov R, Valiev AR, Karimova L. Influence of physical factors on viability of microorganisms for plant protection. Engineering for rural development. Jelgava, 22-24 maya 2019 goda. - Jelgava: Bez izdatel'stva, 2019; 555-562 p. - DOIhttps://doi.org/10.22616/ERDev2019.18.N211.
15. Kasatkin AG. Protsessy i apparaty khimicheskoi tekhnologii. Izd.9-e. [Processes and apparatuses of chemical technology]. Moscow: Khimiya. 1973; 754 p.
