Казань, Республика Татарстан, Россия
УДК 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
Описывается состояние технологий по защите растений химическими и биологическими препаратами. Рассматриваются задачи использования биологических средств защиты, в частности отсутствие технических средств, предназначенных для нанесения биологических препаратов на семена. Ставится задача разработки необходимых технических средств для нанесения биопрепаратов на семена, учитывающих негативное воздействие технологий распыления и нанесения на семена рабочих составов биопрепаратов. Описывается разработанное устройство, адаптированное для работы с биопрепаратами, основными узлами которого являются камера обработки и распылитель рабочего состава биопрепарата. Описана конструкция и принцип работы камеры обработки, распылителя рабочего состава биопрепарата, гидравлической и пневматической системы устройства. Широкий диапазон регулировки давления распыления, а также щадящий пневматический способ нанесения рабочего препарата на семена, позволяет использовать биологические препараты для проведения работ по подготовке семян к посеву. Наиболее важными рабочими органами представленного устройства, от работы которых зависит качество выполняемого процесса в целом, являются камера обработки и распылитель рабочего состава биопрепаратов. Приведено теоретическое обоснование конструктивных и технологических параметров камеры обработки. Исходя из параметров шнекового транспортера: диаметр винта, D, м, шаг винта, S, м, производительность транспортёра, П, т/ч., культура (размеры семян) рассчитывается скорость винта n, об/мин, площадь сечения потока материала, S0, м2, скорость перемещения материала на конвейере, v, м/с, Необходимое минимальное давление Рд, Па, площадь сечения отверстий воздуховода SB, м2. Приведены рекомендации для определения оптимальных конструктивно-технологических параметров устройства на основе разработанной номограммы по определению площади сечения отверстий воздуховода и производительности вентилятора в зависимости от производительности устройства для обработки семян, культуры и используемой сетки
устройство для обработки семян, биопрепарат, микроорганизмы, псевдоожижение, витание семян, защита растений
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. Современное состояние зернового производства в Российской Федерации / Д. И. Файзрахманов, А. Р. Валиев, Б. Г. Зиганшин [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2021. - Т. 16. - № 2(62). - С. 138-142. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-138-142.
2. Файзрахманов, Д.И. Безопасность продуктов питания в условиях ВТО / Д.И. Файзрахманов, Ф.Т. Нежметдинова, Б.Г. Зиганшин, А.Р. Валиев // Сельский механизатор. - 2013. - №11. - С 4-6.
3. Прогнозирование влияния физических факторов на жизнеспособность микроорганизмов биопрепаратов для защиты растений / Р. Ф. Сабиров, А. Р. Валиев, Р. И. Сафин, Л. З. Каримова // Техника и оборудование для села. - 2020. - № 4(274). - С. 29-33. - DOIhttps://doi.org/10.33267/2072-9642-2020-4-29-32.
4. Новости о пестицидах. [Сайт] URL: http://rupest.ru/ (Дата обращения 01.10.2021).
5. Продуктивность сельскохозяйственных культур при применении биопрепаратов на основе ризосферных бактерий (PGPR) / Л. З. Каримова, Л. С. Нижегородцева, В. А. Колесар [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2019. - Т. 14. - № S4-1(55). - С. 52-58. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2020-53-58.
6. Приемы повышения эффективности применения биологических препаратов в растениеводстве / Г. Н. Агиева, Л. С. Нижегородцева, Р. Ж. К. Диабанкана [и др.] // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2020. - Т. 15. - № 4(60). - С. 5-9. - DOIhttps://doi.org/10.12737/2073-0462-2021-5-9.
7. Сабиров, Р. Ф. Технические средства для обработки поверхности семян и их протравливания перед посевом средствами защиты растений / Р. Ф. Сабиров, А. Р. Валиев, Н. И. Семушкин // Агроинженерная наука XXI века : Научные труды региональной научно-практической конференции, Казань, 18 января 2018 года. - Казань: Казанский государственный аграрный университет, 2018. - С. 201-204.
8. Теория распыливания жидкости форсунками / Б. Л. Иванов, Б. Г. Зиганшин, Р. Ф. Шарафеев, И. Р. Сагбиев // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2019. - Т. 14. - № 2(53). - С. 95-99. - DOIhttps://doi.org/10.12737/article_5d3e174f90fe69.76703992.
9. Котляров, В.В. Влияние давления при опрыскивании растений микробиологическими препаратами на сохранение жизнеспособности микроорганизмов и их численность /В.В. Котляров, Н.В. Сединина, Д.Ю. Донченко, Д.В. Котляров // Научный журнал КубГАУ, №115(01), 2016 года.-С 1219-1232.
10. Сабиров Р.Ф., Валиев А.Р., Сафин Р.И., и др. Пневмомеханический протравливатель, адаптированный для работы с биопрепаратами // Патент РФ №2018111370, 14.09.2018.
11. Сабиров Р.Ф., Валиев А.Р., Сафин Р.И., и др. Модульный пневмомеханический протравливатель семян // Патент РФ № 2018111383, 18.12.2018
12. Сабиров Р.Ф., Валиев А.Р., Сафин Р.И., и др. Форсунка для распыления рабочего состава биопрепарата // Патент РФ № 181323, 10.07.2018.
13. Сабиров Р.Ф., Валиев А.Р., Сафин Р.И., и др. Распылитель рабочего состава биопрепарата // Патент РФ № 2018113215, 11.03.2019.
14. Influence of physical factors on viability of microorganisms for plant protection / R. Sabirov, A. R. Valiev, L. Karimova [et al.] // Engineering for Rural Development, Jelgava, 22-24 мая 2019 года. - Jelgava: Без издательства, 2019. - P. 555-562. - 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.
