Введение. Отечественный и мировой опыт показывает, что применение техники для защиты растений обеспечивает 50-70% прироста урожая. Повышение производительности этой техники и экономия дорогостоящих препаратов при малообъемном адаптированном внесении средств защиты растений позволяют не только увеличить объем выращиваемой сельскохозяйственной продукции, но и значительно сократить затраты и загрязнение окружающей среды [1,2,3,4].
В условиях острого дефицита средств механизации для защиты растений в регионах Российской Федерации идут процессы роста производства и модернизации существующей техники [5].
Анализ используемых для защиты растений технических средств и литературных источников показал, что специально разработанных для работы с биопрепаратами машин недостаточно. Поэтому в настоящее время актуальными являются исследования, направленные на совершенствование технических средств для защиты растений приспособленных к работе с биологическими препаратами, учитывающими их особенности и обеспечивающих высокую эффективность их применения [6,7,8].
При протравливании семян сельскохозяйственных культур одним из основных требований, предъявляемых к процессу и машинам для защиты растений, является полное и равномерное распределение рабочей жидкости по их поверхности. Наиболее вероятным способом достижения этого условия может быть мелкодисперсионное распыливание рабочего раствора. Поэтому были проведены исследования экспериментального распылителя по влиянию давления рабочего раствора и воздуха на дисперсность его распыливания.
Условия, материалы и методы. На основе вышеизложенного, были разработаны технические средства [9,10] (рисунок 1) для обработки поверхности семян сельскохозяйственных культур биопрепаратами перед посевом, учитывающие их физико-механические параметры для получения следующих характеристик:
– снижение энергоемкости процесса предпосевной подготовки семян сельскохозяйственных культур биологическими препаратами;
- обеспечение полноты и равномерности обработки семян биологическими препаратами;
- повышение эффективности применения биологических препаратов для обработки семян.
Распылитель рабочего состава биопрепарата, состоит из корпуса распылителя 1 внутри которого имеются два канала имеющих форму цилиндрической винтовой линии непересекающихся между собой. В нижней части корпуса распылителя 1 имеется регулировочный конус. На внешнюю резьбу корпуса форсунки навинчено сопло 2 имеющее форму усеченного конуса с отверстием на вершине.
Распылитель рабочего состава биопрепарата работает следующим образом.
Распылитель рабочего состава биопрепарата устанавливается в отверстие и закрепляется гайкой. Корпус 1 распылителя имеет два входных штуцера в одно из них подается рабочий раствор, во второе отверстие подается воздух под давлением. Рабочий раствор и воздух проходя через винтовые каналы изменяют прямолинейное движение на вращательное и вырываются из выходных отверстий под углом к внутренней конусообразной поверхности сопла 2. Происходит смешивание рабочего раствора и воздуха в камере смешивания внутренней конусообразной полости сопла 2 распылителя. Движение смеси в низ по конусообразной поверхности дополнительно закручивают ее. Далее смешанный рабочий раствор, обогащенный воздухом, проходит через щель, образованную между отверстием сопла и регулировочным конусом и распыляется во внешнюю среду. За счёт того, что, рабочий раствор обогащен воздухом не происходит губительного для бактерий перепада давления, так как для распыления не приходится подавать раствор с высоким давлением, а можно использовать давление не более 1,5 – 2Атм. Также распыление происходит в виде вращающегося конуса, что создает внутреннего область пониженного давления, что приводит к притягиванию внутрь конуса рабочего раствора, снижается его снос ветром или набегающим воздухом. Размер щели между соплом и регулировочным конусом корпуса распылителя рабочего состава биопрепарата возможно регулировать при помощи закручивании корпуса сопла относительно корпуса распылителя по резьбе.
Таким образом, такое конструктивное решение распылителя рабочего состава биопрепарата обеспечивает полную равномерную обработку семян и повышение эффективности применения биологических препаратов.
Исследования экспериментального распылителя по влиянию давления рабочего раствора и воздуха на дисперсность его распыливания проведены в соответствии с требованиями
ГОСТ 34630-2019.
В качестве рабочей жидкости использовали двухпроцентный водный раствор красителя черного. Также допускается применение одно, двухпроцентного раствора нигрозина или другого интенсивного водорастворимого красителя.
Для проведения исследования использовали ранее разработанную лабораторную установку для изучения влияния распылителей на жизнедеятельность микроорганизмов [11, 12].
Дисперсность распыла определяли на карточках из мелованной бумаги, предварительно обработанных трех-, пятипроцентным раствором парафина для уменьшения растекания улавливаемых капель, и закрепленных по три штуки на специальную платформу, которую устанавливали на бак аналогичный баку установки для слива жидкости.
Включали установку и устанавливали заданные значения давления жидкости и воздуха в системе распыливания рабочего раствора. Затем с целью выхода установки на установившийся режим работы выдерживали ее функционирование в течение одной минуты. Далее снимали трубопровод 10 с держателем распылителей 12 (рисунок 2) и проводили распылитель в рабочем режиме над каточками, закрепленными на платформе. Расстояние от распылителя до карточек составляло 0,1 м, а скорость поступательного перемещения распылителя поддерживали в интервале
0,2-0,3 м/c. Ее значение получено при предварительных расчетах скорости перемещения семян в камере обработки устройства для обработки семян биопрепаратами.
Давление воздуха и жидкости поочередно регулировали в интервале от 0,1МПа до 0,4МПа с шагом 0,1МПа. Повторность опыта трехкратная.
После высыхания карточки собирали и обрабатывали. Обработку карточек проводили методом сканирования с последующей обработкой на ПЭВМ по специальной программе.
Карточки всех повторностей в соответствии с требованиями ГОСТ 34630-2019 распределяли на три группы:
- условно мелкие — до 150 мкм;
- средние — от 150 до 300 мкм;
- крупные — свыше 300 мкм.
По результатам распределения карточек по группам капель вычисляли количественную долю каждой группы от общего числа карточек и записывали в протокол проведения проверки. Затем вычисляли средневзвешенное значение медианно-массового диаметра осевших капель.
Анализ и обсуждение результатов. Исследования экспериментального распылителя по влиянию давления рабочего раствора и воздуха на дисперсность его распыливания проведены в соответствии с представленной выше методикой. В качестве рабочего раствора использовали одно-, двухпроцентный водный раствор красителя черного. Результаты исследований представлены в таблице 1 и рисунках 3,4.
В соответствии с требованиями ГОСТ 34630-2019 [13] размер частиц распределяется по следующей градации:
- условно мелкие — до 150 мкм;
- средние — от 150 до 300 мкм;
- крупные — свыше 300 мкм.
Для обработки семян зерновых культур по рекомендациям [13] размер частиц препарата должен находиться в интервале 100…300мкм. Тогда для данного диапазона размера частиц и в соответствии с результатами исследований по выживаемости микроорганизмов от влияния физических факторов определим рациональные значения давления рабочего раствора и воздуха.
Для объективного анализа данных таблицы 1, рассмотрим математическую модель (1), описывающую зависимость дисперсности рабочего раствора при распыливании его экспериментальным распылителем от давления жидкости и воздуха:
(1)
где X1 – давление жидкости в системе распыления, МПа;
X2 – давление воздуха в системе распыления, МПа.
Значения коэффициентов регрессии вычисляли с помощью пакета анализа MS Excel. Уравнение регрессии, полученное в результате расчетов, проверено на адекватность по F- критерию Фишера (вероятность p=0,95). Анализируя влияние факторов на критерий оптимизации, приходим к выводу, что повышение рабочего давления воздуха и жидкости на входе в распылитель способствует уменьшению размеров капель при распыливании водо-воздушной смеси на выходе из распылителя. Причем, наибольшим оно осуществляется от давления жидкости.
Графическая интерпретация уравнения (1) представлена на рисунке 5.
Анализируя рисунок с учетом рационального значения давления жидкости на уровне 0,2…0,4МПа приходим к выводу о том, что при давлении воздуха от 0,1 до 0,2МПа размер капель находится в интервале от 140 до 220мкм, а увеличение давления воздуха до 0,3МПа позволяет уменьшить размер частиц до 100мкм.
Таким образом, рациональными значениями рабочих параметров экспериментального распылителя являются давление рабочей жидкости в интервале 0,2…0,4МПа и воздуха – 0,1…0,3МПа. При этих значениях параметров распылитель обеспечивает образование распыленных частиц с размерами от 100 до 220мкм. По классификации ГОСТ 34630-2019 [13] они относятся к группам условно мелкие и средние, что соответствует требованию на распылители рабочего раствора биопрепаратов.
Выводы. 1. Получена математическая модель описывающая зависимость дисперсности рабочего раствора при распыливании его экспериментальным распылителем от давления жидкости и воздуха.
2.Разработана программа для ЭВМ реализующая обработку и распознавание количества и размеров капель сканированных результатов распыливания.
3. Определены рациональное давление рабочей жидкости в интервале 0,2…0,4МПа и воздуха – 0,1…0,3МПа.
