Повышение эффективности внесения гербицидов при возделывании малины путем разработки и обоснования конструктивно- режимных параметров опрыскивателя
На правах рукописи
Кузнецов Евгений Владимирович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕСЕНИЯ
ГЕРБИЦИДОВ ПРИ ВОЗДЕЛЫВАНИИ МАЛИНЫ ПУТЕМ
РАЗРАБОТКИ И ОБОСНОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-
РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПРЫСКИВАТЕЛЯ
Специальность 05.20.01- «Технологии и средства механизации
сельского хозяйства»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Чебоксары - 2009
Работа выполнена на кафедре «Сельскохозяйственные, мелиоративные и строительные машины» ФГОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия».
Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Ожерельев В.Н.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Белов В.В.
доктор технических наук, профессор Колчин Н.Н.
Ведущее предприятие: ФГОУ ВПО «Курская государственная сельскохозяйственная академия им. И.И.
Иванова»
Защита диссертации состоится «11» декабря 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д220.070.01 при ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу:
428003, г. Чебоксары, ул. К. Маркса, д.29, ауд. 222.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА».
Объявление о защите и автореферат размещены на сайте ФГОУ ВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия» http:
//www.academy21.ru в разделе «Новости» «5» ноября 2009 г.
Автореферат разослан «6» ноября 2009 г.
Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук С.С. Алатырев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Широко используемые за рубежом альтернативные технологии возделывания малины, включающие химические методы защиты растений, в природно-климатических и экономических условиях России не получили экспериментального подтверждения своей эффективности.
Доминирующей остаётся традиционная технология, предусматривающая трудоёмкость ручной прополки рядов от сорной растительности до человеко-часов на гектар и затраты средств на эти цели 6800 руб.
Установлено, что химический метод прополки рядов можно успешно применять в составе адаптированной традиционной технологии возделывания малины в условиях средней полосы России. При этом достигается снижение трудоёмкости прополки в 3,8 раза и экономия производственных затрат до 6800 руб на 1 га плодоносящей плантации.
Большой объём теоретических и экспериментальных исследований в области совершенствования опрыскивающих агрегатов выполнили Казаков И.В., Киртбая Е.К., Кичина В.В., Лысов А.К., Майдебура В.И., Ожерельев В.Н., Петровская Е.В., Со Сокхи, Соловьева Н.Ф., Усова Т.С., Шершабов И.В., Ярославцев Е.И. и многие другие.
Однако, оптимальные конструктивные параметры и режимы работы агрегатов для внесения гербицидов в ряды малины не полностью изучены и требуют дальнейшего теоретического и экспериментального обоснования.
Целью исследований является повышение эффективности внесения гербицидов в ряды малины за счёт обоснования рациональных конструктивно-режимных параметров опрыскивателя.
Объектом исследования является процесс механизированного внесения гербицидов в ряды товарной плантации малины.
Предметом исследования являются характеристики внешних условий работы опрыскивающего агрегата, взаимосвязь значений конструктивно режимных параметров модернизированного опрыскивателя, потерь рабочей жидкости и закономерности распределения её по площади рядов малины.
Методика исследования. Для достижения поставленной цели применялись теоретические и экспериментальные методы исследований.
Теоретические исследования выполнены с применением известных законов и методов классической механики, математики, статистической динамики и компьютерного моделирования. При изучении внешних условий работы, а также основных свойств исследуемого опрыскивающего агрегата применялись частные методики. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях в соответствии с действующими ГОСТами и ОСТами с использованием теории многофакторного эксперимента. Результаты экспериментов обрабатывались при помощи пакетов стандартных компьютерных программ «Stadia», «STATISTIKA 6.0», «Excel», «Simulink», «MathCAD», «AutoCAD», а также частных программ «Мышь» и «Анализатор пятен».
Научную новизну представляют:
- принципиальные схемы опрыскивающего агрегата для внесения гербицидов в ряды малины и математические модели его функционирования;
- экспериментальные зависимости влияния установочных параметров распылителей типа IDS на величину потерь рабочей жидкости и равномерность её распределения по ширине рядов малины при двухстороннем проходе опрыскивающего агрегата;
- статистические характеристики параметров растений малины сорта Гусар, профиля рядов и междурядий плантации, представляющие внешние условия работы опрыскивающего агрегата;
- оптимальные значения конструктивных параметров и режимов работы агрегата при внесении гербицидов в ряды различной ширины.
Новизна технических решений по конструкции опрыскивателя подтверждается патентами на полезную модель №69706, №70951 и №74763.
Практическая значимость:
конструкция усовершенствованного опрыскивателя позволяет качественно вносить гербициды на поверхность сорных растений в ряды малины с минимальным повреждением листовой поверхности культурных растений и адаптироваться к различным внешним условиям;
- полученные, оптимальные для различных внешних условий, конструктивные параметры и режимы работы опрыскивающего агрегата обеспечивают повышение производительности до 44%, снижение затрат труда на 30,4%, потерь продукции – на 11,5%, экономию рабочей жидкости на 25,0%.
Реализация результатов исследований. Модернизированный опрыскивающий агрегат прошёл производственную проверку и внедрён в КФХ «Ягодное» Выгоничского района Брянской области. Результаты исследований используются в учебном процессе в ФГОУ ВПО «Брянская ГСХА».
Апробация результатов. Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены:
- на международных научно-технических конференциях в ВИЗР и «Челябинский ГАУ»;
- на межрегиональных научно практических конференциях в ФГОУ ВПО: «Воронежский ГАУ им. К.Д.
Глинки», «СПБ ГАУ», «Брянская ГСХА».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, включая две публикации в издании, рекомендованном ВАК РФ и четыре патента на полезную модель.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 147 наименований. Работа изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка, таблиц и 16 приложений.
На защиту выносятся:
- принципиальная схема опрыскивающего агрегата для внесения гербицидов в ряды малины и математические модели его функционирования;
- рациональный тип распылителя и экспериментальные зависимости влияния его установочных параметров на потери рабочей жидкости и равномерность её осаждения при двухстороннем проходе агрегата;
- экспериментальные характеристики внешних условий работы опрыскивающего агрегата при внесении гербицидов в ряды малины;
- методика компьютерного эксперимента по синтезу рациональных конструктивно-режимных параметров опрыскивающего агрегата;
- рациональные значения конструктивно-режимных параметров экспериментального опрыскивающего агрегата;
результаты производственной проверки модернизированного опрыскивающего агрегата и его экономическая оценка.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, её практическая значимость, сформулированы научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований» на основе анализа научных работ и обобщения передового опыта дана оценка теоретического и практического уровня современных технологий возделывания малины и технических средств по её химической защите.
Установлено, что за рубежом широко распространены альтернативные технологии, предусматривающие химический способы борьбы с сорной растительностью, более эффективные по сравнению с традиционной. В климатических и экономических условиях России эффективность зарубежных альтернативных технологий не нашла практического подтверждения и используются адаптированные к климатическим зонам трудоёмкие традиционные технологии. В настоящее время имеются исследования, доказывающие высокую эффективность внедрения химического метода защиты растений от сорной растительности в состав адаптированных традиционных технологий.
Анализ конструкций современных полевых и садовых опрыскивателей показал их неприспособленность к внесению гербицидов в ограниченное пространство рядов малины ниже листовой зоны культурных растений.
Задачи исследований: разработать принципиальную схему опрыскивающего агрегата для внесения гербицидов в ряды малины и математические модели его функционирования;
обосновать рациональный тип распылителя и получить экспериментальные зависимости влияния его установочных параметров на потери рабочей жидкости и равномерность её осаждения по ширине рядов малины при двухстороннем проходе агрегата;
исследовать и формализовать внешние условия работы опрыскивающего агрегата при внесении гербицидов в ряды малины;
разработать методику компьютерного эксперимента по синтезу рациональных конструктивно режимных параметров экспериментального опрыскивающего агрегата;
обосновать рациональные значения конструктивно-режимных параметров экспериментального опрыскивающего агрегата в различных условиях функционирования методом компьютерного моделирования;
изготовить опытный экземпляр модернизированного опрыскивающего агрегата, осуществить его производственную проверку и дать экономическую оценку.
Во второй главе «Аналитические исследования по повышению эффективности механизированного внесения гербицидов в ряды малины»
разработана концептуальная информативная модель взаимодействия опрыскивающего агрегата и пестицидов с окружающей средой при химической защите растений, позволившая выявить особенности функционирования опрыскивающего агрегата при внесении гербицидов в ряды малины.
На основе схем осаждения гербицида в ряд малины (рис. 1) выявлены внешние факторы и конструктивно-режимные параметры, влияющие на качество опрыскивания: установочная высота Zр нахождения распылителя над поверхностью ряда малины, угол р установки распылителя к вертикали, угол установки плоскости факела распыла относительно оси OY, нижняя а) б) Рисунок 1 – Схема осаждения гербицида в ряд граница MZл расположения листьев малины при угловых колебаниях распылителя: а) малины, диапазоны р и фронтальный вид, б) вид сверху угловых колебаний распылителя в вертикальной и горизонтальной плоскостях, ширина bр ряда малины.
Установлен критерий оптимизации процесса опрыскивания: максимум доли объёма рабочей жидкости, осаждаемой в пределах ряда малины от общего вылитого объёма при соблюдении требований равномерности и плотности покрытия поверхности каплями, минимуме попадания гербицида на листья культурных растений. На основе патентного поиска разработаны два, защищённых патентами, варианта конструкций опрыскивателя с опорной и безопорной штангой (рис. 2), позволяющих качественно вносить гербициды в ограниченное пространство рядов малины, ниже листовой зоны культурных растений, при движении по неровностям рельефа с образованием и без образования колеи. Вариант опрыскивателя с безопорной штангой явился объектом дальнейших исследований. Взаимосвязь статико динамических параметров опрыскивающего агрегата и входных стохастических воздействий с линейными и угловыми колебаниями распылителя установлена с помощью математической модели на основе уравнений Лагранжа второго рода в виде (1):
(1) d T T П Ф - + + =Q.
& & dt q q q q q При описании движения в поперечно-вертикальной плоскости с общепринятыми допущениями кинетическая энергия в производных по обобщённым координатам имеет вид:
Т Т Т & T = - I X a, & = 0;
= 0;
= - MZ ;
& (2) & a a Z Z d T d T & = - MZ&;
& && = -I X a, & dt a dt Z где Z – вертикальные перемещения центра масс агрегата;
– угловые колебания агрегата вокруг продольной оси.
В тех же обобщённых координатах потенциальная энергия описывается формулами:
П (3) = (C1 + C 2 ) Z + (C1a1 - C 2 a 2 )a - C1 X 1 - C2 X 2 ;
Z П (4) = (C1a1 - C 2 a2 )a - (C1a1 - C 2 a2 ) Z - C1a1 X 1 + C 2 a2 X 2, 2 a где С1, С2 – коэффициенты жесткости шин левого и правого колес агрегата соответственно;
а1, а2 - расстояние от центра масс агрегата до середины левого и правого колес агрегата соответственно.
Частные производные по обобщённым координатам от диссипативной функции после преобразований имеют вид:
F & & & (5) & = ( K1 + K 2 ) Z + (a 2 K 2 - a1 K1 )a р - K1 X 1 - K 2 X 2 ;
Z F & & & (6) & = ( K 2 a 2 - K1a1 ) Z + ( K1a1 + K 2 a 2 )a + K1a1 X 1 + K 2 a2 X 2, 2 & a где К1, К2 – коэффициенты неупругого сопротивления шин левого и правого колес агрегата соответственно.
Обобщённые силы при описании движения системы по обобщённой координате Z в явном виде не присутствуют, а учтены при описании потен циальной энергии статического сжатия пневматических колёс.
Подставив значения составляющих в формулу (1), получили систему из двух дифференциальных уравнений второго порядка:
Z& = [( K 1 + K 2 ) Z + ( C 1 + C 2 ) Z + ( a 2 K 2 - a1 K 1 )a + ( C 1 a1 - C 2 a 2 )a & & & (7) & & - K 1 X 1 - K 2 X 2 - C1 X 1 - C 2 X 2 ] M ;
& && & a = [( K1a1 + K 2 a2 )a + (C1a1 + C2 a2 )a + ( K 2 a2 - K1a1 ) Z + (C1a1 - C2a2 ) Z 2 2 2 (8) & & + K1a1 X1 + K 2 a2 X 2 - C1a1 X1 + C2 a2 X 2 ] / I X.
С учётом стохастического характера входных воздействий на агрегат, процесс изменения высоты расположения распылителя над поверхностью почвы в середине ряда малины определяется по формуле:
ZР(t) = Z(t) – h3(t) – aр (t), (9) где h3(t) – изменение высоты профиля поверхности поля по центру ряда малины;
ар - расстояние от центра масс агрегата до выходного отверстия распылителя по горизонтали.
На основе математической модели с использованием пакета компьютерных программ Simulink разработана имитационная модель, позволяющая синтезировать оптимальные значения конструктивно режимных параметров опрыскивателя при стохастических входных воздействиях. Модель имеет блок БВС моделирования внешних условий работы агрегата, S-модель МДС эквивалентной опрыскивателю динамической системы, блоки БЛС и БНС формирования стационарных и нестационарных внутренних связей системы и блок БФЦ формирования функции цели.
Блок-схема модели приведена на рисунке 3. С помощью блока БВС возможно формирование и подача реализаций стохастических сигналов, эквивалентных процессам изменения профиля поля под колёсами агрегата, профиля поверхности почвы ряда малины и а) специальных сигналов (постоянного, синусоидального, ступенчатого и т.д.). Блок БЛС позволяет формировать линейные сигналы, отражающие линейные связи внутри модели, а блок БНС способен имитировать нелинейные (сухое трение в узлах) и нестационарные (уменьшение массы, высоты центра б) Рисунок 2 - Схема машины для борьбы масс, момента инерции и т.д.) с сорняками в защитной зоне: а) с реального агрегата в процессе его работы.
безопорной и б) с опорной штангой Блок МДС имитирует движение соответствующей реальному БЛС агрегату динамической системы с учётом массы, координат центра масс, БВС МДС БФЦ момента инерции, упругих и диссипативных свойств колёс, линейных размеров агрегата.
БНС Блок БФЦ построен на основе Рисунок 3 – Блок-схема Simulink- формализации процесса осаждения модели жидкости распылителями и формирует с учетом ширины ряда малины и характера колебаний распылителя, выходные сигналы, эквивалентные математическому ожиданию доли объёма жидкости от общего вылитого объема, осаждаемой в пределах ряда, коэффициенту вариации распределения жидкости по ширине ряда и величине их дисперсии.
Полученная модель пригодна для выполнения компьютерного эксперимента по синтезу оптимальных значений конструктивно-режимных пара метров экспериментального опрыскивающего агрегата.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» приведена программа экспериментов, описание оригинальных лабораторных установок, методик проведения исследований, обработки опытных данных и оптимизации параметров экспериментального опрыскивающего агрегата.
1 - пульт управления;
2 –электродвигатель с редуктором;
3 – деформатор;
4 – реохордный датчик;
5 – ролик обкатывающий;
6 – тензоось;
7 – испытываемое колесо на стойке с механизмом нагружения;
8 – батарея аккумуляторная;
9 – усилитель;
10 - аналого-цифровой преобра-зователь;
11 - ноутбук.
Рисунок 4 – Схема стенда для испытания колёс Упругие и диссипативные характеристики колёс экспериментального опрыскивателя выявлены на стенде (рис. 4).
Методика испытаний предусматривала деформацию шины номинально нагруженного колеса с различной частотой и амплитудой, запись возникающего на оси усилия и выявление на их основе коэффициента жёсткости и неупругого сопротивления.
Определение массы, координат центра масс и момента инерции опрыскивающего агрегата осуществлялось по известным методикам путём взвешивания и раскачивания на пружинном блоке.
Характеристики рельефа почвы междурядий и рядов малины определяли по частной методике с учётом ГОСТ 20915-75. Измерения выполнялись нивелиром, линейками по ГОСТ 427-75 и рулетками по ГОСТ 7502-98 с шагом дискретизации 0,1 м, длина реализаций - 60 м. Обработка результатов измерений выполнена в программах Excel и Matlab-6..
1 – стенд распределительный;
2 – распылитель;
3 – горизонтальный шарнир с лимбом для установки угла ;
4 – вертикальный шарнир с лимбом для установки угла р;
5 – горизонтальная штанга с ползуном;
6 – стойка.
Рисунок 5 – Вид распределительного стенда со штативом для регулировки высоты и углов установки распылителя Лабораторные испытания различных типов распылителей выполнили на базе ВИЗР с использованием распределительного стенда (рис.5) и специального приспособления.
Задачей испытаний явилось получить и формализовать характеристики процесса распределения жидкости по обрабатываемой поверхности различными типами распылителей и выявить тип распылителей, наиболее соответствующий условиям работы опрыскивающего агрегата при внесении гербицидов в ряды малины. Исследованию подвергались щелевые распылители типа Spraying System 110 04 (red), распылители типов ОС американской фирмы Teejet, ОС и IDS германской фирмы Lechler.
Реализована матрица ротатабельного центрального композиционного планирования четырёхфакторного эксперимента. Откликами Yi являлись объёмы жидкости, осаждённой распылителем на каждые 0,05 м ширины захвата стенда. Уровни варьирования факторов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Факторы и уровни их варьирования Уровень Интервал факторов Обозначения Факторы варьирования -1 0 Высота установки распылителя Zр, м Z1 0,14 0,21 0,28 0, Угол наклона распылителя к вертикали р, град.
Z2 12 24 36 Угол установки продольной оси факела относительно поперечной оси каналов стенда, град.
Z3 20 25 30 Давление жидкости перед распылителями Р, МПа.
Z4 0,2 0,4 0,6 0, Целью компьютерного эксперимента явилось:
а) синтез оптимальных установочных значений высоты установки распылителя Zр относительно поверхности почвы в ряду малины, угла наклона распылителя р к вертикали и угла установки плоскости факела относительно оси ОY, обеспечивающих равномерное осаждение максимальной доли объёма распыляемой жидкости в пределах ряда малины шириной от 0,35 до 0,60 м;
б) синтез оптимальных значений коэффициента жёсткости C и коэффициента неупругого сопротивления K пневматических колёс опрыскивающего агрегата, обеспечивающих осаждение максимального объема распыляемой жидкости в пределах ряда малины шириной от 0,35 до 0,60 м при движении опрыскивающего агрегата с оптимальными значениями Zр, р, и по междурядью характерного рельефа с различной скоростью.
Инструментом исследования явилась Simulink-модель, имитирующая функционирование эквивалентной опрыскивающему агрегату динамической системы.
Степень соответствия свойств Simulink-модели реальному объекту оценивали путём сравнения переходных функций колебаний распылителя, полученных на Simulink-модели при подаче под правые и левые колёса агрегата отрицательного ступенчатого сигнала величиной 10-1 м и полученных экспериментально бесконтактным методом записей переходных функций при сбрасывании агрегата правыми и левыми колёсами с высоты 10-1 м.
Для достижения поставленной цели были решены оптимизационные задачи. В качестве критерия оптимизации принят максимум математического ожидания доли объёма рабочей жидкости Q (в процентах от общего вылитого объёма), осаждённой в пределах поверхности ряда малины при движении опрыскивающего агрегата на длине гона 60 м и соблюдении требуемой равномерности осаждения. Анализ покрытия учётных карточек каплями выполнили с помощью компьютерной программы «Анализатор капель».
При синтезе оптимальных установочных значений Zр, р, и осуществлялась настройка Simulink-модели на различные условия работы агрегата. Коэффициенты модели рассчитывались с учётом ранее полученных экспериментальных данных.
Оптимизацию значений коэффициента жёсткости С и коэффициента неупругого сопротивления К колёс осуществили по минимуму дисперсии колебаний распылителя по высоте относительно установочного значения при движении опрыскивающего агрегата по характерному типу рельефа на скоростях 1,38;
2,03 и 2,23 м/с. Для достижения цели был реализован план ротатабельного центрального композиционного планирования двухфакторного эксперимента. Уровни варьирования изменяемых факторов представлены в таблице 2. Откликом явилась величина дисперсии колебаний распылителя по высоте.
Таблица 2 – Уровни варьирования факторов двухфакторного эксперимента Уровни варьирования факторов Варьируемый фактор -1,414 -1 0 +1 +1, С, Н/м 237900 300000 450000 600000 К, Нс/м 172 1000 3000 5000 Поиск оптимальных установочных значений Zр, р, и осуществили реализовав на модели матрицу ортогонального центрального композиционного планирования трёхфакторного эксперимента. Уровни варьирования изменяемых факторов представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Уровни варьирования факторов трёхфакторного эксперимента Уровни варьирования факторов Варьируемый фактор -1,215 -1 0 +1 +1, Zр,м 0,0375 0,0500 0,1000 0,1500 0,, град. 23,75 25 30 35 36,, град. 13,4 15 22,5 30 31, Лабораторные испытания опрыскивающего агрегата с оптимизированными конструктивными параметрами выполнили на специальном стенде (рис. 6).
Задача испытаний – получить зависимость плотности покрытия обрабатываемой поверхности каплями от скорости ветра и скорости движения агрегата. Регистрировались также диаметр капель, и степень покрытия поверхности каплями. Дисперсность распыла и распределение капель по поверхности ряда фиксировались с помощью разложенных учётных карточек согласно ОСТ 10 6.1-2000.
1 - рельсовая дорожка;
2 – тележка;
3 – трос;
4 – электродвигатель;
5 - пульт управления;
6 - двухскоростной редуктор;
7 – вал;
8 – цепная передача;
9 – штанга;
10 - опорно-копирующее колесо;
11 – имитационная дорожка;
12 – распылитель;
13 – макет ряда малины;
14 – воздушный канал;
вентилятор;
15 – 16 – опрыскиватель;
Рисунок 6 – Схема стенда (патент № 74763 от 20.07.08) Полевые исследования и испытания агрегата проводились в крестьянско фермерском хозяйстве «Ягодное» Выгоничского района Брянской области.
Условия испытаний определялись по ГОСТ 20915-75 (СТ СЭВ 5630 -86). В основу методики исследований приняты стандарты ГОСТ 24026-80 и ОСТ 6.1-2000. Конструктивные параметры машины определялись согласно ГОСТ 26025-83 (СТ СЭВ 3470-81) и ГОСТ Р 8.563-96. Испытания проведены на соответствие машины требованиям ГОСТ 27858-88.
Определение технико-экономических показателей и экономическая оценка агрегата выполнены методом сравнительных испытаний по методикам ГОСТ 23728-88, ГОСТ 24055-88, ГОСТ 24057-88 и ГОСТ 23729-88.
В четвёртой главе «Анализ результатов исследований» представлены результаты, полученные в ходе теоретических и экспериментальных исследований, а также полевых испытаний. По схеме (рис. 2а) изготовлен опытный образец опрыскивателя, вид в работе которого показан на рисунке 7.
1 - ёмкость;
2 – насос;
3 – фильтр;
4 – регулятор - распределитель;
5 – штанга;
6 – универсальная рама.
Рисунок 7 – Вид опытного образца опрыскивателя в работе По результатам взвешивания, раскачивания на пружинном блоке и испытания на стенде (рис. 4), получены статико-динамические характеристики опрыскивателя (таблица 4), необходимые для дальнейшей оценки степени соответствия компьютерной модели реальному объекту и использованные при расчёте коэффициентов Simulink-модели на этапе компьютерного моделирования. Исследование рельефа почвы в междурядьях и рядах плантации малины показало, что макрорельеф представлен уклонами местности до 30 и с высокой достоверностью аппроксимируется линейными зависимостями.
Уклоны макрорельефа агрегат копирует автоматически, они не влияют на колебания распылителя и в дальнейшем не учитывались. Мезорельеф представлен неровностями длиной волны до 16 метров.
Таблица 4 – Статико-динамические параметры опрыскивающего агрегата М, кг Z, м I,кгм2 С, Нм К, Нс/м а, м ар, м 1964 1,12 1230 450450 3270 0,7 0, Процессы изменения высоты неровностей мезорельефа междурядья и поверхности почвы в ряду малины являются высоко коррелированными и хорошо копируются агрегатом, не вызывая значимых колебаний высоты установки распылителя относительно поверхности ряда. По этой причине процесс изменения высоты неровностей мезорельефа был отсеян. По критериям Колмогорова, Омега-квадрат и Д ол я рас тений п о д иапазонам, 18, 4 3 y = -41,364x + 129,01x - 133,81x + 65,304x - 10, 16, c - квадрат установлено, что процесс R = 0, 14, изменения высоты неровностей 12, 10, микрорельефа поля под колесами % 8, агрегата является стохастическим.
6, 4, Рисунок 8 - Распределение растений 2, 0, сорта Гусар по диапазонам длины.
0 0,5 1 1,5 Диапазон длины растений, м Получены статистические характеристики микрорельефа: дисперсия 2,0 Dx 4,0 см2;
среднеквадратическое отклонение 1,4 х 2,0 см;
частота среза 9 vпс м-1, на основе которых вырабатывался сигнал блоком БВС компьютерной модели (рис. 3).
В результате исследования 1187 растений малины на участках различного срока пользования получены характеристики длины растений (рис. 8).
Установлено, что в диапазоне высоты 0 - 0,4 м находится не более 1% растений. График расположения листьев по высоте растений в диапазоне 0, – 0,30 м и уравнение регрессии представлены на рисунке 9. В интересующем нас диапазоне высоты 0...0,3 м у растений малины различных сроков эксплуатации доля листьев практически 0, Д о л я л и с ть е в, %.
одинаковая и составляет 5,5%.
3 y = 196,07x - 116,24x + 24,794x - 1, 0, R = 0, Уравнение регрессии позволило в 0, дальнейшем определить процент листьев 0, малины, попадающих в зону факела 0, распыла при колебаниях распылителя по 0, высоте.
0, 0, Рисунок 9 – Расположение листьев 0,13 0,18 0,23 0,28 0, Высота листьев, м.
малины по высоте в диапазоне 0,13-0,30 м Предварительный отбор различных типов распыливающих систем на базе ВИЗР (г. Пушкин) по принципу их работы, геометрии факела распыла и равномерности распределения жидкости по ширине захвата показал преимущество инжекторного щелевого распылителя со смещённым факелом типа IDS германской фирмы Lechler.
Исследование влияния указанных в табл. 2 факторов на долю объема жидкости, осаждаемой в пределах рядов при двухстороннем проходе агрегата от общего вылитого объема показал их нелинейную взаимосвязь и наличие оптимума (рис. 10).
Методом сечения поверхностей отклика формализовано влияние каждого фактора в отдельности без учёта неровностей рельефа.
Влияние неровностей рельефа, конструктивных и динамических свойств агрегата исследовали 95, методом компьютерного 90, 90- моделирования с использованием 85- 85, 80- модели, выполнив Simulink 80,00 75- двухфакторный и трёхфакторный 70- Q, % 75, 65- эксперименты (таблицы 3 и 4).
60- 70, 55- Рисунок 10 - Зависимость доли 65,00 34, объема жидкости Q, осаждаемой в 60,00 27, 24, aр, град ap, град пределах ряда малины от величины 55, 21, 8 12 18, р и, при bР 16 24 32 36 40 b,b, град град = 0,45 м, Zр = 0,1 м и Р = 0,3 MПа Регрессионный анализ результатов двухфакторного эксперимента показал, что влияние коэффициента жесткости колес в интервале исследуемых скоростей на величину дисперсии колебаний распылителя по высоте меняется незначительно. Следовательно, коэффициент жесткости колес опрыскивающего агрегата можно принимать по экспериментально определенной величине для колес трактора Т-25А при паспортном давлении в шинах передних колёс марки 170-406 мм (6,6-16 дюймов) - 5300 мПа, а в шинах задних колёс марки 240-813 мм (9,5-32 дюйма) - 10350 мПа. Такое значение по результатам стендового эксперимента (рис. 4) равно 450 кН/м и принято в качестве рационального. Зависимость дисперсии колебаний распылителя по высоте от коэффициента неупругого сопротивления колёс опрыскивающего агрегата является значимой Дисперсия колебаний высоты установки -1, и при различных скоростях движения y = 58465x R = 0, распылителя D, см агрегата представлена на рис. 11.
-1, Vа=1,375 м/с y = 25749x Vа=2,025 м/с R = 0, y = 18518x-1, Vа=2,25 м/с R 2 = 0, Рисунок 11 – Зависимость дисперсии колебаний распылителя по высоте от коэффициента неупругого радиального сопротивления колёс опрыскивающего 0 1000 2000 3000 4000 5000 агрегата при различных скоростях движения Коэффициент неупругого сопротивления К, Нс/м Приемлемые значения дисперсии колебаний распылителя по высоте во всех случаях находятся при величине К свыше 3000 Нс/м.
По результатам стендовых исследований, задние колёса трактора имеют коэффициент неупругого сопротивления К = 3270 Нс/м. Данное значение является приемлемым и принято нами в качестве рационального.
По результатам трёхфакторного эксперимента для каждой ширины ряда малины получили оптимальные установочные параметры распылителя (рис.
12), соответствующие им значения доли объёма жидкости Q, попадающей в ряд малины от общего вылитого объёма и коэффициента V её вариации по площади (рис. 13).
35 0, 4 3 Установочные значения углов a 0, b y = -0,0248x + 0,3925x - 2,3926x + 7,0787x + 20, 0, R = 0, Высота установки распылителя Z, м р 0, 25 0, 0, 20 4 3 y = -0,0004x + 0,0055x - 0,0207x + 0,032x + 0,0933 0, R = 0, 15 0, b b 0, a ap Zр 4 3 0, y = -0,0271x + 0,1986x + 1,9229x - 15,503x + 36, R = 0, 5 0, 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0, Ширина ряда малины, м Рисунок 12 – Зависимость оптимальных установочных параметров распылителя от ширины полосы внесения гербицидов в ряды малины 100 4 3 V = 0,0008x + 0,1691x - 1,7886x + 5,376x + 14, Доля объема жидкости осажденной в R = 0, Коэффициент вариации, V,% ряд, Q,% Q, % V, % Q = 6,4579Ln(x) + 89, R = 0, 88 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0, Ширина ряда малины, м Рисунок 13 – Зависимость Q и V от ширины полосы внесения гербицидов в ряды малины при оптимальных конструктивно-режимных параметрах опрыскивающего агрегата Стендовые исследования качества работы опрыскивателя показали результаты, приведенные на рисунке 14. Таким образом, подтвердились все соответствующие ГОСТ показатели качества работы 27858- экспериментального опрыскивателя.
135,0 y = -0,3528x2 - 0,1172x + 129, 130, y = -0,0897x2 - 0,5168x + 130,6 R = 0, R2 = 0, 130, 125, Число капель, шт/см Ч исло капель, ш т/см 125,0 Vа = 1,1 м/с 120, Vа = 2,2 м/с Vа = 1,1 м/с 120, Vа = 2,2 м/с 115, 115,0 y = -0,5302x - 1,1154x + 128, R = 0,9829 110, 110, y = -0,4204x2 - 1,0841x + 123, R2 = 0, 105,0 105, 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 б) Скорость ветра V в, м/с a) Скорость ветра Vв, м/с 135,0 y = -0,1306x - 0,3846x + 131, а) у правого края ряда;
R = 0, 130, б) в середине ряда;
Число капель, шт/см в) у левого края ряда 125, Vа = 1,1 м/с Vа = 2,2 м/с 120, Рисунок 14 - Зависимость плотности покрытия каплями учетных карточек от 115, y = -0,1576x - 0,8362x + 122, скорости движения агрегата и скорости R = 0, 110, ветра при количестве растений малины в 0 1 2 3 4 5 Скорость ветра V в, м/с в) ряду 15 шт/м В пятой главе «Экономическая оценка внедрения результатов исследований в производство» приведены расчёты эксплуатационно технологических и технико-экономических показателей экономической эффективности применения модернизированного опрыскивателя для внесения гербицидов в ряды малины по сравнению с заменяемым образцом.
Использование агрегата с предлагаемым опрыскивателем в течение двух лет на плантации малины площадью 5 га позволило: снизить норму расхода рабочей жидкости на 25,0%;
повысить производительность агрегата за час сменного времени до 44%;
снизить затраты труда на 30,4%, прямые эксплуатационные затраты - на 2765 руб., а потери продукции – на 11,5%.
Суммарный годовой эффект на площади 5 га составил 112415 рублей.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. В результате проведенного анализа литературных источников, научных исследований и производственного опыта установлено:
- практикуемый в составе традиционных технологий возделывания малины метод борьбы с сорной растительностью в рядах культурных растений в форме ручной прополки имеет трудоёмкость до 175 человеко часов на гектар, создаёт сезонный пик трудоёмкости и приводит к снижению рентабельности производства ягод;
- практикуемый в зарубежных странах химический метод борьбы с сорняками в рядах малины решает вышеназванные проблемы, однако для условий России рациональные параметры опрыскивающих агрегатов и режимы их использования недостаточно обоснованы.
2. Разработаны новые принципиальные схемы опрыскивающего агрегата, способного вносить гербициды сбоку в ограниченное пространство рядов малины ниже границы листовой зоны культурных растений и математические модели его функционирования.
3. Лабораторными исследованиями на распределительном стенде подобран рациональный тип распылителя IDS германской фирмы Lechler, формализовано распределение по ширине захвата диспергируемой им жидкости при варьировании высоты установки Zp от 0,14 до 0,28 м, угла наклона в вертикальной плоскости р от 12 до 36 градусов и в горизонтальной плоскости от 20 до 30 градусов.
4. Изучение состояния опытной плантации малины позволило определить и формализовать внешние условия работы опрыскивающего агрегата:
- макро и мезорельеф почвы в рядах и прилегающих к ним междурядьях близки по частоте и амплитуде и с высокой степенью достоверности на длине гона 60 м описываются подобранными линейными уравнениями и полиномами пятой степени;
- микропрофиль междурядий в продольном направлении носит стохастический характер и имеет значение дисперсии D = 2 – 4 см2, частоту среза vпс = 9,0 – 12,0 м-1, а для рядов D = 1,7 – 2,3 см2, vпс = 10,0 -11,7 м-1;
- средняя ширина рядов малины различных возрастов, при различных технологиях возделывания находится в пределах 0,35 – 0,60 м;
-нижняя граница расположения листьев плодоносящих растений малины составляет 0,13 м, а на высоте до 0,3 м находится не более 5,5% листьев;
- средняя высота сорных растений в период обработки гербицидами составляет 0,10 – 0,13 м.
5. Разработан метод определения рациональных конструктивно – режимных параметров опрыскивающего агрегата при внесении гербицидов в ряды малины в реальных условиях функционирования с учётом стохастического характера внешних воздействий на основе компьютерного Simulink-моделирования.
6. Методом компьютерного моделирования определены:
- оптимальные по минимуму дисперсии колебаний высоты установки распылителя коэффициент жёсткости С = 450 кН/м и коэффициент неупругого сопротивления К = 3270 Нс/м колёс опрыскивающего агрегата;
- зависимости доли объёма рабочей жидкости, осаждаемой в пределах рядов малины шириной 0,35;
0,40;
0,45;
0,50;
0,55 и 0,60 м от общего вылитого объёма и коэффициента вариации её по ширине ряда от установочных параметров распылителя Zр, р, и давления Р при скоростях движения опрыскивающего агрегата 1,38;
2,03 и 2,25 м/с, синтезированы их рациональные значения.
7. Разработан, изготовлен и испытан опытный экземпляр опрыскивателя для внесения гербицидов в ряды малины шириной 0,35...0,60 м, позволяющий, по сравнению с базовым, повысить производительность до 44%, снизить расход гербицидов на 25% и потери урожая до 11,5%.
Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработки в производство в КФХ «Ягодное» на площади 5 га составил 112415 рублей.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Кузнецов, А.В. Прогнозирование равномерности осаждения рабочей жидкости по ширине захвата опрыскивателя / А.В. Кузнецов, В.В. Кузнецов, Е.В. Кузнецов, А.К. Лысов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. -№1. - С. 22-24.
2. Кузнецов, А.В. Информативная модель взаимодействия опрыскивающего агрегата и пестицидов с окружающей средой / А.В.
Кузнецов, В.В. Кузнецов, Е.В. Кузнецов, А.К. Лысов //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - №12. - С. 8-10.
Публикации в описаниях полезных моделей, сборниках научных трудов и материалах конференций 3. Патент на полезную модель №69706. Россия, МПК А01М 7/00. Машина для борьбы с сорняками. / Е.В. Кузнецов, В.А. Ермичев, А.В. Кузнецов, В.В.
Кузнецов - Опубл. 10.01.2008, бюл. №1.
4. Патент на полезную модель №70951. Россия, МПК F16F 11/00. Гаситель угловых колебаний. / А.В. Кузнецов, В.В. Кузнецов, В.Н. Ожерельев, Е.В.
Кузнецов - Опубл. 20.02.2008, бюл. №5.
5. Патент на полезную модель №74763. Россия, МПК А01М 7/00. Машина для борьбы с сорняками в защитной зоне. / Е.В. Кузнецов, В.А. Ермичев, В.Н. Ожерельев, А.В. Кузнецов, В.В. Кузнецов - Опубл. 20.07.2008, бюл.
№20.
6. Патент на полезную модель №74764. Россия, МПК А01М 7/00. Стенд для испытания рабочих органов опрыскивателей. / Е.В. Кузнецов, В.А.
Ермичев, А.В. Кузнецов, В.В. Кузнецов - Опубл. 20.07.2008, бюл. №20.
7. Кузнецов, В.В. Методика стендовых исследований свойств пневматических колёс / В.В. Кузнецов, В.К. Спиридонов, А.М. Случевский, А.В. Кузнецов, Е.В. Кузнецов // Конструирование, использование и надёжность машин сельскохозяйственного назначения. Сборник научных работ. – Брянск.: Изд-во Брянского СХИ, 2003. - С. 215-219.
9. Кузнецов, А.В. Повышение эффективности работы опрыскивателей путём синтеза рациональных параметров внутренних связей / А.В.Кузнецов, В.В. Кузнецов, Е.В. Кузнецов // Материалы научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития прогрессивных технологий.
защиты растений». – СПб-Пушкин.: Изд-во ВИЗР, 2005. – С. 27-32.
10. Кузнецов, А.В. Исследование равномерности распределения жидкости по ширине захвата щелевым распылителем / А.В.Кузнецов, В.В Кузнецов, Е.В. Кузнецов // Технологии и средства механизации сельского хозяйства.
Сборник научных трудов. - С-Петербург: СПБГАУ, 2005. - С. 63-67.
11. Кузнецов, А.В. Исследование штанговых опрыскивателей как динамических систем методом имитационного моделирования / А.В.Кузнецов, В.В. Кузнецов, Е.В. Кузнецов // Материалы XLIV международной научно-технической конференции «Достижения науки агропромышленному производству». Часть 2. -Челябинск.: Изд-во ЧГАУ, 2005. – С. 262-267.
12. Кузнецов, Е.В. Результаты лабораторных исследований распылителей для условий внесения гербицидов в рядки малины / Е.В. Кузнецов // Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых «Молодые ученые – возрождению агропромышленного комплекса России». - Брянск.: Изд-во БГСХА, 2006. – С. 347-349.
13. Кузнецов, Е.В. Стенд для лабораторных испытаний опрыскивателя малины с опорной штангой / Е.В. Кузнецов // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения.
Сборник научных работ. - Брянск: Изд-во БГСХА, 2006. – С. 17-20.
14. Кузнецов, В.В. Разработка Simulink-модели опрыскивателя для внесения гербицидов в ряды малины / В.В. Кузнецов, Е.В. Кузнецов // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. Сборник научных работ. - Брянск: Изд-во БГСХА, 2009. - С. 75-79.
15. Кузнецов, Е.В. Обоснование конструктивных схем опрыскивающего агрегата для различных условий внесения гербицидов в ряды малины / Е.В.
Кузнецов // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. Сборник научных работ. - Брянск: Изд-во БГСХА, 2009. - С. 40-47.
16. Кузнецов, Е.В. Результаты исследования растений малины как входного фактора при работе опрыскивателя / Е.В. Кузнецов // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. Сборник научных работ. - Брянск: Изд-во БГСХА, 2009. - С. 34-39.
17. Кузнецов, Е.В. Повышение эффективности внесения гербицидов при возделывании малины путём разработки и обоснования конструктивно режимных параметров опрыскивателя / Е.В. Кузнецов // Инновационные технологии и технические средства для АПК. Материалы межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых. Ч. 2. – Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2009. - С. 260-264.
18. Кузнецов, А.В. Исследование процесса осаждения гербицидов по ширине ряда малины с использованием распылителей типа IDS германской фирмы Lechler / А.В. Кузнецов, Е.В. Кузнецов // Инновационные технологии и технические средства для АПК. Материалы межрегиональной научно практической конференции молодых ученых. Ч. 2. - Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2009. - С. 265-269.