Justification of the layout and parameters of a pneumatic slot atomizer with a flow chamber

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Сорные растения составляют серьезную конкуренцию плодовым культурам. Сильная засоренность сада может привести к потере урожайности до 7–10%. Для борьбы с сорняками используют различные методы подавления роста сорных растений. Механический способ чреват возможностью повреждения корневой системы растений, поэтому наибольшее распространение получила химическая обработка гербицидами [1]. Она позволяет на 90% снизить засоренность посадок и сохранить урожай плодовых культур [2].

Качество химической обработки зависит от:

• количества (расход) подаваемой рабочей жидкости [3]. Наибольшую эффективность получили опрыскиватели пневматического типа, позволяющие работать с распылителями любого типа [4];
• размеров (медианно-массовый диаметр) капель при распылении, поскольку крупные капли плохо удерживаются на листьях растений, а малый размер капель способствует их распылению ветром [5]. Однако, не все распылители обеспечивают капли одинакового размера [6];
• равномерности и плотности покрытия (количество капель на 1 см²). При обработке многолетних насаждений плодово-ягодных культур определенную проблему составляет приствольная зона [7–8].

Цель исследования — разработать устройство и обосновать его оптимальные параметры, обеспечивающее равномерную химическую обработку многолетних плодовых культур, включая приствольную зону.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Конструкция опрыскивателя

Для исключения пульсации распыляемого химиката было решено исключить насосное устройство для подачи рабочей жидкости. Жидкость к распылителям 3 поступает из бака 2 самотеком (рис. 1). Гербицид, вследствие разряжения создаваемого струей воздуха, поступающего от компрессора 4 через воздушный коллектор 5 в щелевое сопло 3, диспергируется в мелкие капли. Такое решение характеризуется не только простотой конструкции и снижением ее металлоемкости за счет отсутствия насоса. Расход рабочей жидкости регулируется давлением воздуха, положением уравнительной емкости по высоте и размерами выходных отверстий распылителя. Предлагаемая схема защищена патентом на изобретение [9].

 

Рис. 1. Схема (а) и опытный образец (b) опрыскивателя с щелевым распылителем и поворотным устройством: 1 — рама; 2 — бак; 3 — щелевой распылитель; 4 — компрессор; 5 — воздушный коллектор; 6 — поворотное устройство; 7 — фартук.

Fig. 1. The layout (а) and the prototype (b) of a sprayer with a slot atomizer and a turning device: 1 — a frame; 2 — a tank; 3 — the slot atomizer; 4 — a compressor; 5 — an air manifold; 6 — the turning device; 7 — an apron.

 

Для обработки приствольной зоны распылитель имеет возможность перемещаться относительно ствола обрабатываемого дерева. Для этого на раме опрыскивателя шарнирно закреплено поворотное устройство в виде петли, на щупе которого крепится распылительное устройство (рис. 2). При необходимости на поворотном устройстве можно установить несколько распылителей. При работе опрыскивателя в междурядье щуп 1 поворотного устройства расположен между деревьями. Закрепленный на нем щелевой распылитель обрабатывает приствольную зону. При контакте со стволом дерева щуп 1 поворачивается и растягивает пружину 3. После схода со ствола дерева пружина 3 возвращает щуп 1 в исходное положение.

 

Рис. 2. Схема (а) и опытный образец (b) поворотного устройства: 1 — щуп; 2 — щелевой распылитель; 3 — пружина.

Fig. 2. The layout (a) and the prototype (b) of the turning device: 1 — a probe; 2 — the slot atomizer; 3 — a spring.

 

Для предохранения сноса ветром мелкодисперсной рабочей жидкости на поворотном устройстве дополнительно закреплен фартук 7, из прочной прорезиненной ткани (см. рис. 1). С целью увеличения зоны контакта жидкости снизу фартук разрезают на полоски для размазывания рабочей жидкости по выступающим сорным растениям.

Дополнительная замена круглого отверстия выхода струи рабочей жидкости на прямоугольное сечение способствует более качественному диспергированию рабочей жидкости. Щелевой распылитель с плоской подающей насадкой обеспечивает дополнительную стабилизацию скорости истечения струи рабочей жидкости и отсутствие вихреобразования на входе воздуха в щелевое сопло. Сжатый воздух по воздушной магистрали подводится к воздушной трубке 1 пневматического щелевого распылителя (рис. 3). Далее воздушный поток попадает в пневматическую проточную камеру 2, проходит по щелевому соплу и создает на выходе воздушную полуограниченную струю.

 

Рис. 3. Схема (а) и опытный образец (b) щелевого распылителя: 1 — воздушная трубка; 2 — пневматическая проточная камера; 3 — питательная трубка распылителя.

Fig. 3. The layout (а) and the prototype (b) of the slot atomizer: 1 — an air tube; 2 — a pneumatic flow chamber; 3 — an atomizer feeding tube.

 

Выбор и обоснование параметров поворотного устройства

Для поворотного устройства были выделены три основных параметра, влияющих на качество химической обработки [10]:

• $\alpha$ угол установки поворотного устройства;
• $L$ расстояние между штамбами деревьев;
• $D$ диаметр штамба дерева.

Другие конструктивные параметры поворотного устройства не рассматривались, так как они не влияют на качество химической обработки.

Выбор оптимальных значений этих параметров проводился на основе симметричного композиционного плана. Максимальное значение угла установки поворотного устройства относительно штамба дерева равно ${\alpha }_{max}=70°$. Минимальный угол установки поворотного устройства относительно штамба дерева равен ${\alpha }_{min}=50°$. Расстояние между штамбами плодовых деревьев изменялось в интервале $L=2000...4000$ мм. Значения диаметра штамба плодового дерева принимались: минимальное $D_{min}=40$ мм и максимальное $D_{max}=300$ мм. Весь интервал размеров диаметра штамба плодового дерева был разбит на две части: $D=40...100$ мм и $D=100...300$ мм (табл. 1).

 

Таблица 1. Факторы, интервалы и уровни варьирования параметров поворотного устройства

Table 1. Factors, intervals and levels of variation of the parameters of the turning device

Факторы	Кодированное обозначение	Интервал варьирования	Уровни факторов
			-1	0	+1
Расстояние между штамбами, $L$ мм	$x_2$	1000	2000	3000	4000
Угол установки поворотного устройства, $\alpha$ град	$x_1$	10	50	60	70
а) диаметр штамба дерева, $D$ мм	$x_3$	20	40	60	100
б) диаметр штамба дерева, $D$ мм	$x_3$	100	100	200	300

 

В качестве отклика были приняты [11–12]:

• $Y_n$ не обработанная площадь около штамба, мм²;
• $Y_o$ площадь, обработанная дважды, мм².

Выбор и обоснование параметров щелевого распылителя с проточной камерой

В качестве параметров, влияющих на качество обработки, были приняты [13]:

• $h$ высота воздушного сопла;
• $H$ ширина воздушного сопла;
• $S$ размер щели питательной трубки.

Другие конструктивные параметры щелевого распылителя не являются определяющими для качественной работы нашего распылителя [14].

Минимальный размер щели питательной трубки 1 мм, так как при меньшем диаметре выходное отверстие будет забиваться [15]. При выходном диаметре питательной трубки 4 мм площадь выходного сечения составила 12,57 мм². Расстояние между питательным и воздушным соплом принято минимально возможным по конструкции — 8,5 мм, для обеспечения лучшей дисперсии химикатов и максимальной скорости воздушного потока. Минимальная ширина воздушного сопла — 8 мм, а высота — 0,15 мм. Уровни факторов выбирали таким образом, чтобы их оптимальные значения, попадали в центр интервала варьирования (табл. 2).

 

Таблица 2. Факторы, интервалы и уровни варьирования параметров щелевого распылителя

Table 2. Factors, intervals and levels of variation of the slot sprayer parameters

Факторы	Кодированное обозначение	Интервал варьирования	Уровни факторов
			-1	0	+1
Ширина воздушного сопла $H$, мм	$x_4$	1	8	9	10
Высота воздушного сопла $h$, мм	$x_5$	0,15	0,15	0,3	0,45
Размер щели питательной трубки $S$, мм	$x_6$	1	1	2	3

 

В качестве отклика была принята производительность распылителя $Q$ (мл/мин).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Параметры поворотного устройства

В результате обработки математической модели поворотного устройства получили уравнения регрессии:

• для дважды обработанной площади около штамба

$\begin{array}{c}{Y}_{\text{o},D=40\dots 100}=6.22+0.005x_1+0.09x_2-0.43x_3+0.025x_1{x}_3+\\ +8.23x_1{x}_2+0.039x_1^2-0.027x_2^2+0.02x_3^2,\end{array}$ (1)

$\begin{array}{c}{Y}_{\text{o},D=100\dots 300}=4.85+0.03x_1+0.08x_2-0.82x_3-0.023x_2{x}_3-\\ -0.009x_1{x}_2-0.005x_1{x}_3+0.083x_1^2-0.017x_2^2+0.11x_3^2,\end{array}$ (2)

• для необработанной площади около штамба

$Y_{\text{n},D=40\dots 100}=0.015-0.0046x_1-0.005x_2+0.018x_3-0.007x_1{x}_3-0.007x_2{x}_3,$ (3)

$\begin{array}{c}{Y}_{\text{n},D=100\dots 300}=0.13-0.05x_1-0.04x_2+0.13x_3-0.029x_2{x}_3+\\ +0.024x_1{x}_2-0.036x_1{x}_3+0.0096x_1^2+0.013x_2^2+0.032x_3^2.\end{array}$ (4)

После преобразований (при $x_2=0$) получили следующие выражения:

• для дважды обработанной площади около штамба

$0.0452x_1^2+0.0144x_3^2=Y_{\text{о},D=40\dots 100}-3.398 ,$ (5)

$0.0827x_1^2+0.11x_3^2=Y_{\text{o},D=100\dots 300}-3.34 ,$ (6)

• для необработанной площади около штамба

$0.0035(x_1^2-x_3^2)=Y_{\text{n},D=40\dots 100}-0.0028 ,$ (7)

$0.0416x_3^2-0.0004x_1^2=Y_{\text{n},D=100\dots 300}-0.399 .$ (8)

Для более детального исследования по уравнениям (5)–(8) были построены трехмерные поверхности откликов (рис. 4 и 5).

 

Рис. 4. Зависимость необработанной площади Y_n около штамба от α угла установки поворотного устройства и D диаметра штамба при (а) D=40…100 мм; (b) D=100…300 мм.

Fig. 4. Dependence of the untreated area Y_n near a tree trunk on the installation angle α of the turning device and the bole diameter D at (а) D=40…100 mm; (b) D=100…300 mm.

 

Рис. 5. Зависимость дважды обработанной площади около штамба от α угла установки поворотного устройства и D диаметра штамба при (а) D=40…100 мм; (b) D=100…300 мм.

Fig. 5. Dependence of the twice processed area Y_n near a tree trunk on the installation angle α of the turning device and the bole diameter D at (а) D=40…100 mm; (b) D=100…300 mm.

 

Анализ поверхностей показал, что при малых диаметрах штамба $D<100$ мм площадь необработанной площади зоны не зависит от $\alpha$ угла установки поворотного устройства опрыскивателя (см. рис. 4a). Увеличение диаметра штамба $D>100$ мм приводит к значительному влиянию $\alpha$ угла установки рабочего органа опрыскивателя на площадь необработанной поверхности. Диапазон изменений необработанной площади находится в пределах ±0.003%. Оптимальное значение соответствует углу поворота рабочего органа 60° (см. рис. 4b).

Анализ поверхностей двукратной обработки показал, что изменение $\alpha$ угла установки рабочего органа зависит от $D$ диаметра штамба. При больших диаметрах штамба $D>100$ мм эта зависимость является более выраженной (см. рис. 5b). Оптимальное значение в обоих случаях работы в приствольной зоне наблюдается при $\alpha =58...60°$.

Параметры щелевого распылителя

После математической обработки экспериментальных данных было получено уравнение регрессии для производительности распылителя:

$\begin{array}{c}{Y}_p=164.91+17.232x_4+55.47x_5+7.801x_6+6.372x_4{x}_5-\\ -26.561x_4^2-21.003x_5^2-37.961x_6^2.\end{array}$ (9)

Для определения оптимальных параметров были взяты производные уравнения (9) по каждой из переменных и приравнены к нулю:

$\left\{\begin{array}{c} \frac{d{Y}_p}{d{x}_4}=-17.232+53.122x_4-6.372x_5\\ \frac{d{Y}_p}{d{x}_5}=-55.47+6.372x_4-42.006x_5\\ \frac{d{Y}_p}{d{x}_6}=7.801+75.722x_6\end{array} \right.$ (10)

В результате решения полученных линейных уравнений (10) были определены оптимальные значения параметров щелевого распылителя:

$x_4 =0.492 H=9.492$ мм, $x_5 = 1.395 h=0.509$ мм, $x_6 = -0.103 S=1.97$ мм.

Путем подстановки оптимальных значений параметров $x_4, x_5, x_6$ уравнение (9) получено максимальное значение производительности $Q=207.4$ мл/мин. Построение поверхности отклика проводилось с помощью двухмерных сечений, т.е. учитывалось влияние двух факторов на отклик, а третий фактор принимался оптимальным (рис. 6).

 

Рис. 6. Поверхности зависимостей h производительности Q от ширины H высоты h воздушного сопла и размера щели питательной трубкой S

Fig. 6. Surfaces of the dependences of productivity Q on the width H the height of the air nozzle and the size of the gap in the feed tube S

 

При подстановке оптимального значения параметра $x_6$ получим уравнение регрессии $Y_p$ от параметров $x_4$ и $x_5$ в каноническом виде:

$Y_{p45}-207.4=-28.009x_4^2-19.555x_5^2.$ (11)

Поскольку коэффициенты при обоих параметрах имеют один знак (отрицательны) поверхность отклика (зависимости производительности $Q\left(H; h\right)$ от ширины и высоты воздушного сопла) представляет собой эллипсоид с экстремумом в середине.

Аналогично были получены уравнения регрессии $Y_p$ от двух других параметров:

$Y_{p46}-207.4=-26.561x_4^2+37.861x_6^2,$ (12)

$Y_{p56}-207.4=-21.003x_5^2+37.861x_6^2.$ (13)

Поскольку в уравнениях (12)–(13) коэффициенты уравнений регрессии при разных параметрах имеют разные знаки, то поверхности отклика представляют собой гиперболоиды с минимаксом в центре. Гиперболы вытянуты вдоль оси с меньшим значением коэффициента в уравнении регрессии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенная схема опрыскивателя для химической обработки плодовых культур, включая приствольные зоны. Отсутствие насоса и редукционно-предохранительного устройств экономит расход металла при изготовлении и энергию подачи жидкости к распылителям. Новизна представленного устройства защищена патентами Российской Федерации.

Использование трехфакторного эксперимента позволило определить оптимальные параметры рабочего органа поворотного устройства опрыскивателя и режимов его работы при условии выполнения агротехнических требований к качеству обработки. Согласно полученному уравнению регрессии по критерию максимальной площади обработки около штамба и минимальной площади двукратной обработки начальный угол установки рабочего органа составил $\alpha =58...60°$.

На основе трехфакторного эксперимента определены оптимальные параметры распылителя: ширина воздушного сопла $H=9.492$ мм, высота воздушного сопла $h=0.509$ мм, размер щели питательной трубкой $S=1.897$ мм. При этом максимальная производительность составила $Q=207.4$ мл/мин.

В результате экспериментальных исследований установлено влияние управляемых факторов (ширины и высоты воздушного сопла и щели питательной трубки) на величину производительности распылителя. Увеличение ширины $H$ и высоты $h$ воздушного сопла относительно центра плана при неизменном размере щели питательной трубки приводит к падению производительности. Увеличение щели питательной трубки при неизменных других факторах ведет к росту производительности распылителя: 2,31 л/мин при щели 3 мм и 0,6 л/мин при щели 1 мм. Увеличение щели питательной трубки выше 3 мм при постоянных значениях других факторов приводит к снижению производительности за счет снижении инжекции.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. В.В. Цыбулевский и Б.Ф. Тарасенко — научная идея изобретения, руководство исследованием, написание текста рукописи, редактирование окончательной версии статьи; И.П. Трояновская—решение задачи оптимизации для обоснования параметров щелевого распылителя; С.А. Войнаш и Р.Р. Загидуллин — проведение трёхфакторного эксперимента для определения угла установки поворотного устройства; С.А. Партко — поиск публикаций по теме статьи, отработка изображений и перевод на английский. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. V.V. Tsybulevsky and B.F. Tarasenko — scientific idea of the invention, research management, writing th text of manuscript, editing the final version of the article; I.P. Troyanovskaya — solving the optimization problem to justify the parameters of a slot atomizer; S.A. Voinash and R.R. Zagidullin — conducting the three-factor experiment to determine the installation angle of the turning device; S.A. Partko — search for publications on the topic of the article, processing of images and translation into English. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. The present study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Valery V. Tsybulevsky

Kuban State Agrarian University

Email: valera-1913@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4246-6899
SPIN-code: 6256-1807
Scopus Author ID: 57210647073

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Mechanization, Tractors, Automobiles and Technical Mechanics Department

Russian Federation, Krasnodar

Boris F. Tarasenko

Kuban State Agrarian University

Email: b.tarasenko@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-9957-5979
SPIN-code: 7415-7870
Scopus Author ID: 57200221398

Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Machines Repair and Materials Science Department

Russian Federation, Krasnodar

Irina P. Troyanovskaya

South Ural State University; South Ural State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: tripav63@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2763-0515
SPIN-code: 6845-7532
Scopus Author ID: 57170706600
ResearcherId: H-7490-2017

Honorary Mechanical Engineer of the Russian Federation, Professor, Dr. Sci. (Engineering), Professor of the Tractors, Agricultural Machinery and Arable Farming Department

Russian Federation, Chelyabinsk; Troitsk

Sergey A. Voinash

Kazan Federal University

Email: sergey_voi@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5239-9883
SPIN-code: 9532-4604
Scopus Author ID: 57194339935

Engineer, Junior Researcher at the Intelligent Mobility Laboratory of the Institute of Design and Spatial Arts

Russian Federation, Kazan

Svetlana A. Partko

Don State Technical University

Email: parlana@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-8568-0716
SPIN-code: 4528-2130
Scopus Author ID: 57202051755
ResearcherId: AAG-6090-2019

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Basics of Machine Design Department

Russian Federation, Rostov-on-Don

Ramil R. Zagidullin

Kazan Federal University

Email: r.r.zagidullin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5185-2690
SPIN-code: 7207-8758
Scopus Author ID: 57193743308

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Intellectual Mobility Laboratory

Russian Federation, Kazan

References

Supplementary files