Justification of the diagram and parameters of a pneumatic slot sprayer with a flow chamber authors

Full Text

Обоснование

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.

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.

Для предохранения сноса ветром мелкодисперсной рабочей жидкости на поворотном устройстве дополнительно закреплен фартук 7, из прочной прорезиненной ткани (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 (б) щелевого распылителя: 1 – воздушная трубка; 2 – пневматическая проточная камера; 3 – питательная трубка распылителя.

Выбор и обоснование параметров поворотного устройства

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

• угол установки поворотного устройства;
• расстояние между штамбами деревьев;
• 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 . Минимальный угол установки поворотного устройства относительно штамба дерева равен . Расстояние между штамбами плодовых деревьев изменялось в интервале мм. Значения диаметра штамба плодового дерева принимались: минимальное мм и максимальное мм. Весь интервал размеров диаметра штамба плодового дерева был разбит на две части: мм и мм (Таблица 1).

В качестве отклика были приняты [11-12]:

• не обработанная площадь около штамба, мм².
• площадь, обработанная дважды, мм²;

Выбор и обоснование параметров щелевого распылителя с проточной камерой

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

• высота воздушного сопла;
• ширина воздушного сопла;
• 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 принята 8 мм, а высота – 0,15 мм. Уровни факторов выбирали таким образом, чтобы их оптимальные значения, попадали в центр интервала варьирования (Таблице 2).

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

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Параметры поворотного устройства.

В результате обработки математической модели поворотного устройства получили уравнения регрессии:

• для дважды обработанной площади около штамба

                                (1)

                                 (2)

• для необработанной площади около штамба

                                          (3)

                                (4)

После преобразований (при ) получили следующие выражения:

• для дважды обработанной площади около штамба

                                                       (5)

                                                           (6)

• для необработанной площади около штамба

                                                          (7)

                                                     (8)

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

Рис. 4. Зависимость необработанной площади  около штамба от  угла установки поворотного устройства и  диаметра штамба при (а) мм; (b) мм.

Анализ поверхностей показал, что при малых диаметрах штамба мм площадь необработанной площади зоны не зависит от  угла установки поворотного устройства опрыскивателя (Рис. 4a). Увеличение диаметра штамба мм приводит к значительному влиянию  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^о  (Рис. 4b).

Рис. 5. Зависимость дважды обработанной площади  около штамба от  угла установки поворотного устройства и  диаметра штамба при (a) мм; (b) мм.

Анализ поверхностей двукратной обработки показал, что изменение  угла установки рабочего органа зависит от  диаметра штамба. При больших диаметрах штамба мм эта зависимость является более выраженной (Рис. 5b). Оптимальное значение в обоих случаях работы в приствольной зоне наблюдается при .

Параметры щелевого распылителя

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

                                  (9)

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

                                                          (10)

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

мм,

мм,

мм.

Путем подстановки оптимальных значений параметров  уравнение (9) получено максимальное значение производительности 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 производительности  от ширины , высоты  воздушного сопла и размера щели питательной трубкой .

При подстановке оптимального значения параметра  получим уравнение регрессии  от параметров  и  в каноническом виде:

                                                    (11)

Поскольку коэффициенты при обоих параметрах имеют один знак (отрицательны) поверхность отклика (зависимости производительности  от ширины и высоты воздушного сопла) представляет собой эллипсоид с экстремумом в середине.

Аналогично были получены уравнения регрессии  от двух других параметров:

                                                     (12)

                                                     (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 .

На основе трехфакторного эксперимента определены оптимальные параметры распылителя: ширина воздушного сопла мм, высота воздушного сопла мм, размер щели питательной трубкой мм. При этом максимальная производительность составила 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  и высоты  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.

About the authors

Valery V Tsybulevsky

Kuban State Agrarian University named after. I.T. Trubilina

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

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Mechanization, Tractors, Automobiles and Technical Mechanics

Russian Federation, 13 Kalinina Street, Krasnodar, Russia

Boris F Tarasenko

Kuban State Agrarian University named after. I.T. Trubilina

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

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Machine Repair and Materials Science

Russian Federation, 13 Kalinina street, Krasnodar, Russia

Irina P Troyanovskaya

South Ural State Agrarian University;
South Ural State University (national research 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

Doctor of Technical Sciences, Professor, Honorary Mechanical Engineer of the Russian Federation,

professor of the Department of Tractors, Agricultural Machines and Agriculture;

Professor of the Department of Wheeled and Tracked Vehicles

Russian Federation, 13 Gagarin Street, Troitsk, Russia; 76 Lenin Avenue, Chelyabinsk, Russia

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, Laboratory of intellectual mobility

Russian Federation, 18 Kremlevskaya street, Kazan, Russia

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

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Basics of Machine Design

Russian Federation, 1 Gagarin Square, Rostov-on-Don, Russia

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

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Laboratory of Intelligent Mobility

Russian Federation, 18 Kremlevskaya Street, Kazan, Russia

References

Supplementary files