Study of the effect of forced precipitation of working fluid on a vineyard sprayer for weed control

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Развитие виноградарства является одной из ключевых отраслей сельского хозяйства Республики Крым. Благодаря особенным климатическим и почвенным условиям, выращивание винограда и продукты его переработки стали традиционными и приносят значительные результаты. Уникальная природа полностью соответствует всем биологическим и экологическим требованиям этой отрасли, обеспечивая высокий уровень урожайности. Достижение стабильной продуктивности виноградных плантаций достигается за счёт расчётливого и грамотного выбора ассортимента сортов и использования инновационных технологий выращивания винограда [1].

Борьба с сорной растительностью играет важную роль в технологии выращивания винограда. Недостаточное внимание и несвоевременные меры в решении этой проблемы могут снизить урожайность [2]. Сорные растения выступают в качестве конкурентов за влагу и питательные вещества, также они создают затенение на почве, обеспечивая укрытие для болезней и вредителей.

На виноградниках юга России встречаются до 200 видов сорных растений. Каждый вид обладает своими уникальными физическими, химическими и биологическими особенностями. Важную роль в эффективности применяемых гербицидов играет структурно-видовой состав этой сорной растительности. Чтобы бороться с нежелательными растениями на виноградных плантациях, механизаторы предпочитают использовать механические и химические методы борьбы [1].

Механическое уничтожение сорняков не всегда является оптимальным вариантом, особенно когда речь идет об интенсивном выращивании винограда, когда расстояние между кустами составляет всего 1 метр. Применение культиваторов и фрез повреждает корневую систему и штамб растений, что может негативно сказаться на их развитии. Если рассматривать случаи с плантациями, засорёнными корнеотпрысковыми сорняками, применение механического способа даже ухудшает ситуацию [3].

В то же время, химический способ остаётся одним из наиболее экономически обоснованных и эффективных для борьбы с сорными растениями.

Большинство сельскохозяйственных пестицидов вносятся путём перекачивания активного химического ингредиента, разведённого в воде, через гидравлические распылители. Распылитель распрыскивает жидкость каплями различного размера. Такой способ распыления основан главным образом на сочетании инерционных и гравитационных сил для контроля и направления капли к цели. Однако, этого часто недостаточно для решения проблем плохого осаждения, плохого проникновения в нижние ярусы растений, высокой подверженности витанию и сносу мелких, стеканию и попаданию в почву крупных капель. При традиционном опрыскивании большая часть гербицидов оседает на верхних ярусах растений и на верхней (адаксиальной) поверхности листьев, а не на средних и нижних ярусах и нижней (абаксиальной) поверхности листьев. Но покрытие распылением может быть улучшено за счёт лучшего контроля размера капель и давления распыления [4].

Определение размера капель, возникающих при использовании форсунок (распылителей), на опрыскивателях является важным фактором для определения эффективности системы распыления пестицидов. Таким образом, анализ размера капель становится неотъемлемой частью технологии использования пестицидов. Увеличение важности размера капель связано с растущей тревогой по вопросам переноса пестицидов и осознанием влияния размера капель на эффективность пестицидов

Целесообразно проводить обширную обработку растений, включающую верхние, средние и нижние ярусы листьев, а также абаксиальную и адаксиальную поверхности. Это позволит избежать повторного нанесения пестицидов из-за уничтожения сорняков, которые произрастают на нижних ярусах. Более того, стоит учесть, что адаксиальная поверхность листьев сорных растений, таких как осот, сурепка полевая и другие, обладает гидрофобными свойствами, что значительно усложняет остаточное смачивание пестицидами. В таких случаях важно, чтобы препарат оказывался на абаксиальной поверхности листьев сорного растения, где эти свойства менее выражены.

Использование воздушной поддержки для распыления позволяет добиться лучшего проникновения и осаждения рабочего раствора. В ряде исследований [5, 6] было установлено, что скорость и расход воздуха влияют на равномерность и распределение капель. Опыты показали, что воздушное распыление обеспечивает перенос мельчайших капель на недоступные участки с минимальными изменениями в распределении раствора по сравнению с распылением без использования воздушной поддержки.

Из вышесказанного следует, что при конструировании опрыскивателей с принудительным осаждением рабочей жидкости должна быть предусмотрена воздухораспределительная система, основная задача которой обеспечить равномерное распределения воздуха по всей длине рукава.

Цель исследований — изучить влияние воздушной струй на качество осаждения химических препаратов на адаксиальную и на абаксиальную поверхности листьев сорных растений.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для достижения этой цели требуется уделить особое внимание техническим аспектам системы, а также правильно спроектировать и выходные отверстия. Равномерность воздухораспределения является важным фактором для достижения максимальной эффективности работы системы.

Согласно проведенным теоретическим исследованиям [7, 8], для достижения равномерного выхода воздуха из отверстий, внутри воздушного рукава необходимо поддерживать одинаковое статическое давление воздуха в поперечных сечениях, проходящих через каждое отверстие. В этом случае возможные потери давления должны компенсироваться изменением динамического давления, сохраняя статическое давление на постоянном уровне. Поэтому рукав (с поддержанием постоянного статического давления) должен иметь переменное сечение вдоль его длины, например, коническую форму [9].

Определение начального и конечного диаметров воздушного рукава влечёт за собой оценку скоростей внутри него и расхода воздуха. Исследования показывают, что скорость выходящего из насадок воздуха не может быть меньше скорости внутри рукава [7, 9].

Основными конструктивными параметрами воздушного рукава и насадок являются: длина (L_рук) и диаметр (D_нач, D_кон) рукава, длина (l_н) и диаметр (d_н) воздушных насадок, количество (n) и шаг (b₁) их расстановки (рис. 1).

Рис. 1. Схема расположения гидравлической и пневматической системы: а — вид снизу; b — вид сбоку.

Fig. 1. The layout of the hydraulic and pneumatic system: а — bottom view; b — side view.

При использовании опрыскивателя для внесения гербицидов в междурядья виноградников необходимо достичь равномерного распределения воздушного потока во всем воздушном рукаве. Однако, проблема заключается в том, что отверстия в воздушных рукавах с одинаковым диаметром не обеспечивают равномерное распределение воздуха из-за неравномерного статического давления. Более того, высокая скорость воздуха на входе в рукав приводит к тому, что воздух подаётся под небольшим углом относительно рукава, что приводит уменьшению скорости потока при выходе из последующих отверстий. Чтобы достичь одинакового направления воздушного потока, используются насадки, которые повышают пропускную способность. Рациональный диаметр насадок d_н должен быть обоснован на основе предварительного расчёта параметров всей воздушной системы и их взаимосвязи с гидравлической системой.

По предложенным теоретическим предпосылкам [7] были получены следующие параметры для проектирования воздухораспределительной системы опрыскивателя (табл. 1).

Таблица 1. Параметры воздушного рукава и насадки

Table 1. Parameters of the air hose and the nozzle

В процессе разработки воздухораспределительной системы было принято решение использовать базовую модель с диаметром d_н выходного отверстия насадок в размере 30 мм.

На рис. 2 представлены конструктивные элементы воздухораспределительной системы и насадок.

Рис. 2. Воздухораспределительная система: a — общий вид; b — гидравлический распылитель и воздушная насадка (вид снизу); c — гидравлический распылитель и воздушная насадка (вид сбоку); d — внутренняя часть воздушного рукава.

Fig. 2. The air distribution system: a — general view; b — hydraulic sprayer and air nozzle (bottom view); c — hydraulic sprayer and air nozzle (side view); d — inner part of the air sleeve.

Впоследствии опрыскиватель ОНГВ-500 (рис. 3) был модифицирован путём добавления воздухораспределительного устройства 2. Таким образом, была обеспечена возможность проведения сравнительных исследований по влиянию опрыскивания с и без воздушной поддержки.

Рис. 3. Опрыскиватель ОНГВ-500: 1 — секция без воздушного опрыскивания; 2 — секция с принудительным воздушным опрыскиванием.

Fig. 3. The ONGV-500 sprayer: 1 — section without air spraying; 2 — section with forced air spraying.

В предшествующих исследованиях [7, 10] была обоснована минимально необходимая скорость воздушного потока (V_min), которая составила 15 м/с. При указанной скорости потока достигается достаточная сила для перемещения и переворачивания сорных растений, что необходимо для обработки адаксиальной и абаксиальной поверхности растений от верхнего до нижнего ярусов.

Важно учесть, что воздушный поток затухает после выхода из воздушных насадок, а этот процесс происходит ещё быстрее при проникновении в слой сорных растений. Поэтому скорость выхода потока V_п из насадок должны быть больше скорости V_min:

$V_{\min }\le V_{\text{п}}$. (1)

На рис. 4 показаны результаты проведённых исследований с выходной скоростью воздушного потока (V_п), которая обеспечивает достижение (V_min) в нижнем ярусе растений.

Рис. 4. Изменения скорости потока (V_п) в слое сорных растений, м/с: 1 — начальная скорость — 35 м/с; 2 — начальная скорость 30 м/с; 3 — начальная скорость 25 м/с; 4 — начальная скорость 20 м/с; 5 — начальная скорость 15 м/с.

Fig. 4. Changes in the flow rate (V_p) in the weed layer, m/s: 1 — initial velocity — 35 m/s; 2 — initial velocity 30 m/s; 3 — initial velocity 25 m/s; 4 — initial velocity 20 m/s; 5 — initial velocity 15 m/s.

Достаточно точно описанному условию удовлетворяет линейная зависимостью 2 (см. рис. 4), где начальная скорость составила 29,54 м/с, а конечная — 15,63 м/с.

В соответствии с методиками [11–13] были проведены сравнительные лабораторно-полевые исследования влияние воздушного потока на качественные показатели опрыскивания. В экспериментах использовался жидкостный распылитель с диаметром выходного отверстия 2 мм. Скорость воздушного потока Vп при выходе из насадки составляла ≈ 30 м/с.

В результате проведённых лабораторно-полевых исследований были получены сравнительные результаты распределения количества капель с воздушной поддержкой и без неё на абаксиальной и адаксиальной поверхности (рис. 5).

Рис. 5 Распределение количества капель рабочего раствора на абаксиальной и адаксиальной поверхности сорных растений.

Fig. 5. Distribution of the number of drops of the working solution on the abaxial and adaxial surfaces of weeds.

Распределение капель по размерам (мкм) по ярусам на адаксиальной поверхности индикаторных карточек показана на рис. 6, а на абаксиальной на рис. 7.

Рис. 6. Распределения капель (мкм) на адаксиальной поверхности.

Fig. 6. Droplet distributions (microns) on the adaxial surface.

Рис. 7. Распределения капель (мкм) на абаксиальной поверхности.

Fig. 7. Droplet distribution (microns) on the abaxial surface.

ОБСУЖДЕНИЕ

По агротребованиям при применении гербицидов оптимальная густота осевших капель должна составлять от 40 до 100 шт./см² и средним размером от 100 до 350 мкм [3].

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что при опрыскивании без воздушной поддержки основная часть препарата оседает на верхних и средних ярусах адаксиальной поверхности листьев и находится в пределах от 42 до 58 шт./см². На нижнем ярусе адаксиальной поверхности количество капель составило 33 шт. см². На абаксиальные поверхности листьев капли практически не наблюдается.

Применении воздушной поддержки способствовала покрытию рабочим раствором всех ярусов как абаксиальной, так и адаксиальной поверхности листьев сорных растений. Основная доля капель — это капли в диапазоне 100–200 мкм:

• адаксиальная поверхность: верхний ярус — 75,3%; средний ярус — 88,1%, нижний ярус 93,2%.
• абаксиальная поверхность: верхний ярус — 86,3%; средний ярус — 80,4%, нижний ярус 78,0%.

Образуемая смесь жидкости и воздуха играет ключевую роль в улучшении покрытия растений. Благодаря этому, крупные капли распадаются на мелкие, что позволяет осуществлять равномерное и более точное покрытие поверхностей. Этот процесс, известный как мелкокапельное опрыскивание, обеспечивает более эффективное проникновение в нижние слои растений и их листья, сохраняя капли на них и предотвращая их скатывание.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований подтверждают, что использование воздушной поддержки при распылении существенно улучшает проникновение гербицидных капель в более низкие слои растений и обеспечивает более равномерное осаждение на обеих сторонах листьев по сравнению с обычным распылением без воздушной поддержки. Применение комбинированной жидкостно-воздушной смеси позволяет перейти к мелкокапельному распылению, что повышает плотность покрытия обработанных растений в 2,5 раза, а также улучшает однородность размера капель в 1,6 раза.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад автора. Э.Ш. Османов — сбор и анализ литературных источников, проведение эксперимента, обработка экспериментальных данных, подготовка и написание текста статьи, редактирование текста рукописи, создание изображений. Автор подтверждает соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (автор внёс существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочёл и одобрил финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикаций.

ADDITIONAL INFORMATION

Author’s contribution. E.Sh. Osmanov — collection and analysis of literary sources, conducting an experiment, processing experimental data, preparing and writing the text of an article, editing the text of a manuscript, creating images. The author confirms the compliance of his authorship with the international ICMJE criteria (the author made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

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

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

作者简介

Enver Osmanov

编辑信件的主要联系方式.
Email: enver_hotboy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1757-6837
SPIN 代码: 2830-5671

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Technical Systems in Agribusiness Department, «Agrotechnological Academy» Institute 

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Fig. 1. The layout of the hydraulic and pneumatic system: а — bottom view; b — side view.

下载 (156KB)

索引源数据

3. Fig. 2. The air distribution system: a — general view; b — hydraulic sprayer and air nozzle (bottom view); c — hydraulic sprayer and air nozzle (side view); d — inner part of the air sleeve.

下载 (391KB)

索引源数据

4. Fig. 3. The ONGV-500 sprayer: 1 — section without air spraying; 2 — section with forced air spraying.

下载 (147KB)

索引源数据

5. Fig. 4. Changes in the flow rate (Vp) in the weed layer, m/s: 1 — initial velocity — 35 m/s; 2 — initial velocity 30 m/s; 3 — initial velocity 25 m/s; 4 — initial velocity 20 m/s; 5 — initial velocity 15 m/s.

下载 (296KB)

索引源数据

6. Fig. 5. Distribution of the number of drops of the working solution on the abaxial and adaxial surfaces of weeds.

下载 (244KB)

索引源数据

7. Fig. 6. Droplet distributions (microns) on the adaxial surface.

下载 (228KB)

索引源数据

8. Fig. 7. Droplet distribution (microns) on the abaxial surface.

下载 (200KB)

索引源数据