автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Электроимпульсная установка для борьбы с сорняками

На правахрукописи

ТОПОРКОВ Виктор Николаевич

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ БОРЬБЫ С СОРНЯКАМИ

05.20.02- электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

3 ИЮН 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005569715

Москва-2015

005569715

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ФГБНУ ВИЭСХ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Королев Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Новикова Галина Владимировна,

доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ, руководитель центра «Инновационные технологии» Автономной некоммерческой организации высшего образования «Академия технологии и управления» (AHO ВО «Академия технологии и управления»)

Людин Валерий Борисович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Информационные и электротехнические системы и технологии» «Российского государственного аграрного заочного университета» (ФГБОУ ВПО РГЗАУ)

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО ГСХА)

Защита состоится «30» июня 2015г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д006.037.01 в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (ФГБНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ ВИЭСХ и на сайте http://www.viesh.ru.

Автореферат разослан « 29> -¿*f2015 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Борьба с сорняками - важная народнохозяйственная задача. Традиционным мерам борьбы с сорняками свойственны существенные недостатки: истребительные — не обеспечивают уничтожение сорняков в рядках культурных растений, химические (использование гербицидов) отрицательно влияет на экологию окружающей среды, семена сорняков в почве сохраняют свою жизнеспособность и т.д.

Одним из перспективных методов борьбы с сорняками является использование технологий, основанных на применении электрической энергии высокого напряжения, в частности, воздействия на сорняки импульсами высокого напряжения, позволяющие снизить энергоемкость процесса и получить экологически чистую продукцию.

Поэтому разработка установок, использующих импульсы высокого напряжения для борьбы с сорняками является актуальной проблемой.

Целью исследования является обоснование параметров и режимов работы энергосберегающей экологически чистой электроимпульсной установки (ЭУ) для борьбы с сорняками на разных этапах их развития.

Задачи исследования. В теоретических и экспериментальных исследованиях решались следующие задачи:

-провести теоретические исследования механизма разрушения мембран клеток растительной ткани и разработать математическую модель процесса уничтожения сорных растений электрическими импульсами высокого напряжения;

- разработать методику и исследовать условия возникновения различных видов разрядов в почве при воздействии электрических импульсов высокого напряжения и обосновать параметры, эффективных режимов "провокации" прорастания семян сорняков в пахотном слое почвы;

- исследовать и обосновать параметры процесса уничтожения сорняков электрическими импульсами высокого напряжения и режимы работы ЭУ для борьбы с сорняками на разных этапах их развития;

- разработать, изготовить и испытать в производственных условиях ЭУ для борьбы с сорняками и оценить экономическую эффективность её применения;

- исследовать влияние работы ЭУ на химический состав, азотфиксиру-ющую активность и микрофлору почвы.

Объект исследования. Экологически чистые, энергосберегающие методы и средства борьбы с сорняками на основе использования электрических импульсов высокого напряжения.

Предмет исследования.

Процессы воздействия электрических импульсов высокого напряжения на сорные растения и их семена в пахотном слое почвы, параметры и режимы работы ЭУ для борьбы с сорняками.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научных исследований ВИЭСХ; по всероссийским программам, планам и договорам: договору №442/239 с Госагропромом. «Разработка и изготовление опытного образца элек-

тротехнологической установки для борьбы с сорняками при производстве экологически чистой продукции» 1990 г; договору №19 с Россельхозакадемией (задание №10.2) «Разработать методологии расчета систем и устройств для комплексной автоматизации систем растениеводства, электрифицированных средств борьбы с сорняками» 1993г; по научно-технической программе "Техника, энергетика и ресурсоиспользование" (проблема 12) 1996-2000 г; по заданию 09.02. программы по фундаментальным и приоритетным прикладным исследованиям 2006-2010 г. этап 09.02.02. 04. «Разработать ресурсосберегающие электротехнологические процессы, автоматизированные системы и технические средства для борьбы с сорняками , автономных подвижных рабочих агрегатов и водоснабжения»; программа по фундаментальным и приоритетным прикладным исследованиям на 2011-2015 г: подэтап 09.03.04.04 «Разработать энергоэффективные технические средства обеспечения технологических процессов в растениеводстве с элементами робототехнических агрегатов электротехнических устройств борьбы с сорняками и систем водоснабжения».

Методики исследования. В теоретических исследованиях механизма воздействия высоковольтных импульсов на сорные растения использовалась кинетическая теория прочности твердых диэлектриков.

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях на основе общепринятых и частных методик. Обработка результаты экспериментов проводилась с использованием теории вероятности, математической статистики, корреляционного и регрессивного анализов, методов активного планирования эксперимента и компьютерных прикладных программ.

Научную новизну результатов исследований представляют:

- предложенный механизм разрушения мембран клеток растительной ткани, основанный на учете локальных механических давлений электрических сил и разработанная математическая модель процессов уничтожения сорняков импульсами высокого напряжения с использованием кинетической теория прочности твердых диэлектриков;

- впервые выявленные условия возникновения и виды высоковольтных импульсных разрядов в почве, методика их исследования, и обоснованные параметры эффективных режимов "провокации" прорастания семян сорняков в пахотном слое почвы;

- предложенная технологическая схема процессов уничтожения сорняков электрическими импульсами высокого напряжения;

- разработанные новые способы и устройства, позволяющие повысить эффективность борьбы с сорняками.

Достоверность результатов основных положений и выводов работы обеспечивается строгостью используемых математических методов, подтверждена результатами экспериментальных исследований процесса борьбы с сорняками, выполненных с использованием стандартных методик, протоколами испытаний ЭУ в производственных условиях.

Практическую ценность работы составляют:

- результаты исследований, использованные для разработки электроимпульсного, энергосберегающего, экологически чистого метода борьбы с сорня-

нами;

- разработанные, изготовленные и испытанные в производственных условиях ЭУ для борьбы с сорняками;

- параметры и режимы работы ЭУ;

- технологическая схема и устройства, позволяющие увеличить эффективность уничтожения сорняков;

- разработанные способы и устройства, защищенные авторским свидетельством и 5-ю патентами РФ.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований электроимпульсного уничтожения сорняков положены в основу разработки технического задания и проектно- конструкторской документации на изготовление опытных образцов установки для борьбы с сорняками. Разработанные материалы были переданы Брянскому заводу "Эталон", изготовившему опытную установку, которая прошла заводские и межведомственные испытания в Брянской, Белгородской областях — на посевах сахарной свеклы и в Карелии — в лесопитомнике.

Электротехнологическая установка была представлена на ВДНХ получила серебренную медаль. На основе материалов исследований разработаны методические рекомендации к практическим занятиям по дисциплине «Электротехнологии в агропроизводстве» для студентов энергетического факультета МГАУ им В.П. Горячкина. Результаты исследований использованы при выполнении хоздоговорной работы ГНУ ВИЭСХ с ГУП ВЭИ №13-99. В учебный процесс по дисциплине «Электротехнологии в агропроизводстве» для студентов энергетического факультета, обучающихся по специальности «Агроинженерия», внедрены материалы исследования экологически чистой электроимпульсной установки для борьбы с сорной растительностью.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

- механизм разрушения мембран клеток растительной ткани с учетом локальных электрических сил и математическая модель процессов уничтожения сорняков импульсами высокого напряжения, позволяющей обосновать электротехнологические параметры ЭУ для уничтожения сорняков электрическими импульсами высокого напряжения;

-методика исследования различных видов разрядов в почве при воздействии электрических импульсов высокого напряжения и обоснованные параметры, обеспечивающие эффективную "провокацию" прорастания семян сорняков в пахотном слое почвы;

предложенная технологическая схема процессов уничтожения сорняков электрическими импульсами высокого напряжения, позволяющая повысить эффективность борьбы с сорняками;

- обоснованные параметры процессов уничтожения сорняков электрическими импульсами высокого напряжения;

- устройства, обеспечивающие эффективные, энергосберегающие режимы для борьбы с сорняками, защищенные патентами.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены, обсуждены и одобрены на международных, всероссийских конференциях, семинарах, симпозиумах, форумах: Всероссийский научно-технический се-

минар - Москва 1993г.; 3-й и 4-й симпозиум Международной ассоциации ТРАВЭК, Московская обл., Звенигород, май 1995 и 1997г; Международная научно-техническая конференция. -Москва ГНУ ВИЭСХ (5-7 октября 1998 г.); Международной научно-технической конференции, Минск, 24-25 ноября 2011 г.; 7-ой международной научно-практической конференции ГНУ СЗНИИМЭСХ Рос-сельхозакадемии, 2011 г.; Международный научно-практический форум Хабаровск 2013 г.; Международный агроэкологический форум «Экологические аспекты производства продукции растениеводства»; «Энергообеспечение и информационные технологии в сельском хозяйстве», ГНУ СЗНИИМЭСХ Россель-хозакадемии, 2013 г; 9-я Международная научно-техническая конференция -Москва ГНУ ВИЭСХ (21-22 мая 2014 г.).

Публикации. Результаты исследований и основное содержание диссертации опубликованы в 31 печатной работе, из них три опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для кандидатских диссертаций, одном авторском свидетельстве и 5-ти патентах.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 194 наименований, приложений и актов о внедрении и использовании результатов работы. Общий объем диссертации 174 страницы машинописного текста, включая 49 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы предмет, цель исследований, новизна научных результатов, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы представлен обзор традиционных (механических, химических и т.д.) методов и способов борьбы с сорняками и альтернативных экологически чистых - с использованием электрической энергии.

Рассмотрена возможность использования электрических импульсов высокого напряжения для борьбы с сорняками.

Изучением электрофизических воздействий на биологические объекты и совершенствованием электротехнологий в растениеводстве занимались российские и зарубежные ученые: Басов A.M., Баев В.И., Башилов A.M., Бойко А.Я., Бородин И.Ф., Владимиров Ю.А., Загинайлов В.И., Климов A.A., Листов П.Н., Ляпин В.Г., Новикова Г.В.,Попов В.М., Прищеп Л.Г., Перекотий Г.П., Савчук В.Н., Свиталка П.И., Спирин A.A., Тарусов Б.Н., Трофимова Н.Б., Усаковский В.М., Червяков Д.М., Юдаев И.В., Dykes W.Q.n др.

Анализ результатов исследований и технической литературы по рассматриваемой проблеме позволил установить, что:

- не решены некоторые вопросы теоретического исследования механизма разрушения мембран клеток растительной ткани под действием импульсов высокого напряжения;

- не обоснован выбор электрических параметров импульсов и видов разрядов, обеспечивающих наиболее эффективную "провокацию" прорастания семян

сорных растений, находящихся в пахотном слое почвы;

- применяемые рабочие органы в установках для уничтожения сорняков не обеспечивают высокую эффективность процесса, в частности, при большой засоренности полей и т.д.

Во второй главе приведены результаты теоретического исследовании механизма разрушения мембран клеток растительной ткани под действием импульсов высокого напряжения.

Мембрана растительной клетки по своей структуре представляет собой плоский конденсатор, обкладки которого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный слой, с диэлектрической проницаемостью е =2.0-2,2.После подачи на мембраны разности потенциалов они ведут себя в первый момент как диэлектрики, поэтому целесообразно рассмотреть механизм их повреждения на основе кинетической теории прочности твердых диэлектриков.

Оболочки клеток растительной ткани - неоднородная среда с микроне-сплошностью (порами). При воздействии импульса напряжения на границе между мембраной и порами возникают значительные механические локальные давления электрических сил, способствующие разрыву мембраны.

При подаче на сорняк высоковольтного импульса, напряжение оно распределяется между основными элементами растительных клеток (цитоплазмой и клеточной мембраной) пропорционально их сопротивлениям. Общая толщина мембран, которую необходимо пробить импульсом определяется зависимостью:

в^ЬНА.а,, (2.1)

К

где 1р- высота растения от места приложения напряжения до земли, м; ¿к - длина корня; К - размер растительной клетки; 50 - толщина отдельной мембраны.

Время жизни растения зависит от количества пробитых мембран и когда оно достигает 80-90% от общего количества, наступает необратимый процесс и растение гибнет. При этом нарушается обмен между клетками, единство жизненных процессов в растении невозможно. Время жизни сорняка в соответствии с кинетической теорией может быть рассчитано по формуле

1=т0-ехр

(2-2)

кг

где г0 - период тепловых колебаний молекул (10"12-10"и с); !10 - энергия активации разрушения связей между молекулами в мембране; в - структурно-чувствительный коэффициент; г-относительная диэлектрическая проницаемость мембраны; еа- диэлектрическая постоянная; К - постоянная Больцмана; Т - температура растения в градусах Кельвина; Е - напряженность поля в мембране

и-К- п-х\

Е—— = т;-ГТ7-' (2.3)

где и — приложенное к растению напряжение.

Формулы (2.1) - (2.3) фактически представляют собой математическую модель электрического уничтожения сорняков.

Для расчета времени жизни сорняков в электрическом поле необходимо

получить экспериментальные данные по величинам ио, в, ¿р, ¿к, 4, для сорняков разных видов и времени вегетации. Можно также использовать и два экспериментальных параметра 110 и обобщенный параметр ¿¡, равный

С =

0,5е-II ■£■■

(2.4)

В этом случае время жизни сорняка может быть рассчитано по формуле

<=г„ ехр

КТ

(2.5)

Зависимость на графике должна, в соответствии с формулой (2.5) быть линейной. Параметры С/0, и С, можно определить из экспериментальных данных.

Построив зависимость времени жизни сорняка от напряжения по полученным экспериментальным данным на графике рис. 1. в координатах 1п / и и2, получили зависимости близкие к линейным. Экстраполируя линейную зависимость в сторону меньших напряжений, получим условное время жизни 10 при напряжении Ц= 0. Логарифмируя левую и правую часть формулы (2.5) получим

выражение для расчета энергии активизации.

Рисунок I-Зависимость времени жизни сорняка от напряжения в координатах /я ?

и и2

Параметр С, можно найти, используя экспериментальное значение времени жизни // при напряжении ¿7,

♦ 6-ш недельная марь белая Я*) ^надапытанбелая дб-тямедвльн < 3-х недельный клубиекамыш

31

с=

и;

.(2.6)

0,01

10

30 и, к

Зависимости времени жизни сорняков от напряжения по экспериментальным данным на графике (рис. 1)

близки к линейным, что подтверждает теоретические исследования.

Приведены принципы расчета параметров ЭУ для уничтожения сорняков, с использованием результатов проведенных исследований. Обоснована принципиальная схема высоковольтного генератора импульсов для ЭУ. В третьей главе приводится технологическая схема уничтожения сорных растений (рис. 2), предполагающая три этапа: борьба с семенами сорных растений, находящихся в пахотном слое почвы, истребление всходов сорных растений и уничтожение взрослых сорных растений.

Объект реализаиии

да

Оператор

Рисунок 2- Технологическая схема уничтожения сорняков импульсами высокого напряжения

Первый этап технологии применяется после уборки урожая или весной до посева культурных растений и предусматривает очистку почвы от семян сорняков, находящихся в пахотном слое, путем "провокации" прорастания семян сорняков, с последующим их уничтожением, перед посадкой основных культур, любым традиционным наиболее удобным и менее затратным способом.

Проведенные исследования показали, что для эффективной "провокации" семян сорняков в пахотном слое почвы необходим кистевой разряд, охватывающий больший объем почвы.

Установлено, что вид разряда в почве зависит от градиента напряжения на рабочем промежутке, типа почвы, ее влажности, плотности, межэлектродного расстояния. При длине рабочего промежутка 5...25 см., при использовании НС-генератора, пробивные напряжения могут составлять от 3,0 до 10 кВ/см. Время формирования пробоя в этих условиях изменяется от долей до сотен микросекунд. Градиенты напряжения ,стабильно обеспечивающих отсутствие пробоя почвы и развитие в них кистевых разрядов при малых (3...4) см. межэлектродных расстояниях составляют для дерново-подзолистой почвы (5...6) и 10 кВ/см для влажности почвы 11 и 21% соответственно, а для парниковой почвы влажностью 38 и 48% -0,5-2,2 и 0,25-0,6 кВ/см. Оценены области, охватываемые этим разрядом, что необходимо для расчета электрических параметров и рабочих органов электротехнологических установок для борьбы с семенами сорняков, находящихся в пахотном слое почвы.

Исследование влияния электрообработки кистевым разрядом на "провокацию" прорастания семян сорняков и определения предварительных электрических параметров проводились в лабораторных, а затем результаты этих экспериментов проверялись в полевых условиях. В качестве индикаторов всхожести семян сорных растений находящихся в почве, при её электрообработке кистевым разрядом, были взяты семена сорго.

Влияние энергии обработки почвы, с посеянными в ней семенами сорго в лабораторных условиях и в теплице, на их всхожесть приведено на рис.3.

теплице

лаборатории

^ всхож атории %

ВСХОЖЦС1И теплице % /

Рисунок 3- Влияние энергии обработки почвы, с посеянными в ней семенами сорго в лабораторных и полевых условиях.

Энергия обработки,Дж/к1

Результаты исследований показали, что характер зависимости всхожести семян сорго от энергии обработки в полевых условиях совпадает с лабораторными и поэтому на этих же режимах были проведены эксперименты по обработке пахотного слоя почвы с естественным запасом семян сорняков.

Работы проводились с использованием разработанного макета ЭУ за 3-й недели до посадки основных культур в теплице. Среднее количество взошедших сорняков на контрольных делянках брали за 100%.

Влияние энергии обработки почвы с естественным запасом сорняков на их всхожесть показана на рис. 4. Из этого рисунка видно, что при энергии обработки 5,0 Дж/кг почвы, всхожесть естественных всхожесть естественных запасов сорняков, находящихся в пахотном слое увеличилась в среднем в 4 раза по сравнению с контролем.

/ Режим

1 стимуляции

Т Контроль 1

Режим угнетения ! 1

Рисунок 4—Зависимость всхожести семян сорняков, находящихся в пахотном слое почвы, от энергии обработки

При дальнейшем увеличении энергии обработки начинает снижаться разница всхожести между контролем и обработанными семенами сорняков и при энергии обработки более 32

Энергия обработки, Дж/кг. почвы Дж/кГ ПОЧВЫ, НабЛЮДЭеТСЯ рвЖИМ уГНвТеНИЯ

всхожести семян обработанных в пахотном слое почвы. Влияние энергии и градиентов напряжения при обработке почвы с естественным запасом сорняков на их всхожесть показана на рис. 5.

450 400 П350

I

I 300 си

<-> 250 л

а гоо

о 150

м 100

50

у —♦— 1_=50см, Н-0.6 кВ/см 1г -в-1=37.5 см, Н= 0,8 кВ/см

Я 1.= 30 см, Н=1,0 кв/см

^- Контроль

0 5 10 15

Энергия обработки, Дж/кг.почвы

20

Рисунок 5- Зависимость всхожести естественного запаса семян сорняков, находящихся в пахотном слое почвы, от энергии обработки и градиента напряжения

Из рис. 5 видно, что изменение градиентов напряжения, в областях существования кистевого разряда, и расстояния между электродами (от 30 до 50-ти см.), ока-

зывают незначительное влияние на всхожесть естественных запасов сорняков находящихся в пахотном слое почвы, а основное влияние оказывает энергия обработки. Наибольший эффект "провокации" - при энергии обработки от 3,5 до 6,5 Дж/кг почвы.

Второй и третий этап технологии борьбы с сорными растениями заключается в уничтожении всходов и взрослых сорных растений. С точки зрения энергоемкости процесса, целесообразнее уничтожать всходы сорняков. Проведенными исследованиями установлено, что для уничтожения всходов требуется напряжение 10-15 кВ, а взрослых сорняков 20. ..30 кВ. Третий этап технологической схемы предусматривает уничтожение взрослых сорных растений находящихся в междурядьях культурных растений, на паровых полях, а также расположенных выше культурных растений в рядках.

Влияние энергии на степень повреждения сорняков показано на рис. 6, откуда видно, что для уничтожения всходов требуется не более 10-20 Дж., при этом степень повреждения достигает 90%, а взрослых (1,5-2-х месячных) сорняков требуется не менее 100 Дж.

Для расчета электрических характеристик ЭУ необходимо обосновать эффективные параметры процесса уничтожения различных сорных растений.

Рисунок 6- Зависимость степени повреждения сорняков от энергии импульсов

В качестве примера взят клубнекамыш, наиболее распространенный и трудно уничтожаемый сорняк при безгербицидной технологии возделывания риса (работа проводилась по договору с ВНИИриса). Объектами исследований были также выбраны и другие наиболее злостные сорняки пропашных культур: бодяк, осот полевой, мать-и-мачеха, марь белая. Выбор этих сорняков обусловлен их вредоносностью и устойчивостью к гербицидам.

Проведенные предварительные исследования показали, что наибольшее влияние на степень повреждения оказывают: подведенное напряжение, энергия и количество импульсов. Для обоснования процесса уничтожения клубнекамыша высоковольтными импульсами, использовали метод планирования многофакторного эксперимента. В качестве критерия оптимизации принята максимальная степень повреждения растительной ткани мах. Выбор переменных для планирования эксперимента определялся условиями процесса электрообработки клубнекамыша. Экспериментально выявлены основные факторы влияющие на процесс и уровни их варьирования: х\ -амплитуда импульса 10-30 кВ; хг— количество импульсов 1-40; х3 -энергия импульса 1,0-10 Дж. На рис. 7 приведена зависимость степени повреждения 1,5 -месячного клубнекамыша от выявленных основных факторов. Реализовав матрицу полного факторного эксперимента и определив коэффициенты регрессии получим уравнение:

У = 51,9+6,6^+25,4л-2+1 1,9х3+0,63х1х2-2,35х1х3+0,38х2х,-3,37х,х2х] .

Энергии, Дж

100

90

*

с 80

о: 70

X

? 60

а ЬО

с 40

X 30

» ?П

с

10

0

—»—11=10 кВ,\Л/=1Дж -Я-и=10 ^ ~~ и=30 НВ^=1 Дж -*-и=зо 1 КВ, \М=10Дж к8,и/=10Дж

10 20 30

Количество импульсов.шт.

Рисунок7-Зависимость степени повреждения 1,5-месячного клубнекамыша от числа импульсов высокого напряжения

Для уровня значимости 0,95 и 0,99 значимы только коэффициенты Ьп,Ь1,Ь2 и Ьз, Следовательно выход может достаточно точно описываться уравнением регрессии без парных взаим одействий: У = 51,9+6,6л-, +25,4*,+11,9х3

При проверке адекватности процесса электрообработки клубнекамыша, расчетные значения критериев Фишера оказались меньше табличных (для уровня достоверности 95%), что свидетельствует об адекватности уравнения регрессии. Для оптимизации параметров использовали метод крутого восхождения по поверхности отклика в направлении градиента линейного приближения. Для описания участка поверхности отклика 3-х факторов был поставлен полный факторный эксперимент с нулевым уровнем в точках х/=20; д^=20,0; х3=4,5. Единицы варьирования были равны: >ч=10Д2=10,Хз=2,3.

План опыта по крутому восхождению в реальных единицах представлен в таблице 1

№ варианта 1 2 3 4 5 6

X! 20,0 21,3 22,6 24,0 25,3 26,6

х2 20,5 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0

Х3 5,5 6,6 7,7 8,8 9,9 10,0

Реализовав эту серию опытов, получили следующие значения выхода:

№ варианта 1 2 3 4 5 6

Выход 89,0 90,0 91,0 91,0 91,0 91,0

Полученные результаты показывают, что начиная с третьего варианта, дальнейшее изменение значений факторов (движение по градиенту) не приводит к изменению выхода, поэтому этот вариант можно считать оптимальным. Таким образом для уничтожения 1,5 -месячного клубнекамыша оптимальные электрические параметры импульсов составляют:

- амплитуда импульса напряжения и=22,6 кВ;

- количество импульсов на одно растение 40 шт;

- энергия в импульсов-7,7Дж.

Аналогичным образом получены оптимальные электрические параметры импульсов для других сорняков. Определена зависимость времени жизни раз-

12

личных сорняков от амплитуды импульса напряжения ,при неизменной энергии и частоте импульсов.

Получены зависимости степени повреждения корневой системы сорных растений от глубины залегания вертикального корня и влажности почвы. Эти данные положены в основу разработки ЭУ для борьбы с сорняками. В четвертой главе теоретические и экспериментальные исследования позволили сформулировать требования к параметрам и конструкции установки, рабочих органов, обосновать параметры источника электроснабжения (ЭУ). Анализ известных технических решений показал, что для получения импульсного напряжения, отвечающего требованиям технологического процесса уничтожении сорняков наиболее подходящим является преобразователь напряжения, выходной каскад которого выполнен по схеме полумостового последовательного инвертора рис.8.

Структурная схема источника питания рабочих органов ЭУ приведена на рис 9. Обоснованы конструкция и параметры рабочих органов для «провокации» прорастания семян сорняков, находящихся в пахотном слое почвы.

В результате исследований предложены ,признанными изобретениями, рабочие органы и устройства, повышающие эффективность процесса уничтожения сорных растений.

*е

Рисунок 8-Электрическая схема ин- Рисунок 9- Структурная схема источника вертора напряжения питания и рабочих органов ЭУ

По результатам проведенных исследований были разработаны рекомендации по обоснованию режимов и параметров ЭУ, техническое задание на установку, которые были переданы заводу изготовителю для разработки конструкторской документации и изготовления опытного образца ЭУ для борьбы с сорняками при производстве экологически чистой продукции.

Согласно переданной научно-технической продукции, Брянский завод «Эталон» изготовил опытный образец ЭУ.

Разработаны мероприятия по технике электробезопасности при эксплуатации установки.

В пятой главе для проверки теоретических положений и лабораторных исследований относительно повреждающего действия импульсов высокого напряжения на сорные растения, произрастающих в полевых условиях, оценки энергоемкости

процесса, были проведены полевые испытания опытного образца ЭУ (рис. 10).

Рисунок 10- Опытный образец ЭУ

Испытания проводились в Брянской, Бел-горской областях на пропашных культурах и в Карелии в лесопитомнике. Производственные испытания (ЭУ) показали высокую эффективность её работы. Уничтожение сорняков в в зоне обработки составило по свекле, картофелю и пару при 30 кВ соответственно 93,5; 94,8 и 82%, а при уровне напряжения 15 кВ соответственно 81,5; 82,2 и 96,4%.

Оценено влияние работы (ЭУ) на микрофлору почвы. Установлено, что электрообработка почвы кистевым разрядом вызывает стимуляцию азотфикси-рующей активности в почве, усиливает жизнедеятельность микроорганизмов; повышает содержание нитратов в сухой (влажность 4...10%) почве до 4...7 мг/кг почвы и аммиака до до 8 мг/кг почвы во влажной (влажность 15... 18%) в течении всего вегетационного периода, что обеспечивает повышение урожая в среднем на 2,8...3 ц/га. В момент работы ЭУ и в последующее время, находящиеся в верхнем слое почвы на глубине до 20 см дождевые черви на погибали, что подтверждает экологическую чистоту применяемой технологии.

Перспективно в качестве источника электроэнергии высокого напряжения использовать резонансную электрическую систему.

Проведенные испытания показали, что применение резонансных систем в технологиях уничтожения сорняков высоким напряжением синусоидальной формы повышенной частоты характеризуется конкурентоспособными технико-экономическими показателями.

Энергоемкость процесса уничтожения сорняков с использованием резонансной системы, по сравнению с использованием переменного тока высокого напряжения промышленной частоты ниже в 1,5 -1,8 раза, хотя и выше энергоемкости электроимпульсной технологии в 1,2-1,5 раза, но при меньшем весе оборудования.

При расчете технико-экономических показателей установлено, что при обработке полей площадью 100 га , годовой экономический эффект ЭУ по сравнению с культивацией и внесением гербицидов составляет соответственно 111394,5 рублей и 76109,18 рублей в год, а срок окупаемости, по сравнению с культивацией, - 2,06 года, с опрыскиванием - 2,59 года.

В приложениях представлены патентные свидетельства о разработках по теме исследования, акты внедрения и передачи технических заданий на изготовление опытных образцов, акты заводских и межведомственных испытаний.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Исследованный механизм разрушения мембран растительных клеток, заключающийся в кинетическом пробое и разрыве мембран за счет локального давления сил электрического поля и увеличения размеров пор до критических, позволил разработать математическую модель процесса уничтожения сорняков импульсами высокого напряжения, и обосновать основные параметры этого процесса.

2. Разработанная методика исследования условий возникновения различных видов разрядов в почве и проведенные на её основе эксперименты выявили , что вид разряда в почве зависит от градиента напряжения на рабочем промежутке, типа почвы, ее влажности, плотности, межэлектродного расстояния. При длине рабочего промежутка 5...25 см, использовании ЯС-генератора пробивные напряжения составляют 3,0 ... 10 кВ/см, а время формирования пробоя меняется от долей до сотен микросекунд.

3. Проведенными исследованиями установлено, что для "провокации" прорастания семян сорняков в пахотном слое почвы необходим кистевой разряд, охватывающий больший объем почвы по сравнению с сформировавшимся разрядом. Градиенты напряжения, стабильно обеспечивающие отсутствие пробоя почвы и развитие в них кистевых разрядов при малых (З...4)см межэлектродных расстояниях составляют для дерново-подзолистой почвы (5...6) и 10 кВ/см для влажности почвы 11 и 21% соответственно, а для парниковой почвы-0,5...2,2 и 0,25...0,6 кВ/см влажностью 38 и 48%.

4. Наибольшая эффективность прорастания семян сорняков зафиксирована при энергии обработки 4...6 Дж/кг почвы, при её увеличении эффективность прорастания снижалась (при энергии 32 Дж/кг почвы происходит угнетение всхожесть сорняков).

5. Обоснованы параметры, режимы работы, конструкции рабочих органов ЭУ, позволяющих повысить эффективность и снизить энергоемкость процесса уничтожения сорняков

6. Производственные испытания разработанной и изготовленной ЭУ показали высокую эффективность её работы: уничтожение взрослых сорняков при напряжении ЗОкВ в зоне обработки составляло от 93,5 до 94,8 %, а уничтожение всходов (обработка пара) при 15 кВ достигала 96,4%.

7. Установлено, что электрообработка почвы кистевым разрядом при работе ЭУ вызывает стимуляцию азотфиксирующей активности в почве, усиливает жизнедеятельность микроорганизмов; повышает содержание нитратов в сухой (влажность 4...10%) почве до 4...7 мг/кг почвы и аммиака до 8 мг/кг почвы во влажной (влажность 15... 18%) в течении всего вегетационного периода, что обеспечивает повышение урожая в среднем на 2,8...3 ц/га. В момент работы ЭУ и в последующее время, находящиеся в верхнем слое почвы глубиною до 20 см дождевые черви не погибали, что подтверждает экологическую чистоту применяемой технологии.

8. Электропрополка поля площадью 100га эффективнее культивации и внесения гербицидов, годовой экономический эффект при такой замене составляет 111394,5 рублей и 76109,18 рублей в год, а срок окупаемости

(¡соответственно 2,06 и 2,59 года.

9. Перспективы дальнейшей разработки темы. Используя полученные результаты исследований разработать электротехнологии борьбы с сорняками с использованием резонансных систем.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1.Топорков, В.Н.Технология борьбы с сорной растительностью электрическими импульсами высокого напряжения / В.Н. Топорков //Альтернативная энергетика и экология, 2013. -№7-С. 65...70.

2. Топорков, В.Н.Теоретические аспекты энергосберегающей экотехноло-гии уничтожения сорняков / В.Н. Топорков //Альтернативная энергетика и экология, 2013.-№2.-Часть 1.-С. 103...108.

3.Топорков В.Н.Перспективы использования резонансных систем в электроснабжении, агротехнологиях и экотранспорте / Д.С. Стребков, В.А Королев, В.З.Трубников В.З., В.Н. Топорков //Вестник Башкирского государственного аграрного университета. - № 3 (31).—2014 — С.71-77.

Патенты:

4. Способ и устройство уничтожения сорных растений :пат.№ 2501199 Рос. Федерация: МПК AOIM 21/04 /Топорков В.Н.,Королев В.А., Лавренева Т.В., Харченко Н.В.; заявитель и патентообладатель ВИЭСХ.-№2011152280/13; за-явл.22.12.11;опубл.27.08.2013,Бюл.№24.-11с.:ил.

5. Устройство для уничтожения сорных растений /Патент № 2490888 Рос. Федерация: МПК AOIB 47/00 /Стребков Д.С., Королев В.А., Топорков В.Н., Некрасов А.И., Трубников В.З., Башилов A.M., Безруков Б.В.; заявитель и патентообладатель ВИЭСХ - №2012105569/13; заявл. 7.02.12; опубл. 20.12.2013, Бюл.№35.-8с.:ил.

6. Устройство для уничтожения сорной растительности с помощью электрического тока: пат. 2081581 Рос. Федерация: МПК 6 А 01М 21/04 / Королёв В.А., Топорков В.Н., Чижиков Н.И., Чеботарёв М.И., Фортуна В.В.; заявитель и патентообладатель ВНИИЭСХ, ВНИИ риса. - №93032539/13; заявл. 22.06.93; опубл. 20.06.97, Бюл. №17.-4 е.: ил.

7. Устройство для уничтожения сорной растительности электрическим током: пат. 2045181 Рос. Федерация: МПК 6 А 01М 21/04 / Королёв В.А., Топорков В.Н., Чижиков Н.И., Чеботарёв М.И., I Фортуна В.В.; заявитель и патентообладатель ВНИИЭСХ. - №5050448/15; заявл. 01.07.92; опубл. 10.10.95, Бюл. №28. - 5 е.: ил.

8. Способ уничтожения сорняков: а.с. 1817955: МКИ А 01В 47/00, А 01 М 21/04 / Бан А.Г., Топорков В.Н.; заявитель и патентообладатель Брянский СХИ и ВИЭСХ. - №4937740/15; заявл. 03.04.91; опубл. 30.05.93, Бюл. №20. - 2 е.: ил.

9.Устройство стимуляции процессов вегетации сельскохозяйственных культур. Патент РФ № 2432734, опубл. 10.11.2011, Бюл. № 31 Д.С. Стребков, В.А.Королев. A.M. Башилов, А.И.Некрасов, В.Н.Топорков, В.З. Трубников.

Публикации в других изданиях

10. Топорков, В.Н., Исследование развития и типа импульсного разряда в почве / Н.Б. Трофимова, В.Н. Топорков //Научно-технический бюллетень по

электрификации с.х,- 1990,-Вып. 1 .-С.29...33

11. Топорков, В.Н. Электрооборудование высоковольтного импульсного культиватора. / А.Г. Бан, З.К. Нуриев, В.Н. Топорков //Механизация и электрификации сельского хозяйства.-1990. -№10,- С.39...40.

12. Топорков, В.Н. Вольт-секундные характеристики развития разряда в почве / Н.Б. Трофимова, В.Н. Топорков // кн.: Электротехнологии в сельскохозяйственном производстве: труды ВИЭСХ. - 1989. -Том 73 - С.34...42.

1 З.Топорков, В.Н. Некоторые энергетические показатели электроимпульсной установки для уничтожения сорняков в посевах риса/ В.Н.Топорков //кн.: Электротехнология в сельскохозяйственном производстве. Республиканская научно-практическая конференция. - Тезисы докладов. - 26-29 ноябрь. -Ташкент, - 1990,- С.5.

14. Топорков, В.Н. Уничтожение сорняков электрически током /В.Н.Топорков //кн.: Высокоэффективные электротехнологии по производству продуктов сельского хозяйства, их переработке и хранению //Всероссийский научно-технический семинар /Тезисы докладов. -Москва. - 1993.-С.51

15. Топорков, В.Н. Электрифицированные системы в растениеводстве / В.М.Усаковский, Н.Ф.Молоснов В.А. Королев, В.Н.Топорков // В сб. «Электротехника 2010 год». Доклады III симпозиума. - Том 1 (Моск. обл., Звенигород, май 23-26, 1995). - М,1995. - С.314-319.

18. Топорков, В.Н. Подход к созданию импульсной системы электропитания для электропрополки / И.В.Ермилов, С.В.Покровский, Е.И., Остапенко, В.А.Чванов, В.Н. Топорков, В.М. Усаковский, В.Е. Гинсбург, Р. Славич //Сборник докладов 111 Симпозиума «Электротехника 2010 год». -Том 1 (Московская обл., Звенигород, май 23-26, 1995). - М, 1995 - С.320...325.

17. Топорков, В.Н., Электрифицированные технологии в растениеводстве / В.А.Королев, В.Н.Топорков, В.М. Усаковский //В сб. «Электротехника 2010 года». Доклады 4-го симпозиума. -Том 2, раздел 5. ВЭИ, Международная ассоциация ТРАВЭК. -М,- 1997.-С.316...319.

18. Топорков, В.Н. Возможности снижения энергоемкости процесса уничтожения сорняков электрическим током / В.Н. Топорков // Энергосбережение в сельском хозяйстве. - Часть 2. - М.-ВИЭСХ. - 1998,- С.75...77.

19.Топорков, В.Н. Применение резонансных электрических систем для уничтожения сорняков / Д.С. Стребков, В.А Королев, В.Н. Топорков, В.З.Трубников //Энергосбережение - важнейшее условие инновационного развития АПК: материалы международной научно-технической конференции, Минск, 24-25 ноября 2011 г. / М.А. Прищепов [и др.]; под ред. М.А. Прищепова — Мн.: БГАТУ, 2011,С. 188...191.

20. Топорков, В.Н.Разработка и испытание высоковольтного импульсного культиватора для уничтожения сорной растительности /В.Н.Топорков // Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения. —Том 3. — Экологические аспекты производства продукции животноводства; энергообеспечение и информационные технологиии в сельском хозяйстве: Материалы 7-й международной научно-практической конференции. - СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2011, С. 255...260.

21. Топорков, В.Н.Высоковольтные импульсы в борьбе с болотными сорняками / В.Н. Топорков //в сб. «Вестник Государственного научного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» / под. ред.Д.С. Стребкова. Вып. № 2(7)/2012. - М.: ГНУ ВИЭСХ. -2012, С. 49...51.

22. Топорков, В.Н..Технология уничтожения сорняков с использованием резонансных электрических систем / Д.С. Стребков, В.А Королев, В.Н.Топорков., В.З. Трубников Материалы Международного агроэкологиического форума. Т 2. Экологические аспекты производства продукции растениеводства; энергообеспечение и информационные технологии в сельском хозяйстве. - СПб.: ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, 2013.-С. 224-229.

23.Топорков В.Н.Использование импульсов высокого напряжения в технологических процессах растениеводства /А.М. Башилов, В.Н.Топорков, В.А.Королев, С.Б.Осипов //Методические рекомендации к практическим занятиям по дисциплине «Электротехнологии в агропроизводстве», ФГБОУ ВПО РГАУ-МСХА имени Тимирязева, 2014. - 55 с.

Цифровая печать. Тираж: 100 экз. Отпечатано в ООО "Полиграф Сервис" г. Москва, Рязанский проспект, д. 75, стр. 1 +7 (495) 505-47-43, +7 (919) 102-00-24 www.vsem-vizitki.ru