автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование процесса работы и параметров пневмомеханических распыдителей штангового опрыскивателя

ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА УКРАИНСКОЙ АКАДЕМИИ АГРАРНЫХ НАУК (ИМЭСХ УААН)

На правах рукописи

СТЕЛЬМАХ Владимир Николаевич

ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАБОТЫ И ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОМЕХАНИЧЕСКИХ РАСПЫЛИТЕЛЕЙ ШТАНГОВОГО ОПРЫСКИВАТЕЛЯ

Специальность 05.20.01 — «Механизация сельскохозяйственного производства»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ГЛЕВАХА 1992

Работа выполнена в Институте механизации и электрификации сельского хозяйства Украинской академии аграрных наук.

Научный руководитель — кандидат технических наук,

член-корреспондент УААН, Масло И. П.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Глуховский В. В.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Кривошея Н. А.

Ведущая организация — ГСКТБ СЕЛЬХОЗХИММАШ

¿о

Защита состоится « 26» Н0А&РИ 1992 г. в /7 часов на заседании специализированного совета Д 020.30.01 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Институте механизации и электрификации сельского хозяйства по адресу: 255133, Киевская область, Васильковский район, п. г. т. Глеваха—1, ул. 40-летия Победы, 11, ИМЭСХ УААН, комната 613.

Автореферат разослан «¿6 » О А- ТРЯ 1992

Ученый секретарь специализированного совета

ГРИЦЫШИН М. И.

г

•;; ' общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Одним- из основных резервов в повышении и сохранении урожайности сельскохозяйственных культур является разработка и внедрение новых технологий и машин, позволяющих более качественно проводить обработку растений против вредителей, болезней и сорняков и за счет этого значительно уменьшить нор-га расхода пестицидов.

Высокого качества обработки сельскохозяйственных культур можно достичь путем применения регулируемого, близкого к монодис- -персному распылению рабочей жидкости и ее принудительном осаяде-нии на обрабатываемые растения.

Применяемые в настоящее время машины для химической защиты растений, как штанговые так и вентиляторные, не обеспечивают требуемого качества в связи с грубодисперсным распылом, сравнительно большим расходом рабочей жидкости в штанговых и большой неравномерностью отложений по ширине захвата, сносом распыленного вещества за пределы обрабатываемого участка в вентиляторных опрыскивателях. Для этих машин характерна низкая проникающая способность распыленного вещества в растительный полог. При сомкнутом растительном пологе они обрабатывают только верхний слой листьев.

Поэтому, особую актуальность приобрел вопрос создания и вне,црения распылителей и на их базе опрыскивателя, позволяющего обрабатывать растения по всей высоте с регулируемым, близким к монодисперсному, распылом - жидкости и принудительным осаждением капель на растения. Этого можно достичь в распылителе сочетающем дисковое распыление жидкости и ее принудительное осаядение направленным воздушным потоком. В связи с этим исследования процесса распыления жидкости комбинированными пневмомеханическими рабочими органами являются весьма актуальными.

Объекты исследования. Процесс распыления жидкости пневмомеханическими рабочими органами, пневмомеханический опрыскиватель.

Цель работы. Повышение качества обработки растений при уменьшения расходах рабочей жидкости.

Методы исследования и аппаратура. Методика теоретических исследований базировалась на основных положениях теории процесса распыления жидкости вращающимися механическими распылителями, законах гидродинамики и динамики вращающихся тел. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных и лабораторно-полевнх условиях о помощью разработанных экспериментальных установок и

опытного образца штангового опрыскивателя с пневмомеханическими рабочими органами. Использованы методы планирования экспериментов. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась по специальным программам, данные обрабатывались методами дисперсионного и регрессионного анализа с помощью ЭВМ.

Теоретические результаты и новизна. Установлена качественная зависимость скорости вращения диска пневмомеханического распылителя во времени характеризующаяся периодом разгона и периодом установившегося движения. Получены экспериментально-аналитические зависимости позволяющие проводить расчет пневмомеханического распылителя в зависимости от необходимого среднего диаметра образуемых капель. Разработана специальная программа и методика для обработки экспериментальных карточек по определению качества распыла жидкости с помощью приставки к ПЭВМ.

Практические результаты и новизна. Определены параметры и режимы работы пневмомеханического распылителя. Установлены экспериментальные зависимости медианно-массового диаметра капель от напоров воздушно-жидкостной струи, осааздащего потока и расхода ' жидкости. Определен оптимальный шаг расположения распылителей на штанге опрыскивателя. Определены основные.параметры и разработана технологическая схема пневмоштаэтового опрыскивателя. Новизна технического решения конструкции пневмомеханического распылителя подтверждена положительным решением на заявляемое изобретение. "Распылитель жидкости" № 4801349/05/029026.

На защиту выносятся: - конструктивно-технологическая схема, параметры и режимы работы пневмомеханического распылителя обеспечивающего регулируемый распьш жидкости и ее принудительное осаждение на обрабатываемые поверхности; - закономерности процесса распыления жидкости пневмомеханическим распылителем; - технологическая схема штангового пневмомеханического опрыскивателя; - усовершенствованная методика обработки экспериментального материала при исследовании показателей качества распыления; - методика рас» чета пневмомеханического распылителя жидкости.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и одобрены на республиканской конференции молодых ученых и специалистов в 1991 году (г. Киев). Материалы диссертации опубликованы в четырех работах и подтверждены положительным решением на заявляемое изобретение "Распылитель жидкости".

Предает и степень внедрения. В результате теоретических, экспериментальных исследований и производственной проверки подго-

tomem исходные требования на разработку "Штанговый пневмомеханический опрыскиватель". Подписан протокол намерений с Харьковским заводом транспортного оборудования об освоении серийного производства штангового пневмомеханического опрыскивателя.

Эффективность внедрения. Применение пневмомеханического опрыскивателя в сравнении с- серийным 0П-20002-01 позволяет повысить биологическую эффективность средств защиты растений на 17-23 %, исключить из технологического процесса вспомогательные агрегаты, за счет чего сэкономить до 43 % затрат труда и 9 % топлива на обрабатываемый гектар.

Область применения. Результаты исследований могут быть использованы при разработке и проектировании распылителей жадности с дисковым распылением и направленным воздушным осаждением распыленного вещества.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 112 наименований, в том числе II на иностранных языках. Общий обьем диссертации с приложениями составляет 150 страниц. Основная часть диссертации содержит 137 страниц машинописного текста и включает в себя 32 единицы иллюстративного материала, а такие 22 таблицы.

' - СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе "Анализ технологий и технических средств для опрыскивания полевых культур. Задачи исследований" на основании результатов зарубежных и отечественных исследований дан анализ существующих технологий и способов опрыскивания. Исходя из анализа и основываясь на данных об оптимальных размерах и густоте покрытия каплями растений против вредителей, болезней и сорняков сделан вывод, что если обеспечить регулируемую дисперсность распыла, высокую степень оседания рабочей жидкости и равномерное ее распределение по обрабатываемой поверхности, то при нормах рас- -хода рабочей жидкости, соответствующих одноразовой заправке бака в течение смены, будет обеспечиваться и максимальная биологическая эффективность препарата, которая потенциально позволит сократить его эффективную норму в десятки раз.

Основываясь на обзоре существующих типов распыливащих устройств и экспериментальных данных об их возможностях по распылу и осаждению рабочей жидкости сделано заключение, что необходимо

1*-1434«

3

разработать распылитель жидкости сочетатаций в себе дисковое, близкое к монодисперсному распыление с последующим ос&тдением распыленого вещества на растения. На основании этого предложена технологическая схема пневмомеханического распылителя жидкости (рис. I).

Рис. I. Принципиальная технологическая схема пневмомеханического распы-Осаждаогций Воздушно-жид- лителя

воздушный поток костная струя

~ По результатам прове-

денного анализа поставлены следущие задачи исследований:

- обосновать технологическую схему комбинированного распылителя обеспечивающего регулируемый распыл жидкости и ее принудительное осаждение на . растительный покров;

- провести теоретические исследования процесса распыления жидкости

комбинированным пневмомеханическим распылителем, установить характер его основных закономерностей, а также влиящие на него факторы;

- экспериментально обосновать параметры и режимы работы пневмомеханического распылителя жидкости;

- усовершенствовать методику обработки экспериментального материала при анализе показателей качества распыления;

- обосновать технологическую схему экспериментального штангового опрыскивателя, с использованием пневмомеханических распылителей, обеспечивающего регулируемую дисперсность распыла и высокую степень оседания рабочей жидкости, а также равномерное ее распределение на обрабатываемых растениях;

- провести производственную проверку и определить технико-экономические показатели штангового опрыскивателя с разработанными комбинированными пневмомеханическими распылителями.

Во второй главе рассмотрены механико-технологические предпосылки распыления жидкости пнеачомеханическими распылителями, особенностью которых является то, что воэдуяно-жидкостная струя выполняет две функции: приводит во вращательное движение диск и подает к нему рабочую жидкость в виде аэрозольной смеси (рис. 2).

.зависимость. Кроме этого, скорость вращения диска пневмомеханического распылителя зависит от напора воздушно-жидкостной струи и расхода воздуха.

Следовательно, при известных физических свойствах жидкости задача сводится к определению скорости вращения диска распылителя. Для этого было составлено динамическое уравнение вращащего-ся диска. В результате решения которого получена функциональная зависимость скорости вращения во времени:

Рис. 2. Расчетная схема к определению скорости вращения диска

Теория процесса рас-

Ш~а

пыления жидкости вращающимися распылителями подробно рассмотрена В.Ф.Дунским и А.Н.Ластов-цевым. При расчете по этой теории медианно'-мас-сового диаметра капель скорость вращения диска распылителя не связана с расходом жидкости ( = СОпл1а в нашем случае между скоростью вращения и расходом жидкости существует функциональная

При установившемся режима вращения:

2-1434*

5

Под Л подразумевается характерное время установления стационарного режима вращения:

Лк(1+<Р) (3)

В уравнениях (1), (2), (3) переменные Рн , (}к , ¿г »та приняты для упрощения записи. Их действительные значения:

р 2 »- пь • y-d: •

r*~ r+f п* .uf (4)

^ -Лк.' 0-± , J3 - "7 - "7 j^- 7 '

где V - скорость вылета воздушно-жидкостной струи из сопла;

Z0 - расстояние от центра вращения к точке взаимодействия струи с диском; trie - момент, учитывшций силы трения в подшипниках; Д _ коэффициент, учитывающий силу трения жидкости о диск с учетом скорости вращения;Лк,^ - коэффициенты, учитывающие конструктивные особенности распылителя и массовые параметры

.IV)

л R0 ***** ШЛ &Я' ,

Ro

2Л< (5)

где Я ' - радиус струи; & - плотность воздушно-жидкостной струи; <к - угол между направлением действия струи и касательной к точке взаимодействия на плоскости диска; Не - радиус диска; - массовый вес струи,

\л/~—, . (б)

где у - расход жидкости; - плотность жидкости; (у - расход воздуха; ^ - плотность воздуха.

Подставив в уравнение (2) значения переменных получим уравнение дня расчета скорости вращения диска пневмомеханического распылителя в установившемся режиме:

_ /V \2 пи О ___(г, ) -77

д.*

Уравнение (7) позволяет проводить расчет скорости вращения диска пневмомеханического распылителя с учетом его конструктивных параметров, напора и массовых характеристик ( £ , ) воздушно-жидкостной струи.

В третьей главе "Экспериментальные исследования процесса распыления жидкости пневмомеханическим распылителем" приведены программные вопросы,описаны экспериментальные установки, приборы и оборудование, изложены методики реализованные и разработанные в ходе исследований, приведены результаты экспериментальных исследований, выполнен их анализ и сравнение с теоретическим! предпосылками.

Программой предусматривалось: исследовать качество распыления жидкости пневмомеханическим распылителем в зависимости от напора воздушно-жидкостной струи, расхода рабочей жидкости и напора оса^дащего потока; усовершенствовать методику обработки экспериментального материала при анализе показате.лей качества распыления; изучить распределение рабочей жидкости по ширине за. хвата пневмомеханического распылителя в зависимости от влияющих на него факторов; определить оптимальный шаг размещения распылителей на штанге опрыскивателя; провести сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований.

.Объектами экспериментальных исследований являлись пневмомеханические рабочие органы (рис. 3) и осуществляемый ими процесс распыления жидкости. Исследования проводились на специально разработанном стенде позволяющем регулировать напор воздудао-жид-костной струи, расход жидкости и налор осаждающего потока.

Экспериментальные исследования проводились по методике ОСТ 70.61-81. В качества рабочей жидкости использовался 3 %-тЯ раствор в воде красителя черного 2 С . Улавливающими поверхностями при изучении дисперсности распыла служили карточки из мелованной бумаги размером 50x75 мм,- обработанные 5 ^-ным раствором парафина в ортоксилоле. Количество повторностей в опытах определялось из условия обеспечения средней относительной ошибки на превышающей 10 % при уровне надежности 0,90.

Микроскопический анализ, обработанных мелованных карточек, проводился на ГШ1 с помощью сканирующей приставки&аг>3е1 РРаЛ по специальной программе. Разработанная программа, с помощью сканирующего луча, обеспечивает обмер капель с разбивкой по классам, просчет густоты покрытия и дальнейшие статистическую и математическую обработки, конечным результатом которых являются

2*11434* 7

показатели качества распыления, выраженные медианно-массовым диаметром капель и показателем полидисперсности распыла.

Рис. 3. Конструктивно-технологическая схема пневмомеханического распылителя жидкости: I - корпус; 2 - ребра конуса; 3 - контргайка; 4 - конус; 5 - вал; 6 - подшипники; 7 - отверстия обдува; 8 - гайка; 9 - фиксатор; 10 - чашеобразный диск; II - лопасти диска; 12 - регулировочные прокладки; 13 - гайка; 14 - патрубок подачи воздушно-жидкостной смеси; - осевой канал подвода воздуха; Б - кольцевая камера; В - кольцевое выпускное-■ . сопло; Г - камера; X) - кольцевое выходное сечение

Частота вращения чашеобразного диска определялась бесконтактным способом с помощью тахометра стробоскопического 2ТСГ 32-456.

Исследования на распределение рабочей жидкости по ширине захвата распылителя проводились на экспериментальной установке с гофрированной поверхностью для улаачивания распыленной жидкости и . мерными цилиндрами для ее количественного замера, размещенными с шагом 0,05 м. Штанга с распылителями устанавливалась на уровне 0,55 м от улавливающей поверхности.

По результатам экспериментальных исследований распределения жидкости по ширине захвата пневмомеханического распылителя определялся оптимальный шаг размещения распылителей на штанге опрыскивателя, путем наложения кривых распределений. С этой целью была разработана программа на ЭВМ для компютерного моделирования с определением качества распределения рабочей жидкости по ширине захвата штанги опрыскивателя выраженного коэффициентом вариаций,

при различном шаге расположения распылителей.

В результате экспериментальных исследований установлено, что ширина захвата распылителя составляет в среднем 1,67...2 м.

По данным компютерного моделирования определена зависимость распределения жидкости по ширине захвата опрыскивателя, выраженная коэффициентом вариации, от шага размещения распылителей. При наихудших условиях работы ( ^ = 357,54 мл/мин) оптимальный шаг размещения распылителей составляет 0,6 м (рис. 4). Аналогичные значения оптимального шага размещения распылителей получены и при меньших расходах жидкости.

■Исследования пневмомеханического распылителя жидкости на качество распыла, выраженное медианно-массовым диаметром капель и показателем полидисперсности показали, что напор осаждающего потока мало влияет на медианно-массовый диаметр капель. Незначительное влияние (рис. 5) заметно при малых напорах воздушно-жидкостной струи ( Н = 15,3; 21,4 кПа) и осаждающего потока в пределах /7 = 10,2...13,3 кПа. При этом с увеличением напора осаждающего потока до 13,3 кПа медианно-массовый диаметр капель уменьшается, а дальнейшее увеличение напора фактически на диаметр капель не влияет.

Как показывают экспериментальные графические зависимости (рис. б) увеличение напора воздушно-жидкостной струи до 27 кПа ^ существенно влияет на медианно-массовый диаметр капель, а с дальнейшим увеличением напора влияние уменьшается и при напоре более 39 кПа становится не существенным.

При сопоставлении теоретических и экспериментальных зависимостей установлено, что абсолютная разница мелеву расчетной и экспериментальной скоростью вращения диска распылителя в среднем не превышает 1,9 что находится в пределах допустимой ошибки опыта.■ . . •

Сравнивая.результаты экспериментальных исследований зависимости медианно-массового диаметра капель от напора воздудао-жид- . костной струи с теоретическими зависимостями определенными по формуле В.Ф.Дунского:- '

где Ь _ поверхностное натяжение жидкости.

Устанавливаем, что абсолютная разница находится в пределах 40-55 %. Это не позволяет применять формулу (8) для расчета пнев-

120 НО 100 90 ВО 7О

ЬО 50 40

50

20 0

О

О/ О,? 0,6 0,7 0,8

Рис. 4. Зависимость коэффициента вариации от шага размещения распылителей ( ^ = 357,54 мл/мин): I -Н = 12,4 кПа; 2 - Н = 19,6 кПа; 3 - Н = 24,5 кПа; 4 - Н = 29,4 кПа

С1,Н№

Р,кПа

т 13,5 16,5 . т'

Рис. 5. Влияние на медианно-массовый диаметр капель напора осалдащего потока при различных напорах воздушно-жидкостной струи: I -Н = 15,3 кПа; 2 -Н = 21,4 кПа; 3 -Ц = 27,5 кПа; 4 -Н = 33,7 кПа; 5 -Н = 39,8 кПа

»

позволяет регулировать скорость вращения диска распылителя от 284 до 1554 с-* изменением напора от 15,3 до 39,8 кПа при изменении расхода тодаос.ти^от.35 д0 350 мл/мин..

3. Ширина1 гшеЗ&омеханического распылителя жидкости находится в пределах от 1,67 до 2 м, а оптимальный шаг размещения распылителей на штанге опрыскивателя равняется 0,6 м, при этом коэффициент вариации плотности отложений (без учета влияния метеорологических условий .и взаимодействия соседних факелов) для всех режимов находится в пределах 0,2...18,3

4. В пневмомеханическом распылителе жидкости величина напора осаждающего потока несущественно влияет на качество распыла. Незначительное влияние заметно при напорах воздушно-жидкостной струи 15,3-21,4 кПа и осшэдающего потока в пределах 10,2-13,3 кПа. При этом с увеличением напора осаждающего потока до 13,3 кПа ме-дианно-массовый диаметр капель уменьшается, а дальнейшее увеличение напора фактически диаметр капель не изменяет.

5. Пневмомеханический распылитель жидкости обеспечивает качественный, регулируемый распыл жадкости (в пределах от 25 до 240 мкм) в режимах мало- и ультрамалообьемного опрыскивания при кормах расхода от 35 до 350 мл/мин (5-50 л/га), а показатель полидисперсности при этом составляет 1,68-2,52, что соответствует показателям дисковых распылителей.

6. На основании теоретических и экспериментальных исследований получено уравнение (10) для определения медианно-массового диаметра капель позволяющее, совместно с уравнением скорости (7), проводить инженерный расчет пневмомеханического распылителя для заданных параметров процесса распыления (поверхностного натяжения б" , плотности J^ , вязкости V* и расхода распыляемой жидкости), при которых реализуется монодисперсный режим распыления и иедианно-массовый диаметр капель (jL равен заданному значению.

7. Экспериментальный опрыскиватель с пневмомеханическими распылителями жидкости позволяет качественно обрабатывать поверхность растения по всей высоте с достаточной густотой покрытия каплями. Так, при обработке посадок картофеля с расходом жидкости' 20 л/га и давлении в пневмосистеме равном 0,07 МДа густота покрытия составила соответственно: в верхнем ярусе листьев -174,0 шт. /см2; в среднем - 40,8 шт. /см2; в нижнем - 130,2 пт. /см2.

8. В полевых условиях экспериментальный опрыскиватель обес-

печиваот распределение жидкости по ширине захвата штанги опрыски- . вателя с коэффициентом вариации плотности отложений равным 12,924,6 %, что соответствует агротехническим требованиям для мало- и ультрамалообьемного опрыскивания С Vir 25 %).

9. Результаты производственной проверки экспериментального опрыскивателя с пневмомеханическими рабочими органами показали, что биологическая эффективность при его применении на посадках картофеля против личинок колорадского жука при опрыскивании деци-сом (2,5 % к.э.) с расходом 50 % от нормы на 17...23 % выше в сравнении с серийным 0П-2000-2-01.

Экспериментальный опрыскиватель позволяет при расходе рабочей гавдкости 20 л/га сократить норму внесения препарата до 25 % от рекомендуемой без существенного снижения биологичесной эффективности.

10. Применение опрыскивателя с пневмомеханическими рабочими органами в сравнении с серийным 0П-2000-2-01 обеспечивает эконо- . михГ затрат труда - 0,134 чел.-ч/га и экономию топлива - 0,11 л/га.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Стельмах В.Н. К развитию рабочих органов сельскохозяйственных опрыскивателей : Тез. докл. Респ. научн.-практической конф. / Вклад молодых ученых в интенсификацию сельского хозяйства УССР. - Чабаны. - 1991. - С. 47.

2. Барановский A.C., Стельмах В.Н. Усовершенствованный опрыскиватель / Земля i люди Украгни, 1992, № б. - С. 24 (на укр. , языке).

3. Стельмах В.Н., Барановский A.C. Исследование распределения жидкости пневмомеханическим распылителем / Механизация и электрификация сел. хоз-ва: Республ. межвед. темат. научн.-техн. сборник. - К., 1992. - Вып. 76. - С. 15-18 (на укр. языке).

4. Стельмах В.Н..' Барановский A.C., Масло И.П., Стобрйн Р.В. Положительное решение о выдаче авторского свидетельства к заявке "Распылитель жидкости" № 4801349/05/029026.

1-1434»