ОСОБЛИВОСТІ РОЗВИТКУ КОНСТРУКЦІЙ ОБПРИСКУВАЧІВ СВІТОВОГО ТЕХНІЧНОГО РІВНЯ

ТЕХНІЧНИХ ЗАСОБІВ ЗАХИСТУ РОСЛИН ДО 2010 РОКУ

О.С.Барановський, канд. техн. наук, В.І.П’ятаченко, ст. наук співр.- ННЦ «ІМЕСГ», С.Є.Шатохін, пров. спец.- фірма “Lechler”(Німеччина)

Світові лідери з розробки та виготовлення машин для захисту рослин останнім часом випускають обприскувачі з великим типорозмірним рядом базових параметрів (місткість бака, ширина захвата), що дозволяє мінімізувати витрати на обприскування.

Так, фірма “Amazone” випускає начіпні обприскувачі з місткістю бака від 600 до 1200 л та шириною захвата штанги від 10 до 24 метрів, а причіпні – з місткістю бака від 2000 до 4500 л та шириною захвата від 12 до 36 м. Фірма “Berthoud” (Франція)  навісні обприскувачі випускає з місткістю бака від 800 до 3200 л, шириною захвата від 12 до 30 м, а причіпні з місткістю бака від 2500 до 4000 л та шириною захвата від 28 до 42 м. Фірма “Dubex“ (Голландія) випускає начіпні обприскувачі з місткістю бака від 700 до 1100 л, шириною захвата від 12 до 24 м, а причіпні – з місткістю бака від 1200 до 6000 л та шириною захвата від 27 до 36 м. Фірма “Damman” (Німеччина) випускає обприскувачі з діапазоном місткості бака від 2.000 до 20.000 л та шириною захвата від 10 до 40 м .

Всього провідні фірми випускають більше ніж по 10 модифікацій обприскувачів, а найбільше “Hardi” (Данія) – 54 модифікації.

Згідно результатів досліджень ННЦ “ІМЕСГ” за рахунок оптимізації базових параметрів обприскувача до конкретних умов роботи економія приведених витрат складає від 2 до 7 грн/га.

Головним же напрямком розвитку технологій та технічних засобів для захисту рослин є підвищення ефективності та екологічної безпеки використання пестицидів за рахунок покращення якості їх внесення та зменшення втрат.

В цьому плані останнім часом, буквально за два останні роки, в обприскувачах реалізовані нові технології нанесення препарату на рослини та нові робочі органи, нові технологічні схеми роботи, які забезпечують значне підвищення ефективності використання пестицидів та зменшення їх втрат.

Відомо, що зі зменшенням розміру крапель підвищується біологічна дія препарату, але при цьому збільшується знесення препарату в атмосферу. З метою зменшення величини дії цього протиріччя розроблені і уже широко впроваджені у виробництво принципово нові пневмогідравлічні розпилювачі, особливістю яких вважається те, що в них в певній мірі вирішене питання підвищення біологічної ефективності крупних крапель за рахунок того, що ці каплі частково наповнюються повітрям і після осідання на поверхні рослин лопаються. В результаті з однієї краплини відносно великого розміру утворюються декілька краплин значно меншого розміру.

Таким чином, обприскування виконується крупними  краплинами, які мають високу ступінь осідання, а рослини обробляються високоефективними дрібними краплинами.

Фірмою “Dosiertechnik” (Німеччина) розроблена система роздільної подачі води і препарату з приготуванням робочої рідини заданої концентрації в гідравлічній комунікації   обприскувача   під час виконання   робочого процесу. Суть її заключається в тому, що в баку обприскувача знаходиться чиста вода, а препарат – в окремій місткості і під час роботи в спеціальному пристрої, куди під тиском подається вода, утворюється робоча рідина заданої концентрації, яка далі подається до розпилювачів. Це дозволяє уникнути втрат препарату, які мають місце в результаті залишку робочої рідини в баку обприскувача після закінчення обробки поля, при непередбачених  довгострокових зупинках роботи, при промиванні обприскувача. Окрім цього, при новій системі приготування робочої рідини покращуються санітарно-гігієнічні умови роботи оператора оскільки менша частина вузлів контактує з пестицидом.

Роздільна подача води і препарату відкриває перспективу для виконання обприскування зі змінною нормою витрати препарату та комбінації декількох препаратів під час обприскування.

Фірма “Lechler” (Німеччина) розробила пневматичні відсічні пристрої з чотирма розпилювачами, кожний з яких  два або три разом в будь-якій послідовності можуть включатись в роботу або виключатись оператором із кабіни трактора   під час роботи обприскувача. Це дозволяє під час роботи змінювати норму витрати чи дисперсність розпилу без зміни робочого тиску, що дає можливість вибирати оптимальні режими роботи в залежності від зміни метеорологічних факторів чи ступеню зараженості рослин шкідливими організмами.

Фірма “Amazone” запропонувала нову технологічну схему обприскувача, в якій колектор з відсічними пристроями під час роботи обприскувача на “перелив” знаходиться під тиском нижчим того, при якому включаються в роботу відсічні пристрої. Це зменшує час входження обприскувача в заданий режим роботи, що також сприяє покращенню якості обприскування та зниженню втрат препарату.

Практично всі сучасні обприскувачі комплектуються бортовим комп’ютером або блоком управління з виконавчими, сигнальними та інформаційними функціями. Відрізняються між собою комп’ютери, в основному, кількістю контрольованих параметрів. Так, бортові комп’ютери “Djsitron” фірми “Holder” (Німеччина) забезпечують регулювання норми витрати робочої рідини залежно від швидкості руху шляхом зміни робочого тиску.

У бортових комп’ютерах “Hardi  Monitor”  фірми “Hartvig  Jenzen”[4], “Quantotron” і “Quantotronik” фірми “Рау-Агротехнік” (Німеччина) [5, 6, 7, 8], “Spray-Control S” фірми “Muller Elektronik” (Німеччина) [8, 9],”SPRAY-Control R” фірми “BBG” (Німеччина)  “Bravo-2001“ фірми  “Arag” (Італія )  та інших регулювання норми внесення робочої рідини залежно від швидкості руху агрегату здійснюється шляхом зміни витрати.

До машин нового покоління можна віднести обприскувачі з пневматичним осадженням крапель, які останнім часом почали виготовляти всі провідні фірми . В таких обприскувачах рідина розпиляється на більш мілкі порівняно зі звичайними обприскувачами краплини, які осаджуються на рослини повітряним потоком, що утворюється вентилятором. При цьому покращуються проникнення крапель в рослинний покрив та рівномірність обробки ними рослин. За даними фірми “Hardi” нижня частина листків при цьому обробляється в 2-5 раз більше, а знесення препарату досягається до 90% менше порівняно зі звичайним обприскуванням. Це дозволяє виконувати обприскування при швидкості вітру до 8 м/с в той час, коли звичайне обприскування допускається виконувати при швидкості вітру не більше 5 м/с. Окрім цього, повітря замінює частину води в якості носія, що дозволяє в 2-3 рази зменшувати норму внесення робочої рідини. Звідси менші витрати часу на заправку та транспортування води.

За даним фірми “RAU” (Німеччина) пневматичне осадження крапель дозволяє до 50 %  підвищувати робочу швидкість обприскувача. Але слід відмітити, що примусове осадження крапель повітряним потоком ефективне тільки при високій дисперсності розпилу, тому що великі краплі, в основному більше 350 мкм, при дії на них повітряного потоку в більшій мірі скочуються з листків на землю і таким чином заключений в них препарат втрачається. А враховуючи те, що об’єм рідини, що заключається в краплині, залежить від її діаметру в кубі, то в великих краплинах втрачається і значна кількість препарату. Наприклад, якщо оптимальними за ефективністю є краплини діаметром 100 мкм, а з листка скочується краплина з діаметром 500 мкм, то це значить, що в даному випадку втрачається така кількість препарату, яка заключається в 125 краплинах оптимального розміру.

Тому гідравлічні розпилювачі, які мають відносно високу полідисперсність розпилу,  тобто в розпилі  яких завжди є краплини з великим діаметром (більше 350 мкм), не є оптимальними для застосування їх в обприскувачах з примусовим осадженням крапель.

В цьому плані перспективним є розроблений в ННЦ “ІМЕСГ” обприскувач з пневмогідравлічною системою дозування та пневмомеханічним розпиленням рідини.

В запропонованій системі дозування рідини через калібрований отвір відбувається не на один розпилювач, як це робиться в усіх відомих обприскувачах, а на групу або навіть на всі розпилювачі. Далі віддозована рідина розпилюється, в аерозольному стані змішується з повітрям і в стані повітряно-рідинної суміші, об’єм якої може в сотні разів перевищувати об’єм самої рідини, подається до розпилювачів. Завдяки цьому досягається можливість надійного дозування рідини до окремих розпилювачів при, практично, необмежено малих нормах їх витрати.

В пневмомеханічному розпилювачі (Патент України № 18316) рідина розпилюється за допомогою чашоподібного диску, що приводиться в обертання повітряно-рідинним струменем, який утворюється в пневмогідравлічному дозаторі рідини. Утворені при сходженні рідини з кромки диска краплі примусово осаджуються в рослинний покрив за допомогою повітряного потоку, що виходить із розпилювача в вигляді кінцевого струменю з початковим кутом розширення 120^о.

Результати досліджень такого розпилювача  показали, що при режимах мало- та ультрамалооб’ємного обприскування (норма витрати рідини від 5 л/га  до 50 л/га) він забезпечує регулювання  медіанно-масового діаметру крапель в межах

від 40 мкм до 200 мкм.

Нерівномірність розподілу рідини по ширині захвату обприскувача, яка є важливим показником якості обприскування, в основному, залежить від нерівномірності витрати її розпилювачами, як між собою, так і в часі, характеру епюри факелу розпилу, кроку розміщення на штанзі, висоти розташування розпилювачів та стабілізації положення штанги відносно поверхні, що обробляється.

          Сучасні розпилювачі забезпечують рівномірність дозування в межах, що допускаються агровимогами, тобто відхилення витрати рідини окремими з них від середнього значення не перевищує 5 %.

          Трикутна або близька до неї форма факелу розпилу, яку утворюють щілинні розпилювачі, при відповідних значеннях кроку і висоти розташування розпилювачів забезпечує коефіцієнт варіації відкладень в межах до 20 %. Але ж у виробничих умовах нерівномірність розподілу рідини по ширині захвата штангового обприскувача сягає від 50 % до 60 %. Причиною цьому є недостатній рівень стабілізації положення штанги. Тому останнім часом в цьому напрямку з’являються нові технічні рішення.

          Всі відомі системи стабілізації положення штанги можна класифікувати таким чином: пасивна стабілізація, пасивна стабілізація з активним коригуванням та активна або автоматична стабілізація. При пасивній стабілізації вирівнювання положення штанги здійснюється за рахунок сили ваги без дії додаткових сил.  Пасивна стабілізація з коригуванням відрізняється від попередньої тим, що в ній на положення штанги впливають за допомогою механізмів, що діють від додаткових сил.

          При активній стабілізації потрібне положення штанги досягається за рахунок дії на неї сил, зв’язаних з базовою поверхнею для положення  штанги , тобто поверхнею землі або рослинного покриву.

          Типовими прикладами пасивної стабілізації є пристрої з застосуванням амортизаторів, маятникові та паралелограмні механізми.

          Сучасною системою активної стабілізації положення штанги є конструкція з використанням безконтактних датчиків відстані, що встановлюються на штанзі, дані від яких обробляються на мікропроцесорах і при певному відхиленні штанги від заданого положення приводиться в дію виконавчий механізм, який повертає штангу в потрібне положення. Впровадження  активних систем стабілізації в практику стримується через їх складність.

Останнім часом пройшов широку виробничу перевірку і показав хороші результати  механізм стабілізації положення штанги, розроблений в ННЦ “ІМЕСГ”. В цьому механізмі штанга опирається на криволінійну поверхню, що жорстко зв’язана з вертикальною рамкою обприскувача і зафіксована за допомогою важеля, довжина якого регулюється, від горизонтального переміщення. З обох боків штанга за допомогою тросів з пружинами прикріплена до “мертвої” точки обприскувача, тобто до точки, яка під час роботи в найменшій мірі змінює своє положення. Завдяки цьому коливання обприскувача в процесі роботи на штангу не передається, а штанга також зафіксована від відхилень, тобто не може коливатись.          Такі штанги виготовляються на дослідному заводі ДКТБ ННЦ ”ІМЕСГ” і користуються великим попитом.

          Розвиток конструкцій обприскувачів іде також в напрямку підвищення їх продуктивності. З цією метою збільшується місткість бака та ширина захвата обприскувачів, все більш широке застосування знаходять самохідні обприскувачі, підвищується надійність та довговічність роботи, а також їх обладнують пристроями, які забезпечують зручність, комфорт роботи оператора та підвищують продуктивність роботи в цілому. Це, зокрема, пристрій для завантаження пестицидів, самоочисні фільтри, багатопозиційні відсічні пристрої, які дозволяють швидко перенастроювати обприскувач на норму виливу, пристрої для швидкого заповнення бака, маркери. Деякі обприскувачі обладнані вітрозахисними щитками або спеціальними дифузорами.

          В широкому асортименті зарубіжними фірмами пропонуються самохідні обприскувачі. Це, зокрема, фірми “BBG”(Німеччина), “Мalroy”, “Hardі” (Данія), “Baridelli”, “John Deere”, “Cleanacres machinery” (Англія), “Naut”, “Duven”, “Cambetti Barre”, “Matrot” та інші, В більшості з цих машин на високому технічному рівні вирішені питання приводу коліс, стабілізації штанги, управління процесом і контроль за якістю роботи виконується з широким використанням автоматичних пристроїв.

          Так, наприклад, самохідний обприскувач фірми “BBG” S-400 має гідравлічний привід на всі колеса, що дозволяє значно збільшити кліренс машини, тандемні шасі, які дозволяють на половину зменшити вплив нерівномірності ґрунту на коливання обприскувача та покращують можливість застосування обприскувача на схилах.

          Обприскувач має гідравлічне регулювання ширини колії, обладнаний бортовим комп’ютером, кондиціонером, який  створює  екологічно безпечні умови роботи оператора.

          Самохідні обприскувачі Атлас фірми Clinakers meshenery LTD мають міст з керованими колесами, що забезпечує невеликий радіус повороту (до трьох метрів). Кабіна цих обприскувачів оснащена кондиціонером, вуглецевою фільтрацією, підігрівачем, стерео магнітофоном і зручним  сидінням.

          Самохідні обприскувачі дозволяють від 10 % до 20 % збільшити робочу швидкість за рахунок зменшення впливу на нерівномірність обробки нерівностей ґрунту, а головною їх перевагою є менші витрати часу на переїзди. Але слід відмітити, що самохідні  обприскувачі ефективні при використанні їх в спеціалізованих  загонах по обприскуванню с.-г. культур в господарствах та машинно-технологічних станціях, тобто там, де є великий обсяг робіт і необхідність в переїздах на значні відстані.

Дослідження способів та технічних рішень для примусового осадження крапель виконувались шляхом аналізу літературних даних та патентно-ліцензійного пошуку. При цьому були виявлені основні способи та технічні рішення для осадження крапель, які знайшли практичне застосування.

Найбільшого розповсюдження отримав спосіб, в якому на краплини діють штучно створеним повітряним потоком, який і несе краплини до поверхні, що обробляється. За таким принципом працюють обприскувачі, які обладнані вентиляторами та гнучкими рукавами, з яких через отвори чи спеціальні форсунки повітря виходить під тиском і осаджує краплини, що виходять з попереду розташованих розпилювачів. Особливості таких обприскувачів описані вище.

Осадження крапель виконується також електростатичними методами. Суть цих методів заключається в тому, що краплини заряджають плюсовим зарядом, після чого вони притягуються до від’ємно зарядженої поверхні рослин.

За таким принципом працює обприскувач фірми “Ай-Сі-Ай” під назвою “Електродин”, який має можливість управляти краплинами в діапазоні від 40 мкм до 200 мкм. При цьому рідина розпиляється електродинамічним методом і краплі заряджаються зарядом високої напруги (20000 В), із-за чого електропровідність і в’язкість рідини має бути в відповідних межах, яким відповідають тільки розчини на масляній основі.

Більш доступний для практичних цілей комбінований тип розпилювача “APE-80”, який розробила фірма “Rotometed”. Цей розпилювач поєднує модифікований завихрювальний диск з генератором високої напруги. При цьому диск дозволяє використовувати суміші як на масляній, так і на водяній основі, завдяки тому, що для утворення крапель не потрібне сильне електричне поле. Для зарядки крапель в цьому розпилювачі використовується метод лоропної зарядки. Проте на культурах з щільним рослинним покривом заряджені краплини проникають в середину покриву значно менше ніж при звичайних гідравлічних розпилювачах.

В штаті Джорджія (США) професором С.Е.Ло розроблений комбінований пристрій, який включає вентиляторний розпилюючий робочий орган і генератор високої напруги. В цьому випадку заряджені краплини краще проникають в рослинний покрив.

Відомі також і інші моделі пристроїв для розпилення чи осадження крапель з використанням генераторів високої напруги. Проте ці роботи, в основному, виконувались в 70-80 роках і практично застосування до цього часу не знайшли.

Причиною цьому є складність конструкції, значна залежність якості обробки від стану культури та атмосфери, такі пристрої потребують складної системи захисту оператора. Краплі, що осіли, розподіляються нерівномірно по рослинній поверхні, більша частина осідає по краях листків. Тому вчені працюють над новими методами осадження.

В результаті останнім часом появились пневмогідравлічні розпилювачі, які виконують обприскування за новою технологією.

В цілому з результатів пошукових досліджень можна зробити висновок про те, що на даний час питання збільшення ступеню осідання крапель на рослини є актуальним. Для вирішення його запропоновано декілька варіантів способів та технічних рішень. Причому найбільше розповсюдження отримали комбіновані способи з використанням повітряних струменів. Але кожне з них має як переваги, так і суттєві недоліки. Тому далі проводились теоретичні дослідження розповсюдження та затухання рідинних та повітряних струменів з метою обґрунтування оптимального технічного рішення для підвищення ефективності використання пестицидів.

Аналіз стану технологій та технічних засобів захисту рослин показав, що підвищення  ефективності використання пестицидів та екологічної безпеки їх застосування можливі за рахунок збільшення ступеню осідання крапель та покращення рівномірності обробки рослин. способів та технічних рішень для збільшення ступеню осідання крапель показали, що для цієї цілі на даному етапі є перспективними і набули найбільшого поширення такі:

- застосування в обприскувачах розпилювачів, в які під тиском подається повітря (пневмогідравлічні  з наддувом);

- застосування інжекторних розпилювачів;

осадження крапель за допомогою повітряних потоків, що створюються вентилятор;

          - пневмомеханічні розпилювачі;

- застосування різного роду захисних пристроїв.

Аналіз кожного з цих способів та технічних рішень для їх реалізації показав, що всі вони поруч з перевагами мають і недоліки порівняно зі звичайними гідравлічними розпилювачами.

          Так, що стосується пневмогідравлічних розпилювачів з наддувом або інжекторних, то, як відомо, з подачею повітря в розпилювачі як примусово, так і за рахунок інжекції, збільшується полідисперсність крапель. Це призводить до зниження біологічної ефективності дії препарату за рахунок наявності в спектрі розпилу грубих крапель, що підтверджується даними, викладеними в проспектах фірми  “Hardi” (Данія).       Тому більш ефективним є осадження крапель за допомогою повітряних потоків, що утворюються вентилятором. При цьому способі використовуються більш високодисперсні розпили, які забезпечують кращу біологічну ефективність дії препарату, а повітряні струмені забезпечують осадження цих крапель в рослинний покрив та розподіл їх усередині цього покриву. Більш детально переваги цього способу осадження описані вище.        Але цей спосіб не є універсальним і теж має істотні недоліки. Так, при внесенні ґрунтових гербіцидів або при обприскуванні полів з невеликим рослинним покривом краплини разом з повітряним потоком відбиваються від землі і зносяться в атмосферу.           Наявність повітряного потоку сприяє скочуванню крапель з листків рослин, особливо відносно крупних, які несуть в собі значну частину препарату.

          Обприскувачі з пневматичним осадженням складні за конструкцією, оскільки потребують автономну гідросистему для приводу вентилятора. Окрім цього, наявність повітряних рукавів збільшує парусність штанги, що в свою чергу потребує ферм з підвищеною міцністю на згинання.

          В зв’язку з цим, нами були запропоновані наукова гіпотеза та технічне рішення для підвищення ступеню осадження робочої рідини, які максимально враховують переваги відомих способів пневматичного осадження та виключають недоліки кожного з них. Суть їх полягає в тому, щоб збільшити швидкість осідання крапель без впливу на їх дисперсність, тому що, як раніше було сказано, в пневмогідравлічних розпилювачах із-за наявності в них повітря значно збільшується показник полідисперсності.