CC BY
89
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 632.935.9+631.348.8.
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ НА РАЗРАБОТКУ УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО УНИЧТОЖЕНИЯ
СОРНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ
И.В. Юдаев, кандидат технических наук, доцент;
Волгоградский государственный аграрный университет
Современное состояние сельскохозяйственных угодий заставляет задуматься о необходимости продолжать в борьбе против сорняков интенсивную химическую и механическую обработки посевных площадей, нанося природе экологический урон и продолжая безудержно истощать минеральные запасы гумуса в почве. В качестве альтернативы традиционным способам предлагается использовать электроимпульсную прополку, подтвердившую, что она является экологически безвредной и технологически эффективной.
Ключевые слова: электроимпульсная прополка, структура электроимпульсного пропольщика, конструктивные особенности агрегата, параметры процесса.
Отечественный землепользователь в последние десятилетия столкнулся с целым рядом проблем, которые привели к изменению фитосанитарного состояния посевов и насаждений. Уменьшение финансирования привело к снижению использования химических средств борьбы с сорной растительностью и сокращению традиционных для этой цели агротехнических мероприятий, что в итоге сказалось на увеличении степени засорённости угодий. Вместе с тем применение доступных, но не всегда экологически безопасных, химикалиев увеличило количество площадей с неблагополучным экологическим состоянием. Не уменьшаются и ареолы распространения карантинных сорняков как в Нижнем Поволжье, так и в целом по стране. Поэтому в последнее время предлагаются различные новые экологически не опасные способы физического уничтожения сорной и нежелательной растительности, к которым относится и применение электрических импульсов высокого напряжения.
Этот способ уничтожения сорных трав можно рассматривать как применение экологически чистых технологий в земледелии, попытку подавления и уничтожения наиболее вредоносных трудноискоренимых сорняков, а также возможность избирательного уничтожения очагов и куртин карантинных сорных растений. Кроме этого, появляется возможность автоматического контроля и управления разрабатываемых агрегатов (спутниковый контроль засорённости, автоматическое дозирование энергии воздействия в зависимости от вида и возраста сорных растений и др.).
Эффективность уничтожения сорных растений определяется необратимым повреждением их внутренних растительных тканей. Энергетические показатели зависят от минимальных затрат электрической энергии, которую необходимо подвести к растению, для того чтобы повреждение тканей сорняков, и особенно их корневой системы, достигло предельного значения. Сложность конструкции устройства и его стоимость в значительной мере определяются используемым для обработки напряжением: чем оно ниже, тем проще и дешевле установка, а также безопаснее эксплуатация.
Проведенные исследования по изучению электропроводных свойств и характеристик тканей сорных растений как объектов электроимпульсного воздействия при прополке позволили установить, что удельное электрическое сопротивление расти-
тельных тканей корневой системы сорняков имеет наибольшее значение, а стеблей -наименьшее, и оно возрастает с увеличением периода развития [3, 5, 7].
Исследование чувствительности растительной ткани сорняков к воздействию электрическим током и анализ изменения параметров ее схемы замещения, позволили сформулировать рабочую гипотезу электроповреждения. При этом электрическое сопротивление ткани уменьшается вследствие того, что клеточные мембраны теряют свои полупроницаемые свойства, а сопротивление самих мембран, внутриклеточного и межклеточного органических «растворов» выравниваются, становясь равными сопротивлению протоплазмы. Это происходит в результате того, что выходящий из клетки через открывшиеся поры в стенке мембраны вакуолярный сок, имеющий самую высокую проводимость, смешивается с межклеточной жидкостью и снижает общее электрическое сопротивление до значения сопротивления протоплазмы. Образовавшийся раствор заполняет и открывшиеся в мембранной стенке поры, которые под действием электрического поля высокой напряжённости утрачивают способность к избирательному пропусканию ионных потоков. В результате этого сопротивление мембраны становится равным сопротивлению протоплазмы и шунтирует мембранную ёмкость.
Для определения технических характеристик агрегата и обоснования конструкции электродной системы исследовались сопротивления цепей протекания токов обработки сорняков в условиях их естественного произрастания. Анализ полученных результатов позволил выяснить, что сопротивление цепи обработки «электрод - растение - почва - растение - электрод»: 1) линейно возрастает с увеличением расстояния между сорными растениями; 2) убывает по квадратичной зависимости при увеличении диаметра обрабатываемых растений; 3) уменьшается по степенной зависимости с увеличением влажности почвы на исследуемом участке; 4) возрастает при увеличении высоты подвеса электродной системы [3, 5, 7].
Экспериментально установлено, что затраты электроэнергии на уничтожение некоторых видов сорных трав, находящихся в фазе развития «начало созревания» (при воздействии импульсами с амплитудой напряжения 18...20 кВ и частотой следования до 10 Гц), равны: для осота розового - 102.134 Дж; осота полевого- 134.186 Дж; молочая лозного - 570.740 Дж; молокана татарского- 64.104 Дж; вьюнка полевого - 172.212 Дж; щирицы запрокинутой - 34.106 Дж; дурнишника обыкновенного -106.212 Дж [7].
Одним из основополагающих вопросов электроимпульсной прополки - экологическая безопасность для окружающей среды и особенно населяющих почву полезных организмов и микрофлоры. Анализ результатов исследований других авторов по воздействию электрических полей и в частности электрических разрядов на микрофлору почвы, а также живущих в ней организмов, позволяет заключить, что явное негативное влияние на агрофитоценоз почвы не наблюдается [1, 2]. Такое заключение позволяет характеризовать электроимпульсную прополку как экологически чистую технологию в растениеводстве, которая не только не загрязняет окружающую среду, но и минимально воздействует на микрофлору почвы.
Результаты многолетних исследований электрофизических характеристик сорных растений как объектов электрического воздействия, а также анализ моделей элек-тропропольщиков [5] позволяют определить основные элементы и обосновать построение рациональной структуры агрегата для уничтожения сорняков электрическими
Таблица - Основные технологические параметры процесса электроимпульсного уничтожения сорных растений и ____________________технические характеристики источника электрической энергии агрегата_________________
Характеристики, параметры 3 2 Численные значения при уничтожении сорных растений:
7* ъ 0 ро ДУріІІІІШІІ ПС обьїКІ ІОВЄІІІІМЙ марь городская КОІ юпля сорпополевая осот розовый осот полевой выомок полевой 3 У~> 1 0 - ’с5 1 3 2 Г* “ о 2 — Е- У'' Ь и 0 2 1
Летальная лоза энергии Дж 69 159 94.5 106 118 160 192 84 655 181.9
Напряжение обработки кВ 20
Емкость разрядного контура пФ 4700
Индуктивность контура мкГн 100.. 110
Энергия одного импульса Дж 1.299
Число импульсов, прошедших через 53 122 73 82 91 123 230 513 2096 685
сорняк, за время контактирования
Скважность импульсов 25.52 16.87 21.00 37.70 17.12 10.84 26.19 3.38 1.28 21.10
Мощность источника питания при кВт 4.87 9.84 6.54 5.74 16.21 11.75 8.45 11.11 37.10 13.15
ширине захвата Ь =3,72 м
Мощность источника питания при
кВт 8.00 16.53 10.77 9.89 28.13 19.17 15.18 19.43 63.31 22.61
ширине захвата Ь-7,22 м
Расход электроэнергии на один кВт-ч 1.92 4.42 2.60 2.94 3.28 4.44 5.30 2.33 18.19 5.06
гектар (- 100000 сорняков)
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
импульсами высокого напряжения.
Принципиально устройство должно состоять из: силовой установки перемещения, источника электроэнергии, преобразователя энергии в технологически необходимый вид и устройства подведения электроэнергии к сорнякам [6].
Технические требования
Источником электрической энергии служит синхронный генератор, приводимый во вращение валом отбора мощности трактора посредством передаточного устройства (ременной передачи или муфты), вырабатывающий на выходе напряжение 220/380 В промышленной частоты тока и расположенный сзади кабины, непосредственно у вала отбора мощности трактора.
Преобразовательный блок включает в себя: 1) повышающий герметичный масляный или сухой с литой изоляцией трансформатор, увеличивающий напряжения источника до значения, обоснованного технологией повреждения растительной ткани; 2) выпрямительный блок, служащий для преобразования высокого переменного напряжения в постоянное; 3) формирователь импульсов (генератор импульсного напряжения с выходным разрядным контуром), преобразующий высоковольтное постоянное напряжения в импульсное. Преобразовательный блок рекомендуется монтировать фронтально - впереди трактора для визуального контроля оператором-водителем во время работы и более равномерного распределения массы навешиваемой установки по площади агрегата.
Универсальная электродная система осуществляет подведение электрической энергии к сорным растениям, произрастающим на паровых землях, а также в посевах и посадках пропашных культур. Ее нормальное функционирование предусматривает как уничтожение надземной части сорняков, так и истребление растений целиком, повреждая, прежде всего, их корневую систему. Универсальная электродная система может быть конструктивно реализована по одному из двух исследованных вариантов:
1. Для обработки по цепи «электрод - растение - почва - растение - электрод». Отдельными секциями навесных электродов, изолированных друг от друга, снабжённых полевыми делителями и выполненных из стержней круглого сечения нержавеющей стали или титана, которые должны иметь режущие кромки для повреждения поверхностного слоя растения и снижения переходного электрического сопротивления в месте контактирования. Конструктивно секции можно выполнить в виде цилиндрического тела с параллельно проточенными режущими кромками. Навесные электроды следует комплектовать копирующими рельеф почвы катками, что позволит поддерживать постоянную высоту подвеса электродов и обеспечить их механическую прочность;
2. Для обработки по цепи «электрод - растение - почва - электрод». Секциями навесных и заглубленных в почву электродов. В роли электродов заглубляемых в почву могут использоваться дисковые ножи или плоскостные ножи специальной формы, обеспечивающих хороший контакт с почвой и создающих малое тяговое сопротивление движению агрегата. Эти элементы должны иметь возможность демонтироваться или подниматься, фиксируясь в таком положении, для случаев, когда электрическая обработка осуществляется путём контактирования навесных электродов только с надземной частью сорных растений или при транспортном перемещении агрегата.
Электродная система располагается либо фронтально, либо одновременно фронтально и по бокам транспортного средства, что повышает безопасность выполняемых работ в виду постоянного визуального контроля оператором-водителем процесса обработки.
Все перечисленные элементы и узлы навесного устройства располагаются на
специально изготовленных съёмных основаниях.
Основные параметры и характеристики
Взяв за основу результаты экспериментальных исследований и исходя из выявленных технологических показателей электроимпульсного уничтожения сорных трав, сформулированы требования, которым должен удовлетворять источник питания рассматриваемой установки. Под источником питания следует понимать совокупность собственно источника электрической энергии, блока преобразования энергии и зарядной цепи, а его основными параметрами и характеристиками следует считать мощность, выходное напряжение и его способность поддерживать в контуре частоту разрядов не ниже достаточной для надёжного повреждения обрабатываемого растения.
Напряжение на выходе источника должно быть больше значения напряжения на электродной системе установки.
Мощность источника определяется: минимально необходимым количеством энергии, достаточным для необратимого повреждения ткани и уничтожения сорняков; временем контактирования электродов с растением и числом одновременно обрабатываемых растений.
Производительность электротехнологического агрегата и эффективность элек-троимпульсного уничтожения сорных растений связаны с рабочей частотой следования воздействующих разрядов. Уменьшение частоты разрядов в контуре ниже определённого предела приводит к выделению в растительной ткани сорняков количества энергии, меньшего, чем минимально необходимое количество энергии, при котором достигается максимальное значение степени повреждения в тканях обрабатываемого растения. Для получения необходимого технологического эффекта можно снизить скорость агрегата, но это приведёт к уменьшению его производительности.
Установленные экспериментально основные электротехнологические параметры уничтожения сорняков и технические характеристики источника питания электроим-пульсной установки представлены в таблице.
Требования безопасности и охраны окружающей среды
Электротехнологическая установка должна соответствовать «Правилам устройства электроустановок», «Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей», «Правилам техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей», требованиям ГОСТ 12.2.007.0 «Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Защитное заземление, зануление».
Агрегат для уничтожения сорной растительности позволяет уменьшить количество механических обработок почвы и тем самым снизить разрушающее ее структуру воздействие, уменьшить механическую, водную и ветровую эрозию почвы, сохранить почвенное плодородие. Вредного влияния на окружающую среду при изучении и исследовании отдельных элементов агрегата не наблюдалось.
Библиографический список
1. Боженков, А.В. Действие электрокультивации на агрофитоценоз почвы [Текст] / А.В. Боженков // Агрономическая наука - достижения и перспективы. - Киров, 1994. - С. 73.
2. Сорные растения как объект электрической прополки: биологические особенности и электрофизические свойства [Текст]: монография / В.И. Баев, Т.П. Бренина, Д.С. Елисеев, И.В. Юдаев. - Волгоград : Станица-2, 2004. - 128 с.
3. Юдаев, И.В. Рациональная структура построения электроимпульсного пропольщика [Текст] / И.В. Юдаев // Тракторы и сельхозмашины. - 2011. - № 6. - С. 28-30.
4. Плеханов, Г.Ф. Изучение влияния электрического поля высоковольтных установок на некоторые компоненты биогеоценоза (почва, растения, животные) [Текст] / Г.Ф. Плеханов, В.М. Орлов, А.Г. Карташев // Экология. - 1988. - № 2. - С. 78-80.
5. Тверитин, А.В. Состояние и тенденции развития электрических способов и оборудования для борьбы с сорняками [Текст] / А.В. Тверитин, Н.Б. Трофимова, Л.И. Исаева [и др.] // Обзорная информация. - М.: ВНИИТЭИСХ, 1984. - 65 с.
6. Технологическое обеспечение электроимпульсной культивации [Текст] / И.В. Юда-ев, В.И. Баев, И.В. Баев, Т.П. Бренина, П.В. Прокофьев // Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Естественные науки». - 2006. - № 3. - С. 19-23.
7. Judajev, I.V. The definition of electro impulses used in weed control [Текст] / I.V. Judajev, T.P. Brenina // Journal of agricultural sciences. Published by University of Belgrade. Republic of Serbia. Faculty of Agriculture. - Belgrade 2008. - Vol. 53. - № 1. - P. 37.44.
E-mail: [email protected]
