Размещено на http://www.allbest.ru/

РАСШИРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ и ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО УНИЧТОЖЕНИЯ КОРНЕОТПРЫСКОВЫХ СОРНЯКОВ

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

БРЕНИНА ТАТЬЯНА ПАВЛОВНА

Саратов 2006

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия».

Научный руководитель: - кандидат технических наук, доцент Юдаев Игорь Викторович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ерошенко Геннадий Петрович

кандидат технических наук, доцент Глушков Алексей Максимович

Ведущая организация: ГНУ Нижнее-Волжский Научно-исследовательский институт сельского хозяйства

Защита состоится 28 декабря 2006 г. в 11 час. на заседании диссертационного совета Д 220.061.03 при ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, по адресу: 410056, г. Саратов, ул. Советская 60, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова».

Автореферат разослан 28 ноября 2006 г. и размещен на сайте:www.sgau.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета,

профессор Н.П.Волосевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Большая засорённость сельскохозяйственных угодий серьёзно сдерживает проведение агротехнических мероприятий, направленных на повышение эффективности земледелия. Одним из наиболее важных элементов современной системы ведения хозяйства на земле является успешная борьба с сорняками.

Основной целью борьбы с сорняками является регулирование численности сорных растений в посевах и посадках, что приводит к снижению их количества до безопасного уровня экономического порога вредоносности. Реализовать поставленные задачи можно, если все методы и способы борьбы с сорными травами внедрять не отдельными приемами, а в совокупности, как комплексную систему, с учетом сохранения экологии окружающей среды.

Волгоградская область - одна из крупнейших областей Поволжского региона. Территория её составляет 11,3 млн. га, из них 8,8 млн. га занимают сельскохозяйственные угодья, в составе которых 6,1 млн. га - обрабатываемые земли. В условиях области наибольший ущерб наносят корнеотпрысковые сорняки - осот розовый (бодяк полевой), вьюнок полевой, осот жёлтый и др. Это наиболее вредоносные и трудноискоренимые сорные растения. Они обладают высокой экологической пластичностью, быстрым ритмом размножения и устойчивостью к неблагоприятным условиям. Это самые злостные и трудноискоренимые сорняки, их корни проникают в почву до 5...10 м, отпрыски прорастают с глубины более 1 м. В течение вегетационного периода корнеотпрысковые сорные растения образуют из почек, заложенных на корневой системе, молодую поросль (отпрыски). Новые растения могут образовываться от небольших отрезков и обломков корневой системы. От одного такого сорняка распространяются и укореняются во все стороны новые растения, в результате чего на полях возникают куртины этих сорных трав.

Способы борьбы с сорняками в последнее время расширились за счет применения новых установок, работа которых основывается на физических методах уничтожения сорной растительности, к которым можно отнести и применение высоковольтных импульсных воздействий. Однако внедрение таких установок сдерживается недостаточной изученностью способов и средств применения электрических импульсов. В связи с этим актуальной задачей современного земледелия является возможность применения новых малоэнергоёмких и экологически чистых способов уничтожения трудноискоренимой сорной растительности на с.х. угодьях.

Цель исследования - повышение эффективности электропрополки за счёт расширения существующих технологических параметров и обоснования технических условий электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорняков.

В теоретических и экспериментальных исследованиях, направленных на достижение поставленной цели, решались следующие задачи:

- на основании литературных данных и патентного поиска изучить возможность использования электрических импульсов высокого напряжения для уничтожения корнеотпрысковых сорняков Нижнего Поволжья и способы реализации предлагаемого метода;

- обосновать сопротивления возможных цепей протекания тока обработки трудноискоренимых сорняков, выявить и исследовать наиболее эффективные из них;

- исследовать электропроводные свойства растительных тканей участков корнеотпрысковых сорняков до и после их электроимпульсного повреждения; электрический импульс корнеотпрысковый сорняк

- исследовать чувствительность тканей корнеотпрысковых сорняков к электроимпульсному воздействию;

- исследовать технологические параметры и энергетические характеристики электроимпульсного уничтожения сорняков;

- обосновать, разработать и сформулировать технологические и технические условия на электроимпульсное устройство для уничтожения сорной растительности, навешиваемое на стандартный колёсный трактор;

- выполнить лабораторные, полевые исследования и показать энергетическую и экономическую эффективность электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорняков.

Объект исследования - совокупность корнеотпрысковых сорных растений, технических средств и технологических параметров электроимпульсного воздействия для выявления режимов, обеспечивающих повреждение и надёжное уничтожение сорняков при минимальном расходовании энергии и минимальном отрицательном влиянии на окружающую среду.

Предмет исследования: процесс электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорных растений с целью обоснования его оптимальных технологических параметров.

Представленные в работе материалы являются итогом исследований автора, выполненных индивидуально и совместно с другими исследователями по всероссийским и региональным программам и планам: «Система ведения агропромышленного производства Волгоградской области» на 1996…2010 гг.; координационная программа научно - исследовательских работ на 1998 - 2003 г.г. по выполнению задания РАСХН «Разработать агроэкологические основы интегрированной системы мер борьбы с сорными растениями в адаптивно- ландшафтных системах земледелия».

Методики исследования. Для достижения поставленной цели и решения сформулированных задач использован методологический приём академика В.П. Горячкина, в соответствии с которым все электро- и биофизические процессы, а так же технические вопросы и решения исследовались экспериментально и теоретически как взаимосвязанные составляющие одного целого, как единая система взаимодействия трёх основных элементов электроимпульсного воздействия: источника импульсного напряжения, элементов подведения электрической энергии к объекту воздействия и самого объекта обработки - сорного растения. Работа содержит последовательное логичное сочетание теоретических и экспериментальных исследований. Сначала рассматривались известные представления о процессе или явлении, на их основе разрабатывались теоретические положения, гипотезы и решения для исследуемой электротехнологической операции, которые затем проверялись экспериментально. В соответствии с полученными результатами экспериментов выполнялась корректировка ранее предложенных теоретических представлений, после чего проводились уточняющие экспериментальные исследования.

При теоретической разработке моделей процессов электроимпульсной обработки корнеотпрысковых сорняков использован классический математический анализ и численные методы решения задач на ПЭВМ с применением прикладной математической программы MathCAD 2001 Pro.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- выявлено, что ткани корневой системы многих корнеотпрысковых сорняков обладают наибольшим электрическим сопротивлением, и что в процессе их развития удельное электрическое сопротивление этих тканей возрастает;

- выявлено, что наиболее эффективным является использование навесной секционированной системы электродов, а в некоторых случаях уничтожения корнеотпрысковых сорняков необходимо применение комбинированной системы, состоящей из навесных и заглубленных в почву электродов;

- установлено, что сопротивление цепи протекания тока обработки в зависимости от влажности почвы убывает по степенной зависимости, а при увеличении высоты подвеса электродов - возрастает по степенной зависимости;

- исследованы энергетические и технологические характеристики электроимпульсного воздействия на трудноискоренимые сорные растения и определены оптимальные характеристики их уничтожения.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований процесса электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорных растений представляют собой технологическую основу для формулировки технических условий и последующей разработки конструкторской документации на изготовление специальных электроимпульсных установок.

В областное ОАО «Волгоградский завод оросительной техники» переданы разработанные материалы на изготовление опытной установки для электроимпульсного уничтожения трудноискоренимых сорняков.

Результаты исследований и экспериментальные установки включены в лабораторно-практический цикл занятий со студентами факультета электрификации с. х. по дисциплине «Светотехника и электротехнология в с.х.».

Совместно с коллективом авторов написана монография по теме научных исследований «Свойства и параметры сорных растений как объектов электрической прополки: биологические особенности и электрофизические свойства».

Практическую ценность работы составляют:

- выявленные наиболее эффективные способы подведения энергии к трудноискоренимым сорнякам, это: «навесной электрод - стебель растения - корень растения - почва - заглубленный электрод» и «первый навесной электрод - стебель одного растения - корень растения - почва - корень другого растения - стебель этого растения - второй навесной электрод» и определённые экспериментальным путём значения сопротивления этих цепей в зависимости от высоты подвеса электродов и влажности почвы;

- предлагаемая система навесных электродов, которая должна быть секционированной, так как в общем массиве сорняков наблюдается большой разброс сопротивлений отдельных сорных растений;

- численные значения напряжённости электрического поля в растительной ткани корнеотпрысковых сорняков;

- удельные значения расхода энергии на повреждение трудноискоренимой сорной растительности;

- оптимальные технологические параметры способа уничтожения корнеотпрысковых сорных трав и технические условия на устройство для электропрополки.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Теоретическое обоснование вариантов подведения электрической энергии к корнеотпрысковым сорнякам и результаты исследования сопротивления выявленных цепей протекания тока обработки;

2. Теоретические зависимости степени повреждения от параметров разрядной цепи и энергии повреждения ткани корнеотпрысковых сорных растений различной чувствительности к электрическому воздействию;

3. Результаты исследования электрофизических свойств и параметров растительных тканей корнеотпрысковых сорняков и удельных энергетических показателей надёжного, необратимого повреждения трудноискоренимых сорняков;

4. Технологические параметры процесса электрического уничтожения корнеотпрысковых сорных растений и технические условия на устройство для его осуществления.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме работы доложены, обсуждены и одобрены на: ежегодных научных и научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградской ГСХА по итогам научно-исследовательской работы за 2002, 2003, 2005, 2006 г.г.; Международной научно-практической конференции «Проблемы научного обеспечения и экономической эффективности орошаемого земледелия в рыночных условиях», ВГСХА, г. Волгоград, 2001г.; Научно-практической конференции «Агроинженерная наука - сельскохозяйственному производству», МГАУ, г. Москва, 2001г; 2-ой Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе», СГСХА, г. Ставрополь, 2003г.; Международной научно-практической конференции «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства» посвящённой 60-летию ВГСХА, г. Волгоград, 2004г.; 55-й и 57-й международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе», КГСХА, г. Кострома, 2004г. и 2006 г.; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития АПК» посвящённой 60-летию Победы в Великой Отечественной войне, ВГСХА, г. Волгоград, 2005г.; Международной научно-практической конференции «Ульяновские чтения 2005» посвящённой 100-летию со дня рождения профессора Алексея Фёдоровича Ульянова, Саратовский ГАУ, г. Саратов, 2005г.; Юбилейной XLV Международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству», Челябинский ГАУ, г. Челябинск 2006.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 15 публикациях, в том числе в монографии, в сборниках трудов, в материалах конференций и в трёх изданиях, указанных в «Перечне…» ВАК, общим объёмом 11,54 п.л., в том числе 3,52 п.л. принадлежит соискателю.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 218 страницах основного текста, содержит 37 рисунков, 10 таблиц, 12 страниц приложений. Список литературы включает 322 наименования, в том числе 43 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы и дана её общая характеристика.

В первой главе «Корнеотпрысковые сорные растения Нижнего Поволжья и способы борьбы с ними» проанализированы данные по литературным источникам биологических особенностей корнеотпрысковых сорняков, их анатомического строения и возможности эффективно противостоять повреждающему воздействию. По итогам мониторинга засорённости посадок и посевов Волгоградской области выявлены наиболее вредоносные представители этого класса сорных трав. Представлен обзор эффективности и применимости различных методов и способов борьбы с трудноискоренимой сорной растительностью, как традиционных - механических (вспашка, культивация, боронование) и химических, так и нетрадиционных (биологических; огневых; с использованием СВЧ-энергии и т.п). Применение электрической энергии для истребления корнеотпрысковых сорняков можно рассматривать как: альтернативу традиционным методам борьбы с сорняками; применение более экологически чистых технологий в земледелии; возможность избирательного уничтожения очагов сорных растений, в том числе и карантинных; возможность уничтожения вместе с сорняками вредителей и возбудителей болезней культурных растений, обитающих в почвенно-корневой структуре сорных трав.

Научно-методическими основами исследования являются труды ведущих учёных по фундаментальным и прикладным вопросам электрификации с.х. производства, земледелию, защите растений и другим отраслям знаний: Артемьева Н.А., Баева В.И., Басова А.М., Бородина И.Ф., Владимирова Ю.А., Вяземского Т.И., Евреинова М.Г., Ерошенко Г.П., Живописцева Е.Н., Казакевича Л.И., Климова А.А., Кудрявцева И.Ф., Ларионова В.П., Лялина О.О., Ляпина В.Г., Мальцева А.И., Мартыненко И.И., Мешкова А.А., Мичурина И.В., Попова В.М., Прищепа Л.Г., Савчука В.Н., Смирнова Б.М., Спирина А.А., Тарусова Б.Н., Тарушкина В.И., Трофимовой Н.Б., Чизмаджева Ю.А. и др.

Проведённый анализ известных исследований по воздействию электрического тока позволил предположить, что и для трудноискоренимых сорняков основным повреждающим фактором при электрической обработке является ток проводимости большой плотности или, что эквивалентно, электрическому полю высокой напряжённости в тканях.

Анализ литературных источников по воздействию электрических полей и в частности электрических разрядов на микрофлору почвы, а также живущих в ней организмов, позволяет заключить, что явного негативного воздействия на агрофитоценоз почвы не наблюдается. Такое заключение позволяет применение электроимпульсной прополки характеризовать как экологически чистую технологию в растениеводстве, которая не только не загрязняет окружающую среду, но и с минимальными отрицательными показателями действует на микрофлору почвы.

На основе изложенного сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе «Теоретическое обоснование параметров электроимпульсного воздействия на корнеотпрысковые сорные растения» рассмотрены вопросы теоретического обоснования вариантов подведения электрической энергии к корнеотпрысковым сорным растениям, выполнен анализ сопротивления пути протекания тока обработки, рассчитаны элементы принятой схемы замещения растительной ткани корнеотпрысковых сорняков, представлена расчётная модель основной характеристики разрядного контура - тока обработки.

Выполненный анализ свидетельствует, что наиболее эффективным при уничтожении корнеотпрысковых сорняков будет вариант обработки только корневой системы, которую в большинстве случаев нельзя осуществить без использования хотя бы одного заглубленного в почву электрода. Это определяется тем, что элементы корневой системы должны подвергаться продольному воздействию протекающего по ним тока. Но одновременно с этим перемещение заглубленного в почву электрода создаст дополнительное тяговое сопротивление. С точки зрения снижения потерь на перемещение агрегата по засорённому массиву электродные системы, на наш взгляд, должны быть надземного исполнения или комбинированного (рис. 1).



Рисунок 1 Наиболее эффективные способы подведения электрической энергии к корнеотпрысковым сорным растениям: а) «навесной электрод - стебель растения - корень растения - почва - заглубленный электрод»; б) «первый навесной электрод - стебель первого растения - корень первого растения - почва - корень второго растения - стебель второго растения - второй навесной электрод»

Общее сопротивление цепей тока, для выбранных вариантов (рис. 1 а и б), представляет собой сумму сопротивлений элементов, составляющих эту цепь.

(1)

(2)

где R - общее сопротивление пути тока, Ом; R_э1; R_э2 - сопротивление первого и второго навесных электродов или одной и другой секций навесных электродов, Ом; R_к1; R_к2 - переходное сопротивление контакта навесного электрода с надземной частью сорного растения, Ом; R_лс1; R_лс2 - сопротивление листостебельной массы контактирующих с электродами растений, Ом; R_кр1; R_кр2 - сопротивление корневых систем сорных растений включённых в цепь протекания тока обработки, Ом; R_п - сопротивление почвы, Ом; R_кз - переходное заземление контакта заземляющего электрода с почвой, Ом; R_зэ - сопротивление заземляющего электрода, Ом.

С учётом строения растительных клеток и их организации в тканях корнеотпрысковых сорных растений принята для теоретических дальнейших исследований известная эквивалентная электрическая схема замещения растительных тканей сорняков (рис. 2).

Рисунок 2 Эквивалентная электрическая схема замещения растительных тканей корнеотпрысковых сорных растений

Для определения параметров элементов схемы замещения растительной ткани (рис. 2) и анализа процессов, протекающих в ней, при электроимпульсном воздействии, предложено использовать операторный метод расчёта переходных процессов, возникающих в электрической цепи, содержащей образец растительной ткани и измерительную схему, при подаче на вход однополярных прямоугольных импульсов измерительного напряжения, длительность которых превышает продолжительность переходного процесса в принятой эквивалентной схеме замещения. Параметры схемы замещения определялись по следующим выражениям:

, (3)

где U - амплитуда подаваемых на ткань прямоугольных импульсов, В; i_св - начальный ток, протекающий по ткани при подаче прямоугольного импульса (по осциллограмме), А; i_пр - установившийся ток, протекающий по ткани (по осциллограмме), А; R_ш - сопротивление шунта с которого снималась осциллограмма протекающего по ткани измерительного тока, Ом.

Проведя расчёты по формулам (3), используя экспериментально полученные данные процесса воздействия импульсами напряжения амплитудой U = 5 кВ, на фрагмент растительной ткани стебля осота розового, при этом в одном импульсе прикладывалась энергия, удельное значение которой равнялось W_1уд = 34,3 Дж/мм³, получены расчётные параметры схемы замещения растительной ткани. Для неповреждённой растительной ткани стебля осота розового рассчитанные значения параметров схемы замещения: R₁=1,4 кОм; R₂=24,7 кОм; R₃=132,5 кОм; C_m=2,97 пФ, при воздействии 20 импульсов напряжения значения равны: R₁=1,3 кОм; R₂=1,8 кОм; R₃=2,9 кОм; а значение ёмкости C_m изменяется примерно на 40%.

В качестве основной характеристики, изучающей электропроводные свойства растительных тканей, была принята хорошо известная из «Биофизики» и «Электрофизиологии» зависимость изменения сопротивления исследуемых тканей по частоте измерительного тока. Проводя анализ характера поведения этой зависимости, можно, получить информацию об электропроводных свойствах растительной ткани; особенностях её анатомического и морфологического строения с точки зрения электрофизических свойств растений; состоянии растительной ткани в зависимости от почвенно-климатических условий, болезней, внешних раздражений и воздействий и т.п.

Полное сопротивление растительной ткани корнеотпрысковых сорняков, определяемое суммой активной и реактивной (емкостной) составляющих, зависит от частоты тока, на котором производится измерение. С её ростом полное сопротивление падает, что характерно для всех животных и растительных тканей. Аналитическое выражение этой зависимости имеет вид:

(4)

Для анализа полученных теоретических выражений (3), используемых при расчёте значений параметров электрической схемы замещения растительной ткани, определили входные сопротивления этой схемы и рассмотрели их изменения в процессе электрического повреждения.

Полученные результаты (рис. 3) хорошо согласуются с приведёнными рассуждениями об использовании частотных зависимостей сопротивления тканей в качестве основной характеристики их электропроводных свойств и позволяют судить о характере изменения её сопротивления в процессе электроимпульсного повреждения.

Совместный анализ поведения теоретических и экспериментальных частотных зависимостей удельного электрического сопротивления растительной ткани корнеотпрысковых сорных трав, а также изменение параметров её схемы замещения в процессе электроимпульсного воздействия позволяет выдвинуть гипотезу об электрическом повреждении этой ткани. При электрическом повреждении растительной ткани корнеотпрысковых сорняков их сопротивление уменьшается вследствие того, что клеточные мембраны теряют свои полупроницаемые свойства, а их сопротивление и сопротивление 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, снижая общее сопротивление до величины сопротивления протоплазмы. Одновременно с этим образовавшийся раствор заполняет открывшиеся в мембранной стенке поры, которые под действием электрического поля высокой напряжённости утратили способность к избирательному пропусканию ионных потоков. В результате этого сопротивление мембраны становится равным сопротивлению протоплазмы и вследствие этого шунтирует мембранную ёмкость.

Рисунок 3 Характер изменения расчётных частотных зависимостей входных сопротивлений растительной ткани стебля осота розового (Zвх, Rвх, Xвх) от частоты измерительного тока в процессе электроимпульсного повреждения

Для количественной и качественной оценки рассматриваемых процессов технологической сущности электрической обработки трудноискоренимых сорняков в работе были рассмотрены: зависимости степени повреждения тканей трудноискоренимых сорных растений от начального напряжения разрядного контура, от энергии запасённой в контуре; зависимости степени повреждения от напряжённости электрического поля в растительной ткани корнеотпрысковых сорняков. Под степенью повреждения S_п растительной ткани в работе принято понимать величину, предложенную В.И. Баевым, А.А. Климовым и др., численное значение которой определяется отношением сопротивления ткани до обработки к сопротивлению ткани в процессе обработки. Проведя теоретические рассуждения, и проанализировав результаты экспериментальных исследований по изучению чувствительности ткани сорняков к электроимпульсному воздействию установлено, что для надёжного повреждения и последующей за этим гибели корнеотпрысковых сорных растений необходимо добиться, чтобы в результате электроимпульсных воздействий степень повреждения их растительных тканей достигла значения близкого к предельному.

В работе также выполнен теоретический анализ изменения основной характеристики разрядного контура генератора импульсного напряжения - разрядного тока . При продольной электрической обработке сорняков во всех рассматриваемых случаях при изменении параметров разрядного контура C_k; L_п и U₀ характер поведения кривой разрядного тока практически оставался одним и тем же - апериодическим.

В третьей главе «Методика и результаты экспериментальных исследований» приведено описание методик проведения исследований по изучению электрофизических свойств тканей корнеотпрысковых сорняков, даны описания экспериментальных высоковольтных установок, приведены данные лабораторных исследований и данные исследования процесса электроимпульсного уничтожения трудноискоренимых сорняков в полевых условиях, предложена методика оптимизации работы разрядного контура.

Для проведения исследований в лабораторных условиях и условиях естественного произрастания корнеотпрысковых сорняков были собраны две экспериментальные установки, основой которых являлся одноступенчатый генератор импульсов высокого напряжения (рис. 4). Структурная схема этих установок включает в себя следующие блоки: 1 - источник регулируемого высокого постоянного напряжения; 2 - накопительную конденсаторную батарею; 3 - регулируемый управляемый формирующий шаровой разрядник; 4 - схему управления шаровым разрядником; 5 - систему рабочих электродов; 6 - измерительный комплекс, включающий в себя приборы контроля состояния растительного образца или целого растения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4 Принципиальная электрическая схема, являющаяся основой лабораторной и полевой передвижной экспериментальных установок

Для исследований по изучению влияния электрических импульсов высокого напряжения на корнеотпрысковые сорняки в полевых условиях была разработана передвижная экспериментальная установка. С точки зрения удобства проведения исследований силовой и формирующий импульсы блоки, электродная система, схема управления, а также измерительный комплекс были размещены на передвижной, мобильной платформе (рис. 5).

Рисунок 5 Внешний вид передвижной исследовательской установки для электроимпульсной обработки корнеотпрысковых растений в условиях их естественного произрастания во время испытаний

Экспериментальное исследование частотных зависимостей сопротивления растительной ткани сорняков выполнялись для различных фаз развития, для отдельных элементов растений: стеблей, корней и участков, содержащих корневую шейку, а также для внутренних и наружных тканей. Для проведения анализа использовали значение не сопротивления исследуемого растительного образца, а его удельного электрического сопротивления, что позволило избавиться от зависимости сопротивления конкретного образца сорняка от его формы и размеров.

Графики частотных зависимостей удельного сопротивления растительных тканей стеблей, корней и участков с корневой шейкой имеют одинаковый характер. Количественная оценка показывает, что самое большое значение удельного электрического сопротивления имеют участки корня сорняков, а самое низкое - участки стебля. С увеличением периода развития удельное электрическое сопротивление, как у тканей стебля, так и корня возрастают (рис. 6).

В работе также исследовались частотные зависимости удельного электрического сопротивления растительной ткани корнеотпрысковых сорняков при её электрическом повреждении. При этом характер изменения сопротивлений не меняется, но численные значения уменьшаются. С увеличением степени повреждения растительной ткани сопротивление, соответствующее низким частотам уменьшается, скорость снижения сопротивления по частоте падает и при полном повреждении значения на низких и высоких частотах практически выравниваются. Интенсивность спада кривых удельного сопротивления растительной ткани сорняков при электрическом повреждении зависит от количества подведённой энергии (рис. 7). Полученные зависимости очень хорошо согласуются с теоретическими расчётными характеристиками (см. рис.3).

Рисунок 6 Зависимость удельного электрического сопротивления растительных тканей корневой системы молочая лозного от частоты измерительного тока в различные периоды вегетации



Рисунок 7 Зависимость удельного электрического сопротивления растительных тканей корня осота полевого по частоте измерительного тока при электроимпульсном повреждении (напряжение обработки: U₀=6 кВ; удельная энергия одного импульса: W_1уд=0,65 Дж/см³)

Обработка экспериментальных данных по изучению зависимости сопротивления цепи обработки корнеотпрысковых сорняков от влажности почвы дала возможность получить аналитическое выражение:

, (5)

где R_w - сопротивление цепи обработки при влажности почвы w, Ом; R₀ - начальное сопротивление цепи обработки при минимальной влажности почвы w₀, Ом; w - влажность почвы, %; a - показатель степени, значение которого определяется временем года, погодными условиями и другими факторами (для исследуемых корнеотпрысковых сорных растений а ? 0,15…0,95).

Анализ результатов исследований по изучению влияния высоты подвеса электродов на значение сопротивления цепи протекания тока обработки показывает, что с увеличением высоты подвеса растёт и значение сопротивления цепи. При этом рост сопротивления в зависимости от высоты подвеса описывается степенной функцией вида:

, (6)

где R_h - сопротивление цепи обработки при контактировании электродной системы с сорняком на высоте h, Ом; R_н - сопротивление цепи обработки при высоте подвеса электродной системы ? 0 м, Ом; h - высота подвеса электродной системы, м; b - показатель степени, значение которого определяется качеством контакта (состоянием эпидермиса сорняка, качеством поверхности контактирования электродов, загрязнённостью контакта), погодными условиями и другими факторами (для исследуемых корнеотпрысковых сорняков b ? 0,31…0,63).

Для технической реализации возможности достижения предельных степеней повреждения обрабатываемых растительных тканей необходимо не только знать повреждающие значения напряжённости электрического поля, но и представлять себе изменение S_п в зависимости от изменения напряжения обработки U₀ или, что эквивалентно, напряжённости Е. Анализ экспериментальных исследований зависимостей показывает, что при увеличении напряжённости электрического поля Е в растительной ткани проявляется общая для всех сорняков тенденция увеличения степени повреждения S_п тканей корневой системы и листостебельной части.

В основе рассматриваемой оптимизации лежали следующие критерии: 1 - минимальные затраты электрической энергии на достижение максимального значения степени повреждения растительных тканей корнеотпрысковых сорных трав; 2 - оптимальное сочетание параметров разрядного контура (C_k, U₀) при которых достигается наибольший технологический эффект воздействия.

Рисунок 7 Зависимости степени повреждения растительной ткани корневой системы осота розового (S_п) от напряжённости электрического поля в ткани (Е) при разном количестве воздействующих импульсов (m)

В четвёртой главе «Технико-экономические показатели и энергетическая оценка электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорных растений» произведено обоснование использования предлагаемой технологической операции в растениеводстве, дано описание проектируемой установки, приведены расчёты основных технических характеристик и технологических норм, выполнена экономическая оценка установки.

Результаты исследований, анализ существующих и предлагаемых моделей электрических пропольщиков позволил определить их основные элементы и объяснить структурное построение рациональной конструкции и схемы агрегата для уничтожения сорняков электрическими импульсами высокого напряжения. Разрабатываемая установка должна быть мобильной, простой и дешёвой в эксплуатации, надёжной и безопасной в работе. Принципиально устройство должно состоять из трёх основных структурных блоков (рис. 8): силовой установки перемещения, источника электроэнергии и устройства подведения электроэнергии к объекту обработки (рис. 9).

Производительность электротехнологического агрегата и эффективность электроимпульсного уничтожения сорняков будут связаны с рабочей частотой следования воздействующих разрядов f. Уменьшение частоты разрядов в контуре ниже определённого предела приводит к выделению в растительной ткани сорняков количества энергии, не достаточного для достижения максимального (предельного) значения степени повреждения тканей обрабатываемых растений. Для получения необходимого технологического эффекта при этом можно снизить скорость агрегата, но это приведёт к уменьшению его производительности. Следовательно, необходимо знать минимально допустимую частоту следования воздействующих на сорняки импульсов:

, (7)

где m₁ - минимальное количество импульсов необходимое для повреждения растительной ткани сорняков, шт.; v - скорость передвижения агрегата, км/час; l_ст - длина надземной части растения, с которой контактирует навесной электрод при обработке, м; t - время контактирования электрода с обрабатываемым сорняком, с.



Рисунок 8 Внешний вид (сбоку и спереди) одного из предлагаемых вариантов электроимпульсного культиватора: 1 - синхронный генератор; 2 - возбудитель; 3 - повышающий трансформатор; 4 - блок формирования импульсного напряжения; 5 - навесные электроды; 6 - заглубленные в почву электроды; 7 - держатели электродов; 8 - изоляторы; 9 - копирующие почву катки

а) б)

Рисунок 9 Варианты принципиальных электрических схем агрегата для электроимпульсного уничтожения сорной растительности

Мощность источника питания можно определить, зная количество сорных растений обрабатываемых одновременно N_сор:

, (8)

где W_min - минимальное количество электрической энергии необходимое для повреждения растительной ткани сорняка, которое приведёт к его гибели, Дж; k_o - коэффициент одновремённости, учитывающий количество одновременно обрабатываемых сорняков по всей ширине электродной системы, примем по оценочным полевым исследованиям; з_пр - суммарное значение к.п.д., учитывающее потери мощности в генераторе (з_г), трансформаторе (з_тр), преобразовательном блоке (з_прб), соединительных проводах (з_пр).

Количество одновременно обрабатываемых сорняков определяется шириной захвата электродной системы b_э, м, или шириной секции b_с, м, и числом секций n_c, шт, на которые разделена электродная система, а также засорённостью почвенного участка З_сор, шт/м²:

. (9)

Численные значения элементов схем (рис. 4, а и б) определяются из следующих соображений:

1) ёмкость разрядного конденсатора С₁ определяется условием получения наибольшей степени повреждения растительной ткани;

2) зарядное сопротивление R1 должно быть:

, (10)

где С₁ - ёмкость разрядного конденсатора, Ф; U_с - напряжение на буферной ёмкости, кВ; U_с10 - начальное напряжение на разрядной ёмкости, кВ; U_пр - пробивное напряжение формирующего промежутка, кВ; f - частота разрядов, имп/с.

3) ёмкость конденсатора С должна обеспечивать независимую работу каждого из n_k разрядных контуров для чего необходимо условие:

; (11)

4) величина токоограничивающего сопротивления R может быть выбрана исходя из следующего условия:

; (12)

5) в качестве выпрямительных диодов VD, при работе на напряжениях выше 10 кВ, обычно используют выпрямительные столбы.

В таблице №1 в качестве примера приведены основные оптимальные технические характеристики навесного устройства и технологические нормы процесса электроимпульсного уничтожения корнеотпрысковых сорняков засоряющих паровые земли с.х. угодий Волгоградской области.

Таблица №1

Характеристики, параметры	Единицы измерения	Численные значения, при истреблении
		Осота розового	Осота полевого	Вьюнка полевого	Молокана татарского	Молочая лозного
Ёмкость разрядного контура	нФ	3,95
Напряжение на ёмкости	кВ	20
Индуктивность контура	мкГн	100…110
Энергия одного импульса	Дж	0,79
Среднее число воздействующих импульсов на одно растение	шт	152	203	254	101	1013
Средняя длительность воздействующего импульса	мкс	125
Энергия, затрачиваемая на уничтожение одного среднего сорного растения	Дж	120	160	200	80	800
Предельная степень повреждения тканей сорняков	о.е.	10,0	12,0	4,0	10,0	6,0
Необходимая частота следования импульсов при v= 4…5 км/ч	Гц	338…422	451…564	564…706	374…468	1608…2010
Средняя длительность обработки одного сорного растения	с	0,41	0,41	0,41	0,25	0,57
Засорённость паров	шт/м2	? 7	? 6	? 7	? 4	? 8
Расход электроэнергии на один гектар (? 100000 сорняков)	кВт·ч	3,3	4,44	5,6	2,22	22,2
Мощность источника питания при ширине захвата 6,2 м	кВт	2,36	2,92	3,94	1,95	12,11

Электропрополка эффективнее культивации и внесения гербицидов, окупаясь при такой замене соответственно за 2,2 и 4,3 лет. Несмотря на то, что капиталовложения в электропропольщик больше капиталовложений в агрегат химической обработки, уничтожение электротехнологической установкой корнеотпрысковых сорняков электрическими импульсами высокого напряжения является экономически эффективнее из-за меньших, почти в два раза, эксплутационных издержек.

Общие выводы по работе

1. Анализ мониторинга засорённости сельскохозяйственных угодий Волгоградской области показал, что засорённость корнеотпрысковыми сорняками за последние восемь лет не уменьшилась, а в некоторых случаях увеличилась на 10…20%. Из анализа литературных источников видно, что при поиске альтернативных, экологически чистых методов борьбы с сорняками ещё на недостаточном уровне изучен вопрос применения для этих целей электрических импульсов высокого напряжения.

2. Теоретически обоснованы варианты подведения электрической энергии к сорнякам посредством: а) секционированной навесной системы электродов; б) комбинированной системы, состоящей из навесных электродов и электродов, заглубленных в почву.

3. Выявлено, что сопротивление цепи обработки «электрод - растение - почва - растение - электрод» уменьшается по степенной зависимости с увеличением влажности почвы на исследуемом участке и возрастает по степенной зависимости при увеличении высоты подвеса электродной системы, в соответствии с (5) и (6).

4. Выявлено, что удельные электрические сопротивления растительных тканей корневой системы многих корнеотпрысковых сорняков имеют наибольшие значения, а стеблей - наименьшие, при этом с увеличением периода развития этих сорных растений их удельные электрические сопротивления растительных тканей возрастают в среднем в 2…3 раза. Это обстоятельство следует учитывать при выборе сроков электроимпульсной обработки трудноискоренимых сорных растений.

5. Для надёжного электрического повреждения трудноискоренимых сорняков в их растительной ткани, особенно в тканях корневой системы, должна быть создана напряжённость электрического поля Е = 0,35…0,38 кВ/мм или, что эквивалентно, плотность тока 0,84…1,41 А/мм²; при этом в ткани должно быть поглощено энергии не менее 10 Дж/см³ и, таким образом, достигнута её степень повреждения 4,3…7,1.

6. При электрическом воздействии на корнеотпрысковые сорные растения надёжное повреждение и последующая за этим гибель сорняков наблюдалась при амплитуде импульсов U₀ = 18…20 кВ, частоте их следования f = 1…2 Гц и: 1) для осота розового и осота полевого, при энергиях воздействия W = 140…200 Дж и W = 100…120 Дж соответственно, при этом степень повреждения тканей достигала значения S_п = 10…12; 2) для молокана татарского - W = 50…80 Дж, S_п = 7…10; 3) для молочая лозного - W = 600…800 Дж, при S_п = 4…6; 4) для вьюнка полевого - W = 180…220 Дж, при S_п = 3…4.