Технологические особенности полосовой химической обработки пропашных культур

В статье рассматриваются проблемы применения традиционных технологий обработки почвы, и предлагаются пути по их решению за счет перехода на ресурсосберегающую технологию полосового возделывания сельхозкультур. Освещены недостатки серийных машин для химической обработки растений и представлено техническое решение по применению полосового опрыскивания с перераспределением рабочих растворов по объектам воздействия.
Одной из первичных задач при производстве продукции растениеводства нужного объема и качества является ее соответствие требованиям экологической безопасности и экономической эффективности.
Производство растениеводческой продукции связано с неизбежным воздействием на почву. Традиционные технологии обработки почвы предусматривают использование целого комплекса почвообрабатывающей техники сплошного воздействия с ее многочисленными проходами по полю, в результате чего наблюдается снижение плодородия, переуплотнение почвенных слоев, и в итоге нерациональное применение ресурсов производства в целом [1,2]. Поэтому необходимо таким образом организовать данное производство, чтобы с минимальными возможными затратами производить продукцию, а применяемая технология производства оказывала наименее губительное воздействие на окружающую среду, и, по возможности, способствовала ее восстановлению.
Одной из таких технологий является ресурсосберегающая технология Strip-till (стриптилл), которую особенно стоит применять для пропашных культур [3,4]. К нам в Россию она пришла из стран Европы и США около 30 лет назад и проходила апробацию в различных регионах. Но только в последнее десятилетие к данной технологии и техническим средствам для ее выполнения возник научно-обоснованный интерес. Этому способствовали исследования результатов применения технологии стриптилл в Белгородской, Орловской, Самарской, Волгоградской областях, а также Республики Казахстан. Данная технология предусматривает обработку почвы по полосам, в которых создаются благоприятные условия для роста и развития культурных растений. В межполосном пространстве такие условия не создаются, вследствие чего сорная растительность оказывается в худших условиях, отстает в развитии, а в дальнейшем угнетается культурными растениями [6].
Любая технология производства позволяет получить наилучшие результаты, если каждая из операций и применяемых технических средств направлены на достижение поставленной цели и разработаны с учетом особенностей данной технологии, при этом дополняют друг друга и не нарушают техпроцесс. В комплекс технологии стриптилл входит механическая обработка почвы и химическая защита и питание растений.
Проведя исследования и анализ известных технических средств для механической обработки почвы в рамках технологии стриптилл, существенной статьей в себестоимости продукции являются расходы на защиту и питание растений [5,6]. Данные мероприятия являются высокозатратными, с точки зрения денежных вложений на химические средства. Химическая обработка при технологии стриптилл занимает 20…30% в структуре затрат. Вместе с тем, проблема снижения химического воздействия на почву является актуальной и необходимой для создания благоприятного экологического климата на нашей планете [7]. Поэтому, при очевидных преимуществах технологии стриптилл, одним из путей ее совершенствования является снижение химической нагрузки на почву за счет перераспределения и точного, полосового внесения по объектам воздействия. В этой связи, важно обосновать технологический процесс химической обработки растений с учетом конкретной выращиваемой культуры и фазы ее развития.
Применяемые опрыскиватели в традиционной технологии выращивания культур, используют способ сплошного опрыскивания, который вследствие многократного воздействия на культурные растения, вызывает их стресс и ведет к чрезмерному загрязнению окружающей среды и неэффективному использованию препаратов. Кроме того, у серийных опрыскивателей применяется вертикальный способ распыла, при котором форсунки располагаются над полосами обработанных растений. Для уменьшения расстояния между верхушками растений и распылителями необходимо выбирать форсунки с большим углом распыла. Однако это приводит к увеличению ширины обработанной полосы.

                                                              А

                                                      Б

                                                                   В

Рисунок 1. Изменение ширины обработанной полосы при вертикальном колебании
штанги: а) для серийного опрыскивателя; б) для усовершенствованного опрыскивателя
с углом конуса распыла 650; в) для усовершенствованного опрыскивателя с углом
конуса распыла 800.

Так, для расстояния между форсункой и поверхностью почвы 800 мм, при выборе угла распыла форсунки 80˚, ширина обработанной полосы составила 1331 мм, а при колебании штанги на 300 мм, соответственно 829 мм (Рисунок 1 а). Для форсунок с углом распыла 65˚ ширина обработанной полосы соответственно составила 1018 и 634 мм. То есть колебания размеров обработанной полосы меняются в пределах 38%. И хотя угол распыла форсунки 80˚ дает лучшее покрытие растения в верхней его части, что дает возможность для уменьшения расстояния от форсунки до растения, такой способ распыления ведет к сплошному внесению химии, что неэффективно и противоречит принципу ресурсосберегающих технологий, который лежит в основе полосовой технологии, а именно – бережному отношению к природным ресурсам.
Поэтому одним из направлений совершенствования технологического процесса химической обработки растений является перераспределение рабочего раствора по полосам с учетом их назначения.

Листовые подкормки целесообразно осуществлять только по культуре. Гербициды вносить только в междурядьях, где произрастает сорная растительность. При внесении химических растворов от болезней и вредителей важно воздействовать на очаги поражения, то есть выборочно обрабатывать исключительно нужную полосу.
В связи с этим была сформулирована техническая задача по разработке способа полосовой химической обработки растений, способствующего перераспределению рабочих растворов по полосам и снижению влияния вертикальных колебаний штанги на равномерность внесения раствора в пределах полосы. Вследствие чего ожидается снижение затрат на химическую обработку растений.
Применение данного технологического подхода позволяет точечно перераспределять раствор с действующим веществом, что в результате снижает гектарные нормы, при этом норма внесения по объектам остается прежней. Кроме этого, применение дифференцированного подхода к внесению химии позволит снизить стрессовые воздействия на культурные растения.
Для решения данной технической задачи нами предлагается усовершенствовать известный технологический процесс и конструкцию штангового опрыскивателя, приспособив его для обработки по полосам, где полосы произрастания культурных растений чередуются с междурядьями с сорной растительностью [4,5]. Для этого предлагается перераспределить рабочий раствор по полосам с одновременным охватом растения по всей поверхности в вертикальной плоскости, за счет применения боковых форсунок с ориентированными конусами распыла навстречу друг к другу (Рисунок 1 б). Боковые форсунки следует располагать над междурядьями. Во время распыления рабочего раствора между верхними краями конусов распыла образуется зона пересечения с углом распыла менее 180 градусов, а нижние края находятся в зоне абриса проекции ряда растений на почву.
Применение данного способа бокового распыла способствует преобразованию потоков распыла от каждой форсунки в новый более стабильный поток при их слиянии. Новый поток имеет более постоянные геометрические параметры, а также более выгодно отличается по параметру постоянства размеров обрабатываемой полосы в зависимости от колебаний штанги (в крайней точке от 384 мм до 2 мм) (Рисунок 1 а, б). То есть предлагаемый способ дает возможность достигать постоянства распределения (плотности) рабочего раствора над обрабатываемой полосой в независимости от вертикальных колебаний штанги во время движения.
Экономический эффект достигается путем концентрации рабочего раствора на объекте воздействия посредством перераспределения рабочих растворов по полосам, а также снижением влияния вертикальных колебаний штанги на плотность распределения рабочего раствора по ширине обрабатываемой полосы.
Используя способ полосовой химической обработки растений, можно снизить гектарный расход химических средств ухода за растениями до 40% и расстояние между штангой опрыскивателя и макушками растений до двух раз, не снижая нормы и качества обработки объектов воздействия.
Для проверки научной гипотезы нами разработана, изготовлена и смонтирована лабораторная установка по изучению параметров факела распыла (Рисунок 2).

                                                              А

                                                                 Б

Рисунок 2. Лабораторная установка по изучению процесса опрыскивания:
а) общий вид установки; б) регулируемая форсунка щелевого типа.

Основными конструктивными элементами установки является:
- сварная рама (2000 × 1300 × 1000 мм);
- насосная станция для нагнетания давления в системе (рабочее давление до 10 атм., напряжение 220 В, частота питающей сети 50Гц, потребляемая мощность до 2 кВт);
- задняя панель крепления устройства штанги опрыскивателя DroplegUL в виде понижающей трубки с отсеченным устройством;
- емкость для забора раствора (15 л.);
- трубопровод сечением 20 мм;
- регулировочный кран шарового типа;
- жидкостный манометр;
- регулировочный вентиль;
- поддон для сбора рабочей жидкости;
- решетка для размещения бумаги.
Задняя панель имеет отверстия с шагом в 500 мм, с возможностью изменения крепления штанги опрыскивателя по высоте роста культурных растений. Штанга опрыскивателя крепится на задней панели при помощи Г-образных ребер жесткости на глубине 500 мм для возможности изучения факела распыла в вертикальной и боковой плоскости, на которых закреплен уголок длиной 1300 мм с отверстиями, позволяющими изменять расстояние междурядий в пределах 700-900 мм. Установка дополнительно комплектуется боковыми прозрачными шторками для защиты от рассеивания раствора при распыле жидкости, а также световыми лампами для направления потока света под разными углами. Лабораторная установка имеет возможность комплектоваться при необходимости трубками внутри для наглядности слияния потоков жидкости. Стенд является автономным устройством и не требует подключения к системам водоснабжения и канализации. При проведении лабораторных испытаний на данном этапе исследований применяли форсунки щелевого типа с углом распыла 80˚.
Во время проведения лабораторных испытаний предварительно были проверены исследуемые форсунки. Произвоительность форсунок с учетом давления за одинаковый промежуток времени 1 мин (Рисунок 3).

Рисунок 3. Влияние давления на производительность форсунок
Анализируя полученные значения для каждой форсунки различной производительности, в процентном соотношении можно сделать вывод, что с увеличением давления на 1 атмосферу производительность увеличивается на 24 %. Данное соотношение справедливо и между форсунками различной производительности.
Проверка на соответствие техническим характеристикам форсунок производилась с использованием калькулятора HARDY. Результаты показали, что производительность форсунок соответствует техническим характеристикам заявленным заводом изготовителем.
Также нами были полученны данные зависимости размера конуса распыла факела от высоты и величины давления для разного вида форсунок (Рисунок 4).

Рисунок 4. Влияние давления на геометрические параметры конуса распыла
Как видно из графика, с учетом приближения к горизонтальной поверхности установки, конус расширяется по мере увеличения давления. При этом на высоте от 300 до 800 мм происходит плавное расширение конуса и представляет собой прямую имеющую линейную зависимость. На высоте от 0 мм до 300 при разных давлениях конус ссужается при сохранении линейного расширения на 10%. Данные исследования приводят к выводу, что с учетом увеличения давления производительность форсунок и линия геометрии конуса распыла увеличивается.
Предварительные исследования показали выполнение технологического процесса слияния потоков от форсунок с боковыми конусами распыла. На рисунке 5 показан рабочий момент определения процесса слияния потоков от противоположно расположенных форсунок с боковыми конусами распыла.

Рисунок 5. Исследование технологического процесса слияния потоков от форсунок с
боковыми конусами распыла
В дальнейшем будет подробно изучена и проверена гипотеза о слиянии потоков с образованием нового вертикального, имеющего стабильные геометрические характеристики, с учетом изучаемых факторов и независимо от вертикальных колебаний штанги опрыскивателя.
Применение исследуемого технологического процесса полосового опрыскивания боковыми форсунками при возделывании пропашных культур позволит снизить нормы и повысить эффективность применения обработок жидкими веществами, что в итоге будет способствовать повышению экологических и ресурсосберегающих принципов и дальнейшего развития технологии Strip-till.
Борисенко И.Б., д.т.н., с.н.с.,
Мезникова М.В., к.т.н., 
преподаватель, ВолгГАУ, 
Прикаспийский НИИ аридного земледелия,
Улыбина Е.И., соискатель, 
ГБПОУ «Фроловский промышленно-
экономический техникум»