Определение принципа действия технической системы распределения биологически активных веществ при посеве зерновых

Введение . Повышение продуктивности почвы, занятой под зерновыми культурами, и увеличение выхода продукции с единицы площади связано с созданием в корнеобитаемом слое почвы высоких доз легкодоступных соединений азота, служащих основным источником питания высокоурожайных сортов растений. Решение проблемы азотного питания за счет использования традиционных методов при ограниченных экономических возможностях сельскохозяйственных предприятий, возрастающих энергетических и экологических проблемах позволяет в настоящее время лишь на 10–15 % удовлетворить потребности земледелия в этом факторе.

Одним из перспективных направлений решения этой проблемы является метод непосредственного использования атмосферного азота для питания сельскохозяйственных культур, при котором азот-фиксирующие бактерии, размножаясь в ризосфере, фиксируют атмосферный азот и обеспечивают, по различным литературным данным, в зонах умеренного климата не менее 20 % потребности зерновых в азоте, а наиболее перспективный способ их приме- нения – внесение бактериальных препаратов в виде рабочей жидкости одновременно с посевом зерновых культур [1].

Имеющиеся в настоящее время дозирующе-распределяющие устройства, служащие для внесения в почву жидких форм бактериальных препаратов, в той или иной мере не полностью обеспечивают решение ряда вопросов, например, внесение рабочей жидкости (РЖ) в малых объемах и равномерность ее распределения по заданному количеству посевных рабочих органов.

Процесс внесения в почву рабочих жидкостей бактериальных препаратов (азотфиксирующих бактерий и других биологически активных веществ) одновременно с посевом зерновых представляется сложной технической системой, включающей в себя подсистемы дозирования и распределения этих РЖ в заданных объемах по количеству посевных рабочих органов и обработку семян (механизированную инокуляцию) в подсошниковой зоне посевных рабочих органов [2–4].

Суть решения обозначенной проблемы заключается в нахождении принципа действия технической системы, обеспечивающей точное дозирование РЖ азотфиксирующих бактерий и других биологически активных веществ по заданному количеству посевных рабочих органов. При этом под принципом действия системы (ПД) понимается совокупность физических, химических и тому подобных эффектов, согласованное проявление которых обеспечивает выполнение ее функции [5].

Цель исследования : совершенствование процесса равномерного распределения жидких форм бактериальных препаратов по посевным рабочим органам.

Задачи исследования:

• 1)    определить принцип действия технической системы внесения в почву рабочих жидкостей бактериальных препаратов;

• 2)    выявить взаимосвязи процесса формирования и распределения рабочих жидкостей бактериальных препаратов по посевным рабочим органам.

Методы исследования . Материал основан на применении комбинаторного метода, базой которого является массив эффектов (эффект – это взаимосвязь между двумя явлениями (процессами), реализующийся в определенных условиях [6–9]), а алгоритм представляет собой процедуру комбинирования эффектов, проводимую по заданным правилам.

Граф эффектов рассматриваемой технической системы представлен на рисунке 1.

Упорядоченное дерево (граф нисходящего типа с максимально допустимым числом уровней (i = 5)) показано на рисунке 2.

Рис. 1. Граф эффектов технической системы внесения в почву рабочих жидкостей бактериальных препаратов: Α – РЖ бакпрепаратов находится в емкости для хранения и транспортировки;

Α – транспортировка рабочей жидкости к дозатору (насосу-дозатору); Α – подача рабочей жидкости к пускорегулирующей аппаратуре; Α – подача рабочей жидкости к распределителю;

Α – распределение РЖ в полосе посева семян

Рис. 2. Упорядоченное дерево-граф нисходящего типа.

Дозаторы: Α – безнапорные; Α – напорные, с созданием избыточного давления над жидкостью; Α – напорные, с созданием давления в системе насосом; Α ¹ – безнапорные дозаторы с трубкой постоянного уровня; Α ² – безнапорные дозаторы с дополнительным бачком; Α ³ – безнапорные дозаторы с поплавковой камерой; Α ⁴ – безнапорные дозаторы с плавающим поплавком; Α ⁵ – безнапорные дозаторы черпачковые элеваторного типа; Α ⁶ – безнапорные дозаторы черпачковые роторного типа; Α ¹   – напорные дозаторы с воздушным компрессором;

Α1  – напорные дозаторы с диафрагменным насосом; Α2  – напорные дозаторы с центробежным насосом; Α3  – напорные дозаторы с шестеренчатым насосом; Α4  – напорные дозаторы с шланговым насосом; Α5  - напорные дозаторы с плунжерным насосом; Α – транспортировка запаса рабочей жидкости; Α – пускорегулирующая аппаратура; Α – распределитель рабочей жидкости; Α – посевной рабочий орган.

При этом среду и цель функционирования технической системы при условии, что скорость движения потока рабочей жидкости может увеличиваться, уменьшаться или быть постоянной можно записать в виде

3 W Υ → 3 ΝΧ _, (₁)

где 3 W Υ – наличие движущегося потока рабочей жидкости бактериальных препаратов; 3 ΝΧ – качественные показатели распределения РЖ бактериальных препаратов по посевным рабочим органам.

Наличие гравитационной силы (3Н q ), действующей на транспортируемый запас рабочей жидкости бактериальных препаратов (Х) в емкости, приводит к перемещению потока этой РЖ к дозатору:

3 Η → 3 L Χ . (2)

Использование гравитационной силы (3Н q ), действующей на транспортируемый запас РЖ бактериальных препаратов (Х), приводит к повышению неравномерности распределения этой РЖ по посевным рабочим органам:

3 Η → 5 ΝΧ . (3)

Использование распределительной штанги с непрерывным расходом жидких препаратов по ее длине приводит к повышению неравномерности распределения этих препаратов по посевным рабочим органам:

2 QW → 5 ΝΧ . (4)

Отрицательный эффект, связанный с повышением неравномерности распределения РЖ препаратов при использовании гравитационных сил, оказывает решающее влияние на конечный результат. Поиск технического решения для его устранения (или сглаживания его негативных последствий) приводит в определенной степени к усложнению конструкции при низкой эффективности. Поэтому, в рамках данного массива эффектов, построение дерева в этом направлении нецелесообразно. К аналогичным выводам приводит анализ возможности использования распределительной штанги с непрерывным расходом жидких препаратов по ее длине.

Результаты исследования и их обсуждение . Искомые принципы действия рассматриваемой технической системы будут состоять из эффектов, которые образуют цепи, соединяющие каждую из двух соседних вершин.

• 1 . Α →Α ¹ U ¹1.2 • , Α ¹ →Α U ¹2 • 3

• 2 . Α ₁ → Α ² _{2 •} U ²1.2 • , Α ² _{2 •} →Α ₃ U ^2.2 • 3

• 3 . Α ₁ → Α ³ _{2 •} U ³1.2 • , Α ³ _{2 •} → Α ₃ U ³2 • 3

• 4 . Α ₁ → Α ⁴ _{2 •} U ⁴1.2 • , Α ⁴ _{2 •} →Α ₃ U ⁴2 • 3

• 5 . Α ₁ → Α ⁵ _{2 •} U ⁵1.2 • , Α ⁵ _{2 •} → Α ₃ U ⁵2 • 3

• 6 . Α ₁ → Α ⁶ _{2 •} U ⁶1.2 • , Α ⁶ _{2 •} →Α ₃ U ⁶2 • 3

  3 ^{→ Α} 4 ^U 3.4^{, Α} 4 ^→Α 5 ^U 4.5

  
  

• 7 . Α →Α ⁷ U ⁷1.2 •• , Α ⁷ →Α U ⁷2 •• 3

• 8 . Α ₁ → Α ⁸ _{2 •••} U ⁸1.2 ••• , Α ⁸ _{2 •••} →Α ₃ U ⁸2 ••• 3

• 9 . Α ₁ → Α ⁹ _{2 •••} U ⁹1.2 ••• , Α ⁹ _{2 •••} → Α ₃ U ⁹2 ••• 3

• 10 . Α ₁ → Α ¹ ₂ ⁰ _••• U ¹⁰1.2 ••• , Α ¹ ₂ ⁰ _••• →Α ₃ U ¹⁰2 ••• 3

• 11 . Α ₁ →Α ¹ ₂ ¹ _••• U ¹¹1.2 ••• , Α ⁴ _{2 •••} →Α ₃ U ¹¹2 ••• 3

• 12 . Α ₁ → Α ⁵ _{2 •••} U ¹²1.2 ••• , Α ⁵ _{2 •••} → Α ₃ U ¹²2 ••• 3

Практическое же решение задачи сводится в целом к разрешению проблемы ^{3 W Υ → 3 ΝΧ} , поэтому наиболее вероятно построение дерева в направлении создания высокоскоростного потока рабочей жидкости бактериальных препаратов.

Увеличение скорости движения потока РЖ ( 1 V Χ ) можно рассматривать как наличие ускоряющей этот поток постоянной силы ( 1 F Χ ) при условии, что:

• 1)    сила принадлежит другому телу;

• 2)    это тело является твердым;

• 3)    имеет место контакт двух тел

1 V Χ→ 1 F Χ .           (5)

Наличие постоянно действующей силы ( 1 F Χ ) на поток РЖ можно рассматривать в качестве фактора увеличения количества движения этого потока 1 mVX :

1 F Χ→ 1 mVX .         (6)

Наличие постоянно действующей силы ( 1 F Χ ) приводит к увеличению линейной скорости движения тела 1 VX :

1 F Χ→ 1 VX .          (7)

Увеличение линейной скорости движения потока ( 1 VX ) можно рассматривать как фактор наличия инерционных сил при распределении РЖ бактериальных препаратов по посевным рабочим органам:

1 VX → 3 Jс .            (8)

Использование устройств напорного действия для создания рабочего давления в гидравлической системе обеспечивает появление инерционных сил при распределении рабочих жидкостей бактериальных препаратов:

3 Ρ W → 3 J .             (9)

Наличие инерционных сил ( 3 JX ) приводит к повышению качества дозирования РЖ бактериальных препаратов вне зависимости от колебания посевного агрегата при движении по полю:

3 J → 3 ΝΧ .           (10)

Наличие линейной скорости движения потока ( 1 VX ) приводит к распаду струи этого потока при условии, что: 1) на пути струи находится твердое тело; 2) скорость движения жидкости может увеличиваться, уменьшаться или оставаться постоянной; 3) угол между вектором скорости текущей среды и поверхностью твердого тела не равен нулю:

1 VX → 3 U Χ .           (11)

Равномерность распределения жидких препаратов, движущихся в струе, возможна при наличии определенного зазора между началом истечения этой струи из форсунки и твердым телом:

3 QW → 3 NX . (12)

Изложенный материал иллюстрирует факт наличия положительных и отрицательных эффектов в общем процессе распределения жидких препаратов по посевным рабочим органам. Достижение конечного результата – максимального качества распределения рабочей жидкости бактериальных препаратов – возможно в случае, когда суммарная эффективность положительных взаимосвязей процессов (явлений) больше влияния отрицательных эффектов или самого наихудшего из них:

Nn

∑ k i Э п ∑ k j Э от , (13) i = 1 j = 1

где k , k – коэффициенты, учитывающие вес, долю отдельного эффекта в общем перечне участвующих в процессе эффектов.

В данном случае сумма эффектов рассматривается не как их механическое сложение, но как интенсивность их влияния на конечный результат.

Наличие причинно-следственных связей между эффектами приводит в некоторых случаях к противоречиям. Так, ухудшение качества распределения РЖ бактериальных препаратов приводит к снижению объема расхода этих препаратов. Если последнее является положительным и значимым, то первый показатель нежелателен, и он не может быть приемлем для практической реализации.

Дерево эффектов распределения рабочих жидкостей биологически активных веществ по посевным рабочим органам представлено на рисунке 3.

Принцип действия системы распределения биологически активных веществ по посевным рабочим органам:

3 LX → 1 VX → 1 FX → 1 mVX → 3 J

→ 3 QW → 3 UX → 3 NX .

По результатам приведенного исследования установлено, что подобного рода рабочим органом для распределения потока рабочих жидкостей бактериальных препаратов может быть устройство, представленное на рисунках 4 и 5.

Рис. 3. Дерево эффектов процесса распределения биологически активных веществ по посевным рабочим органам: 3Н q – гравитационная сила; 3JX– инерционные силы; 5NX – повышение неравномерности распределения рабочей жидкости по посевным рабочим органам; 2QW – распределительная штанги с непрерывным расходом жидких препаратов по ее длине; 1FX – наличие ускоряющей поток постоянной силы; 3FX – постоянно действующая сила на поток рабочей жидкости; 1 VX – линейная скорость движения тела; 3PW – устройство напорного действия для создания рабочего давления в гидравлической системе; 3QW – зазор между началом истечения струи рабочей жидкости из форсунки и твердым телом; 1mVX – количеств движения потока рабочей жидкости; 3UX – распад струи потока рабочей жидкости;

3NX – равномерность (качество) распределения жидких препаратов по посевным рабочим органам, движущихся в струе потока

Рис. 4. Схема устройства для распределения потока рабочих жидкостей бактериальных препаратов

Рис. 5. Устройство для распределения потока рабочих жидкостей бактериальных препаратов – девятиканальная делительная головка

Поток жидкости mV, выходящий из канала форсунки диаметром d, ударяется о преграду (отражатель «А-А»), расположенную нормально к ней по оси N – N. В результате упругого деформирования пото- ка жидкости при прохождении в зазоре между торцом форсунки и дефлектором h обеспечивается его симметричное и равномерное течение в пленке по горизонтальному участку дефлектора, отклонение направления этого движения на угол до 90° (см. рис. 3), формирование «факела распыла» в виде пустотелого цилиндра диаметром, равным диаметру делительной окружности выходных отверстий отводящих патрубков для стока жидкости к рабочим органам [10]. При использовании подобного рода устройств высокое качество распределения (неравномерность распределения, оцениваемая коэффициентом вариации, менее 10 %, достигается при давлении рабочей жидкости в системе до 0,3 МПа, диаметре канала форсунки – 3–5 мм и возможном угле отклонения распределителя от вертикали – до 6 град.

Выводы

• 1.    Процесс формирования и распределения рабочих жидкостей бактериальных препаратов по посевным рабочим органам основан на наличии транспортируемого запаса этой жидкости и гравитационной силы для подачи РЖ к дозаторам напорного действия.

• 2.    Повышение равномерности распределения рабочей жидкости бактериальных препаратов по количеству посевных рабочих органов обусловлено созданием скоростного потока РЖ в распределителе-дозаторе напорного действия с установленным зазором между торцом форсунки и дефлектором.