СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАСТЕНИЙ ЖИДКИМИ ПРЕПАРАТАМИ Российский патент 2000 года по МПК A01M11/00 A01M7/00 

Изобретение относится к защитe сельскохозяйственных культур от вредителей, болезней и сорняков.

В настоящее время основной формой нанесения химикатов на растения является опрыскивание. В последние годы развивается также альтернативная форма - на растения наносят пестицидно-полимерные нити [1]. Их прядут по ходу обработки из жидких составов того же биологического действия, что и при опрыскивании (инсектициды, гербициды и т.д.), но содержащих нитеобразующий полимер. Нитевидная форма позволяет сократить общий объем внесения химикатов в природу.

Первоначально обработку нитями рассматривали как призванную заменить опрыскивание по всему фронту защиты растений. При таком подходе было естественно предлагать для обработки нитями способы, предполагающие полный отказ от традиционного опрыскивателя и переход на принципиально новую технику, т. е. замену всего парка машин защиты растений [2]. Однако сегодня ясно, что более реальной перспективой является не вытеснение опрыскивания, а сосуществование, при котором нити займут свою специфическую нишу в ряду защитных мероприятий. Такая ориентация выдвигает новую задачу - обеспечить возможность оперативного перехода от опрыскивания к нитям и обратно. Конечно, перезаправка жидкости останется неизбежной. Но можно попытаться найти способ обработки, при котором указанный переход осуществлялся бы без смены аппаратуры, путем лишь минимальной перенастройки серийного опрыскивателя. Изыскание такого способа и было целью настоящего изобретения.

Изыскание должно затронуть обe составляющиe того и другого процессов обработки:
1) диспергирование жидкости, т.е. приведение ее в тонкоизмельченное состояние, позволяющее распределить малый объем жидкости по большой площади;
2) ввод диспергированной жидкости в распределяющий ее по растениям воздушный поток.

При опрыскивании жидкость диспергируют на капли, что называется распыливанием. Его осуществляют гидравлическими форсунками и вращающимися распылителями. Из них последние более перспективны для переходов от распыливания к прядению нитей и обратно. Известно, что и процесс распыливания вращающимся распылителем включает промежуточную нитевидную фазу [3]. Жидкость, подаваемая в распылитель вблизи его оси, сбегает по периметру в спирально расходящихся свободных струях. Они растягиваются центробежными силами в жидкие нити, которые уже распадаются на капли (фиг. 3). При переходе к составу с нитеобразующим полимером распад нити задерживается, например на время порядка 10 с, в течение которых ее можно продолжать растягивать. Спираль развертывания содержит теперь несколько витков (фиг. 4), последний из которых представляет собой конечный продукт диспергирования (фиг. 5). Таким образом, вращающийся распылитель может осуществлять обе формы диспергирования - капельную и нитевидную. Для перехода от одной к другой достаточно заменить низкомолекулярную жидкость на состав с нитеобразующим полимером.

В связи с п. 1 формулы изобретения необходимо дать следующее пояснение по вращающимся распылителям. Точки сбегания струй с распылителя могут быть привязаны к тем или иным конструктивным элементам на его периферии - выпускным соплам, узлам металлической сетки, зубцам на диске и др. Применяются и гладкие диски, на кромке которых точки сбегания струй размещаются самопроизвольно, т.е. не привязаны к каким-либо элементам на сухом распылителе. В наших опытах мы применяли в основном распылитель с соплами, однако проверили и воспроизводимость процесса на других типах. Соответственно выпускные сопла даны в формуле как частный случай.

Сущность настоящего изобретения связана со второй составляющей процесса обработки - вводом диспергированной жидкости в воздушный поток.

При опрыскивании известен способ, по которому вращающийся распылитель устанавливают в центральной части потока [4], как показано на фиг. 6.

Недостатком этого способа в плане поставленной нами задачи является его неприменимость к обработке нитями. В отличие от капель нить как конечный продукт диспергирования сохраняет механическую связь с исходной струей. Когда поток уносит готовую нить, она тянет за собой и участок растяжения. Спираль растяжения исчезает, сменяясь вытянутыми по потоку струями (фиг. 7а,б). Таким образом, вращающийся распылитель перестает выполнять свою функцию растяжения струи центробежными силами.

В настоящем изобретении указанная проблема решена тем, что вращающийся распылитель выдвигают, например, наполовину из поперечного сечения потока. В результате каждый создаваемый распылителем виток нити оказывается одной своей частью (назовем ее "передний полувиток") в потоке, другой ("задний полувиток") - в неподвижном воздухе. Передний полувиток непосредственно подхватывается потоком; задний тоже втягивается в поток за счет связности обеих частей. Однако это втягивание происходит с запаздыванием, поскольку оно встречает аэродинамическое сопротивление неподвижного воздуха. За время запаздывания виток растягивается противоположно направленными силами аэродинамического напора и сопротивления. В результате поток не уничтожает создаваемый распылителем секундный метраж нити, как в процессе на фиг. 7б, а сохраняет или даже дополнительно наращивает его.

Представление о полувитках введено здесь только для краткости пояснения общей схемы. В действительности можно варьировать соотношение элементов витка, вводимых в поток и оставляемых вне его. Оптимальное соотношение зависит от свойств жидкости, скорости потока и размера его поперечного сечения. Распылитель может располагаться частично в потоке, но может быть и выдвинут из него полностью. В первом случае часть витка образуется непосредственно в потоке, во втором - вбрасывается в него центробежной силой.

Полное пли частичное выдвижение вращающегося распылителя из поперечного сечения потока с целью создания указанного механизма растяжения является основным отличительным признаком изобретения, зафиксированным в п. 1 формулы. По тексту этого пункта надо дать следующие пояснения.

1. Действие, которое выше названо частичным или полным "выдвижением распылителя", должно быть обозначено более строго. Речь не идет о выдвижении той или иной детали распылителя, а именно об окружности, описываемой соплами или иными точками струеобразования.

2. Граница поперечного сечения потока названа внешней. Этим учитывается тот факт, что в большинстве вентиляторных опрыскивателей поток является на начальном участке трубчатым, т. е. его поперечное сечение имеет не только внешнюю, но и внутреннюю границу. Иногда вращающийся распылитель устанавливают полностью именно в непродуваемой центральной области, т.е. за внутренней границей потока (фиг. 6). Для нитей помещение распылителя в центральной непродуваемой области или непосредственно в потоке абсолютно не меняет существа решаемой нами проблемы. Но толкование границы потока как внутренней формально возможно; это означало бы, что мы "изобрели" широко известный способ. Определение "внешняя граница" исключает такое толкование.

3. Выдвижение из потока "по крайней мере большей части периметра" не вытекает из приведенного выше объяснении существа способа. Это условие определилось эмпирически в проведенных авторами опытах.

Возможны два схемных (не относящихся к области устройств) варианта реализации способа по п. 1. Они различаются, в частности, по применимости к разным опрыскивателям. По мнению авторов, эти варианты выходят за уровень "примеров осуществления" и должны быть отражены в формуле как отдельные пункты.

Вариант A (п. 2 формулы) наиболее непосредственно воспроизводит описанную выше общую схему. Взаимное расположение элементов показано на фиг. 1 и 8. Вращающийся распылитель 1 установлен в непосредственной близости к внешней границе потока, создаваемого вентилятором 2. Опыты показали, что целесообразно наклонять ось распылителя на угол α к направлению потока. Направление наклона должно соответствовать выдвижению вперед по потоку обращенного к потоку края распылителя. Этим обеспечиваются плавный вход нити в поток и предотвращаются ее разрывы. Оптимальный угол наклона зависит от скорости потока и оборотов распылителя. Показанное на фиг. 1 растяжение витков и втягивание их в поток подтверждает фиг. 9. Здесь виден край вентилятора и распылитель. Ближние к потоку элементы витков непосредственно вбрасываются в поток. Дальние сначала отбрасываются центробежной силой в противоположную сторону, но затем также подтягиваются к потоку и подхватываются им. Подтягивание обеспечивается парой сил P₁ - P₂.

При рассмотрении фиг. 1 и 9 очевидно, что при увеличении угла α траектории втягивания в поток отброшенных от него полувитков будут проходить все ближе к распылителю. Опыты показали, что при α > 45^o эти траектории идут прямо через распылитель. Последний покрывается слоем клейкой жидкости, периодически сбрасываемой в виде сгустков. Этим определяется заявляемый интервал 0 ≤ α ≤ 45^o.

В показанном на фиг. 8 и 9 случае распылитель выдвинут из потока вниз. В опытах с выдвижением вверх и в сторону процесс оставался качественно аналогичным. На этом основании в п. 2 формулы оговорено выдвижение распылителя в "произвольном поперечном к потоку направлении". Выбор направления может определяться, например, конструктивными соображениями.

Вариант А наиболее перспективен при обработках опрыскивателем продольного дутья, показанным на фиг. 10. Здесь поток от вентиляторов выполняет только функцию внедрения диспергированной жидкости в стеблестой, а ширина захвата обеспечивается размахом штанги. В практике более распространен опрыскиватель бокового дутья (фиг. 11), где поток создает и ширину захвата. При этой схеме каждый виток нити должен быть не просто перенесен, а растянут до длины порядка 10 м и в этом состоянии лечь на стеблестой. Это достижимо при условии, что оставляемый вне потока элемент витка не втягивается затем в поток, а остается зафиксированным на линии движения опрыскивателя. Такая фиксация обеспечивается в варианте Б, схема которого показана на фиг. 2a.

Распылитель 1 вынесен вперед по ходу движения машины на расстояние S от границы поперечного сечения потока 2. Распылитель создает витки нити. Встречное к трактору движение воздуха растягивает их последовательность в винтовую линию (фиг. 12а,б). C удалением от распылителя нижний край каждого витка приближается к обрабатываемой поверхности. На удалении S₁ он входит в контакт с растениями и фиксируется на них силами смачивания и клейкостью полимерной жидкости. После этого виток, зафиксированный в точках K₁, К₂, входит в поток от вентилятора. Если нить сохраняет к этому моменту достаточную текучесть, поток выдувает ее в петлю требуемой длины, как показано на фиг. 2б. При этом выдуваемая петля прижимается к растениям парой сил, образуемой аэродинамическим напором и сопротивлением, приложенным в точках фиксации витков. При достаточно большой скорости вращения распылителя и числе сходящих с него струй последовательность выдуваемых и укладываемых на стеблестой петель создает на нем сетку нитей необходимой плотности. Реальность рассматриваемого процесса подтверждена экспериментально.

Вынесение распылителя из потока по варианту Б основано на фиксации нижнего края витка, опережающей вход витка в поток. Исходя из элементарных построений это условие можно записать в виде

где U, м/с - скорость поступательного движения аппарата;
H, м - высота распылителя над усредненной поверхностью растений;
C - коэффициент опережения;
V, м/с - скорость радиального расширения витка;
W, м/с - скорость падения витка (скорость снижения оси винтовой линии).

Величины V и W зависят от конкретных сочетаний режима работы распылителя, свойств и расхода жидкости. Они поддаются измерению только в специально оснащенной лаборатории, т. е. производство может получать их значения только от исследовательского сектора. В этом плане удобнее перейти к одному обобщенному коэффициенту, т.е. переписать (1) в виде
S = A • U • H,
где A - эмпирический коэффициент, таблицы или графики которого и передаются производству.

Мы провели измерения (техника описана в разделе "Пример осуществления"), позволяющие определить интервал возможных значений A.

В коэффициенте опережения C должен быть учтен фактор случайных колебаний расстояния S₁ на фиг. 2a. Опасность представляют только плюсовые отклонения: в их результате величина S₁ может превысить S, т.е. в поток войдут не зафиксированные на растениях витки. В наших опытах амплитуда этих отклонений с практической достоверностью не превышает 30% от среднего значения S₁. Однако эти опыты проведены на модельном стеблестое с равновысокими "стеблями". Можно предполагать, что на реальных растениях отклонения могут достигать 50%. Соответственно можно принять C = 1,5. Для суммы (V+W) максимальное значение составило 7,9 м/с (диаметр распылителя 120 мм, скорость вращения 50 об/с, расход жидкости на одно отверстие 0,5 мл/с, вязкость жидкости 50 сСт). Минимальное значение (V+W) составило 1,0 м/с (диаметр распылителя 27 мм, скорость вращения 8-10 об/с, расход жидкости на одно отверстие 0,07 мл/с, вязкость 120 cCт).

Учитывая принятое значение C = 1,5, записываем окончательно


Эти значения соответствуют измерению скорости машины в м/с.

Пример осуществления.

Технические возможности авторов не позволяли провести оценку способа в поле на натурных растениях. Могли быть проведены только лабораторные исследования. Для них собрана установка на перемещаемой вручную тележке, ее рабочая часть показана на фиг. 13а.

На стойках 1, установленных на тележке, укреплена штанга 2, ориентированная вдоль линии движения тележки свободным концом назад. Вентилятор 3 может перемещаться по штанге и фиксироваться на ней на различных удалениях от вращающегося распылителя 4. Через вал 5 распылитель приводится во вращение электромотором 6. Крепление последнего к штанге позволяет придавать оси распылителя любую пространственную ориентацию. Предусмотрена и установка распылителя по известному способу - непосредственно против вентилятора с ориентацией оси вдоль потока. Жидкость подают в полость распылителя из резервуара 7 через шланг 8 и наконечник 9, укрепленный на стойке 10.

При движении тележки описанная рабочая часть установки перемещается вдоль края условной обрабатываемой поверхности - окрашенного в черный цвет картонного щита размером 2,0 х 1,6 м (фиг. 13б). При боковом освещении легшие на такой щит нити четко видны как светящиеся на черном фоне линии. Это позволяло определять плотность нанесения нитей, а также судить об особенностях покрытия. Каждый опыт включал единичный проход тележки с установкой со скоростью 1 м/с. Общий путь движения - 2,5 м. Участок пути, учитываемый в результатах опыта (равномерное движение и установившийся режим), - 1 м.

Опыты по заявляемому способу, включенные в заявку, проведены для варианта Б. Использовали вращающийся распылитель с четырьмя соплами; диаметр описываемой их концами окружности 80 мм, скорость вращения 25 об/с. Расход жидкости 1 мл/с, т.е. 0,25 мл/с на одно сопло. Для указанных параметров предварительно определили скорость расширения и скорость падения витка, они составили: V= 1,8 м/с; W= 0,2 м/с (определено по ширине световых колец на фотографиях с известной выдержкой). Отсюда коэффициент

При этом значении A, высоте распылителя над обрабатываемой поверхностью H = 0,12 м и скорости аппарата 1,0 м/с расстояние между распылителем и краем выбросного сечения вентилятора составляет в соответствии с формулой изобретения
S = A • U • H = 0,09 м.

Предварительные опыты показали, что ось распылителя можно ориентировать прямо вдоль движения аппарата, а также отклонять ее в горизонтальной плоскости в пределах ±45^o и наклонять вниз до 45^o ее задний по движению аппарата конец. Изменения ориентации оси в этих пределах не вносят регулярных изменений в густоту покрытия нитями приемной поверхности, что отражено в п. 3 формулы изобретения. В описываемых ниже опытах ориентация оси соответствовала крайним из указанных отклонений по горизонтали и вертикали; именно это положениe показано на фиг. 13а,б.

В опытах по известному способу распылитель устанавливали непосредственно перед выбросным сечением вентилятора осью вдоль потока. Обороты распылителя и расход жидкости оставались теми же.

Состав жидкости, общий для сравниваемых способов: 0,06%-ный раствор полиметилметакрилата (оргстекло марки СОЛ-120, стружка) в смеси равных частей ксилола (летучий компонент) и дибутилфталата (нелетучий компонент).

По каждому из сравниваемых способов проведено 5 опытов. В каждом из них после прохода установки визуально оценивали характер покрытия щита нитями и определяли их число на погонный метр движения аппарата. Перед следующим опытом нити смывали растворителем N 646, не повреждающим слоя масляной краски на щите.

Результаты опытов.

В каждом опыте по заявляемому способу щит оказывался "разлинованным" единообразно вытянутыми по потоку (т.е. поперек движения аппарата) нитями. Они пересекали весь щит; в момент опыта было видно, что общая длина их вытягивания составляет около 3 м. Начала всех нитей были расположены на прямой линии, параллельной движению аппарата и находящейся в не захватываемой потоком области, т.е. в тылу линии движения вентилятора. Это соответствует представлению о точках фиксации тех элементов витков, которые отбрасываются распылителем в противоположную от потока сторону (см. фиг. 2б). Число нитей на метр хода аппарата показано в таблице.

Полученное среднее число нитей на метр движения (т.е. образующихся в секунду) весьма близко к 100, т.е. к произведению циклической скорости вращения распылителя на число сопл. Это свидетельствует о реализации основной идеи заявляемого способа - объектом растяжения в потоке является здесь каждый отдельный виток создаваемой распылителем нити. Полученный результат подтверждает перспективность заявляемого способа для обработки растений пестицидно-полимерными нитями.

В каждом опыте по известному способу на щите оставались четыре извилистыe жидкиe полосы, вытянутыe в среднем параллельно линии движения аппарата на расстоянии 0,4-0,6 м от нее. Полосы имели на своей длине многочисленные капли и поперечные потеки. Это свидетельствует об отсутствии того застудневания раствора, которое необходимо для зависания нитей на растениях. Отсутствие застудневания является признаком недостаточного растяжения нитей, т. е. малой площади испарения летучего компонента растворителя. Все это свидетельствует о том, что при переходе от заявляемого способа к известному растяжение каждого отдельного витка сменяется простым растяжением всей струи из данного сопла с перемещением ее в сторону от линии движения аппарата.

Полученный результат позволяет констатировать непригодность известного способа для обработки пестицидно-полимерными нитями как по густоте покрытия обрабатываемой поверхности, так и по свойствам нити.

В заключение считаем необходимым подчеркнуть следующий момент. Применение заявляемого способа для традиционной капельной формы обработки было бы заведомым абсурдом, что не требует экспериментальных доказательств. Единственным результатом такого применения было бы зависание в воздухе мелкокапельного облака пестицида, не транспортируемого потоком к растениям. Заявляемый способ отнюдь не улучшает известного в его первоначальном назначении, а только позволяет переходить к альтернативной форме обработки, когда она предпочтительна.

Источники информации
1. Защита растений, N 8, 1997, с. 44.

2. A.с. СССР N 843905, 1981 г.

3. Дунский В. Ф. Монодисперсное распыливание жидкости вращающимся распылителем/Сб. Аэрозоли в сельском хозяйстве.- М.: Колос, 1973, с. 71-106.

4. Валецкий И.Н. Механизация защиты растений.- М.: Агропромиздат, 1992, с. 10-15.

5. Скалов Д.Г. Разработка экологически безопасной технологии применения авиации в защите растений/Докт. дисс. - СПб, Академия Гражданской авиации, 1994.

Изобретение может быть использовано для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей, болезней и сорняков. Способ обработки растений заключается в том, что при переходе от низкомолекулярных жидкостей к составам с нитеобразующим полимером распылитель выдвигают всем периметром описываемой его точками струеобразования, например выпускными соплами, окружности или по крайней мере большей частью этого периметра за внешнюю границу поперечного сечения потока. Распылитель выдвигают в произвольном поперечном к потоку направлении. Устанавливают около границы потока с ориентацией его оси под углом 0-45° к нему. Кроме того, распылитель может быть выдвинут вперед по направлению движения аппарата на расстояние от границы потока S_м = А х U х Н, где U, м/с - скорость движения аппарата; Н, м - высота распылителя над растениями; А, с/м - находящийся в интервале 0,2-1,6 коэффициент. При этом ось распылителя может быть наклонена до 45^o вниз ее заднего по движению аппарата конца. Изобретение позволяет обрабатывать сельскохозяйственные культуры как опрыскиванием, так и нанесением на растения пестицидно-полимерных нитей, позволяющих на ряде объектов многократно снизить дозировку химикатов. 2 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 табл.

1. Способ обработки растений жидкими препаратами, включающий ввод в воздушный поток диспергируемой вращающимся распылителем жидкости, отличающийся тем, что при переходе от низкомолекулярных жидкостей к составам с нитеобразующим полимером распылитель выдвигают всем периметром описываемой его точками струеобразования, например выпускными соплами, окружности или, по крайней мере, большей частью этого периметра за внешнюю границу поперечного сечения потока. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что распылитель выдвигают в произвольном поперечном к потоку направлении и устанавливают в непосредственной близости к границе потока с ориентацией оси распылителя под углом 0 - 45^o к нему, причем направление отклонения соответствует выдвижению вперед по потоку обращенного к потоку края распылителя. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что распылитель выдвигают вперед по направлению поступательного движения аппарата на расстояние от границы потока
Sм = A • U • H,
где U, м/с - скорость движения аппарата;
H, м - высота распылителя над растениями;
A, с/м - находящийся в интервале 0,2 - 1,6 коэффициент,
причем ось распылителя ориентируют вдоль движения аппарата с допустимым отклонением по горизонтали в пределах ± 45^o и допустимым наклоном до 45^o вниз ее заднего по движению аппарата конца.