Модернизация и разработка новых образцов опрыскивателей

Текст: И. М. Киреев, д-р техн. наук, зав. лабораторией, вед. науч. сотр.; З. М. Коваль, канд. техн. наук, гл. науч. сотр., Новокубанский филиал ФГБНУ «Росинформагротех»

Современные технологические способы реализации защиты растений при производстве аграрной продукции характеризуются низким уровнем безопасности применения пестицидов. Во многом данная ситуация связана с несовершенством методов обработки культур агрохимическими препаратами и конструкций используемой для их внесения техники.

Ежегодные потери во всем мире от сорных растений и вредителей составляют 34 процента от потенциального объема урожая и оцениваются в 75 млрд долларов. По этой причине производство растениеводческой продукции немыслимо без ее защиты от различных патогенных организмов. Когда агрономические, биологические, физические, генетические методы и селекция не позволяют справиться с угрозами, более предпочтительным становится химический способ, основанный на технологическом процессе опрыскивания растений. Однако при распылении тысячи тонн капель растворов пестицидов уносятся в окружающую среду.

НЕРЕГУЛИРУЕМОЕ ОПРЫСКИВАНИЕ

По масштабам химический метод доминирует в отечественной практике аграрной защиты с точки зрения доступности и необходимых затрат на проведение работ по опрыскиванию вегетирующих растений водными растворами пестицидов. Без применения данной методики невозможно внедрять передовые технологии возделывания сельскохозяйственных культур прямого посева, например системы земледелия без обработки почвы, или no-till, обеспечивающие сохранение угодий от внешнего воздействия. Сегодня в аграрном производстве с помощью опрыскивания вносится до 76 процентов всех используемых пестицидов, при этом более 70 процентов вредных веществ из-за несовершенства технологических решений попадает в окружающую среду и почву. Распыляемая струя «не помнит» начальные условия на всем пути распространения на объекты. По этой причине отложение капель жидкости на растения практически не контролируемо, причем грубый аэрозоль может оседать на земельном покрове.Таким образом, большое количество дорогостоящего и опасного для окружающей среды препарата, содержащегося в каплях, не используется по назначению.

О неуправляемости нанесения распыленной жидкости на растения свидетельствуют результаты практики использования воздушных судов, аэрозольных генераторов и вентиляторных опрыскивателей. Каждый из данных способов имеет свои недостатки. При применении самолетов от 20 до 60 процентов пестицидов сносится за пределы поля и распространяется в окружающей среде. Этот процесс обусловлен размерами капель, скоростью ветра и высотой полета машины. Слабые стороны аэрозольных генераторов — в зависимости распределения аэрозоля от атмосферы, в сложности управления данным процессом и осаждением капель, нецелевом распылении опасных веществ. У вентиляторных опрыскивателей, в свою очередь, неравномерность распространения раствора на объектах достигает более 76 процентов, при этом крупные капли оседают на почве, что приводит к неэкономному расходованию химических веществ и ухудшению экологии.

ШТАНГОВАЯ ТЕХНИКА

В зависимости от физико-химических свойств пестициды загрязняют окружающую среду на расстояние от 10 до 300 км. Технологическая и экологическая проблема подбора подходящего химического метода в наибольшей степени решается применительно к широко используемым сегодня штанговым опрыскивателям, также имеющим недостатки. Повышенная концентрация капель в факелах распыляемой жидкости обусловливает их коагуляцию и значительное уменьшение количества, что требует увеличенного в десятки раз расхода рабочей жидкости на единицу обрабатываемой площади. Из-за объединения мелких капель в факелах нерационально расходуются препараты, а мелкокапельное распространение жидкости приводит к сносу вредных веществ в окружающую среду. Рекомендуемая высота расположения распылителей на штанге опрыскивателя составляет 0,6–0,7 м, поскольку на уровне 0,5 м над объектом используемые для обработки растворы внедряются в почву, а при высоте 0,8 м увеличивается снос капель в окружающую среду. При этом скорость опрыскивателя должна быть не более 12 км/ч, что также уменьшает неэффективное распространение жидкости и минимизирует опасность соприкосновения краев штанги с поверхностью земли, возникающую при колебаниях штанги до 12º. Несмотря на это, следующие за машиной турбулентные воздушные вихри все-таки увеличивают снос распыляемых капель.

НЕСОВЕРШЕНСТВО КОНСТРУКЦИЙ

В отношении штанговых опрыскивателей существует возможность решения экологической проблемы, связанной с переносимостью воздушными потоками некоторых групп пестицидов в верхние слои атмосферы и даже стратосферу. Для этого разрабатывались различные распылители. Так, экспериментально было установлено, что без уменьшения биологической и хозяйственной эффективности можно снизить норму расхода рабочей жидкости с 200 до 10 куб. дм/га, а также в 1,2–2 раза сократить дозы пестицидов с помощью вращающихся распылителей. Однако при их использовании сохраняется значительный снос капель растворов в окружающую среду. Позже были созданы роторные распылители и специальные стрелы с ними для техники, но подобные механизмы оказались слишком сложными и дорогостоящими для производства, поэтому они не нашли практического применения. Воздействие воздушных струй на аэрозольные факелы щелевых распылителей в опрыскивателе также не решает экологическую проблему. При параллельном направлении факелов и воздуха широкий диапазон размеров капель, составляющий от 10 до 600 мкм, и их коагуляция ускоряют воздушный поток. При этом крупные частицы жидкости, то есть более 300 мкм, на долю которых приходится порядка 20 процентов от всего объема, плохо удерживаются на растениях, а капли размером менее 80 мкм уносятся за границы поля.

НОВЫЕ РЕШЕНИЯ

Для решения существующей проблемы специалистами были разработаны пневмомеханические устройства с дисковыми распылителями и пневмогидравлические — с щелевыми форсунками. В данных агрегатах поток капель распространяемой жидкости ограничивается краями воздушной струи и не выходит за пределы этого пространства, что обеспечивает экологическую безопасность при использовании агрохимической продукции. Аналогичный принцип действия имеют пневмомеханический распылитель растворов пестицидов с плоскими сходящимися соплами и пневматический агрегат, в конструкции которого вместо дисков были установлены пневмогидравлические щелевые форсунки. Разработанные устройства наиболее целесообразно применять в целях получения большого диаметра аэродисперсного потока для опрыскивания междурядий и приствольных кругов многолетних насаждений и крон деревьев от вредителей и болезней. Внешняя часть конусообразной струи воздуха предотвращает распространение капель выше кроны и ниже нее, что значительно снижает потери токсичных химических веществ, обеспечивая улучшение санитарно-гигиенических условий труда и окружающей среды.

Для повышения качества работы малообъемных опрыскивателей была создана особая конструкция пневмогидравлического устройства. Сечение конуса в ней выполнено таким образом, чтобы рабочая часть сектора сопла формировала воздушный поток с учетом суммарных углов факелов раскрытия щелевых распылителей. В этом случае массовый расход воздуха оказывается больше затрат жидкости, и воздушно-капельный поток в соответствии с закономерностью плоскойструи транспортируется для обработки объектов, при этом внешняя часть массы предотвращает унос капель в окружающую среду.

РАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ

Согласно разработанным схемам специалисты Новокубанского филиала ФГБНУ «Росинформагротех» собрали опытный образец нового опрыскивателя. В рамках его лабораторных испытаний осуществлялся процесс обработки учетных карточек с целью определения дисперсности капель при работе пневмогидравлических устройств, оборудованных соплами LU-02 и AD-02, в составе машины, а также последующий анализ полученных данных. Тестирование показало, что около 50 процентов капель размером до 350 мкм оседали на растениях. При этом общие статистические характеристики нанесения раствора на предметные карточки при лабораторных испытаниях данного оборудования демонстрировали лучшую равномерность распространения по ширине распыления капель от 0 до 300 мкм по сравнению с частицами жидкости диаметром более 300 мкм. Кроме того, распределение капель на квадратный сантиметр отличалось удовлетворительным значением надежности. Опрыскивание карточек с помощью пневматических механизмов соответствовало международным стандартам ISO, например для гербицидов: плотность 20–30 капель/кв. см, расход рабочей жидкости до 16,77 куб. дм/га.


АГРОТЕХНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

В соответствии с разработанными методами и использованием необходимых средств контроля технологических и агрономических показателей были проведены полевые экспериментальные исследования по уничтожению сорняков.В опытах задействовали опытный образец опрыскивателя с пневмогидравлическими устройствами в агрегате с МТЗ-82. В рамках тестирования осуществлялась обработка гербицидом однолетних двудольных сорняков — амброзии, лебеды, вьюнка полевого, а также падалицы озимой пшеницы. Опрыскивание проводили на поле, где сохранились измельченные растительные остатки после сбора урожая и наблюдалось прорастание сорных растений. Показатели условий при осуществлении сравнительных испытаний нового устройства определяли по ГОСТ 20915.

Результаты агротехнической оценки показали, что опытный опрыскиватель обеспечил снижение расхода рабочей жидкости и пестицидов в 13,23 и 1,32 раза соответственно по сравнению с обычным агрегатом. С уменьшением размера капель, то есть с увеличением степени распыла, сокращались затраты растворов, а следовательно — и химического вещества. Узкий диапазон размера капель при работе контролировался управляемым технологическим режимом работы оборудования. Качество обработки объектов опытным образцом опрыскивателя соответствовало агротехническим и технологическим требованиям к перспективной сельскохозяйственной технике. Данный факт обусловлен соблюдением норм международного стандарта ISO по нанесению количества капель на единицу обрабатываемой поверхности с более низким расходом жидкости и препарата.

УМЕНЬШЕНИЕ РАСХОДОВ

Социальная значимость разработанных методов и средств целевого нанесения капель растворов пестицидов на растения заключается в обеспечении экологической безопасности. Она достигается за счет экранирования воздухом воздушно-капельного потока от его уноса в окружающую среду, максимального целевого осаждения диапазона частиц жидкости на объектах обработки, а также безвредного количества оседающих на почву крупных капель. Помимо этого возможность практической реализации экологических технологий применения пестицидов обусловлена тем, что опрыскиватели с пневмогидравлическими устройствами имеют простую конструкцию и менее металлоемкие. Распыляющие рабочие органы позволяют сократить количество подобных механизмов на штанге до трех раз, что способствует уменьшению расхода рабочей жидкости. При снижении нормы затрат растворов с 200 до 5–10 куб. дм/га производительность труда повышается в два раза, а прямые расходы на опрыскивание без учета стоимости сэкономленного препарата уменьшаются в три раза. При этом в 1,2–2 раза возможно сокращение рекомендуемых доз некоторых пестицидов без потери биологической и хозяйственной эффективности. Кроме того, с применением опытного агрегата, оборудованного пневмогидравлическими устройствами, возможно решение проблемы улучшения санитарно-гигиенических условий труда обслуживающего персонала из-за снижения доз препаратов до минимально рекомендуемых.

ПО ЦЕЛЕВОМУ НАЗНАЧЕНИЮ

Таким образом, в результате поиска решений по обеспечению экологической безопасности сельхозпроизводства специалистами Новокубанского филиала ФГБНУ «Росинформагротех» была усовершенствована технология управления начальными параметрами целевого максимального нанесения капель растворов пестицидов на объекты обработки. При этом сконструированные устройства могут применяться с широко используемыми на практике штанговыми опрыскивателями и агрегатами для обработки многолетних насаждений. Созданные механизмы обеспечивают максимальную инжекцию капель факелов распыла растворов, что снижает до минимума коагуляцию частиц жидкости и в значительной степени сохраняет их число, образуемое распылителем. Основное преимущество разработанной технологии заключается в том, что она позволяет режимами работы распылителей создавать и практически использовать первоначальный спектр капель по целевому назначению. Данная особенность позволяет сократить расходы рабочей жидкости и препарата донорм, достаточных для реализации защиты растений от сорняков, вредителей и болезней; предотвратить снос капель в окружающую среду и уменьшить степень их проникновения в почву. Химические вещества, содержащиеся в первоначально создаваемых и сохраненных инжекцией мелкодисперсных каплях, распределяются равномерно, что предохраняет от экологического риска снижения урожайности. Разработанное оборудование обеспечивает эффективность использования ресурсосберегающих и безопасных средств защиты сельскохозяйственных культур.