Современное состояние вопроса, исходные данные и требования

 

1 Современное состояние вопроса, исходные данные и требования

1.1 Современное состояние вопроса. Выбор объекта разработки. Краткая характеристика условий работы электрооборудования электротехнологических культиваторов и экспериментальной аппаратуры для исследования электромагнитного поля (ЭМП). Требования, предъявляемые к методике экспериментального исследования ЭМП и измерительному оборудованию

 В настоящее время ведется поиск новых средств для уничтожения сорняков, на основании физического способа. Специалисты по защите растений многих стран доказывают экономическую целесообразность использования против сорняков переменного тока высокого напряжения, электромагнитного поля сверхвысокой частоты (СВЧ).

Вопрос о возможности использования электрического тока для уничтожения сорняков был поставлен давно. Еще в 1929 году будущий академик Буткевич В.В. писал: "Электрические приемы стерилизации почвы осуществляются путем использования переменного тока высокого напряжения (до12000 В). Для этой цели применяют специальные агрегаты на тракторном прицепе. Ток подается к металлическим граблям, имеющим длинные, часто расположенные зубья. Стебли и корни сорных растений при соприкосновении с зубьями сжигаются током высокого напряжения" [28].

Но в то время эта идея широкого применения не получила из-за ряда причин, таких как:

большая металлоемкость;

невозможность контроля протекания процессов;

невозможность управления;

отсутствие квалифицированных кадров.

 

         Первое описание передвижной установки для уничтожения сорных растений электрическим током было опубликовано и запатентовано в 1930 году в США. Предлагаемый агрегат осуществлял непосредственное электрическое воздействие на корневую систему, его производительность равнялась 4...6 га/день. Он имел низкую эффективность, так как новая поросль сорняков отрастала через 3...4 дня. Такие технологические показатели не шли ни в какое сравнение с традиционным механическим способом борьбы и развивающимися химическими методами. Поэтому применение электрической энергии для подавления и угнетения сорной растительности не нашло в те годы применения в практике земледелия.

Интерес к возможности использования электрического тока для уничтожения сорняков появился в семидесятых годах XX столетия, так как увеличилось отрицательное влияние используемых методов борьбы на экологическую обстановку.

Американская фирма "Lasco" для уничтожения сорных растений при помощи электрической энергии выпустила агрегаты, которые включают в себя: однофазный генератор переменного тока; контактор с электронной системой управления; высоковольтный масляный трансформатор; рабочие электроды — штанги на высоковольтных изоляторах. Все оборудование монтируют на культиваторной раме, которая навешивается на трактор, вал отбора мощности которого служит источником механической энергии для привода генератора. Для подвода электрической энергии к объектам обработки применяется система электродов, состоящая из навесного электрода, касающегося надземной части растения и заглубленного в почву заземляющего электрода, который контактирует с корневой системой обрабатываемого растения.

Эти установки предназначены для угнетения и подавления сорняков на низкорослых культурах (например, сахарная свекла) и в посевах хлопчатника и сои. Электрокультиваторы рекомендуют применять для уничтожения в рядках и в междурядьях сорняков, превышающих по высоте культурные растения; для уничтожения трудноискоренимых и широколиственных сорняков, сохранившихся после применения гербицидов в весенний период; для подавления и угнетения сорняков на сильно засоренных участках, где другие методы уже невозможны или экономически нецелесообразны; для предуборочной очистки полей с целью облегчения механизированной уборки. Эффективность уничтожения сорных растений при использовании установки "Lasco" составляет 94...97 %, что ставит электрический метод борьбы с сорняками в один ряд с традиционно применяемыми способами

В Великобритании разработан и испытан агрегат Bolter Destroyer, отличительной особенностью которого является применение трехфазного генератора переменного тока. Сама же компоновка установки и конструкция основных ее элементов несущественно отличается от американских аналогов. Электропропольщик применялся для борьбы с сорными растениями в посевах сахарной свеклы и на парах, где основными объектами уничтожения были однолетние широколистные сорняки. Эффективность применения этой установки была оценена в 75 %.

Аналогичные устройства разрабатывались и применялись для электрического уничтожения сорняков на плантациях сахарной свеклы и посевах картофеля во Франции, а также для борьбы с сорными растениями по берегам оросительных каналов и дрен в Канаде. Экономическую оценку применения электрического метода борьбы с сорной растительностью провели французские исследователи, которые констатировали, что этот способ на полях средней засоренности позволяет снизить денежные затраты, по сравнению с механической прополкой, на 2...3 %.

Принципиальных конструктивных различий между всеми зарубежными моделями электропропольщиков нет. Следует также отметить, что эти установки используются на полях, которые имеют низкую степень засоренности (1—5 сорняков на м2). Следовательно, все разработанные конструкции агрегатов являются технически простыми вариантами электропрополыциков, при изготовлении которых не учитывались; 1) возможность одновременного контактирования электродной системы с большим количеством сорняков, имеющих разные значения сопротивлений; 2) возможность уничтожения сорных растений с минимальным расходом повреждающей энергии; 3) возможность использования других видов электрических воздействий, кроме применения переменного напряжения.

В нашей стране работы по созданию, испытанию и применению различных конструкций электропрополыциков проводились в ЧГАУ (ЧИМЭСХ), Брянском СХИ, ВИЭСХе. Один из первых образцов был создан в Челябинске и представлял собой установку, которая агрегатировалась с трактором МТЗ-80, а питание осуществлялось от линии электропередачи ВЛ-0,4. На сорные растения воздействовал, переменный ток высокого напряжения. Электрическая энергия подводилась к объектам обработки при помощи системы навесных электродов в виде полос и стержней, в роли заглубленных в почву электродов использовались стрельчатые лапы культиваторов. Несмотря на низкую скорость перемещения, 2 км/ч, и ширину захвата всего 1,5 м, применение электропрополыцика позволило снизить засоренность обрабатываемых участков на 78...84 %.

Следующая модель электрокультиватора, разработанная в ЧГАУ (ЧИМЭСХ), а также высоковольтный импульсный прополыцик, созданный в Брянском СХИ, представляют собой конструкции, у которых уже есть автономное питание от генератора переменного тока, приводимого во вращение валом отбора мощности трактора. Навесные системы электродов расположены фронтально, а силовой блок смонтирован на культиваторной раме или прицепной платформе и размещен сзади движителя. Для качественного и надежного уничтожения сорной растительности исследователями ЧГАУ применялись специальные универсальные конструкции надземных и заглубленных электродов. Для повышения эффективности борьбы с сорными растениями было предложено воздействовать на сорняки не только переменным напряжением большой амплитуды, но и импульсами высокого напряжения. В результате в конструкцию электропрополыцика «Эрпик» был добавлен источник импульсного напряжения.

 

 

 

 

Опытный образец высоковольтного электроразрядного пропольщика, изготовленного в Брянском СХИ, представляет собой электротехнологическое устройство, которое осуществляет уничтожение сорной растительности импульсами высокого напряжения с амплитудой 10...40 кВ и частотой следования импульсов 600...1200 Гц. Компоновка же агрегата не отличается от тех установок, которые описаны выше. Особенностью этого электроразрядного пропольщика является применение, с целью снижения затрат энергии на обработку, модульной конструкции источника питания, а также секционированной электродной системы.

 

Рис. 1.1.2 Экспериментальный образец электрокультиватора КСХИ

Рис. 1.1.3 Экспериментальный образец электрокультиватора НПО “Россия”

 

 

 

 

Рис. 1.1.4 Экспериментальный образец электрокультиватора ЧГАУ (ЧИМЭСХ)

Рис. 1.1.5 Электродная система экспериментального образца электрокультиватора ЧГАУ (ЧИМЭСХ) при истреблении сорных растений на паровом фоне (напряжение 6 кВ, скорость 4 км/ч, высота хода электродов 4 см)

Технические характеристики современных установок для уничтожения сорняков переменным током высокого напряжения представлены в табл. 1.1.1.[3],

Таблица 1.1.1 Технические данные и характеристики современных электропропольщиков

Показатели	Франция	Великобритания	США		Россия
	"Ervard " l 'Agrichoc	Bolter Destroyer	"Lasco" LW-5	серийный образец	ЭРПИК	БСХИ
Мощность трактора, кВт	-	55-70	90	125	59	59
Характеристики электрического генератора:
мощность, кВт	44	50	60	75	30	16
напряжение, В	560	220	220	220	400/230	400
частота, Гц	120	50	60	60	50	50
число фаз, шт.	1	3	1	1	3	3
частота вращения, об./мин.	540	540	1000	1000	1500	1500
Выходное напряжение, кВ	15…18	9; 13; 17	16…18	9…13	5…25	10…40
Характеристики электродных систем:
расположение	тыльное, фронтальное	тыльное, фронтальное	тыльное, фронтальное	тыльное, фронтальное	тыльное, фронтальное	фронтальное
конструкция навесных электродов	штанга на консоли; штанга с металлическими пальцами	металлические стержни	изолированная штанга; изолированная штанга с металлическими пальцами; спаренные электроды		штанговые электроды; специальные универсальные электроды	штанговые электроды
число навесных электродов, шт.	1	3	1 или 3	1 или 3	1…3 (возм. до 20)	-
ширина захвата, м	2,7; 5,4; 10…12	от 6 до 12 рядков	7; 11	7; 11	3…6	-
число заземляющих электродов, шт	1	2	2	2	0…2	-
конструкция заземляющего электрода	-	-	заостренный резак; сошник - заземлитель		специальные	-
Рабочая скорость, км/ч	4…5	5	до 11	3…9	3…7	1…5
Количество систем безопасности	2	4	8	8	4	3

 

Максимально быстрый эффект ЭК достигается: при обработке на ранних стадиях развития малолетних двудольных и в фазе розетки многолетних корнеотпрысковых сорных растений; при благоприятных условиях роста - оптимальной влажности и температуре. Рекомендуемая скорость движения ЭТК при обработке – до 4,5 км/ч. Пониженные температуры до и после обработки не влияют на конечный результат действия электрического тока. Выявлен широкий диапазон сроков применения ЭТК: от фазы 2-х листьев до появления плодов (клубней, корней, зерен) у культуры; обработка   осенью  и  ранней   весной   при   пониженных температурах, начиная с +5° С.

Основными тенденциями развития конструкций и систем ЭТК являются; увеличение ширины захвата, рабочих скоростей; снижение затрат электрической энергии на подавление жизнеспособности сорных растений; внедрение микропроцессорных систем защиты людей и животных от электрического поражения; совершенствование микропроцессорных систем контроля и управления технологическими режимами ЭК; обеспечение антикоррозийной защиты электродных систем. Следует заметить, что большое внимание уделяется совершенствованию рабочих органов - электродных систем, точному дозированию введенной электрической энергии в биологическую ткань сорных растений для снижения их конкурентоспособности, применению электронных и оптико-электронных систем контроля и управления процессом ЭК.

Известно, что основным источником повреждения биоткани в ЭТК является переменное ЭМП, создаваемое электродной системой, которая получает энергию непосредственно от бортовой сети ЭТК или от преобразователя. ЭМП от тока, протекающего в МЭП, создаёт два эффекта: положительный и отрицательный. К первому из них относят выделение энергии в обрабатываемую среду, т.е. в растения-мишени. Отрицательный эффект состоит в появлении внешнего паразитного ЭМП на пути обратного его замыкания, создающее электромагнитные помехи, воздействующие на элементы конструкций ЭТК и другое электрооборудование, а также на обслуживающий персонал. Эффективность ЭТК определяется отношением мощности, переданной в растительную среду, к мощности, подводимой от источника питания к МЭП. От того, как ЭМП распределено в МЭП зависит качество ЭК, т.е. эффективное повреждение сорных растений в агроценозе [4]. Следовательно, для того чтобы добиться наибольшего качества ЭК и при этом повысить экономическую эффективность данного способа борьбы с сорными растениями необходимо получить точную и по возможности не сложную методику расчета ЭМП в МЭП ЭТК. Кроме того, воздействие электрического поля и неразрывно связанного с ним магнитного поля на растения изучено слабо, так как в основном оценивают воздействие на растения электрического тока. Для того чтобы понять и оценить, как ЭМП влияет на растение необходимо знать, как оно распространяется в рабочем пространстве, то есть в МЭП, следовательно, для решения данного вопроса не обойтись без вышеупомянутой  методики расчета ЭМП в МЭП ЭТК. Это и явилось побудительным стимулом в выборе объекта разработки и темы данного дипломного проекта, чтобы более подробно исследовать распространение ЭМП в МЭП ЭТК.

Краткая характеристика условий эффективной работы ЭТК должны быть следующими:

• оптимальная влажность обрабатываемой среды (почвы, воздуха, растений);
• однородность обрабатываемой почвы (рельеф, микроструктура, удельное сопротивление);
• наиболее оптимальные участки обработки сорных растений (междурядья, паровые поля);
• оптимальные фазы развития сорных растений (до фазы старения).

Для того чтобы охарактеризовать условия работы экспериментальной аппаратуры для исследования ЭМП необходимо проанализировать возможность моделирования реальных условий работы ЭТК в лабораторных условиях. Лабораторные условия не позволяют использовать реальные вольтамперные характеристики, применяемые при ЭК, поэтому их необходимо привести к величине, безопасной для лаборантского персонала, проводящего исследовательские работы.  На основе методик и способов измерений ЭМП ЭТК в МЭП, разработанных в лабораторных условиях в дальнейшем можно преступить к исследованиям ЭМП ЭТК в реальных условиях. 

Для того чтобы преступить к разработке методик экспериментальных исследований ЭМП ЭТК в МЭП и измерительного оборудования необходимо выделить следующие основные требования:

1. При моделировании было должно соблюдено геометрическое подобие областей, в которых существует ЭМП ЭТК, а также соблюдены требуемые граничные условия.
2. Необходимо осуществить электромагнитную совместимость электрооборудования, применяемого при экспериментальных исследованиях.
3. Важным аспектом является минимизация погрешностей экспериментальных исследований.
4. Осуществление электробезопасности лаборантского персонала, проводящего исследования и измерения.
5. Отсутствие сторонних электромагнитных помех, способных исказить результаты исследований.

 

1.2 Программа проведения патентных  исследований. Регламент и справка о поиске. Отчет о патентных исследованиях

Общие данные об объекте исследования

Тема: Исследование ЭМП ЭТК

Начало выполнения работы - март 2008г. Окончание выполнения работы - апрель 2008г.

В настоящее время ведутся исследования по разработке биологического и физического, совершенствованию агротехнического и химического методов борьбы с сорняками. Эти, в целом, высокоэффективные методы имеют ряд недостатков: агротехнический метод не обеспечивает нужную чистоту посадок и посевов; химический - негативно воздействует на культуру и окружающую среду; биологический разработан достаточно полно, однако трудно подобрать агентов для борьбы с сорняками различных семейств и видов; физический в сравнении с биологическим сопряжен некоторыми сложностями. Перспективным направлением физического метода борьбы с нежелательной растительностью является использование в качестве поражающего фактора электрического тока высокого напряжения и электромагнитного поля. Уже созданы и применяются так называемые электропропольщики, "молниеносные" культиваторы модели LW-5 фирмы "Lasco" США, установки типа D’Agrichoc фирмы "Evrard" Франции, Bolter Destroyer Великобритании. В настоящее время ведется работа по созданию универсальной методики для экспериментальных исследований ЭМП электродной системы ЭТК.