POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Maszyn Roboczych i
Transportu
Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych
mgr inż. Szymon Gierz
Modelowanie i optymalizacja układu do aplikacji ciekłych pestycydów na powierzchnie bulw i nasion w
procesach siewu i sadzenia
PRACA DOKTORSKA
Promotor:
dr hab. inż. Włodzimierz Kęska, prof. PP
wersja 1
POZNAŃ, 2016.
2 Składam gorące podziękowania Panu Przemysławowi Grochowskiemu za pomoc przy projektowaniu i wykonaniu urządzenia sterującego stanowiska badawczego oraz wszystkim innym osobom, które przyczyniły się do powstania tej pracy.
3 Spis treści
STRESZCZENIE ... 5
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH SKRÓTÓW I OZNACZEŃ ... 8
1. WSTĘP ...10
1.1. ZAPRAWIANIE, ROLNICTWO PRECYZYJNE, RODZAJE ZAPRAWIANIA ... 12
2. OCENA STANU ZAGADNIENIA W ŚWIETLE LITERATURY ...14
2.1. ZAPRAWIANIE ZIEMNIAKÓW ... 14
2.2. URZĄDZENIA ZAPRAWIAJĄCE ... 15
2.2.1. Stacjonarne urządzenia zaprawiające ... 15
2.2.2. Mobilne zaprawiarki ... 18
2.3. Analiza dotychczasowych w wyników badań wpływu różnych czynników na jakość zaprawiania. ... 23
2.4. Rozważania teoretyczne ... 26
2.5. Podsumowanie ... 27
3. CEL PRACY ...28
4. PROBLEMY BADAWCZE I HIPOTEZY ROBOCZE ...29
5. BADANIA SYMULACYJNE ...29
5.1. WPROWADZENIE ... 29
5.2. OPIS PROGRAMU KOMPUTEROWEGO DO SYMULACJI OPRYSKU ... 30
5.3. WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH ... 48
5.4. PODSUMOWANIE BADAŃ SYMULACYJNYCH ... 63
6. BADANIA LABORATORYJNE ...65
6.1. WPROWADZENIE I PRZEGLĄD DOSTĘPNYCH METOD ... 65
6.2. METODY OCENY STOPNIA POKRYCIA POWIERZCHNI SADZENIAKÓW ŚRODKIEM CHEMICZNYM ... 66
6.2.1. Fotogrametryczna metoda oceny stopnia pokrycia ... 66
6.2.2. Wagowa metoda oceny stopnia pokrycia powierzchni sadzeniaka środkiem chemicznym (zaprawą) ... 67
6.2.3. Weryfikacja fotogrametrycznej metody oceny stopnia pokrycia ... 69
6.2.4. Dobór cieczy barwiącej ... 72
6.2.5. Pomiar wydatku rozpylacza ... 75
6.2.6. Procedura badań metoda fotogrametryczna ... 78
6.2.7. Procedura badań metoda oceny masy ... 81
6.2.8. Elektromagnetyczny zawór sterujące wypływem cieczy ... 84
6.2.9. Elektrozawór sterujący wypływem cieczy z pomocniczym strumieniem powietrza ... 86
6.2.10. Program sterujący stanowiskiem badawczym ... 87
6.3. BADANIA LABORATORYJNE STOPNIA POKRYCIA SADZENIAKÓW ZAPRAWĄ ... 90
6.3.1. Wnioski i spostrzeżenia z badań empirycznych metoda fotogrametryczna ... 98
6.3.2. Wyniki badań laboratoryjnych stopnia pokrycia sadzeniaków zaprawą dla zaworu sterowanego elektronicznie, fotogrametryczna metoda oceny stopnia pokrycia ... 99
6.3.3. Wnioski i spostrzeżenia z badań empirycznych metoda fotogrametryczna ... 107
6.3.4. Wyniki badań laboratoryjnych metoda oceny masy ... 109
6.3.5. Wnioski i spostrzeżenia z badań empirycznych metoda wagowa ... 126
6.3.6. Porównanie wyników badań symulacyjnych i laboratoryjnych... 128
4
7. PRÓBA POLOWA ... 131
8. ELEKTRONICZNIE STEROWANA MOBILNA ZAPRAWIARKA NA MOKRO ... 135
9. DALSZY ROZWÓJ PROGRAMU SYMULACYJNEGO ... 138
10. WNIOSKI ... 144
11. LITERATURA ... 146
12. SPIS RYSUNKÓW ... 153
13. SPIS TABEL ... 162
5 Streszczenie
Przedmiotem niniejszej pracy jest modelowanie i optymalizacja układu do aplikacji ciekłych pestycydów na powierzchnie bulw i nasion w procesach siewu i sadzenia.
Zagadnienie to rozpatrzono na drodze teoretycznej i eksperymentalnej.
Na wstępie przybliżono problematykę zagadnienia dotyczącą procesu zaprawiania sadzeniaków oraz przedstawiono teoretyczne rozważania dotyczące tego procesu. Dalej, omówiono metody nanoszenia środków chemicznych na powierzchnie bulw ziemniaka i urządzenia wykorzystywane do realizacji procesu zaprawiania, skupiając się na zaprawiarkach stacjonarnych oraz mobilnych zaprawiarkach montowanych na sadzarkach.
Ta cześć pracy zawiera również analizę wyników dotychczasowych prac związanych z procesem zaprawiania sadzeniaków.
Następnie, sformułowano tezę pracy, w której uznano, że zastosowanie przerywanego strumienia cieczy podczas zaprawiania sadzeniaków środkiem chemicznym poprzez opryskanie pozwoli na oszczędność zaprawy.
Weryfikację słuszności przyjętej tezy zrealizowano w trzech zasadniczych etapach badań. Pierwszym z nich było stworzenie modelu matematycznego stanowiącego bazę do napisania programu symulacyjnego nanoszenia środków chemicznych na powierzchnie bulw sadzeniaka poprzez opryskiwanie. W tym celu, przeprowadzono serię badań symulacyjnych do analizy wpływu parametrów, takich jak: ciśnienie cieczy roboczej, odległość rozpylacza od toru spadania sadzeniaka, wydatek rozpylacza, prędkość jazdy agregatu sadzącego, rozstaw w rzędzie, średnica sadzeniaka oraz kąt rozpylania rozpylacza. Na podstawie badań symulacyjnych stwierdzono znaczny wpływ elektronicznie sterowanego przerywanego strumienia powietrza pozwalającego na oszczędności środka chemicznego przekraczające 50%. Zauważono, że stopień retencji jest najwyższy przy minimalnym kącie rozpylenia. Zanotowano również wpływ odległości rozpylacza, średnicy sadzeniaka i kąta rozpylania. Najwyższy stopień pokrycia zanotowano dla warunków, w których średnica strugi rozpylonej cieczy w płaszczyźnie przecięcia z torem spadania sadzeniaka jest porównywalna.
Przedmiotem drugiej części badań było eksperymentalne potwierdzenie wyników otrzymanych w badaniach symulacyjnych. Do tego celu opracowano fotogrametryczną metodę oceny stopnia pokrycia sadzeniaków zaprawą, dzięki której potwierdzono empirycznie wpływ sterowania elektronicznego przerywanego strumienia powietrza na stopień pokrycia sadzeniaków zaprawą. Najwyższy stopień pokrycia stwierdzono przy
6 odległości 50 mm rozpylacza od toru spadania sadzeniaka oraz przy ciśnieniu cieczy roboczej 3 bar.
Ostatnim etapem badań eksperymentalnych było sprawdzenie wyników stopnia retencji uzyskanych w badaniach symulacyjnych. W tym celu przedstawiono i wykorzystano wagową metodę oceny. Otrzymane wyniki potwierdziły zależności otrzymane w procesie symulacji. Najwyższy stopień retencji otrzymano przy najmniejszej odległości rozpylacza od toru spadania sadzeniaka oraz przy najwyższym ciśnieniu cieczy roboczej. Pozytywny wpływ elektronicznie sterownego przerywanego strumienia cieczy został potwierdzony empirycznie.
Przedstawione w pracy rezultaty potwierdziły możliwość oszczędności środka chemicznego podczas zaprawiania sadzeniaków poprzez opryskanie wykorzystujące przerywany strumień cieczy z rozpylacza. Model matematyczny w przybliżony sposób odzwierciedla mechanizmy zachodzące w procesie zaprawiania ziemniaków poprzez opryskiwanie, dlatego koniecznym jest, aby model ten był dalej udoskonalany i weryfikowany.
Summary
The subject of this work is modeling and optimization of a system for liquid pesticide application on the surfaces of bulbs and seeds in the process of sowing and planting. This issue was approached in the light of theoretical analysis and experimental evidence.
First, problems relating to the seed potato treatment and theoretical considerations regarding the process were presented. Next, methods of applying a chemical agent to the surfaces of potato tubers were discussed, followed by a discussion of equipment used for the treatment process, focusing on fixed and mobile seed treatment machines mounted on potato planters. This part of the work also includes an analysis of the results of the existing studies connected with the process of seed dressing.
Next, the work’s thesis was formulated, in which it was assumed that the use of an intermittent flow of the sprayed liquid agent applied in seed treatment provides savings on the chemical.
The verification of the validity of the adopted thesis was carried out in three basic stages of the research. The first of these involved the creation of a mathematical model which could serve as a basis for writing a simulation program for applying chemicals onto
7 the surfaces of seed potato tubers by spraying. In order to do this, a series of simulation studies were carried out for the analysis of the impact of such parameters as, spray liquid pressure, distance between the spray nozzle and the seed’s fall path, liquid discharge rate, driving speed of the sowing unit, row spacing, potato seed diameter and the spray cone application angle. On the basis of the simulation studies, a significant impact of electronically controlled intermittent liquid flow was found, which resulted in over 50%
savings in the applied chemical agent. It was noted that the retention level was the highest at the minimum angle of spray application. An influence of the spray nozzle distance, the seed diameter and the spray angle was also observed. The highest level of coverage was recorded for conditions in which the diameters of the spray flow and of the seed fall path intersection plane are comparable.
The aim of the second part of the study was an experimental confirmation of the results obtained in the simulation tests. For this purpose, a photogrammetric method was created for assessing the degree of potato tubers coverage with the seed dressing, which confirmed empirically the impact of electronically controlled intermittent air flow on the seed dressing adhesion. The highest degree of coverage was determined to occur at the 50 mm distance between the spray nozzle and the seed fall path and at an operating working fluid pressure of 3 bar.
The last stage of the experimental research was to examine the degree of retention results acquired in the simulation tests. For this purpose, the weighted sum method of evaluation was described and applied. The obtained results confirmed the relations revealed in the simulation process. The highest degree of retention was achieved with the shortest distance between the sprayer nozzle and the tuber fall path, and at the highest spray liquid pressure. The positive impact of electronically controlled intermittent stream of liquid was empirically confirmed.
The results presented in this work confirmed the savings in seed dressing agent an intermittent flow of spraying liquid from the atomizer has to offer. The mathematical model provided merely a rough description of the mechanisms involved in the process of potato spray-dressing, therefore it is necessary to further refine and verify the model.
8 Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń
Skróty
3D potoczna nazwa przestrzeni euklidesowej o trzech wymiarach DC skrót od Direct Current, oznaczenie prądu stałego
F Wartość testu F
FL-5VC Oznaczenie rozpylacza eżektorowego TeeJet MS Średnia suma kwadratów efektów
p Poziom prawdopodobieństwa p SS Suma kwadratów efektów
TX-VK3 Oznaczenie rozpylacza eżektorowego TeeJet UV promieniowanie ultrafioletowe
WOM Wałek odbioru mocy ciągnika
Oznaczenia
a parametr rozkładu kropel w strudze A pole powierzchni obiektu
A0 powierzchnia otworu wlotowego α kąt strugi z osią rozpylacza αs kąt rozpylenia strugi
b odległość rozpylacza od toru spadania rozpylacza β kąt strugi z powierzchnią
d rozstaw sadzeniaków dy,dz wymiary krawędzi komórki ήc stopień retencji strumień ciągły ήp stopień retencji strumień przerywany gz przyspieszenie ziemskie
H wysokość spadania
h względne położenie sadzeniaka
h1 odległość płaszczyzny początku spadania a krawędzią strugi kropel h2 odległość pomiędzy płaszczyzna spadania a czujnikiem optycznym L odległość od rozpylacza
m długość
m(d) masowy rozkład kropel μ współczynnik przepływu
mre Ilość cieczy emitowanej przez rozpylacz mr masa na powierzchni obiektu
ms ilość cieczy na sadzeniaku strumień ciągły msa masa sadzeniaka przed procesem zaprawiania msz masa sadzeniaka zaprawionego
mz masa zaprawy
p1 ciśnienie przed otworem
9 p2 ciśnienie za otworem
Q wydatek rozpylacza
qx Funkcja rozkładu na powierzchni prostopadłej do osi rozpylacza
r promień
ρ gęstość
Rs pokrycie średnie sp szerokość pasa ruchu
spr szerokość przekroju strumienia cieczy rozpylacza w lini spadania sadzeniaka
t0 czas opóźnienia sterowania rozpylacza Ts czas załączenia rozpylacza
V napięcie
v1 prędkość przed otworem v2 prędkość za otworem vj prędkość jazdy maszyny vo prędkość początkowa
y1,z1 współrzędne kropli w układzie współrzędnych
10 1. WSTĘP
Na przełomie XX i XXI wieku produkcja ziemniaka w Polsce zajmowała prawie 4%
ogólnej powierzchni zasiewów i dochodziła do 400 tys. ha. [88]. Daje nam to 6 miejsce w wysokości produkcji na świecie. Ziemniak jako warzywo jest wartościowym, niskokalorycznym pokarmem zawierającym pełnowartościowe białko oraz dużą ilość witaminy C, potasu i jodu. Można go spożywać w postaci naturalnej lub przetworzonej głównie w postaci smażonej i suszy. Ziemniak jest bardzo dobrym surowcem do otrzymywania wysokiej jakości skrobi, stosowanej w wielu dziedzinach gospodarki.
Używa się go do wytwarzania alkoholu etylowego, dodatkowo ma dobrą wartość paszową.
Znaczenie gospodarcze ziemniaka wynika również z miejsca jakie zajmuje w płodozmianie, zwłaszcza na słabych glebach lekkich, których Polska ma ponad 60%.
Ziemniak w płodozmianie wpływa na żyzność gleby, sposób uprawy, oczyszcza glebę z chwastów oraz poprawia plon roślin następczych[84,40,41] .
Technologia uprawy ziemniaka jest obecnie realizowana poprzez podstawowe zabiegi agrotechniczne i ochrony roślin takie jak: orka, sadzenie, formowanie redlin, ochrona poprzez zabiegi opryskiwania, zbiór. Powodem tak powszechnego stosowania tego typu sposobu produkcji jest niski koszt, prosta i trwała konstrukcja oraz małe gabaryty stosowanych maszyn i narzędzi[12,39,72,49,59,53,80,85,86]. Dynamiczny rozwój rolnictwa precyzyjnego i co za tym idzie coraz większa rola czynnika ekonomicznego i ekologicznego, wpływają na rozwój dokładniejszych technologii, które mają za zadanie stworzenie jak najlepszych warunków wegetacji. Duży wpływ mają także coraz to bardziej restrykcyjne normy ilości stosowanych środków ochrony roślin. Obecnie ochrona ziemniaków przed chorobami wirusowymi, grzybowymi oraz przed szkodnikami sprowadza się do stosowania fungicydów, zoocydów, herbicydów w postaci oprysku na nadziemną część rośliny. Bardzo często zabiegi są wielokrotnie powtarzane z powodu nie sprzyjających warunków pogodowych, co sprawia, że normy ilości środków ochrony roślin są przekraczane. Wraz z rozwojem maszyn rolniczych i środków ochrony roślin coraz częściej stawia się na działania prewencyjne. Jednym z takich działań jest stosowanie zapraw na bulwy sadzeniaków. Zaprawy oraz odpowiednie urządzenia, służące do nanoszenia tych zapraw, mogą się przyczynić do znacznego ograniczenia środków bezpośredniego zwalczania chorób i szkodników. Korzyści, jakie niesie za sobą
11 stosowanie tej nowoczesnej metody ochrony ziemniaka mogą być łatwo utracone przez mało precyzyjnie funkcjonujące urządzenie do nanoszenia zapraw.
Aktualnie stosowane sposoby nanoszenia zapraw na bulwy ziemniaka to zaprawianie w zaprawiarkach stacjonarnych, znajdujących się najczęściej w magazynach przechowujących sadzeniak przez okres zimowy. Praca tymi urządzeniami jest pracochłonna, co wydłuża czas przygotowania sadzeniaków do sadzenia. Ponadto dodatkową trudność stanowi fakt, iż zaprawione bulwy muszą jak najszybciej znaleźć się w glebie. Zaprawianie można usprawnić poprzez zastosowanie urządzenia zamontowanego na sadzarce lub ciągniku, które bezpośrednio podczas zabiegu sadzenia będzie nanosić wymaganą warstewkę na bulwy sadzeniaka. Takie maszyny są produkowane przez kilku wyspecjalizowanych wytwórców, jednak są bardzo kosztowne, co hamuje istotnie rozwój przyszłościowej technologii rolniczej, jaką jest nanoszenie zapraw na bulwy sadzeniaka podczas sadzenia. Maszyna powinna pozwalać na precyzyjne pokrycie powierzchni sadzeniaka warstewką preparatu o odpowiednich parametrach. Preparat powinien być w zbiorniku o odpowiedniej pojemności, dostosowanej do dawki środka oraz wydajność i czasu pracy sadzarki.
Podstawowym parametrem, decydującym o jakości pracy maszyny do zaprawiania, jest stopień pokrycia sadzeniaka zaprawą, który wynika bezpośrednio z powierzchni sadzeniaka pokrytej środkiem chemicznym, do powierzchni całego sadzeniaka. Analiza literatury z zakresu konstrukcji i eksploatacji wskazuje, że uzyskanie zamierzonego poziomu stopnia pokrycia zależy od wielu czynników[1,4,7,17,18,25,32,34,52,60,76,81].
Stopień pokrycia sadzeniaków zaprawą jest uwarunkowany głównie parametrami konstrukcyjnymi samego urządzenia.
Do prawidłowej pracy urządzenia zaprawiającego jest potrzebny optymalny dobór wielu wielkości i parametrów wymuszając rozwój w kierunku rolnictwa precyzyjnego[19,20,22,23,23,31,36,37,40,48,61,67]. Można przytoczyć wiele, bardziej lub mniej naukowych definicji rolnictwa precyzyjnego. Według Zimnego [87] rolnictwo precyzyjne nazywa się wykorzystywanie technologii informatycznych do dopasowania dawek nakładów (nawozów, środków ochrony) do potencjalnego zapotrzebowania uprawianej rośliny. Niezbędne dla tego procesu są pomiary własności gleb, rozkładu chwastów oraz rozwoju chorób i szkodników w poszczególnych częściach pola uprawnego[8,14,15,33,38,46,63,69]. Zmienia to tradycyjne podejście do rolnictwa,
12 traktowanie pola uprawnego jako całości zmienia się na rzecz podziału według mapy zasobności gleby. Ogólnie, rolnictwo precyzyjne można zdefiniować przez zespół zabiegów technologicznych, wprowadzonych do rolnictwa, mających na celu wykorzystanie techniki do zmiennych warunków glebowych poszczególnych części pola uprawnego[50]. Wdrażanie zasad rolnictwa precyzyjnego jest bardziej opłacalne dla pól uprawnych o dużym areale, które odznaczają się znaczną zmiennością parametrów zasobności glebowej. W praktyce postulaty rolnictwa precyzyjnego są spełniane poprzez indywidualne traktowanie poszczególnych części pola i za pomocą nowoczesnych maszyn[34,35,66]. Większość maszyn jest wyposażona w układy elektroniczne i automatyczne, co poprawia ich wydajność i dokładność.
Zalety rolnictwa precyzyjnego można podzielić na:
- ekonomiczne – zmniejszenie kosztów robocizny, skrócenie czasu zabiegów agrotechnicznych, optymalne wykorzystanie areału gospodarstwa.
- ekologiczne – precyzyjne stosowanie środków chemicznych przyczynia się do ograniczenia ilości środka chemicznego stosowanego na powierzchnię plantacji.
Pierwsze symptomy i próby zastosowania rolnictwa precyzyjnego datuje się na lata 80- te XX wieku, szybki rozwój tej technologii zauważono w latach 90-tych ubiegłego wieku.
Wiąże się to z rozwojem Globalnego Systemu Pozycjonowania GPS. Pozwoliło to rozwiązać problemy dotyczące określania pozycjonowania maszyn na polu uprawnym oraz stworzenie mapy zasobności glebowej plantacji i dostosowanie parametrów maszyn indywidualnie dla każdej z części areału[78]. Pionierami tej technologii były niemieckie firmy, na czele których stała firma Amazone z maszyną do spulchniania gruntu ze zmienną głębokością[83]. Pozycjonowanie za pomocą systemu GPS daje parametry pozycji z dokładnością jednego metra[78,31].
1.1. Zaprawianie, rolnictwo precyzyjne, rodzaje zaprawiania
Zaprawianie sadzeniaków przeprowadzane przed sadzeniem to zabieg mający na celu zniszczenie patogenów znajdujących się na powierzchni lub wewnątrz nasion oraz ochronę bulw przed zaatakowaniem ich w trakcie kiełkowania przez choroby i szkodniki.
13 Chemiczne zaprawianie bulw ziemniaka polega na poddawaniu ich działaniu środków chemicznych, zwanych zaprawami nasiennymi, w postaci pylistej lub przez namoczenie w roztworze tych środków. Do zaprawiania nasion stosuje się m.in. pestycydy, środki grzybobójcze oraz odstraszające (repelenty) [62,71,82,90].
Duża różnorodność wymagań technicznych przy uprawie różnych rodzajów roślin powoduje konieczność stosowania różnych technik zaprawiania. Technikę zaprawiania można podzielić na trzy grupy:
a) Zaprawianie na sucho, to najstarszy i najtańszy sposób ochrony bulw. Polega on na nanoszeniu na powierzchnię sadzeniaków środka chemicznego w postaci proszku. Odbywa się to najczęściej w stacjonarnych urządzeniach, gdzie na odmierzoną porcję 100 kg sadzeniaków wsypuje się odpowiednią dawkę środka, a następnie wszystko dokładnie miesza. Wadą tej metody jest mała skuteczność z powodu słabej dokładności pokrycia powierzchni sadzeniaków zaprawą. Urządzenia zaprawiające na sucho są mało wydajne, a osoby obsługujące stacjonarne zaprawiarki stają się narażone na zatrucia poprzez wdychanie rozpylonych pozostałości zaprawy w powietrzu.
b) Zaprawianie na mokro w postaci piany, to metoda bezpieczna, ograniczająca ilość stosowanej zaprawy, ale wymagająca specjalistycznej zaprawiarki nabudowanej na sadzarkę. Środek w postaci piany dozowany jest do kosza zasypowego, gdzie każdy sadzeniak zostaje pokryty warstewką pienistej zaprawy.
c) Zaprawianie na mokro wykonuje się przy użyciu środków w postaci emulsji, koncentratu zawiesinowego, żelu lub roztworu wodnego. Dobra przyczepność środka czynnego, powoduje, że nie ma strat substancji czynnej i otaczające środowisko nie jest narażone na kontakt z nią. Kolejną zaletą tej metody to niewielka ilość środka czynnego wykorzystywana do zaprawiania, problemem jednak jest konieczność stosowania specjalnych urządzeń, które będą równomiernie w odpowiednim kierunku i systematycznie nanosić zaprawę na powierzchnię materiału siewnego. Ważnym parametrem jest ilość zaprawy naniesionej na powierzchnie sadzeniaka, za mała ilość może nie wystarczyć do odpowiedniej ochrony ziemniaka, natomiast zbyt duża ilość może opóźnić wschody, a nawet uniemożliwić ich wystąpienie.
14 2. Ocena stanu zagadnienia w świetle literatury
2.1. Zaprawianie ziemniaków
Zaprawianie sadzeniaków jest jednym z najważniejszych zabiegów technologicznych w czasie złożonego procesu uprawy ziemniaka. Jego celem jest polepszenie naturalnych warunków glebowych i środowiskowych. Główne zalety metody zaprawiania to, że [22]:
- chroni przed wiosennym gniciem kiełków w następstwie chorób grzybowych,
- chroni bulwę mateczną i bulwy potomne przed żerowaniem i uszkodzeniem ich przez szkodniki glebowe,
- ogranicza straty związane z wpływem czynników pogodowych na zabiegi oprysku w przypadku nagłego wystąpienia szkodnika lub choroby,
- niska klasa szkodliwości chroni środowisko, - mała ilość środka na powierzchnie plantacji,
Nanoszenie środka chemicznego na powierzchni sadzeniaka skutkuje nie tylko powiększeniem plonu, ale także polepszeniem jego parametrów jakościowych [6,9,60,62,64,77]. Praktyka rolnicza i prowadzone eksperymenty polowe wykazują, że zaprawianie ma znaczący wpływ na wysokość plonu dochodzący nawet do 40%. Dokładne pokrycie sadzeniaka substancją chemiczną pozwala także na ograniczenie strat spowodowanych przez szkodniki nadziemnej części rośli tj. stonki ziemniaczanej.
Wykorzystywane w rolnictwie zaprawy są zróżnicowane pod względem składu chemicznego jak i formy w jakiej są zastosowane. Ze względu na postać w jakiej występują proces można podzielić na: zaprawianie na sucho (w postaci proszku), zaprawianie na mokro (w postaci roztworów wodnych lub zawiesin). Dlatego też wymagania stawiane urządzeniom zaprawiającym są następujące [91]:
a) zachowanie dostatecznego i równomiernego stopnia pokrycia zaprawą powierzchni nasion i sadzeniaków,
b) możliwość płynnej regulacji ilości stosowanej zaprawy,
15 c) zachowanie podczas pracy niezmiennych parametrów pozwalających utrzymać
równomierny stopień pokrycia zaprawą,
d) nie przekraczanie dopuszczalnych ilości środka chemicznego,
e) nie przekraczanie dopuszczalnej ilości uszkodzonych nasion lub sadzeniaków, f) niezależność poprawnej pracy urządzenia od pochylenia terenu.
2.2. Urządzenia zaprawiające
2.2.1. Stacjonarne urządzenia zaprawiające
Proces zaprawiania ziemniaków na sucho jest już dość wiekową metodą nanoszenia środków chemicznych na powierzchnie bulwy ziemniaka. Został opracowany w latach 80- tych ubiegłego wieku. Stacjonarne urządzenia zaprawiające na sucho składają się głównie z ramy nośnej i bębna mieszającego. Jedną z maszyn wykorzystywanych do tego celu jest zaprawiarka konstrukcji Sławomira Fica i Leona Kukiełki [26]. Jest to urządzenie stacjonarne o konstrukcji bębnowej. W wewnętrznej części bębna został umieszczony ślimak, którego zadanie to mieszanie i przemieszczenie sadzeniaków wzdłuż bębna.
Zaprawa w postaci proszku jest podawana do wnętrza bębna za pomocą specjalnego dozownika. W górnej części bębna znajduje się sito, którego zadaniem jest odseparowanie nadmiaru zaprawy.
Ryc. 1 Zaprawiarka stacjonarna do zaprawiania na sucho[26]
16 Tego typu urządzenie nie znalazło wielkiego odzewu ze strony producentów ziemniaka.
Podyktowane to było pracochłonnością procesu i małą dostępnością środka jak na tamten czas. Aktualnie rolnicy zaprawiają sadzeniaki bezpośrednio w koszu zasypowym sadzarki posypując materiał sadzeniakowy zaprawą. Mała dokładność tej metody i pylenie zaprawy powodujące podrażnienia oczu i dróg oddechowych to główne wady tej metody.
Innym przykładem stacjonarnego urządzenia zaprawiającego jest konstrukcja firmy Team Sprayers [92]. Jest to maszyna zaprawiająca na mokro, sadzeniaki są wsypywane do kosza zasypowego zaprawiarki. Następnie za pomocą przenośnika czerpakowego są transportowane na stół rolkowy. Zaprawianie odbywa poprzez opryskanie sadzeniaków na stole rolkowym, złożony ruch przenośnika rolkowego obraca bulwy ziemniaka, co dodatkowo poprawia stopień pokrycia sadzeniaków środkiem chemicznym. Tak pokryte sadzeniaki są transportowane do pojemników transportowych, w których sadzeniaki będą przewożone na pole uprawne.
Ryc. 2 Zaprawiarka stacjonarka na mokro firmy Team Sprayers[92]
Kolejnym przykładem może być urządzenie montowane na stołach rolkowych, nad którymi umieszczone są dysze rotacyjne przez które podawany jest środek chemiczny.
17 Ryc. 3 Wirowe zaprawianie ziemniaków[103]
Ryc. 4 Zaprawiarka stacjonarna firmy MAFEX (wizualizacja przebiegu zaprawiania) [103]
Samo rozpylenie zaprawy nad ziemniakami nie daje dużej skuteczności pokrycia powierzchni. Uzyskuje się ją dopiero przy zastosowaniu stołu rolkowego, dzięki któremu sadzeniaki dodatkowo obtaczają się w pozostałościach zaprawy i uzyskują wysoką jakość pokrycia powierzchni [103].
Nową metodą, która nabiera coraz większej popularności jest zaprawianie bulw z wykorzystaniem techniki ULV (ang. Ultra Low Volume – ultraniskie ilości). Jest to metoda zapewniająca precyzyjne pokrycie kulistych powierzchni przez krople o jednakowej wielkości. Przy zastosowaniu urządzenia MAFEX można uzyskać z 1 ml
18 cieczy roboczej około 30 milionów kropli. Tego rodzaju urządzenie pozwala na bardzo precyzyjne pokrycie bulw ziemniaka cieczą roboczą [103].
2.2.2. Mobilne zaprawiarki
Zaprawianie na mokro może być wykonywane za pomocą urządzenia firmy Aporo z Poznania [18]. Jest to zaprawiarka montowana na sadzarce, głównymi częściami są:
zbiornik na zaprawę, pompa przeponową, przewody elastyczne, 2 rozpylacze z dyszami wyposażonymi w drobnokropliste rozpylacze wirowe o pełnym stożku, dające realne zużycie od 20 do 50 l cieczy użytkowej na hektar obsadzonej plantacji. Pompa została zamontowana bezpośrednio na wałku frezowym wałka odbioru mocy ciągnika WOM, rozpylacze są tak skonstruowane, aby można było je zamontować w komorze czerpakowej każdej sadzarki, ale także na zewnątrz, w taki sposób, że opryskiwane są sadzeniaki w locie oraz gleba na którą spadają. Poprzez dobór rozpylaczy i regulacje ciśnienia cieczy roboczej reguluje się wydatek zaprawy. Podczas sadzenia ziemniaków podkiełkowanych zaprawiarka może być wykorzystywana do opryskiwania gleby, na którą układane są sadzeniaki. Zwarta konstrukcja i wykorzystanie WOM jako napędu sprawiają, że urządzenie staje się uniwersalne, a nanoszenie zaprawy w komorze czerpakowej daje zadawalający efekt. Wadą urządzenia jest kontakt środka chemicznego z elementami sadzarki, powodując korodowanie jej elementów.
Ryc. 5 Zaprawiarka firmy APORO[93]
19 Innym urządzeniem do zaprawiania na mokro jest pianowa zaprawiarka firmy Jacka Krasuckiego ze Strzelec Opolskich [94]. Zbiornik o pojemności 20 l umieszcza się na koszu zasypowym sadzarki, do którego zostaje przymocowana wytwornica piany.
Wytwornica jest zasilana powietrzem z układu pneumatycznego ciągnika, zalecane ciśnienie powietrza przez producenta to 2 bar. Powstająca pianę transportuje się przewodami do komór czerpakowych, gdzie miesza się z sadzeniakami pokrywając je zaprawą. Pianę wytwarza się z mieszaniny zaprawy i środka pianotwórczego w wytwornicy piany. Zaletą urządzenia jest jego prostota i łatwość montażu, jednakże nie wszystkie ciągniki są wyposażone w układ pneumatyczny, dlatego może powstać problem z medium napędzającym urządzenie. Brak mieszadła w zbiorniku powoduje, że stężenie środka czynnego w pianie na początku i końcu sadzenia jest różne. Poza tym na dnie zbiornika tworzą się osady z niektórych środków ochrony roślin. Dużym problem staje się kontakt piany z częściami sadzarki powodując jej korozję.
Ryc. 6 Zaprawiarka pianowa [94]
Kolejne urządzenie to zaprawiarka firmy ZIBO [95]. Firma określa je jako dozownik do materiałów płynnych, a jednym z zastosowań może być nanoszenie zapraw. Elementem napędzającym i wytwarzającym ciśnienie jest zespolony moduł składający się 12V silnika i pompy wirowej. Wszystkie elementy są przymocowane do zbiornika, który może mieć pojemność 112 litrów i 248 litrów. Małe gabaryty i łatwo dostępne medium napędowe jakim jest prąd stały z instalacji elektrycznej ciągnika oraz możliwość montażu dysz bez ograniczeń co do miejsca umiejscowienia na sadzarce sprawia, że urządzenie jest uniwersalne. Kłopotliwe może być brak mieszadła w zbiorniku powodując rozwarstwienie mieszaniny wody z środkiem ochrony roślin. Producent nie podaje jakiego rodzaju rozpylaczy należy używać. Jak wiadomo i właściwy dobór ma ogromne znaczenie, gdyż
20 tylko kilka typów rozpylaczy może dać zadowalające rozpylenie i pokrycie powierzchni bulwy ziemniaka.
Ryc. 7 Zaprawiarka ZIBO [95]
W ofercie niemieckiej firmy GRIMME [90] możemy znaleźć interesujące urządzenie, które nanosi zaprawę opryskując sadzeniaki podczas spadania do gleby. Elementem który wytwarza ciśnienie jest przeponowa pompa zamontowana na WOM ciągnika. Sprężoną zaprawę transportuje się przewodami elastycznymi poprzez zawór sterujący wysokością ciśnienia do rozpylaczy. Zaprawianie zachodzi poprzez natryskiwanie cieczy roboczej na bulwy ziemniaka. Odbywa się w momencie, gdy bulwa spada z zespołu wysadzającego na glebę. Podczas spadania bulwa jest zaprawiana poprzez natryskiwanie cieczy roboczej z dwóch stron. Dysze są zamontowane na przeciw, tak aby tworzone przez nie stożki nanoszonej cieczy pokrywały się. Dokładność pokrycia powierzchni bulwy ziemniaka jest zależna od trzech parametrów: prędkości jazdy agregatu, ciśnienia cieczy roboczej, rodzaju zastosowanych dysz rozpylacza. Ustala się to dla zadanych warunków: nadana prędkość robocza, określony rodzaj dysz, dla tych warunków zaworem ciśnieniowym ustala się odpowiednie ciśnienie cieczy roboczej. Mieszadło, które znajduje się w zbiorniku dokładnie miesza ciecz roboczą, co jest ważne w przypadku cieczy w postaci zawiesiny, gdyż zapobiega powstawaniu rozwarstwienia zawartości zbiornika oraz powstawaniu osadu. Fabrycznie urządzenie jest wyposażone w rozpylacze o strumieniu pełnego stożka, ma to poprawić skuteczność zaprawiania. Urządzenie przeznacza się do sadzarek 4
21 rzędowych i większych. Stosowanie zaprawiarki w mniejszych sadzarkach jest nieekonomiczne z uwagi na cenę oraz gabaryty urządzenia.
Ryc. 8 Zaprawiarka GRIMME na cztero rzędowej sadzarce [96]
Ryc. 9 Fotografia momentu zaprawiania ziemniaka urządzeniem GRIMME [96]
Kolejnym urządzeniem do zaprawiania może być prototypowe urządzenie zaprojektowane w Politechnice Poznańskiej. Zaprawiarka jest zamontowana na ramie nośnej sadzarki KORA firmy Unia-group [27]. W górnej części znajduje się zbiornik cieczy roboczej z wlewem, mieszadłem i filtrem. Pod nim znajduje się zagregowany silnik hydrauliczny z pompą tłokowo-przeponową, do której przykręcony jest zawór ciśnieniowo-rozdzielający. Z zaworu wychodzą dwa przewody elastyczne jeden dla każdego rzędu. W każdym rzędzie zastosowano rozdzielacze strumienia kierując zaprawę do rozpylaczy w zależności od ilości zastosowanych, może ich być od 2 do 4. Silnik hydrauliczny jest napędzany olejem hydraulicznym z zewnętrznego układu hydraulicznego ciągnika, powodując urządzenie dodatkowo atrakcyjnym, dając możliwość bezproblemowego montowanie urządzenia na sadzarki innych producentów. Ponadto
22 wszystkie ciągniki, nowe jak i starsze posiadają min dwa zewnętrzne złącza hydrauliczne, co pozwala na bezproblemowe napędzanie urządzenia. Nanoszenie zaprawy na powierzchnię bulwy ziemniaka odbywa się poprzez opryskanie sadzeniaka z wszystkich stron. Opryskiwanie odbywa się w momencie spadania sadzeniaka z zespołu wysadzającego do gleby.
Ryc. 10 Projekt zaprawiarki zamontowanej na sadzarce KORA [27]
Kolejnym przykładem może być urządzenie Michała Bawej, służy ono do aplikowania ciekłych środków chemicznych wykorzystywanych w rolnictwie. Urządzenie zasilane jest z gniazda świateł ciągnika w energię elektryczną 12V. Elektryczna pompa tłoczy ciecz roboczą do dysz zamontowanych w dowolnym miejscu sadzarki. Możliwość sterowania urządzeniem z miejsca kierowcy ciągnika to kolejna zaleta. Zastosowany układ hydroforowy ogranicza czas pracy pompy zwiększając tym samym jej żywotność[97].
Ryc. 11 Urządzenie do aplikacji płynnych środków chemicznych firmy Bawej[97]
23 Następną zaprawiarką może być AZ-200 Apli-tech wykorzystywaną do aplikowania środków chemicznych w formie oprysku. Urządzenie jest zasilane z gniazda elektrycznego ciągnika 12V. Elektryczna pompa tłoczy ciecz roboczą do dysz zamontowanych w dowolnym miejscu sadzarki. Zaprawiarkę można sterować z miejsca kierowcy za pomocą przycisku włącz, wyłącz [98].
Ryc. 12 Urządzenie do aplikacji środków chemicznych firmy Apli-tech [98]
2.3. Analiza dotychczasowych w wyników badań wpływu różnych czynników na jakość zaprawiania.
W literaturze przedmiotu nie znaleziono prac ściśle dotyczących tak postawionego problemu. Zbliżone tematycznie badania prowadził Erlichowski T. [20], jego eksperymentalne prace dotyczyły wpływu stosowania zaprawy Prestige 290 FS na sadzeniaki. Wykazał, że stosowanie zaprawy znacznie ogranicza straty związane z żerowaniem szkodników na bulwach oraz ogranicza występowanie chorób. Stosowanie zaprawy przyczynia się do poprawy współczynnika równomierności wschodów oraz wielkości plonu nawet o 40%.
Poniżej przedstawiono wyniki badań polowych wpływu stosowania zapraw na sadzeniakach ziemniaka przeprowadzonych w IHR Boninie[15].
24 Tabela 1 Wpływ zaprawiania sadzeniaków zaprawą insektycydowo-fungicydową na występowanie niektórych agrofagów ziemniaka[15]
Zaprawa Dawka Preparatu g/100 kg.
Bulw
Liczba chrząszczy stonki ziemniaczanej w dniach od sadzenia
Bulwy uszkodzone przez drutowce (%)
Bulwy z objawami ospowatości R.solani (%)
70 80 90 100 110
Prestige 290 FS
75 6 4 5 11 23 3,7 3,2
Prestige 290 FS
100 4 3 3 7 15 2,0 2,4
Prestige Forte
370
60 3 4 7 14 37 3,9 3,1
Kontrola - 39 62 34 46 137 23,4 47,5
Badania skuteczności zaprawiania na rozwój chorób grzybowych prowadzili A.B.
Andreu, D.O. Caldiz [2], udowodnili pozytywny wpływ zaprawiania bulw sadzeniaków ziemniaka. Zarówno eksperymenty szklarniowe i polowe pozwoliły na otrzymanie wyników, że zastosowanie zaprawiania znacznie wpłynęło na spadek zachorowalności bezpośrednio po wschodach. Najlepszą ochronę dał środek Melody Duo w dawce 1,6 kg/t i jego wpływ systematycznie spadał aż do 40 dnia po wschodach. Uśredniając wyniki badań, ochrona przed zarodnikami rdzy ziemniaka przy zastosowaniu zapraw wyniosła ok. 60% i pozwoliła na znaczne ograniczenie tradycyjnych środków ochrony roślin z zastosowaniem systemicznych herbicydów.
25 Prowadzone badania przez J. Osowskiego w Instytucie Ziemniaka w Bobinie, dowodzą skuteczności metody zaprawiania sadzeniaków ziemniaka. Przeprowadzono eksperyment polowy przy zastosowaniu kombinacji środków chemicznych: pencycuronu (0,4%), karboksyna + tiuram. Obiektem badań były 2 odmiany ziemniaka: Bryza i Rywal.
Otrzymane wyniki pozwoliły stwierdzić wpływ stosowania zapraw na bulwy sadzeniaków ziemniaka. Otrzymano nieznaczny wzrost ogólnego plonu roślin, poza tym odnotowano znaczną poprawę jakości zebranych bulw [55,56,57].
Laboratoryjne badania H.-P Malkomes Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft, pozwoliły ocenić wpływ stosowania pestycydów „Monceren” i „Risolex”.
Testowano ich wpływ na dwóch rodzajach gleb, zmieniając wilgotność oraz stopień nawożenia mineralnego i organicznego. Dla gleby piaszczystej i gliniastej odnotowano znaczny spadek działania środków chemicznych, wywołane to było mała ilością środków organicznych w glebie, co za tym idzie drobnoustrojów. Nie odnotowano znacznego wpływu nawożenia mineralnego [45].
Phillip S. Wharton ,William W. Kirk przeprowadzili badania nad wpływem stosowania zapraw na sadzeniaki ziemniaka w aspekcie występowania bakterii B. subtilis i grzybów T. harzianum. Przeprowadzono próbę poprzez porycie sadzeniaków środkiem chemicznym, następnie tak przygotowany materiał siewny został ponownie umieszczony w magazynach. Dla części stworzono optymalne warunki magazynowania 12o-18o C oraz wilgotność 95%, a dla części warunki nieoptymalne mianowicie temp 25stopni celsjusza, niska wilgotność brak wentylacji. Otrzymano wyniki potwierdzające działanie środka chemicznego zwłaszcza dla sadzeniaków magazynowanych w optymalnych warunkach.
Dla tej próby odnotowano ponad 50% mniej przypadków występowania bakterii i grzybów. Dla sadzeniaków przechowywanych w nieoptymalnych warunkach nie odnotowano znaczącego wpływu działania zapraw[65].
Wyniki badań laboratoryjnych Sachiko Ikeda, Ayano Shimizu wskazały pozytywny wpływ leczenia sadzeniaków ziemniaka środkiem P. oligandrum. Przebadana partia sadzeniaków została pokryta środkiem chemicznym poprzez zanurzenie w wodnym roztworze P. oligandrum, następnie sadzeniaki pozostawiono na słońce w celu wyschnięcia. Tak przygotowane sadzeniaki przebadano po 3 tygodnia, liczba zarodników na powierzchni sadzeniaków zmalała prawie o 60%. Próby polowe potwierdziły wyniki
26 laboratoryjne, na roślinach poddanych leczeniu środkiem P. oligandrum zanotowano znaczny spadek zachorowalności chorób grzybowych [70].
Deena Errampallia, Rick D. Peters przeprowadzili badania polowe wpływu stosowania dwutlenku chlorku, tiofanatu metylu na bulwy sadzeniaka. Kontrolowano występowania raka trzonu, zarazy ziemniaczanej podczas wegetacji oraz suchej zgnilizny w przechowalniach. Odnotowano wysoki wpływ środka chemicznego, brak występowania raka szyjki oraz ograniczone występowanie zarazy ziemniaczanej. Dodatkowo zebrane rośliny były odporne na choroby grzybowe podczas przechowywania i wegetacji w następnym sezonie wegetacyjnym [13].
Bożena Cwalina-Ambroziak, Aldona Trojak w latach 2004-2005 badały wpływ chemicznego zaprawiania fungicydami: Dithane M 45 75 WG,Prestige 290 FS and Vitavax 2000 FS oraz preparatem biologicznym Polyversum bulw trzech odmian ziemniaka:
Vineta, Irga i Wawrzyn na nasilenie infekcji łodyg przez Rhizoctonia solani i Colletotrichum coccodes. Próba polowa wskazała istotny wpływ środków chemicznych. W czterostopniowej skali porażenia roślin prze rozpatrywane choroby najlepszymi środkami okazały się Dithane M 45 75 WG i Vitavax 2000 FS, pozwalając na ograniczenie zachorowalności dochodzącej do 60% populacji roślin [11].
2.4. Rozważania teoretyczne
Podczas wykonywania zabiegu sadzenia agregat porusza się z prędkością 2 m/s, najczęstszy rozstaw sadzenia 0,25 m. Zespoły wysadzające zamontowane w sadzarkach znajdują się około 0,3 m nad powierzchnią gruntu. Można pokusić się o obliczenie efektywnego czasu działania rozpylacza opryskującego na spadające sadzeniaki z zespołu wysadzającego. Zgodnie z założeniami przy prędkości sadzenia 2 m/s oraz rozstawie 0,25m czasowy odstęp pomiędzy wypadaniem kolejnych sadzeniaków to 1/8 sekundy. W tym czasie sadzeniak pokonuje w powietrzu drogę 1/8s * 3 m/s= 3/8 m, to jest około 0,37 m. Ziemniaki spadają z prędkością 3 m/s, jest to prędkość dla swobodnego spadku z wysokości 0,2 m i prędkością początkową 0,1 m/s. Na opryskanie ziemniaka o średnicy 0,05 przelatującego obok rozpylacza wystarczy czas ok. 0,05 m/ 3 m/s = 1/60 s to jest 0,016 s. W czasie 1 sekundy wypada 8 sadzeniaków. Teoretyczny czas na opryskanie ich to 8* 0,0167= 0,133 s, pozostały czas jest nieefektywny, można go nazwać stratami. Są to
27 oczywiście szacunki przybliżone, które wymagają weryfikacji na drodze dokładniejszych obliczeń symulacyjnych oraz eksperymentalnych.
2.5. Podsumowanie
Analiza literatury naukowej i fachowej rozwiązań technicznych z zakresu urządzeń zaprawiających oraz ofert producentów pozwalają stwierdzić, że w ostatnich latach nastąpił ich dynamiczny rozwój podyktowany chęcią uzyskania jak największych korzyści związanych z polepszeniem efektywności zabiegu, ograniczeniem pracochłonności oraz polepszeniem rachunku ekonomicznego. Najnowsze urządzenia są budowane zgodnie z postulatami rolnictwa precyzyjnego. System rolnictwa precyzyjnego zakłada indywidualne traktowanie części pola w zależności od rozkładu zasobności gleb i warunków środowiskowych. Wdrażanie zasad rolnictwa precyzyjnego jest bardziej opłacalne dla pól uprawnych o dużym areale, które odznaczają się znaczną zmiennością parametrów zasobności glebowej. Pozwala ograniczyć nakłady finansowe na środki ochrony roślin, zakup nawozów mineralnych oraz materiału siewnego. Selektywne stosowanie indywidualnych dawek pozytywnie wpływa na środowisko naturalne, ogranicza ilość środków i nawozów chroniąc tym samym środowisko naturalne. Potrzeba detekcji obiektu poddawanemu zabiegowi agrotechnicznemu wymaga stosowania zaawansowanych technik elektronicznych. Wykrycie obiektu np. sadzeniaka wymaga stosowania urządzeń kontrolno- pomiarowych. Ich zadaniem jest interpretowanie sygnałów z czujników oraz sterowanie urządzeniem aby otrzymać optymalne parametry zabiegu agrotechnicznego.
Na polskim rynku maszyn rolniczych jest mało urządzeń zaprawiających montowanych na sadzarkach, wykorzystujących najnowsze nowinki techniczne. Istniejące rozwiązania są bardzo kosztowne, dlatego należy podkreślić potrzebę prowadzenia badań naukowych wspomagających rozwój wiedzy, która pozwoli upowszechnić konstrukcję. W skład oprzyrządowania wchodzą rożnego rodzaju sensory, czujniki optyczne, czujniki ciśnienia, sensory podczerwieni, szybkiego działania elektrozawory. Zintegrowanym tematem może być elektroniczne sterowanie procesem zaprawiania sadzeniaków w locie.
Spadający sadzeniak z elementu czerpakowego sadzarki do gleby zostaje opryskany w momencie przelatywania w polu działania rozpylacza. Wszelkie prace związane z optymalizacją procesu zaprawiania w locie i poprawienia stopnia pokrycia sadzeniaka zaprawą.
28 3. Cel pracy
Podsumowując powyższe rozwiązania urządzeń zaprawiających sadzeniaki ziemniaka oraz publikacje naukowe dostępne w literaturze naukowej i fachowej istnieje wiele rozwiązań konstrukcji zaprawiarek. Zaprawianie należy do bardzo ważnych zabiegów agrotechnicznych, od którego zależy plonowanie i jakość roślin. Aktualnie zabieg zaprawiania jest wykonywany za pomocą nowoczesnych mobilnych zaprawiarek montowanych na sadzarkach. Najważniejsze staje się spełnienie wymagań stawianym procesowi zaprawiania oraz zaprawiarkom, głównie stopień pokrycia sadzeniaków zaprawą. Projektowanie nowoczesnych urządzeń zaprawiających jest dość problematyczne z uwagi na konieczność przeprowadzania dużej liczby badań empirycznych, na które bardzo często nie ma czasu. W niniejszej pracy podjęto próbę opisania praw rządzących procesem zaprawiania, które będą pomocne przy konstruowaniu nowoczesnych urządzeń zaprawiających.
Poznawczym celem pracy jest rozwijanie podstaw teoretycznych i empirycznych do modelowania i optymalizacji procesu opryskiwania obiektów trójwymiarowych w aspekcie dokładności zabiegu i minimalizacji zużycia środków chemicznych stosowanych w tego rodzaju zabiegach. Aplikacja opracowanej teorii nie ograniczy się jedynie do zaprawiania ziemniaków i może być uogólniona na inne obiekty trójwymiarowe, np. całe rośliny. Ten problem jest poruszany w wielu pracach z zakresu technologii opryskiwania i nie doczekał się dotąd zadowalającego rozwiązania.
Głównym utylitarnym celem niniejszej pracy jest rozwijanie innowacyjnej technologii zaprawiania ziemniaków - w kierunku zwiększenia dokładności tego zabiegu i minimalizacji zużycia preparatu chemicznego, a tym samym ograniczenia strat w środowisku naturalnym, spowodowanych zatruciem gleby i wód gruntowych przez stosowane w rolnictwie pestycydy.
Rozwój elektronicznie sterowanych urządzeń zaprawiających montowanych na sadzarkach jest podyktowany dynamicznym rozwojem elektroniki oraz trendem rozwoju rolnictwa w kierunku rolnictwa precyzyjnego.
29 4. Problemy badawcze i hipotezy robocze
Generalnym problemem technicznym, do rozwiązania którego służą podejmowane badania, jest znalezienie sposobu poprawienia równomierności pokrycia sadzeniaka preparatem chemicznym przy minimalizacji strat tego preparatu i ograniczeniu jego szkodliwej emisji do środowiska naturalnego. Przeprowadzone badania powinny umożliwić uzyskanie odpowiedzi na następujące pytania:
1. Czy wprowadzenie przerywanego strumienia kropel cieczy opryskowej pozwoli na ograniczenie zużycia preparatu chemicznego?
2. Czy wprowadzenie dodatkowego strumienia powierza do dyszy rozpylacza zmniejszy jego bezwładność i zapobiegnie powstawaniu grubym kroplom?
3. Czy zwiększenie liczby rozpylaczy poprawi równomierność pokrycia sadzeniaków zaprawa?
Hipotezy:
1. Zastosowanie przerywanego strumienia kropel cieczy opryskowej pozwoli na ograniczenie zużycia preparatu chemicznego w porównaniu ze strumieniem ciągłym w różnym stopniu przy zachowaniu jakości pokrycia powierzchni sadzeniaka preparatem chemicznym.
2. Wprowadzenie dodatkowego ciągłego strumienia powietrza do dyszy rozpylacza zmniejszy jego bezwładność i zapobiegnie powstawaniu grubych kropel w stanach przejściowych.
3. Zwiększenie liczby rozpylaczy powyżej stosowanych zwykle dwóch, przy zachowaniu optymalnej ich odległości od sadzeniaka, istotnie poprawi równomierność pokrycia jego powierzchni.
5. Badania symulacyjne 5.1. Wprowadzenie
Jednym z ważnych zabiegów chemicznej ochrony roślin jest zaprawiane materiału nasiennego w tym sadzeniaków, które stosuje się od niedawna. Zabieg ten chroni
30 sadzeniaki i młode rośliny we wczesnej fazie rozwoju przed atakiem licznych patogenów.
Najmniej kłopotliwe jest zaprawianie sadzeniaków w trakcie sadzenia. Rozwijana w tej pracy technologia zaprawiania polega na opryskiwaniu spadających na grunt sadzeniaków w locie przerywanym strumieniem cieczy, za pomocą elektronicznie sterowanych rozpylaczy, co zapobiega nadmiernemu, niepotrzebnemu zużyciu preparatu. Technologia ta może być stosowana także do innych zabiegów chemicznych. A rozwijane w pracy podstawy teoretyczne zastosowane także do symulacji aplikacji dowolnych cieczy na złożone powierzchnie, np. przy lakierowaniu.
5.2. Opis programu komputerowego do symulacji oprysku
Do eksperymentów numerycznych wykorzystano program komputerowy o nazwie oprysk, który został napisany w Zakładzie Maszyn Roboczych Politechniki Poznańskiej.
Program ten jest składnikiem rozwijanego w ramach prac statutowych pakietu o nazwie roboczej agrosym, przeznaczonego do symulacji procesów roboczych zachodzących w maszynach rolniczych, takiej jak siew nawozów i nasion, przesiewanie omłot itp. Program zakodowano w systemie RAD Lazarus bazującym na języku programowania Free Pascal.
Lazarus jest to nowoczesne obiektowo zorientowane środowisko programistyczne pozwalające edytować, kompilować i sprawdzać aplikacje na różne platformy sprzętowe, w tym platformę systemu Windows10.
Model matematyczny procesu opryskiwania sadzeniaków oparto na następujących założeniach:
1. Sadzeniak jest opryskiwany z kilku stron za pomocą rozpylaczy płasko strumieniowych o danym kącie rozpylania i danej funkcji rozkładu cieczy na płaszczyźnie prostopadłej do osi rozpylacza.
2. Płaszczyzna strumienia cieczy jest prostopadła do toru spadania sadzeniaka.
3. Na powierzchni sadzeniaka w całości zatrzymywana jest struga cieczy roboczej, która przecina się z tą powierzchnią.
4. Strugi, które nie trafiają w powierzchnię sadzeniaka stanowią stratę cieczy opryskowej.
31 5. Sadzeniak ma kształt kulisty lub elipsoidalny i spada z wysokości H z zadaną prędkością początkową, ruchem jednostajnie przyspieszonym w polu grawitacyjnym ziemi. Opory aerodynamiczne są pomijalne
Rozkład oprysku na powierzchni prostopadłej do osi rozpylacza może mieć rożny kształt i jest opisany ogólnie funkcją:
. (1)
Funkcja ta ma zwykle kształt zbliżony do trójkąta, gdyż właśnie rozkład trójkątny zapewnia równomierny rozkład sumy oprysku na szerokości belki opryskowej - w przypadku, gdy rozpylacze są rozmieszczone w odległościach równych połowie szerokości pasa oprysku pojedynczego rozpylacza. Przykładowy rozkład cieczy emitowanej przez rozpylacz na stół rowkowy ilustruje rycina 13.
Ryc. 13Rozkład cieczy na stole rowkowym dla rozpylacza szczelinowego [104]
32 ,
(2)
gdzie sp - szerokość pasa oprysku.
Dla takiej funkcji sumaryczny wydatek rozpylacza wyniesie:
,
(3)
stąd:
.
(4)
Na tej podstawie można obliczyć funkcję rozkładu oprysku w zależności od kąta jaki tworzy dana struga z osią rozpylacza,
Z ryciny 13 wynika że:
, (5)
, (6)
stąd:
.
(7)
Zakładając, że początek układu współrzędnych leży w punkcie emisji sadzeniaka, zaś oś z tego układu jest skierowana pionowo w dół, położenie środka sadzeniaka po czasie t wynika ze wzoru na swobodny spadek w polu grawitacyjnym:
33
= , (8)
gdzie:
v0 – prędkość początkowa, gz – przyspieszenie ziemskie.
Położenie środka sadzeniaka względem płaszczyzny oprysku można obliczyć jako:
. (9)
Promień przekroju sadzeniaka płaszczyzną oprysku obliczmy z zależności:
r = . (10)
Stąd można obliczyć kąt graniczny na jakim w chwili t strugi z rozpylacza natrafiają na sadzeniak w formie kuli o promieniu r:
.
(11)
Całkując funkcję rozkładu strumienia cieczy w granicy od zera do α(t) można obliczyć natężenie strumienia padającego na sadzeniak w chwili t:
.
(12)
Całkując to wyrażenie wzdłuż osi czasu otrzymamy masę cieczy zatrzymanej na powierzchni sadzeniaka na odcinku czasu od chwili t0 do chwili t1:
.
(13)
34 W przypadku zastosowania strumienia przerywanego chwila t0 odpowiada momentowi pojawienia się sadzeniaka w płaszczyźnie oprysku, zaś chwila t1 odpowiada momentowi jego wyjścia ze strefy oprysku. W rzeczywistej maszynie chwile te mogą być wykrywane za pomocą czujnika optycznego.
W tym czasie rozpylacz emituje ilość cieczy, którą można obliczyć z zależności:
. (14)
W przypadku strumienia ciągłego rozpylacz emituje na każdy sadzeniak ilość cieczy jaka wynika z czasu upływającego pomiędzy emisją kolejnych sadzeniaków:
,
(15)
gdzie :
d- rozstaw sadzeniaków w rzędzie, vj – prędkość jazdy maszyny.
Stopień retencji cieczy przy oprysku ciągłym i przerywanym można obliczyć z definicji jako stosunek masy cieczy zatrzymanej na sadzeniaku do masy cieczy wypryskanej.
,
(16)
.
(17)
35 Celem optymalizacji systemu opryskiwania jest uzyskanie jak najwyższego stopnia retencji i jednocześnie równomierności pokrycia powierzchni sadzeniaka cieczą roboczą.
Są to wymagania poniekąd sprzeczne, ponieważ strumień rozpylonej cieczy z rozpylacza o małym kącie emisji będzie zatrzymywany na sadzeniaku w większym stopniu, jednak pokrycie będzie maiło formę wąskiego pasa i odwrotnie.
Powyższe zależności teoretyczne zostały zakodowane w programie w formie kilku funkcji przetoczonych poniżej. Całkowanie tych funkcji przeprowadzono najprostszą metodą prostokątów, stosując krótki krok całkowania.
//obliczenie wykorzystanego kata oprysku//
function katczynny(t:real):real;
var
p1,z,x:real;
begin
z:=d.v0*t+gz*t*t/2;
p1:=abs(d.hh-z);
if p1<d.rr then x:= sqrt(d.rr*d.rr-p1*p1) else x:=0;
katczynny:=arctan(x/sqrt(d.ll*d.ll-x*x));
d.xx:=x;
end;
//Obliczenie ilości środka w jednostce czasu//
function porcjadt(alfa,z:real):real;
var dalfa,alfat,m,tanalfa,tanbeta:real;
i:integer;
porcyjka:real;
x1,y1,x2,y2:integer;
begin alfat:=0;
dalfa:=0.001;
m:=0;
tanbeta:=sin(d.beta)/cos(d.beta);
if alfa>0 then repeat
alfat:=alfat+dalfa;
36 tanalfa:=sin(alfat)/cos(alfat);
if tanbeta>tanalfa then begin
porcyjka:=q0*(1-tanalfa/tanbeta)*dalfa;
m:=m+porcyjka;
end;
until alfat>alfa;
porcjadt:=m*dt;
end;
// obliczenie retencji//
procedure retencja;
var masa,alfa,tmax:real;
napis:string;
oknot:boolean;
begin
t:=0;
dt:=0.001;
masa:=0;
tmax:=2*sqrt(2*d.hh/gz);
oknot:=false;
repeat t:=t+dt;
alfa:= katczynny(t);
if not(oknot) and (alfa>0.01) then begin w.t1:=t;oknot:=true;end;
if oknot and (alfa<0.01) then begin w.t2:=t;oknot:=false;end;
masa:=masa+porcjadt(alfa,dt)*2;
//szkic(d.xx,d.ll,d.beta);
until t>tmax;
str(masa:15:10,napis);form1.edit7.text:=napis;
w.ret:=masa;
end;
//Obliczenie retencji dla ciągłego i przerywanego wypływu oraz oszczędności//
procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);
37 var masa0,masa1,stratasc,stratanc, tbeta,okr:real;
napis:string;
re,xxx,i,yrozp:integer;
begin
assignfile(wyniki,'wynobl.txt');
rewrite(wyniki);
wczytajdane;
okr:=d.d/d.vj;
tbeta:=sin(d.beta)/cos(d.beta);
xxx:=round(d.ll*tbeta*skala);
pokazbulwe:=true;
mapabitowa.canvas.brush.color:=clwhite;
with mapabitowa do canvas.rectangle(0,0,width,height);
yrozp:=ye0-round(d.ll*skalax);
mapabitowa.canvas.brush.color:=clred;
mapabitowa.canvas.rectangle(xe0-20,yrozp,xe0+20,yrozp-50);
with mapabitowa.canvas do for i:=1 to 100 do begin
pen.color:=clblue;
moveto(xe0,yrozp);
lineto(xe0-round(i/100*xxx),ye0);
moveto(xe0,yrozp);
lineto(xe0+round(i/100*xxx),ye0);
end;
re:=round(d.rr*skalax);
mapabitowa.canvas.brush.color:=clyellow;
mapabitowa.canvas.ellipse(xe0+re,ye0+re,xe0-re,ye0-re);
retencja;
masa1:=(w.t2-w.t1)*d.wyd/2;
masa0:=d.wyd*d.d/d.vj/2;
form1.canvas.copyrect(rect(0,0,mapabitowa.width,mapabitowa.height), mapabitowa.canvas,rect(0,0,mapabitowa.width,mapabitowa.height));
mapabitowa.destroy;
str(w.ret:15:6,napis);form1.edit7.text:=napis;
38 str(w.ret/masa0*100:5:1,napis);form1.edit8.Text:=napis;
str(w.ret/masa1*100:5:1,napis);form1.edit9.Text:=napis;
str((masa0-masa1)/masa0*100:5:1,napis);form1.edit10.Text:=napis;
closefile(wyniki);
end;
//obliczenie wpływu odległości rozpylacza i kąt rozpylenia ropylacza//
procedure TForm1.Button2Click(Sender: TObject);
var i,j,k:integer;
tbeta:real;
okr,masa0,masa1,alfaopt,sa:real;
napis:string;
lw,lw1:tab2d;
begin
wczytajdane;
with ow1 do begin
x1:=350;x2:=1000;
xmax:=120;
xmin:=10;
ymax:=120;
nw:=6;
nh:=6;
end;
okr:=d.d/d.vj;
mapabitowa.canvas.brush.color:=rgb(200,200,255);
with mapabitowa do canvas.rectangle(0,0,width,height);
assignfile(wyniki,'wynobl.txt');
rewrite(wyniki);
siatkawykresu(mapabitowa,ow1,0,clwhite);
for j:=1 to 5 do begin
d.ll:=j*0.02+d.rr;
for i:=1 to 100 do begin
39 d.beta:=i/100*ow1.xmax*3.14/360;
tbeta:=sin(d.beta)/cos(d.beta);
q0:=d.wyd/( d.ll*tbeta);
retencja;
masa1:=(w.t2-w.t1)*d.wyd/2;
masa0:=d.wyd*d.d/d.vj/2;
lw[1,i]:=2*d.beta*180/3.14;lw[2,i]:=w.ret/masa0*100;
lw1[1,i]:=2*d.beta*180/3.14;lw1[2,i]:=w.ret/masa1*100;
writeln(wyniki,lw[1,i]:10:0,lw[2,i],masa0:10:4,masa1:10:4);
//str(w.ret/masa0:10:5,napis);form1.edit9.text:=napis;
end;
sa:=d.rr/d.ll; if sa>0.99 then sa:=0.99;
alfaopt:=2*arctan(sa/sqrt(1-sa*sa))*180/3.14;
k:=1;
repeat inc(k) until (lw1[1,k]> alfaopt) or (k>99);
str(d.ll*1000:3:0,napis);
mapabitowa.canvas.pen.width:=2;
liniawykresu(lw,napis,clred);
liniawykresu(lw1,napis,clgreen);
punktwykresu(mapabitowa,ow1,clblue,lw1[1,k],lw1[2,k],4);
punktwykresu(mapabitowa,ow1,clblue,lw[1,k],lw[2,k],4);
end;
form1.edit4.text:='Zmienna';
form1.edit3.text:='Zmienna';
closefile(wyniki);
form1.canvas.copyrect(rect(0,0,mapabitowa.width,mapabitowa.height), mapabitowa.canvas,rect(0,0,mapabitowa.width,mapabitowa.height));
mapabitowa.destroy;
end;
//Obliczenia wpływu rozstawu w rzędzie i prędkości jazdy//
procedure TForm1.Button3Click(Sender: TObject);
var i,j,k:integer;
tbeta:real;
okr,masa0,masa1,alfaopt,sa:real;
40 napis:string;
lw,lw1:tab2d;
begin
wczytajdane;
with ow1 do begin
x1:=350;x2:=1000;
xmax:=2;
xmin:=0.2;
ymax:=80;
nw:=6;
nh:=6;
opisx:='predkosc jazdy [m/s]';
end;
assignfile(wyniki,'wynobl.txt');
rewrite(wyniki);
siatkawykresu(mapabitowa,ow1,0,clwhite);
tbeta:=sin(d.beta)/cos(d.beta);
for j:=1 to 5 do begin
d.d:=j*0.1+0.05;
for i:=1 to 100 do begin
q0:=d.wyd/ ( d.ll*sin(d.beta)/cos(d.beta));
d.vj:=i/100*ow1.xmax;
okr:=d.d/d.vj;
retencja;
masa1:=(w.t2-w.t1)*d.wyd;
masa0:=d.wyd*d.d/d.vj;
lw[1,i]:=d.vj;lw[2,i]:=w.ret/masa0*100;
lw1[1,i]:=d.vj;lw1[2,i]:=w.ret/masa1*100;
writeln(wyniki,lw[1,i]:10:0,lw[2,i],masa0:10:4,masa1:10:4);
//str(w.ret/masa0:10:5,napis);form1.edit9.text:=napis;
end;
41 sa:=d.rr/d.ll; if sa>0.99 then sa:=0.99;
alfaopt:=2*arctan(sa/sqrt(1-sa*sa))*180/3.14;
k:=1;
repeat inc(k) until (lw1[1,k]> alfaopt) or (k>99);
str(d.d:3:2,napis);
mapabitowa.canvas.pen.width:=2;
liniawykresu(lw,napis,clred);
liniawykresu(lw1,napis,clgreen);
punktwykresu(mapabitowa,ow1,clblue,lw1[1,k],lw1[2,k],4);
punktwykresu(mapabitowa,ow1,clblue,lw[1,k],lw[2,k],4);
end;
form1.edit11.text:='Zmienna';
form1.edit12.text:='Zmienna';
closefile(wyniki);
form1.canvas.copyrect(rect(0,0,mapabitowa.width,mapabitowa.height), mapabitowa.canvas,rect(0,0,mapabitowa.width,mapabitowa.height));
mapabitowa.destroy;
end;
Program wyposażono dodatkowo w procedury badania wpływu wybranych czynników na efekt oprysku, graficznej wizualizacji wyników obliczeń na wykresach oraz dynamicznej symulacji oprysku na obrazie graficznym.
Wygląd okna tego programu podczas obliczeń przedstawia rycinie 14.
42 Ryc. 14 Okno programu oprysk z wynikami symulacji oprysku
Dane do obliczeń można edytować na panelu oznaczonym jako dane do obliczeń.
Wyniki obliczeń są ukazywane na żółtej tablicy. Przedstawiają one kolejno masę cieczy zatrzymanej na powierzchni sadzeniaka oraz kolejno stopień retencji cieczy opryskowej przy zastosowaniu oprysku ciągłego i przerywanego. Stopień retencji zdefiniowano jako wyrażony procentowo stosunek masy cieczy docierającej do powierzchni ziemniak do masy cieczy wypryskanej. Dodatkowo ukazano procent cieczy zaoszczędzonej dzięki zastosowaniu oprysku przerywanego. Obok znajduje się szkic przedstawiający usytuowanie rozpylacza względem ziemniaka oraz rozkład cieczy docierającej do powierzchni ziemniaka.
Wyniki badań symulacyjnych
Celem pracy było zweryfikowanie przedstawionych we wstępnych częściach pracy hipotez roboczych, o istotnym ograniczeniu zużycia cieczy opryskowej przy porównywalnej retencji tej cieczy na powierzchni sadzeniaka, dzięki zastosowaniu przerywanego strumienia oprysku. Wyznaczenie wpływu takich czynników jak: kąt rozpylenie, odległość
43 rozpylacza od toru spadania sadzeniaków, średnicy sadzeniaków oraz prędkości jazdy i rozstawu sadzeniaków w rzędzie na stopień retencji cieczy przy zastosowaniu strumienia przerywanego i ciągłego.
Jakkolwiek symulacja powyższa opiera się na znacznym uproszczeniu procesu oprysku, gdyż pominięty jest tu wpływ wielkości kropel, zmiany ich toru pod wpływem zawirowania powietrza, zdolności zwilżania powierzchni sadzeniaka przez padające na nią krople, które mogą ulegać odbijaniu.
Wyniki symulacji wyraźnie potwierdzają, że poprzez zastosowanie przerywanego strumienia oprysku, można uzyskać znaczne oszczędności cieczy roboczej. przekraczające 50%. Wyniki te wskazują, że stopień retencji cieczy na sadzeniaku jest najwyższy przy minimalnym kącie rozpylenia. Powoduje to jednak pogorszenie równomierności pokrycia.
Na kolejnych rysunkach przedstawiono rozkłady oprysku kolejno dla szerokiego kąta rozpylenia i dużej odległości rozpylacza od sadzeniaka, małej odległości oraz dużej odległości i małego kąta rozpylenia. Dla szerokiego kąta rozpylenia i znacznej odległości rozpylacza znaczna ilość cieczy nie dociera do powierzchni sadzeniaka. Można to skorygować zbliżając rozpylacz do sadzeniaka, jak na rysunku. Największą retencję uzyskamy stosując rozpylacz o małym kącie rozpylenia, jednak przy malej odległości od sadzeniaka uzyskujmy bardzo nierównomierne pokrycie jego powierzchni na wąskim pasku. Można to skorygować powiększając odległość rozpylacza.
Ryc. 15 Wyniki symulacji oprysku dla szerokiego kąta rozpylenia i znacznej odległości
44 Ryc. 16 Wyniki symulacji oprysku dla szerokiego kąta rozpylenia i pomniejszonej
odległości
45 Ryc. 17 Wyniki symulacji oprysku dla wąskiego kąta rozpylenia i pomniejszonej odległości
