Теоретические основы создания электроимпульсных культиваторов для борьбы с сорняками

УДК 637.125

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫХ КУЛЬТИВАТОРОВ ДЛЯ БОРЬБЫ С СОРНЯКАМИ

© 2016 г. И.Н. Топорков, В.А. Королев

Уничтожение сорняков - один из важнейших необходимых процессов в комплексе технологий производства продукции растениеводства. Одним из перспективных методов борьбы с сорняками является использование технологий, основанных на применении электрической энергии высокого напряжения. Цель статьи - разработать технические средства поддержки экологически чистых технологий растениеводства, в частности, создание высоковольтных электроимпульсных культиваторов (ЭИК) для уничтожения сорняков. Установлено, что при воздействии импульсов высокого напряжения на растительную ткань, разрушающее действие оказывают кинетический пробой мембран клеток и их разрыв за счет локального давления электрических сил и увеличения размеров пор в мембранах до критических и дальнейшее разрушение растительных тканей происходит под воздействием токов проводимости. С увеличением напряжения наблюдается уменьшение времени жизни сорняков, в первом приближении пропорционально квадрату приложенного напряжения. Приведены результаты расчстно-теоретических и экспериментальных исследований, положенных в основу создания ЭИК для борьбы с сорной растительностью. Обоснованы параметры, режимы работы и конструкции рабочих органов ЭИК, позволяющих повысить эффективность и снизить энергоемкость уничтожения сорняков. Приведены результаты исследования механизма, разрушения мембран растительных клеток и математическая модель процесса уничтожения сорняков электрическими импульсами высокого напряжения. Для повышения эффективности, снижения энергоемкости электро про полки, увеличения производительности ЭИК применена модульная конструкция источника питания и рабочих органов, а также двухэтапный процесс уничтожения сорняков. Полученные результаты исследования могут быть использованы при разработке электро импульсных устройств для борьбы с сорняками при производстве экологически чистой продукции.

Ключевые акта: сорняк. степень повреждения сорняков, электрический импульс, электро культиватор, экологически чистая продукция.

Destruction of weeds is one of the most important processes that are required in the complex of crop production technologies. One of the promising methods of weed control is the use of technologies based on the appliance of high-voltage electrical energy. Purpose of the article is to develop technical tools to support environmentally friendly crop production technologies, in particular, the creation of high-voltage electric pulse cultivators (EPC) to eliminate weeds. It was established that under the high voltage pulses processing plant tissue damage effect is achieved by kinetic breakdown of cell membranes and rupture due to local electric power pressure and increase of the pore size in the membranes up to critical and further destruction of plant tissues under effect of conduction currents. With increasing voltage, there is observ ed decrease of the weed lifetime that is to first approximation proportional to the square of the applied voltage. There are presented the results of calculated theoretical and experimental researches that formed the basis for the designing EPC to eliminate weeds. There are substantiated parameters, operation modes and design of EPC working bodies that improve efficiency and reduce the energy

intensity of weed elimination. There are presented the results of the research of the mechanism of plant ceils membranes destruction and the mathematical model of weed elimination by high voltage electric pulses. To improve the efficiency, reduce the energy consumption of electric weeding, increase productivity of EPC there is applied modular design of power source and w orking bodies, as well as a two-step process of weed elimination The results of research can be used to develop electric pulse devices for weed elimination at the production of environmentally friendly products.

Keywords: weed, weed damage degree, electric pulse, electric cultivator, env ironmentally friendly products.

Введение. Уничтожение сорняков -один из важнейших необходимых процессов в комплексе технологий производства продукции растениеводства. Одним из перспективных методов борьбы с сорняками является использование технологий, основанных на применении электрической энергии высокого напряжения. Существуют технологии и технические устройства уничтожения сорняков с воздействиями синусоидальным током высокого напряжения промышленной частоты [1, 2, 3]. В аспекте повышения эффективности и снижения затрат энергии принципиальными преимуществами, по сравнению с ними, обладает технология уничтожения сорняков импульсами высокого напряжения [8, 9], базирующаяся на ином (не тепловом) механизме воздействия на растительную ткань. Для практического внедрения этой технологии необходимо рассмотреть механизм разрушения растительной ткани импульсами высокого напряжения и, используя математическую модель процесса уничтожения сорняков и экспериментальные данные, разработать теоретические основы создания электроимпульсных культиваторов для борьбы с сорняками.

Общие положения. Теоретические основы создания энергоэффективных высокопроизводительных ЭИК для борьбы с сорняками базируются на:

- математической модели и механизме разрушения растительной ткани электрическими импульсами высокого напряжения;

- принципах расчета параметров электроимпульсного культиватора для борьбы с сорняками;

- теоретических основах разработки принципиальной схемы высоковольтного импульсного источника питания установки;

- обосновании параметров, компоновке и разработке рабочих органов электроимпульсных культиваторов.

Математическая модель и механизм разрушения растительных тканей сорняков импульсами высокого напряжения. Исследования показали, что механизм воздействия импульсов высокого напряжения (ИВН) на растительную ткань зависит от параметров импульсов, фазы развития сорняков, состояния их поверхности, влажности почвы и т.д. Для взрослых растений основным действующим фактором является энергия импульса, а всходов -давление на фронте ударной волны, развивающейся по поверхности растения, и вызывающей деформацию растительных клеток, разрыв их оболочек или вырывание всходов растений из почвы (или отрыв стебля от корня у корневой шейки) [4].

Однако при перекрытии растения каналом разряда, ввиду больших непроизводительных затрат энергии, процесс уничтожения всходов сорняков ИВН не эффективен, поэтому для снижения энергоемкости процесса необходимо обрабатывать всходы сорных растений на напряжениях, исключающих перекрытие по поверхности растения. В этом случае действуют другие механизмы разрушения клеток растительной ткани.

Практический интерес представляет реакция клетки растений на воздействие ИВН. Растительная ткань в основном состоит из клеток и пространства между клетками, заполненного межклеточником. Каждая клетка окружена клеточной оболочкой, состоящей из плазматической мембраны и накладывающейся на нее снаружи толстой целлюлозной оболочки, состоящей из клетчатки. Для того чтобы клетка погибла, необходимо разрушить мембрану.

Мембрана растительной клетки по своей структуре представляет собой плоский конденсатор, обкладки которого образованы поверхностными белками, а роль диэлектрика выполняет липидный слой, с диэлектрической проницаемостью 8 = 2.0.. .2,2.

После подачи на мембраны разности потенциалов они, особенно в первый момент, подобны диэлектрикам, поэтому можно рассматривать механизм их повре-

ждения на основе кинетическои теории прочности твердых диэлектриков [5].

Толщина мембран клеток растительной ткани порядка 10 нм. Диэлектрическая проницаемость веществ мембраны равна 2, удельное сопротивление цитоплазмы рц = 104 Омм.

Общая толщина мембран, которую необходимо пробить, определяется так:

д =

•26.

о»

где Я», - расстояние от места приложения напряжения к растению до земли см;

¡4'- условная длина корня («15 см, т.к. на большей глубине от поверхности земли (при влажности почвы 12-18%, корень повреждается незначительно);

1К - средний размер растительной клетки;

50— средняя толщина мембраны клетки 10-10"9м.

При пробое 80-90% мембран от их общего количества, растение погибает.

Использование кинетической теории пробоя твердых диэлектриков [4], позволяет определить время жизни растения.

X = т„-ехр

II -0,5у/  е  ео  Е'

кт

где / - время жизни сорняков под воздействием ИВН;

т0 - период тепловых колебаний молекул (10"12... 10"14 с); ио - энергия активации разрушения связей между молекулами в мембране;

1.1-1.

структурно-чувствительный коэффициент; е - относительная диэлектрическая

проницаемость мембраны; г„ - диэлектрическая постоянная; Е - напряженность поля в мембране; К — постоянная Больцмана; '/'-температура растения °Кельвина.

1-

5 (/•' I )•.>

где II- приложенное к растению напряжение.

Формулы (1-3) являются математической моделью уничтожения сорняков электрическими ИВН.

Для расчета t необходимы экспериментальные данные по величинам 1/0, у/¡-к, I для различных видов сорных

растении и времени их вегетации.

Для упрощения расчетов можно использовать экспериментальные параметры 11 о и обобщенный параметр £ равный:

Е=С =

0,5у/ • ¡1 - е е {НР+1к)2-Я2'

Время жизни сорняка составит:

/ То ехр

и о -С -и-

КТ

Параметры 1/0 и С, можно определить из экспериментальных данных. Построим зависимость времени жизни сорняка от напряжения по экспериментальным данным в координатах /// / и V2 (рисунок 1).

Полученные экспериментальные зависимости на графике линейны, и соответствуют формуле (2). Это подтверждает адекватность теоретической модели процесса уничтожения сорняков экспериментальным данным.

Полученная математическая модель процесса уничтожения сорных растений, с учетом экспериментальных данных Но и £ позволяет получить основные электротехнологические параметры установки для борьбы с сорняками.

Принцип расчета параметров ЭИК для борьбы с сорняками. Время жизни

сорного растения определяем из формулы (4). Экстраполируя линейные зависимости (рисунок I) в сторону меньших напряжений, получим условное время жизни сорняков 1() при напряжении V 0.

Логарифмируя левую и правую части формулы (4), при II — 0, получим выражение для расчета энергии активации:

(! Л

ио = кг.1 и .

)

Параметр С, можно найти по формуле, используя экспериментальное значение времени жизни 11 при напряжении II

1

с=

и-КТ'1.

и:

1000

♦ 6-ти недельная марь белая

100 -

10

1000

1

од -

0,01 ,

2 5 1 20 0 30,кВ

Рисунок 1 - Зависимость времени жизни сорняка от напряжения в координатах 1п

Уровень рабочего напряжения составляет:

иИ,

где Ер - рабочая напряженность поля в растении (0,5-2,0 кВ/см), /? - высота рабочего электрода от земли (0,1 м). Сопротивление сорняка до обработки (/£„) и (К,:) после обработки составит:

К, = го • И,

где Го - погонное сопротивление сорняка (из опытных данных г о = 30-100 кОм/м).

Из опытных данных сопротивление сорняка до обработки в 8-9 раз больше, чем обработанного импульсами высокого напряжения.

/;> И

8,5

Длительность прохождения тока между растением и высоковольтным электродом tк равна:

. Я,-0,1

*" 7 ' где Нр высота растения м;

V— скорость передвижения ЭИК, м/с.

Для полного уничтожения растения необходимо, чтобы за время его контакта с высоковольтным электродом, оно получило летальную дозу энергии:

¡V

^ _ гг лап.

к Ж

ими. >

где 1¥тт. - летальная доза энергии для сорного растения; ^ш/?. - энергия импульса; /- частота следования импульсов.

Разработка принципиальной схемы высоковол ьтного импульсного источника питания установки. Высоковольтные импульсные источники энергии, применяемые в различных технологических процессах основаны на использовании емкостных или индуктивных накопителей. В емкостных накопителях энергии (конденсаторах), процесс накопления происходит при зарядке конденсаторов от выпрямителя высокого напряжения, а разряд на рабочий промежуток происходит через коммутирующие устройства - разрядники.

Недостатком этих схем является низкая частота следования импульсов, а также непосредственная связь накопительного конденсатора с источником питания, что существенно ограничивает возможность повышения производительности за счет увеличения частоты разрядов. Начиная с определенных соотношений ёмкости накопительного конденсатора и зарядного тока, резко возрастает вероятность перехода искрового разряда в дуговой из-за подпитки рабочего промежутка в момент восстановления его электрической прочности. Поэтому в установках для уничтожения сор-

ной растительности применять данную схему нецелесообразно. Кроме того, схемы с емкостными накопителями энергии, в состав которых входят дорогостоящие, с малым сроком службы высоковольтные конденсаторы невыгодны с экономической точки зрения. Поэтому нами были рассмотрены варианты схем накопителей энергии, в состав которых не входят высоковольтные конденсаторы.

При выборе схемы накопителя энергии за основу были приняты следующие требования:

а) схема накопителя энергии при заданном источнике должна обеспечивать необходимую величину запасенной энергии;

б) коэффициент полезного действия накопителя, определяемый как отношение выделившейся в нагрузке энергии к накопленной, должен быть не менее 90%;

в) схема накопителя энергии должна быть достаточно простой и допускать использование стандартных элементов энергетического оборудования.

Приведенные требования к накопителю энергии, по нашему мнению, наилучшим образом могут быть реализованы в схеме емкостного накопителя энергии. Благодаря своей простоте и надежности в эксплуатации этот вид накопителя получил в настоящее время наибольшее распространение. Поэтому для ЭИК целесообразно использовать схему генератора импульсов с емкостным накопителем энергии. Анализ известных технических решений показал, что для получения импульсного напряжения, отвечающего вышеуказанным требованиям {а, б, в) и требованиям ТЗ, наиболее подходящим является преобразователь напряжения, выходной каскад которого выполнен по схеме полумостового последовательного инвертора, упрощенная схема которого приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Электрическая схема инвертора напряжения

Эта схема позволяет автоматически регулировать потребляемую преобразователем мощность и получать двухполярное импульсное напряжение двойной амплитуды напряжения синхронного генератора, что очень важно для получения минимального искажения формы напряжения на вторичной обмотке при высоких скоростях

намагничивания сердечника магнитопро-вода, снижения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток и получения высокого КПД.

Структурная схема источника питания и рабочих органов электроимпульсного культиватора представлена на рисунке 3.

РО-1 РО-2 РО-3

РО-4

РО-5 РО-6

Рисунок 3 - Структурная схема источника питания и рабочих органов электроимпульсного культиватора

Выпрями те ль

г Блок Л

защиты и ^контроля у

Прибор управления

ИТ-4

ИТ-5

ИТ-6

Преобра- Л зователь напряжения^

Бортовая сеть

ИТ-1

Управляемый преобразователь

напряжения предназначен для создания импульсного напряжения требуемой частоты и амплитуды для высоковольтных трансформаторов (ИТ-1... ИТ-6), подключенных на выход преобразователя.

Прибор управления формирует алгоритмы коммутации силовых ключей инвертора напряжения. Бортовая сеть служит для обеспечения питающими напряжениями узлов и блоков прибора управления и силового блока.

Параметры, компоновка и рабочие органы ЭИК. Для повышения эффективности уничтожения сорняков, снижения энергоемкости процесса и увеличения производительности, применена модульная конструкция источника питания и рабочих органов ЭИК, что позволяет снижать эффект «шунтирования» при электрической прополке, который связан с большим разбросом величин сопротивления сорняков (от десятков кОм до нескольких мОм) и тем самым повышать эффективность электропрополки.

Уничтожение сорняков проводят в два этапа [6]. На первом этапе, сорные растения обрабатывают электрическими импульсами амплитудой 30-35 кВ и энергией 0,05-0,1 Дж, что приводит к образованию внутри растений каналов проводимости и выходу клеточного вещества в межклеточник. В результате этого сопротивление стеблей и корней различных сорных расте-

ний, контактирующих с высоковольтным электродом, уменьшаются и становятся равными проводимости протоплазмы разрушенных клеток сорных растений. На втором этапе на сорные растения воздействуют электрическими импульсами амплитудой - 10-15 кВ и энергией - 5-20 Дж. После обработки на первом этапе сорные растения имеют практически одинаковую проводимость, что значительно снижает эффект «шунтирования» растений с низкой электрической проводимостью при обработке на втором этапе. При этом повышается эффективность уничтожения сорняков.

Эффективность уничтожения корневой системы сорняков возрастает при уменьшении влажности почвы [7].

Разработанный ЭИК конструктивно (рисунок 4) выполнен с размещением основных узлов на передней и задней подвесках трактора МТЗ-82 (или МТЗ-80) и состоит из:

- трехфазного синхронного генератора переменного тока на выходное напряжение 230/400 В, 400 Гц, мощностью 20 кВА /16 кВт;

- высоковольтного импульсного источника питания;

- системы управления, контроля и защиты;

- навесных фронтальных рабочих органов; подвески генератора.

Рисунок 4 - ЭИК

Рисунок 5 -ЭИК

Высоковольтный импульсный источник питания состоит из шести модулей, каждый из которых предназначен для работы по одному из шести пропалываемых рядков или междурядий.

Источник питания обеспечивает на выходе следующие показатели:

- напряжение на выходе 10-30 кВ;

- частоту следования разрядов - 800-1200 Гц;

- фронт импульса - 0,5^-5 мкс;

-длительность импульса 50-100 мкс;

- энергия в импульсе - 0,4-г-10 Дж.

Аппаратура управления, защиты и

сигнализации, расположенная в кабине трактора, обеспечивает оператору возможность осуществлять управление технологическим процессом электропрополки и контролировать работу системы защиты и сигнализации.

Выводы Установлено, что при воздействии импульсов высокого напряжения на растительную ткань разрушающее действие оказывают кинетический пробой мембран клеток и их разрыв за счет локального давления электрических сил и увеличения размеров пор в мембранах до критических и дальнейшее разрушение растительных тканей происходит под воздействием токов проводимости. С увеличением напряжения наблюдается уменьшение времени жизни сорняков, в первом приближении пропорционально квадрату приложенного напряжения. Полученная математическая модель процесса уничто-

жения сорных растений, учетом экспериментальных данных Uо и С, (4), позволяет получить основные электротехнологические параметры установки для борьбы с сорняками. Установлено, что наиболее предпочтительным для ЭИК является источник питания с преобразователем напряжения, выходной каскад которого выполнен по схеме полумостового последовательного инвертора, что позволяет исключить использование дорогостоящих с малым сроком службы высоковольтных конденсаторов и обеспечить необходимые параметры импульсов для эффективного уничтожения сорных растений. Обоснованные параметры, режимы работы и конструкции рабочих органов (ЭИК) позволяют повысить эффективность и снизить энергоемкость уничтожения сорняков.

Литература

1. Патент США 4.094.095: МПКА01М 21/00. Method and apparatus for using electrical current to destroy weeds in and around crop rows / Willis G. Dykes; заявитель и патентообладатель Lasco Inc. - № 795.087; заявл. 09.05.77; опубл. 13.06.78. - 8 с.

2. Патент США 4.177.603: МПКА01М 21/00. Plant destruction using electricity / Willis G. Dykes; заявитель и патентообладатель Lasco Inc. - № 859.1 10; заявл. 06.12.77; опубл. 11.12.79. - 3 с.

3. Ляпин, В.Г. Характерные недостатки разработки мобильных электротехноло-

гических установок и закономерности их развития / В.Г. Ляпин // Труды ГОСНИТИ. Т. 120. - Москва, 2015. - С. 79-83.

4. Свиталка, П И Методика и исследование действующих факторов искрового разряда и их роль в повреждении растительной ткани / П.И. Свиталка // Электронная обработка материалов. - 1976. - № 2. -С. 70-73.

5. Ермилов, И.В. Кинетическая теория электрической прочности твердых диэлектриков / И.В. Ермилов // Электричество. - 1994.-№ 9.-С. 1-11.

6. Патент РФ № 2490888: МПК А01М 21/04. Способ и устройство уничтожения сорных растений / В.Н. Топорков, В.А. Королев, Т.В. Лавренева, Н.В. Харчен ко; заявитель и патентообладатель ВИЭСХ. - 2011152280/13; заявл. 22.12.11;. опубл. 27.08.2013, бюл. № 24. -11 с. ил.

7. Топорков, В.Н. Зависимость степени повреждения корневой системы сорняков, от глубины их залегания и влажности почвы при электроимпульсной обработке / В.Н. Топорков // Альтернативная энергетика и экология. - 2015. - № 13-14. -С. 169-171.

8. Юдаев, И.В. Технологическая эффективность электроимпульсной обработки сорняков / И.В. Юдаев, В.И. Баев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2001.-№ 10. - С. 17-19.

9. Юдаев, ИВ. Исследования процесса электроимпульсного уничтожения сорняков / И.В. Юдаев Аграрная наука. -2004.-№ 6.-С. 21-22.

References

1. Willis G. Dykes Method and apparatus for using electrical current to destroy weeds in and around crop rows, patent USA 4.094.095, MPK A01M 21/00, zajavitel1 i patentoobladatel' Lasco lnc, No.795.087,zajavl. 09.05.77, opubl. 13.06.78, 8p.

2. Willis G. Dykes Plant destruction using electricity, patent USA 4.177.603, MPK A01M 21/00, zajavitel' i patentoobladatel1

Lascolnc, No. 859.1 10, zajavl. 06.12.77, opubl. 11.12.79, 3 p.

3. Ljapin V.G. Harakternye nedostatki razrabotki mobil'nyh jelektrotehnologicheskih ustanovok i zakonomernosti ih razvitija [Typical disadvantages of designing mobile elec-trotechnological units and regularities of their development], Trudy GOSNITI, Vol. 120, Moscow, 2015, pp. 79-83.

4. Svitalka P.l. Metodika i issledovanie dejstvujushhih faktorov iskrovogo razrjada i ih rol' v povrezhdenii rastitel'noj tkani [Methodology and research of acting factors of spark discharge and their role in the plant tissue damage], Jelektrormaja obrabotka mate-ria/ow 1976, No. 2, pp. 70-73.

5. Ermilov l.V. Kineticheskaja teorija jelektricheskoj prochnosti tverdyh dijel-ektrikov [The kinetic theory of electric strength of solid dielectrics], Jelektrichestvo, 1994, No. 9, pp. 1-11.

6. Toporkov V.N., Korolev V.A., La-vreneva T.V., Harchenko N.V Sposob i ustro-jstvo unichtozhenija sornyh rastenij [The method and apparatus of weed elimination], pat. RU No. 2490888, MPK AOIM 21/04,.; zajavitel' i patentoobladatel' VUeSH, 2011152280/13, zajavl.22.12.11, opubl.27.08.2013, bjul. No. 24, lip, il.

7.Toporkov V.N. Zavisimost' stepeni povrezhdenija kornevoj si stem у sornjakov, ot glubiny ih zaleganija i vlazhnosti pochvy pri jelektroimpul'snoj obrabotke [he dependence of the damage degree of the weed root system on the depth of their occurrence, and soil moisture at electric pulse treatment], Al'tenm-iivnaja jenergetika i jekoiogija, 2015, No. 13-14, pp. 169-171.

8. Judaev IV., Baev V.I. Tehnolog-icheskaja jeffektivnost' jelektroimpul'snoj obrabotki sornjakov [Technological efficiency of electric pulse weeds processing], Me-hamzacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajsl-ra, 2001, No. 10, pp. 17-19.

9. Judaev, l.V. Issledovanija processa jelektroimpul'snogo unichtozhenija sornjakov [Researching process of electric pulse elimination of weeds], Agrarncija nauka, 2004, No. 6, pp. 21-22.

Сведения об авторах

Топорков Виктор Николаевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (Москва, Россия). Тел.: (499)-171-15-11. E-mail: vieshvt@yandex.ru.

Королев Владимир Александрович - кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией электрификации мобильных процессов, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (Москва, Россия). Тел.: (499)-171-15-11. E-mail: vieshvk@yandex.ru.

Information about authors

Toporkov Viktor Nikolaevich - Candidate of Technical Sciences, senior researcher of FSB SI «All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture» (Moscow, Russia). Phone: 8(499)171-15-11. E-mail: vieshvt@yandex.ru.

Korolev Vladimir Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, head of the Electrification of mobile processes laboratory, FSBS1 «All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture» (Moscow, Russia). Phone: 8(499)171-15-11. E-mail: vieshvt@yandex.ru.