Электроимпульсный пропольщик: обоснование проектного конструкторского решения

НАУЧНАЯ МЫСЛЬ

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Департамент научно-технологической политики и образования
федерального государственного бюджетного образовательного 

учреждения высшего образования «Волгоградский государственный 

аграрный университет»

Проблемная научно-исследовательская лаборатория

биоэнергетических исследований и эффективных электротехнологий

Сектора проблемной лаборатории перспективных технологий 

и процессов Центра исследования проблем безопасности 

Российской академии наук

И.В. Юдаев

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНЫЙ ПРОПОЛЬЩИК

Монография

УДК 631.348.8(075.4)
ББК 40.726
Ю16

Рецензенты:

Башилов А.М., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой 
электротехнологии 
в 
сельскохозяйственном 
производстве 
Московского 

государственного агроинженерного университета имени В.П. Горячкина; 
Иванов Ю.Г., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой 
электрификации и автоматизации Российского государственного аграрного 
университета — МСХА имени К.А. Тимирязева 

Юдаев И.В.

Ю16
Электроимпульсный пропольщик : монография / И.В. Юдаев. — Москва : 
ИНФРА­М, 2020. — 267 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-108761-9 (online)

Рассмотрены основные принципы построения на базе колесного 

трактора агрегата для 
электроимпульсного 
уничтожения сорняков. 

Выполнен 
анализ 
известных 
образцов 
и 
обоснована 
структура 

проектируемой 
электротехнологической 
установки. 
Изучены 

электропроводные свойства сорняков как объектов обработки, исследованы 
цепи протекания тока и выявлено их сопротивление. Приведена методика 
расчета и выбора основных элементов электрической части навесной 
установки для электроимпульсной прополки, а также предложена техникоэкономическая оценка.

Для 
студентов, 
магистрантов, 
аспирантов 
и 
преподавателей 

факультетов электрификации сельского хозяйства, а также специалистов 
АПК.

УДК 631.348.8(075.4)

ББК 40.726

ISBN 978-5-16-108761-9 (online)

© Юдаев И.В., 2020

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ
5

1. СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ БОРЬБЫ С 

СОРНЯКАМИ ……………………………………………………..…...
10

1.1. Сорные растения и способы борьбы с ними…………………..…
10

1.2. 
Повреждающее 
воздействие 
электрической 
энергии 
на 

растительную ткань …………………………………….…….…….…..
20

1.3. Агрегаты и установки для электрической прополки ……………
25

2. 
СОРНЫЕ 
РАСТЕНИЯ 
КАК 
ОБЪЕКТ 
ВОЗДЕЙСТВИЯ 

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПРОПОЛЬЩИКА ……………….……
40

2.1. Способы подведения электрической энергии к сорнякам …..…
40

2.2. 
Исследование 
цепи 
протекания 
тока 
обработки 
при 

электрическом уничтожении сорняков ……………………….……….
45

2.3. 
Схема 
замещения 
растительных 
тканей 
сорняков 
при 

электровоздействии ………….……………………...…………………
49

2.4. Электрическое сопротивление участков цепи протекания тока 

обработки сорняков ………………………………………………..….
53

2.5. Общее электрическое сопротивление цепи протекания тока 

обработки сорняков …………………………………………..………..
57

2.6. 
Оценка 
параметров 
повреждающего 
электрического 

воздействия при электроимпульсном уничтожении сорных растений 
64

3. КОМПОНОВКА ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПРОПОЛЬЩИКА 
76

3.1. Структура агрегата электроимпульсной прополки ………..…..
76

3.2. Обоснование и выбор источника электрической энергии ……...
82

3.2.1. Первичные источники питания для электропропольщиков …..
82

3.2.2. Энергетические возможности трактора МТЗ-80 ……………...
84

3.2.3. Особенности работы агрегата и требования, предъявляемые к 

генераторной установке ………………………………………………..
91

3.2.4. Выбор приводного электрогенератора ………………………..
93

3.3. 
Электродные 
системы 
подведения 
энергии 
к 
сорным 

растениям…………………………………………………………...…….
103

3.3.1. Конструкции электродных систем электропропольщиков и 

предъявляемые к ним требования ……………………….………..…..
104

3.3.2. Обоснование высоты подвеса навесной электродной системы 
108

3.3.3. Обоснование и выбор электродов навесных секций …………..
113

3.3.4. Обоснование и выбор заглубленного в почву электрода….…
119

3.4. Схемное решение электрической части агрегата. Расчет и выбор 

электрооборудования …………………………………………………..
122

3.4.1. Расчет и выбор элементов агрегата для электроимпульсной 

прополки …………………………………………………………..……
122

3.4.2. Анализ процессов в зарядном контуре электроимпульсной 

установки ..……………………………………………………..……….
148

3.4.3. Моделирование процессов в разрядном контуре ..……….……
154

3.5. Компоновка навесного устройства на трактор ……………….….
166

4. 
ОБЕСПЕЧЕНИЕ 
БЕЗОПАСНОСТИ 
ЭКСПЛУАТАЦИИ

АГРЕГАТА …………….…………………………………………..……..
194

4.1. 
Особенности 
техники 
безопасности 
при 
эксплуатации 

мобильной электротехнологической установки …………………..…
194

4.2. Обеспечение безопасности при работе электропропольщика 
195

4.3. Общие вопросы гигиены труда ……..……………………..…….
198

4.4. Особенности безопасности работы механической части агрегата
200

4.5. Противопожарная безопасность ……………….………………….
201

5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ АГРЕГАТА
202

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ …….…………
211

6.1. Перспективы применения электроимпульсной прополки ……...
211

6.2. Технические условия на электроимпульсный пропольщик …...
215

6.3. Методика расчета технико-экономических показателей ……....
225

6.3.1. Расчет капитальных вложений …………………………………
226

6.3.2. Расчет приведенных затрат ……………………………………..
228

6.3.3. Расчет технико-экономических показателей ……………..……
230

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК …………………………………
232

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей задачей сельскохозяйственного производства России в 

настоящее время является увеличение валового и товарного объѐма 

высококачественной экологически чистой продукции растениеводства и 

животноводства. Еѐ решение возможно за счѐт совершенствования 

исторически сформировавшихся технологий и внедрения новых более 

совершенных
технических средств механизации,
электрификации и 

автоматизации производства.

Использование последних сдерживается не только отсутствием 

необходимого финансирования, а также недостаточной исследованностью

и изученностью основ и сущности процессов. Это характерно в первую 

очередь для технологий с использованием электрической энергии при 

выращивании, 
уборке, 
переработке 
и 
хранении 
продукции 

растениеводства и, в частности, уничтожения сорной растительности.

В аграрном секторе страны при развитии сформировавшейся новой 

рыночной общественно-экономической формации с многоукладной 

экономикой, при серьезном
экономическом расслоении крупных и 

средних предприятий АПК, фермерских и личных подсобных хозяйств, 

недостатке у большинства сельских товаропроизводителей материально
технических ресурсов у землепользователя объективно отсутствует 

возможность
выращивать растениеводческую продукцию на
ранее 

обрабатываемых сельскохозяйственных угодьях на площади свыше 30 

млн. га. Недостаток материально-технических средств обуславливает 

крайне низкий уровень хозяйствования на земле (без использования 

удобрений и средств защиты растений сейчас находится более 70% пашни) 

и критическое фитосанитарное состояние агроэкосистем. При такой 

ситуации
на 
бросовых 
землях 
и 
пашнях
в 
растениеводстве

сформировались устойчивые комплексы вредных организмов. Ряд 

специализированных вредителей и возбудителей болезней зерновых, 

картофеля и овощных культур, трудно искореняемых многолетних (осоты, 

пырей ползучий, гумай, острец) и карантинных сорных растений (горчак 

ползучий, виды амброзии и повилик) при их массовом и благоприятном 

развитии ежегодно вызывают чрезвычайные ситуации биогенного 

характера, дестабилизирующие агропромышленный комплекс, как
в 

крупных сельскохозяйственных регионах, так и в целом по России.

Россия занимает одно из первых мест в мире по площади посевов 

зерновых культур, однако по урожайности в несколько раз отстаѐт от 

многих стран. Объясняется это многими причинами, в том числе и низким 

уровнем 
культуры 
земледелия, 
неблагоприятным 
фитосанитарным 

состоянием и засорѐнностью полей. Более 70% посевов зерновых засорены 

сорной и нежелательной растительностью в сильной и средней степени. В 

1996…2000 гг. ежегодные потери урожая зерна в России от сорных 

растений составили в целом 10…12 млн. т, или 17,8% от общего объѐма 

производства [171]. Потери урожая сельскохозяйственных культур от 

сорняков в мировом земледелии также значительны и составляют

следующие показатели: пшеницы - 9,8; кукурузы - 13%; проса, сорго 
17,8%; риса - 10,8%; хлопчатника - 4,5%; сои - 13,5%; картофеля - 4%; 

томатов - 5,4% [1, 30, 171].

Из сказанного следует, что борьба с сорняками – очень важная

народно-хозяйственная
проблема. Для уничтожения нежелательной 

растительности применяют различные способы, которые принято делить 

на механические, химические, биологические и т.п. Традиционный 

механический способ имеет высокую эффективность (от 70 до 95%), 

огромный исторический опыт использования подручных и технических 

средств, 
но 
он 
достаточно 
энергоѐмок. 
Химический 
же 
метод 

характеризуется, прежде всего, избирательностью действия и ещѐ более 

высокой эффективностью (до 100%), но он существенно дорог и 

экологически не безопасен. В России и зарубежных странах для борьбы с 

сорными растениями разрабатываются другие достаточно эффективные и 

экологически чистые способы истребления сорняков, к которым относят и 

применение высоковольтных импульсных воздействий.

Для 
получения 
наилучших 
экономических 
показателей 

использования электроимпульсного уничтожения сорняков необходимо, 

чтобы эта операция была технологически эффективной, энергетически 

малозатратной и реализовывалась при помощи простых и сравнительно 

дешѐвых
технических
средств. 
Технологическая 
эффективность 

истребления сорных растений определяется в первую очередь надѐжным, 

необратимым повреждением их растительной ткани. Энергетические 

показатели зависят от минимального количества электрической энергии, 

которое необходимо затратить для того, чтобы степень повреждения 

тканей сорняков достигла своего предельного значения. Сложность 

конструкции электротехнологического устройства и его стоимость в 

значительной мере определяет напряжение обработки: чем оно ниже, тем 

проще, дешевле и безопаснее технические установки.

Для отыскания наилучших технологических норм, параметров и 

режимов воздействия электрической энергией на сорные растения 

необходимо более глубоко и всесторонне исследовать сами эти объекты

обработки, изучить варианты подведения электрической энергии к 

сорнякам, исследовать сопротивления цепей протекания тока обработки,

обосновать 
выбор 
элементов 
агрегата 
для 
электроимпульсного 

уничтожения сорных растений, а также рассмотреть варианты построения

основных схемных решений его электрической части.

Настоящая работа посвящена рассмотрению вопросов расширения

технологических возможностей и обоснования оптимальной структуры 

агрегата, применяемого для
электроимпульсной прополки наиболее 

распространенных в Нижнем Поволжье сорняков. В ней приведены 

материалы многолетних работ по всероссийским и региональным 

программам, представлены результаты исследований электрофизических, 

электропроводных 
свойств 
и 
параметров 
сорных 
растений, 

чувствительности их тканей к электрическому воздействию, обоснована

конструкция электроимпульсного пропольщика, приведен расчет и выбор 

основных элементов электрической части агрегата, сформулированы 

требования по технике безопасности, выполнено технико-экономическое 

обоснование.

Научная новизна работы состоит в следующем:

– выявлении закономерностей электропроводных свойств тканей

различных видов сорных растений Нижнего Поволжья, изменениях их 

параметров в процессе развития, а также
при их электрическом

повреждении;

– обосновании вариантов подведения электрической энергии к 

сорным 
растениям,
количественной
оценке
сопротивлений
цепей 

протекания тока обработки и их изменения в зависимости от влияющих 

факторов;

– установлении определѐнных технологических, энергетических и 

электрических характеристиках отдельных элементов и блоков установки 

для электроимпульсного уничтожения сорняков;

–обосновании
рациональной 
структуры 
электроимпульсного 

пропольщика;

–определении технико-экономической эффективности применения 

электроимпульсного пропольщика.

Практическая ценность работы состоит в том, что еѐ результаты 

позволяют обосновать конструкцию и
сформулировать технические 

условия на опытный, изготавливаемый в промышленных условиях образец

агрегата.

1. СПОСОБЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ БОРЬБЫ С 

СОРНЯКАМИ

1.1. Сорные растения и способы борьбы с ними

К сорнякам относят растения, которые, не возделываясь человеком, 

смогли приспособиться
к условиям жизни культурных растений, 

произрастают вместе с ними и наносят им существенный вред. Сорные 

растения отличаются исключительной жизнеспособностью, повышенной 

жизнестойкостью, приспособляемостью к неблагоприятным условиям 

среды произрастания, что обеспечивается целым рядом биологических 

особенностей, и в частности [30, 41, 49, 50, 73, 74, 85, 86, 90, 94, 111, 117, 

119, 122, 171, 191, 242]: высокой семенной плодовитостью и большим 

запасом своих семян в почве;
долговечностью и не дружностью 

прорастания семян; неприхотливостью и приспособленностью сорняков к 

условиям произрастания; более ранними сроками созревания семян, в 

отличие от культурных растений; очень высоким внешним сходством, как 

самих сорняков, так и их семян с культурными растениями; способностью 

размножаться не только семенами, но и вегетативными органами; высокой 

конкурентоспособностью;
способностью 
паразитировать 
на 
других 

растениях.

Наличие этих биологических особенностей сорной растительности 

позволяет ей
постоянно увеличивать распространенность, повышать 

выживаемость при постоянной конкуренции, приспосабливаться к 

неблагоприятному влиянию окружающей среды, искать возможность для 

последующего возобновления после применения различных способов 

борьбы с ними.

Кроме этого сорняки отличаются разнообразием морфологических и 

анатомических признаков, характеризующихся различием в строении 

плодов и семян, а так же надземной части и корневой системы у каждого 

из биологических типов. Эти индивидуальные для каждого сорняка черты 

приобретены ими в процессе развития системы земледелия. Особенности 

сорных растений определяют их высокую устойчивость к повреждающему 

воздействию и возможность произрастать при некомфортных условиях 

окружающей среды.

Наиболее вредоносные и трудноискоренимые сорные растения –

корнеотпрысковые, 
основным 
регионом
распространения 
которых 

считаются земли южных областей России. Они обладают высокой 

экологической пластичностью, быстрым размножением, устойчивостью к 

неблагоприятным условиям. Это –
злостные и трудноискоренимые 

сорняки, корни которых в поисках влаги проникают в почву до 5...10 м, а 

отдельные отпрыски прорастают даже с глубины более 1 м. В течение 

вегетационного периода корнеотпрысковые сорные растения образуют из 

почек, заложенных на корневой системе, молодую поросль (отпрыски). 

Новые растения могут образовываться от небольших отрезков и обломков 

корневой системы. От одного такого сорняка распространяются и 

укореняются во все стороны десятки новых растений, в результате чего на 

полях возникают куртины этих сорных трав. 

Развиваясь на сельскохозяйственных угодьях, корнеотпрысковые 

сорняки заглушают и угнетают посевы, а также посадки возделываемых 

культур. Корневые выделения этих сорных трав снижают всхожесть и рост 

культурных растений, интенсивно потребляя питательные вещества из 

почвы. Так, один из наиболее злостных и наиболее распространенных, 

особенно в южных регионах страны, корнеотпрысковых сорняков – осот 

розовый, образует на 1 га порядка 4 т надземной и более 2 т подземной 

массы, поглощает из почвы 138 кг азота, 31 кг фосфора и 117 кг калия. 

Между тем для формирования только 1 т зерна расходуется 25 кг азота, 15 

кг фосфора, 15 кг калия, то есть при средней засорѐнности полей осот 

потребляет из почвы такое количество питательных веществ, которого 

хватило бы для получения на каждом гектаре 31,8 ц зерна озимой 

пшеницы (или 200 ц корнеплодов сахарной свеклы) [30, 41, 86].

На территории России произрастает почти две тысячи видов сорных 

растений, из которых около четырѐхсот, распространенных на посевах и 

посадках сельскохозяйственных культур, наносят значительный ущерб 

земледелию [30, 41, 50, 74, 85, 86, 90, 94, 111, 119, 122, 171, 191, 242].

Состояние 
засоренности 
сельскохозяйственных 
угодий 

Волгоградской области вызывает озабоченность. В последние годы из-за 

сложного экономического положения в хозяйствах резко сократились 

объѐмы химической прополки и агротехнической
борьбы с сорной 

растительностью, что и привело к увеличению засорѐнности полей.

Степень засорѐнности посевов и посадок на территории Нижнего 

Поволжья выше в те годы, когда периодически выпадают осадки. Так по 

данным 
летнего 
обследования 
2003…04 
годов, 
проведѐнного 

Волгоградской областной станцией защиты растений, сорняками засорено 

968,3 тыс. га из 1308,8 тыс. га обследованных площадей. 

Видовой состав сорняков Нижнего Поволжья встречающихся в 

посевах сельскохозяйственных культур и на парах многообразен. 

Доминирующие виды – двудольные многолетние корнеотпрысковые 

сорняки: осоты розовый и полевой (65% засорѐнных площадей), вьюнок 

полевой (55%), молочай лозный (29%), бодяки (20%). В южных и 

заволжских районах распространен наиболее вредоносный карантинный 

корнеотпрысковый сорняк – горчак розовый (4%). Такая засорѐнность 

трудноискоренимыми многолетниками сельскохозяйственных угодий 

требует целый комплекс приѐмов борьбы, прежде всего направленных на 

истощение развитой корневой системы сорняков.

Из двудольных однолетников необходима борьба с марями разных 

видов (34%), щирицами (31%), комплексом крестоцветных сорняков –

ярутка, сурепка, редька дикая и т.п. (6…27%), а также злаковыми 

сорняками – овсюгом обыкновенным (4%), куриным просом (6%),

щетинниками (13%).

Преобладающая степень засорѐнности сельскохозяйственных угодий 

области – 1…5 сорняков на 1 м2 (34% обследованных площадей), 6…15 на 

1 м2 (25%), 16…50 сорняков на 1 м2 (13%).

Сегодняшнее состояние посадок и посевов определяет, что борьба с 

сорняками –
одна
из важнейших технологических операций
при 

производстве дешѐвой и качественной продукции растениеводства. 

Существующие традиционные способы борьбы с сорной растительностью 

можно 
поделить
на 
предупредительные 
и 
истребительные. 

Предупредительные 
направлены 
на 
проведение 
профилактических 

действий, которые исключают возможность образования источников 

засорения сельскохозяйственных угодий семенами сорных растений и 

препятствуют
их дальнейшему распространению. Основная
задача

истребительных мер – непосредственное уничтожение представителей 

сорной растительности, еѐ семян и вегетативных органов размножения в 

посевах и на необрабатываемых землях.

Весь комплекс профилактических действий направлен, прежде 

всего, на снижение засорѐнности сорными растениями возделываемых 

земель. Основными из таких предупредительных мероприятий являются 

29, 30, 41, 49, 50, 73, 74, 90, 94, 119, 122, 171, 191, 242: прогнозирование 

засорѐнности 
и 
картографирование 
сорняков; 
очистка 
посевного 

материала от семян сорняков; соблюдение оптимальных сроков и способов 

посева, а также норм высева; правильное применение органических 

удобрений; 
очистка 
поливных 
вод 
от 
семян 
сорных 
растений; 

своевременная уборка урожая и оборудование уборочных машин 

специальными уловителями семян сорняков; уничтожение сорных 

растений на необрабатываемых землях (на межах, обочинах дорог, откосах