Гидроколтер: вода вместо стали

26 ноября 2018 г.
Статьи Агротехнологии Гидроколтер: вода вместо стали
Гидроколтер

Народная мудрость рекомендует не путать мягкое с теплым. И это правильно. Но легко можно спутать жидкое с мягким. И напрасно. Древний китайский философ Лао-цзы писал, что вода «самое мягкое и самое слабое вещество в мире, но в преодолении твердого и крепкого она непобедима, и на свете нет ей равного».


Мягкость воды иллюзорна, ведь она практически несжимаема. При огромном давлении — около 10 тысяч атмосфер — вода сожмётся лишь на одну шестую часть своего объёма. А при относительно невысоком давлении вода передает усилие. Это свойство воды используют в гидравлических подъемниках – вода в цилиндре действует как прочный рычаг. А в полицейских водометах – как дубинка.

Струя воды под давлением 11 атмосфер (расход 200 л/мин.) на расстоянии до 5 м калечит и убивает, а на дистанции до 30 метров сбивает с ног. И сносит различные препятствия. Например, баррикады или палатки демонстрантов.

Примерно десять лет назад британская компания Dasic Marine начала производство дистанционно управляемых водометов для противодействия пиратам. Струи воды буквально смывают с палубы абордажную команду. А при некотором везении могут повредить или даже утопить моторные лодки и катера, которые используют сомалийские, нигерийские или малайские морские грабители.

Устройства, похожие на полицейские водометы или пожарные гидромониторы, имеют и более мирное применение. Например, при добыче полезных ископаемых или в строительстве. Вода размывает грунт, разрушает горные породы, дробит пласты угля и торфа.

Гидроколтер
Тонкая струя воды под сверхвысоким давлением аккуратно режет даже очень твердые и хрупкие материалы

Но струя воды может не только толкать или бить. Если диаметр струи уменьшить до толщины волоса, а давление увеличить до нескольких тысяч атмосфер, то она режет даже гранит и сталь.

Струя воды, которая режет металл, легко справится и с растительными материалами. И, конечно же, с почвой. С сухой, твердой «как камень». И с влажной – мягкой и липкой.

Применение металлических почвообрабатывающих орудий ограничено состоянием «физической спелости» почвы. То есть относительно узким диапазоном ее влажности/твердости. Твердая пересушенная почва плохо поддается обработке и «рвет» технику, а влажная – налипает на рабочих органах. Наличие обильных растительных остатков на поверхности почвы усугубляет ситуацию.

Растительные остатки – эффективный способ сохранения влаги в почве и действенный метод предотвращения эрозии. И одна из существенных помех для качественного посева с/х культур. Сеялки для No-Till обычно комплектуются режущим диском – колтером, который разрезает растительные остатки перед сошником. Ученые из «Южно-Австралийской ассоциации No-Till фермеров» (SANTFA) в 2007 году попытались заменить металлический колтер на гидрорезак.

И только через четыре года появился первый промышленный образец. Технология, которую назвали Aqua-Till, оказалась вполне реальной.

Струя воды прорезает не только слой растительных остатков, но и верхний слой почвы. Это существенно облегчает работу дисковому сошнику. А очень аккуратный разрез сохраняет растительные остатки в междурядьях в исходном состоянии. При этом уменьшается испарение влаги и предупреждается эрозия почвы. «Впрыснутые» в посевную борозду 80-200 л воды ускоряют набухание и прорастание семян.

Австралийцы не стали «изобретать велосипед» и воспользовались устройствами для резки водой, которые используются в промышленности. С некоторой доработкой, конечно же.

ВОДА КАМЕНЬ ТОЧИТ И МЕТАЛЛ РЕЖЕТ

Отверни гидрант и вода тверда
ни умыть лица ни набрать ведра
и насос перегрыз ремни
затупился лом не берет кирка
потому что как смерть вода крепка
хоть совсем ее отмени
А. Цветков

Вода несжимаема, поэтому является отличным «посредником» для передачи энергии. Удар струи воды под высоким давлением наглядно объясняет разницу между «жидким» и «мягким»
Вода несжимаема, поэтому является отличным «посредником» для передачи энергии. Удар струи воды под высоким давлением наглядно объясняет разницу между «жидким» и «мягким»

В 1947 году один советский инженер получил авторское свидетельство на новый способ резки твердых материалов. Идея была проста. Что будет, если обычную воду сжать под давлением 3-5 тысяч атмосфер, а затем «выпустить на свободу» через отверстие диаметром менее 0,5 мм? Вода вырвется наружу в виде тонкой и жесткой струи со скоростью порядка 1000 м/с. При столкновении «разогнавшейся» струи с твердой поверхностью энергия воды превратится в огромное давление. В зависимости от условий, давление может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч килограмм на сантиметр кубический.

Прочность твердых материалов зависит от энергии связи между атомами или молекулами. Если локально создать давление, сила которого окажется больше силы, удерживающей атомы вещества вместе, объект приложения силы начнет разрушаться в месте контакта. Совмещение высокого давления и поступательного движения вызовет линейное разрушение в виде узкой и длинной полосы. То есть объект будет разрезан. Вода под высоким давлением вполне может обеспечить такое воздействие.

Идея была отличная, но до технического воплощения пришлось подождать несколько десятков лет. Необходимы были насосы, способные создать давление в несколько тысяч атмосфер. И форсунки (сопла) с отверстием диаметром в десятые доли миллиметра, способные его выдержать.

Но с этими задачами справились. И на производстве стали появляться первые гидродинамические установки для точного «раскроя» твердых материалов. Они представляют собой каретку с соплом, которая перемещается по двум направлениям. Маршрут движения каретки составляется на компьютере, который и управляет процессом ее перемещения. Вода поступает к соплу под давлением более 4000 атмосфер, а из сопла вылетает струя толщиной в десятую долю миллиметра. При раскрое листового материала (плиты камня, керамики, листы металла) его укладывают на координационный стол под кареткой. И включают станок.

Такая технология имеет явные преимущества по сравнению с традиционными методами. Как правило, все способы обработки имеют ограниченное применение. Лазерный луч, например, хорошо режет углеродистую сталь, в медном листе «вязнет», а стекло проходит насквозь. Металлические, керамические или алмазные резцы со временем теряют остроту или разрушаются.

Струя воды не «тупится» и способна резать любой материал – от закаленного стекла до кевлара. Линия разреза может быть любой кривизны, иметь острые углы и крутые повороты.

Струей воды можно разрезать ракету вместе с топливом и снаряды со взрывчаткой. Температура воды в месте разреза не превышает 70°С. Для того чтобы усилить режущие свойства струи воды, в нее добавляют крупицы твердых абразивных материалов. Такие станки называют гидроабразивными.

За несколько десятилетий доработок и усовершенствований гидроабразивные станки превратились в относительно компактные и простые в эксплуатации устройства, которые вполне можно сделать мобильными. Например, установить на автомобиль и использовать для демонтажа каменных и металлических конструкций в огне/взрывоопасной зоне. Или установить на раму сеялки и использовать для разрезания растительных остатков при посеве.

СОЛОМА ПРОТИВ СТАЛИ

Кто силу, что всегда сечет
Солому,
С умом
И без обиды укорит?
И кто воздаст почет,
Хвалу другому
И о себе самом
Не говорит?
С.  Клычков

Для того, чтобы прорезать слой растительных остатков и верхний слой почвы, добавление абразива в воду
не требуется. Гидравлический резак, установленный
на сеялке, заменяет колтер. А в некоторых случаях –
и дисковый сошник

В Японии качество мечей и искусство владения ими (тамэсигири) традиционно проверяется на свернутых в рулон влажных циновках из рисовой соломы. Их замачивают на 12-36 часов в воде, а затем извлекают. После замачивания должно пройти 6-12 часов.

Зачем такие сложности? Дело в том, что плотность увлажненной таким способом соломенной мишени соответствует плотности человеческого тела. И если меч тупой, или самурай …тоже далек от совершенства, то мишень превратится не в две половинки с идеально ровным срезом, а в подобие мочалки.

Для «No-Till»-сеялок прорезать толстый слой влажных растительных остатков проблематично. При неудачном «тамэсигири» сошники вдавливают солому во влажную почву, и посев производится на соломенную «подушку». Отсутствие у семян плотного контакта с почвой приводит к неравномерному прорастанию, а также к гибели значительного количества всходов.

Возможны и другие проблемы: на колтер, сошник и прикатывающие катки налипают комья земли, перемешанные с соломой. Иногда вместе с высеянными семенами. Ведь если растительные остатки влажные, то почва под ними – мокрая.

Превозносимая древними китайскими философами тактика «недеяния» вполне работает, если есть приличный запас времени. Тогда можно подождать, пока растительные остатки подсохнут. Но время – деньги, как говорил Бенджамин Франклин. Особенно упущенное. При опоздании с посевом теряется не только время, но и влага. А вместе с ней – шансы получить высокий урожай.

Струя воды под сверхвысоким давлением режет сырую солому лучше, чем острая сталь. Струя воды не «вязнет» и не «тупится». И не вдавливает «недорезанную» солому в сырую мягкую почву.

ИСПЫТАНИЯ НА СТЕНДЕ И ПОЛЕ

Податливое побеждает крепкое, мягкое одолевает твердое, — все это знают, но никто не осмеливается действовать так.
Лао-Цзы

Для того, чтобы прорезать слой растительных остатков и верхний слой почвы, добавление абразива в воду
не требуется. Гидравлический резак, установленный
на сеялке, заменяет колтер. А в некоторых случаях –
и дисковый сошник

В марте 2011 года изобретательные австралийцы провели серию стендовых испытаний на базе UHP Flow International в Джефферсонвилле, штат Индиана.

Компания Flow занимается разработкой и производством гидроабразивных станков и сопутствующего оборудования.

Устройство испытательного стенда было аналогично современному станку для гидрорезки. Режущая головка устройства двигается по направляющей с заданной компьютером скоростью – около 15 км/ч. Режущая головка комплектовалась соплами разного диаметра под различным углом (вертикально к поверхности почвы и под углом 30°).

Образцы почвы формировались из нескольких слоев почвы толщиной по 25 мм, разделенных пергаментной бумагой. Слои почвы укладывались на дно лотка до его заполнения. Причем образцы почвы в испытании отличались по влажности (от мокрых до пересушенных) и механическому составу. Затем на поверхность почвы был уложен слой соломы толщиной 15 мм, что соответствует наличию 6 т/га растительных остатков. Солома укладывалась перпендикулярно движению режущей головки. Сопло располагалось примерно в 0,5 см выше поверхности почвы.

После «обкатки» на стенде было установлено оптимальное соотношение давления, диаметра форсунки и расхода рабочей жидкости. Например, неплохо показала себя комбинация сопла диаметром 0,3 мм и давления 2750 бар, а также 0,25 мм при давлении 3100 бар.

Тончайшая струя воды под сверхвысоким давлением успешно режет как сухую солому, так и влажную. Вне зависимости от того, какая почва находится под слоем растительных остатков – сухой песок или влажная глина. При усилии более 3 т/см² и скорости около 3 Мах (примерно 3,6 тыс. км/час) струя воды режет все.

Чем выше норма расхода и выше давление, тем глубже «проникающая способность» струи воды. Давление жидкости выше 4000 бар и расход воды более 200 л/га – это граничные показатели, превышение которых отрицательно сказывается на массе и надежности устройства. Поэтому основным способом повышения эффективности подобных устройств является уменьшение диаметра сопла до 0,15-0,2 мм. То есть до величины, сопоставимой с толщиной человеческого волоса (0,05-0,07 мм).

При установке оборудования на сеялку выводы были подтверждены практикой.
При этом выяснилось еще два существенных преимущества гидроколтеров.

Подобный аккуратный разрез невозможно сделать с помощью металлической режущей кромки
Подобный аккуратный разрез невозможно сделать с помощью металлической режущей кромки

Необходимое давление и глубина обработки при использовании обычных режущих дисков достигаются за счет массы сеялки. Гидроколтер не «цепляется» за почву и не увеличивает сопротивление сеялки, в отличие от стрельчатых лап или дисков. И не требует «вдавливания» в почву. Поэтому при использовании водных резаков сеялка для посева по No-Till может быть относительно легкой. Можно использовать обычные сеялки для пропашных культур, которые легко «потянет» относительно маломощный трактор.

Второе преимущество сеялок с гидроколтерами – локальное орошение при посеве. Вода, которая режет почву, увлажняет посевную борозду. И обеспечивает семена небольшой, но очень своевременной порцией влаги для быстрого набухания и прорастания.

Борозда после посева закрывается прижимным катком, и влага оказывается «заперта». При узкой посевной борозде это позволяет сохранить влагу почвы как в ряду, так и в междурядьях. Суммарные потери влаги при таком способе посева меньше, чем при использовании обычных сеялок с дисковыми или анкерными сошниками.

При посеве в слишком влажную, не достигшую «физической спелости» почву, гидроколтер не «забивается» смесью липкой земли и мокрых растительных остатков. Использование сеялки в подобной ситуации будет ограничено только ее проходимостью и качественной работой прикатывающих катков.

Для струи воды, способной резать кирпич или кафельную плитку, твердая сухая почва также не является серьезным препятствием. В условиях холодного климата такой способ посева возможен даже в подмерзшую почву. Например, при подзимнем или сверхраннем посеве яровых культур.

Практические результаты впечатляют. Например, в опытах канадской компании I-Cubed Industry Innovators урожайность кукурузы в 2017 году при посеве шестирядной сеялкой John Deer с гидроколтером была выше на 20% по сравнению с посевом обычной сеялкой в заводской комплектации. Всходы кукурузы появились на несколько дней раньше, и полевая всхожесть была выше, чем в контроле. Подобная картина наблюдалась и на посевах сои.

АВСТРАЛИЙСКИЙ AQUA-TILL: СЕЕТ, УДОБРЯЕТ, ЗАЩИЩАЕТ

Видеть в чудесном чудесное – вот ключ ко всем тайнам мира.
Лао-Цзы

Если развернуть режущую головку по горизонтали, то струя воды будет действовать как газонокосилка, срезая вегетирующие растения. Таким способом можно избавиться от сорняков в междурядьях

Дальнейшее развитие идеи привело к созданию концепции Aqua-Till. Это технология, которая раскрывает все потенциальные возможности водного резака.

Мощный гидроколтер не просто режет растительные остатки, но создает полноценную борозду для посева. Глубинe посевной борозды можно контролировать с помощью электромагнитного датчика плотности.

Так как гидрорезак выполняет часть функций сошника, то без сошника можно обойтись. Его можно заменить на пневматический «пистолет», выстреливающий семена в борозду. Точки контакта сеялки с почвой в этом случае ограничиваются небольшими прикатывающими катками и опорными колесами. Для того чтобы уменьшить расход воды, при посеве пропашных культур гидрорезак можно использовать в импульсном режиме, «включая» его «точечно» при размещении очередного семени.

В некоторых отраслях промышленности гидрорезаки «заправляют» не только водой. Например, при утилизации артиллерийских боеприпасов их режут струей безводного аммиака под сверхвысоким давлением. Для очистки поверхности металла от коррозии в промышленности используют растворы едких веществ. Поэтому возникает вопрос: а можно ли вносить удобрения с помощью гидроколтера? В этом случае при посеве семена получат сервис «как в сказке» по схеме «накорми, напои и спать уложи».

Корпус и компоненты Aqua-Till изготавливают из нержавеющей стали 316, которая отличается высокой стойкостью к коррозии. Устройство может использоваться для внесения раствора КАСа в зону рядка. При этом уменьшается риск солевого или аммонийного ожога семян, так как удобрение вносится равномерно, его буквально «вдувают» в почву. Локальное внесение удобрения ниже уровня растительных остатков обеспечивает его быстрое усвоение корневой системой культурных растений, оставляя сорняки «голодными».

Но существуют и некоторые ограничения. Например, жидкие фосфорные удобрения при сверхвысоком давлении выпадают в осадок. А биопрепараты (в том числе азотфиксирующие и фосфоромобилизирующие бактерии) не выдерживают давления при сжатии насосом и огромного ускорения на выходе из сопла Aqua-Till.

ВОДНАЯ «ГАЗОНОКОСИЛКА» ПРОТИВ СОРНЯКОВ

Больнее режет по живому
стекло, кремень или металл…
Нет, чтоб предаться злу такому,
взять лучше хрупкий матерьял
М. Гаршин

Гидрорезак можно использовать не только для внесения удобрений, но и для контроля сорняков. Причем несколькими способами.

Во-первых, за счет непосредственного воздействия струи воды на вегетирующие сорные растения. При установке сопла горизонтально или под небольшим углом к поверхности струи воды действуют как газонокосилка, срезая растения на уровне земли.

Специалисты SANTFA создали устройство AquaSlash для уничтожения сорняков в междурядьях. Его можно монтировать как на отдельную раму, так и на сеялку с гидрорезаками.

По наблюдениям разработчиков, для срезания вегетирующих сорняков требуется намного меньше усилий, чем для резки растительных остатков и верхнего слоя почвы. И меньшего расхода воды. Поэтому для срезания сорняков используются устройства с малым диаметром сопла. Это обеспечивает высокое давление, и, соответственно, «остроту» струи. Кроме того, существенно уменьшается расход воды. При сохранении исходного давления уменьшение радиуса сопла в два раза уменьшает расход воды на 75%.

AquaSlash «пропускает» сорняки в фазе семядолей и невысокие всходы. То есть растения, которые из-за «маленького роста» находятся ниже режущей струи воды. Второй недостаток устройства – недостаточный контроль многолетних корневищных и корнеотпрысковых сорняков. Корневая система многолетних сорняков остается нетронутой, поэтому через 1-2 недели растения отрастают и продолжают вегетацию.

Действие режущей струи можно усилить, «зарядив» устройство раствором системного гербицида. В этом случае гербицид «впрыскивается» в стебель растения и попадает в его транспортную систему. А по ней – либо вверх (по ксилеме), либо вниз (по флоэме). Таким способом можно убрать даже нежелательную древесную поросль. Или «взрослые» сорняки с толстым и твердым волокнистым стеблем.

Есть ли перспективы использования технологии Aqua-Till в Украине?

Есть, но не в ближайшем будущем. Технология интересная, но требует уникальных дорогостоящих компонентов – насоса, создающего сверхвысокое давление, и режущих головок с долговечными соплами. Чем уже междурядья и чем шире захват сеялки, тем больше требуется режущих головок и больше мощность насоса. По оценкам австралийских специалистов, комплектация 36-ти рядной кукурузной сеялки обходится примерно в 100 000 USD.

Подобное оборудование требует сервисного обслуживания, в том числе – настройки, профилактики, ремонта. Для этого необходимы сервисные центры, а они могут появиться при наличии двух условий: достаточного объема работ и наличия специалистов. Пока нет ни того, ни другого. Но, вполне возможно, появятся. Любая массовая продукция «высоких технологий» со временем становится более доступной. Достаточно вспомнить, как воспринимались компьютеры и мобильные телефоны лет двадцать тому назад. И как они воспринимаются сейчас.

Александр Гончаров