1. Введение
Клещ варроа якобсони: а - внешний вид клеща; б - размещение на куколке; в - размещение на пчелах
Производство меда пчелиными семьями напрямую связано с их здоровьем. Заболеваниям подвержены все особи семьи. Ключевой особенностью пчел является существование общественного типа, а это приводит к высокой вероятности передаче заболевания от одной особи всей семье. Сегодня для пчеловодов большую опасность представляет заболевание варротоз, которое является инвазионной болезнью пчел и расплода. Считается, что по ущербу, наносимому пчеловодству, варроатоз не идет в сравнение ни с какими другими заболеваниями пчел [1], [2]. Это подтверждают как ученые практики [3], [4]. Причиной болезни является клещ варроа якобсони (рис. 1).Питаются клещи гемолимфой. Самки клеща откладывают по 4-5 яиц в ячейки с расплодом до их запечатывания восковыми крышечками. При выходе из ячейки новой пчелы клещи также становятся взрослыми и, прикрепившись к пчеле, покидают ячейки. Цикл развития клеща составляет 8-11 дней. Весной с появлением расплода и за все лето количество клещей в пчелиной семье может увеличиваться почти в 20 раз.
Конечно, лучше всего для борьбы с клещом выполнять весь комплекс мероприятий, в том числе организационные, специальные и ветеринарные меры. Для лечения и профилактики используют физические, химические, биологические и механические методы. Большинство пчеловодов используют медикаментозные способы борьбы с этим заболеванием. При этом есть ограничения – запрещено применять препараты до или в процессе сбора меда. Применяют вырезание трутневого расплода, при этом уничтожаются соты, где самки клеща откладывают яйца. Периодически в литературе приводят положительный эффект от использования тепловой обработки семей [5], [6]. Тепловая обработка – это нагревание до температуры, вредной для клещей, но допустимой для пчел. Этот метод является эффективным, но трудоемким и опасным. Бывают случаи, когда возникало «запаривание пчел» и семья практически вся погибала. Применяют и другие методы борьбы с клещом [7], такие как дым-пушка, разрыв цикла размножения [8], [14], [15] и т.д.
В последнее время все больше привлекают внимание пчеловодов экологически чистые методы борьбы с клещом варроа. В Кубанском ГАУ давно ведутся исследования по использованию электротехнологического оборудования с применением экологически чистых методов борьбы с болезнями пчел [9], [10]. Хорошие показатели были получены при обработке пчел озоном и анолитом, полученном от электроактиватора воды [11], [12]. Проведены первичные опыты по воздействию вибраций в улье для стряхивания клещей с пчел в подрамочное пространство.
Цель исследований – обосновать параметры вибрационной установки для обработки пчелиных семей от клеща варроа.
2. Материалы и методы исследования
Геометрия объекта исследований: 1 – улей; 2 – волноводы; 3 – вибратор
Геометрия вибратора: 1 – надставка; 2 – резиновая диафрагма; 3 – постоянный магнит; 4 – диффузор; 5 – катушка
Для проведения исследований была разработана конструкция вибратора на основе низко частотного динамика, которая должна устанавливаться на рамки улья. Для передачи вибраций от диффузора устанавливались стальные лапы, которые опирались на рамки. Первоначально разрабатывалась геометрия модели в ПО Comsol (рис.2). Вид вибратора представлен на рисунке 3.Все дальнейшие исследования физических процессов проводились в принятом программным продукте Comsol. Объект исследования разбивался на домены и строилась сетка для расчета методом конечных элементов. Интерфейсы в ПО устанавливались в соответствии с типом физических процессов: анализ магнитных полей – «Magnetic fields»; анализ вибраций и перемещений – «Solid mechanics». При моделировании используется мультифизическая связь между интерфейсом магнитных полей и интерфейсом механики твердого тела. Основой всех взаимодействий является сила Лоренца, которая возникает при взаимодействии электрического и магнитного полей [13]:
[LATEX_FORMULA]\vec{F}=q(\vec{E} +\vec{v} ×\vec{B} ),[/LATEX_FORMULA]
где q – единичный заряд;
[LATEX_FORMULA]\vec{E}[/LATEX_FORMULA] – вектор электрического поля;
[LATEX_FORMULA]\vec{v}[/LATEX_FORMULA] – вектор скорости;
[LATEX_FORMULA]\vec{B}[/LATEX_FORMULA] – вектор индукции магнитного поля.
В программном продукте сила Лоренца рассчитывается в удельном виде, то есть на единицу объема [13]:
[LATEX_FORMULA]J=\sigma(E+v×B),[/LATEX_FORMULA]
где σ – плотность заряда (заряд на единицу объема).
Поля Е и В могут заменяться на магнитный векторный потенциал А, тогда получаются следующие выражения [13]:
[LATEX_FORMULA]E=\frac{-∂A}{∂t};\; В=∇×А,[/LATEX_FORMULA]
где оператор Гамильтона.
В вибраторе находится катушка, которая будет создавать магнитное поле, зависящее от количества витков и величины тока. Подача тока будет производиться переменного типа с определенной частотой. Интенсивность вибраций будет зависеть от индукции постоянного магнита и параметров катушки и электрического тока.
Интерфейс Solid Mechanics, предназначен для общего структурного анализа и основан на решении уравнений движения вместе с моделью для твердого материала. Вычисляются такие результаты, как смещения, напряжения и деформации. Основное решаемое уравнение в данном интерфейсе это [13]:
[LATEX_FORMULA]\rho \frac{∂^2 u}{∂t^2}=∇S+\sigma v×B,[/LATEX_FORMULA]
где ρ – плотность материала;
u – перемещение;
S – механическое напряжение в материале.
Все необходимые характеристики принимаются в зависимости от материала (в том числе свойства упругости) и устанавливаются автоматически из библиотеки программного продукта. В расчетах определяются механические параметры в зависимости от плотности материалов и их объемов.
Внешний вид вибратора
Эксперимент проводился на пчелиной пасеке в летний период. По геометрической модели был изготовлен вибратор (рис.4), который размещался на рамках в улье. Были взяты два улья с одинаковым количеством обсиживаемых пчелами рамок и примерно одинаковым уровнем заклещеванности. Один из ульев был контрольным и у него только подсчитывались количество опавших клещей. Второй улей подвергали обработке с разными частотами вибрации (500 Гц, 1500 Гц, 2500 Гц). Продолжительность опыта с одной частотой вибрации была 10 дней. Первые 10 дней вибрации на опытном улье были 500 Гц, последующее два периода по 10 дней вибрации соответственно 1500 Гц и 2500 Гц. Режим работы установки – периодическое включение вибратора на 10 с и отключение на 30 мин. После обработки происходил подсчет клещей в подрамочном пространстве.
3. Результаты исследований и обсуждение
Вид вибратора с перемещениями через 0,2 и 0,3 с
Вид улья со смещениями рамок через 0,2 и 0,3 с
Вид рамок в поперечном и продольных разрезах улья
Вид улья с нанесением линии анализа смещений
Результаты смещений во времени
По результатам моделирования определялись места наиболее интенсивного воздействия вибратора, уровень деформаций, степень смещений, ускорения в отдельных местах объекта исследований. На рисунке 5 показан вибратор, места деформаций и смещений через 0,2 с и 0,3 с. Здесь видно, что вибрации передаются по волноводам к рамкам практически на весь улей. Наибольшие амплитуды наблюдаются в центре вибратора.Проанализированы уровни вибраций и смещений на рамках во всем улье. На рисунке 6 представлены изображения улья с нанесением уровней смещений через 0,2 с и 0,3 с. Из рисунков видно, что во времени уровень вибраций периодически меняется от центра к периферии улья.На рисунке 7 показаны рамки с уровнем смещений в поперечном и продольном разрезах улья. На представленных изображениях видно, что вибрации достигают рамок по всему объему.Если посмотреть уровни смещений всех рамок во времени, поперек улья как представлено на рисунке 8 (слева по красной линии), то можно увидеть следующее. Уровни смещения периодически повышаются, и максимальное воздействие наблюдалось через 0,7 и 0,8 с.Результаты эксперимента на пасеке сведены в таблицу 1. Как видно из таблицы наибольший эффект наблюдался при частоте вибрации 1500 Гц.
Результаты экспериментальных исследований
| Показатели | Частота вибраций, Гц | |||||
| 0 | 500 | 0 | 1500 | 0 | 2500 | |
| контроль | опыт | контроль | опыт | контроль | опыт | |
| Среднее количество опавших клещей, шт. | 3,3 | 4,3 | 3,7 | 6,0 | 5,20 | 6,4 |
| Среднее квадратическое отклонение, шт. | 2,00 | 2,71 | 1,89 | 1,56 | 2,39 | 2,91 |
| Снижение по среднему, шт. | 1,0 | 2,3 | 1,2 |
4. Заключение
1. Разработана конструкция вибратора для размещения в верхней части улья, позволяющая передавать вибрации на рамки с пчелами, что позволит сбрасывать периодически клещей с пчел.
2. Получена модель в ПО Comsol, которая дает возможность определить наиболее эффективные режимы работы вибратора и установить его параметры. Установлено, что при максимальном значении тока в катушке 1,5 А и частоте пульсаций 500 Гц вибратор получает периодические смещения на уровне 0,02 мм, а рамки – 2·10-5.
3. Анализ полученных изображений смещений отдельных элементов по всему улья доказал эффективность разработанной конструкции вибратора и подтвердил периодичность вибраций в объекте исследований.
4. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность работы установки и показали наиболее рациональную частоту вибрации, которая составила 1500 Гц.