ДРЕНАЖНО-УВЛАЖНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
DRAINAGE-HUMIDIFICATION SYSTEM

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к устройствам для водно-воздушной мелиорации почв, и может найти применение на осушительно-увлажнительных системах.
Известно устройство для дозирования жидкости, содержащее резервуар с выходным патрубком, расположенным на дне резервуара, и вертикальным входным патрубком, на котором установлен клапан, образующий рабочую полость со сливным отверстием, соединенную через трубку с соплом, герметичную регулирующую емкость со сливным патрубком и воздушной трубкой, верхний конец которой сообщен с атмосферой, а нижний расположен в емкости, и вторым поплавком, жестко связанным с золотником, установленным с возможностью перекрытия сливного отверстия рабочей полости (Авторское свидетельство СССР №1041997, кл. G05D 7/01, G05D 9/02, 1983).
Недостатком известного устройства является недостаточно надежная работа в условиях, когда необходимо в ручном режиме набирать определенное количество воды в регулировочную емкость и отслеживать визуально данный уровень. Соответственно, и время опорожнения емкости трудно увязать с временем ее наполнения. Накопительная емкость устанавливается на высокой точке над днищем резервуара и приводит к значительным усилиям для управления золотником. Эти усилия снижают безотказность срабатывания устройства, а следовательно, надежность его эксплуатации. Кроме того, отсутствует реализация использования, для того чтобы значительно улучшить водно-воздушный режим почвы за счет колебания верхней капиллярной каймы, и снижается урожайность с.-х. культур. При этом оно малоэффективно для предотвращения от переувлажнения почвы в дождливые периоды, а это все не может сказаться на обмене веществ в системе почва-растение. Устройство имеет свойство запаздывания процесса перерегулировки дрессирующей трубки со сменной диафрагмой. Как и самого золотника с возможностью перекрытия сливного отверстия.
Наиболее близким по назначению к предлагаемому является дренажно-увлажнительная система, включающая закрытый коллектор, дрены-увлажнители, устройство вакуумирования, которое выполнено в виде золотникового механизма с приводом, емкость с поплавком, реле времени, подключенное к коллектору и резервуару (Авторское свидетельство СССР №794111, кл. E02B 11/00, 1981).
Однако такая дренажно-увлажнительная система имеет свойство запаздывания процесса перерегулировки насосной станции, как и шток золотника через управляемое реле с приводом, что ограничено с подачей и затратами электроэнергии. Кроме того, в практике эксплуатации - это энергоемкие затраты не всегда оправдывают эффективность для получения высоких с.-х. культур. При этом при регулировании расхода системы не учитывается перестройка на заданный объем сработки емкости в соответствие со временем опорожнения ее в каждом конкретном случае, когда пористость почв различна по своему механическому составу строения, т.е. невозможно менять уставку управления в заданных пределах.
Цель изобретения - повышение эффективности работы путем повышения надежности и снижения затрат на эксплуатацию.
Поставленная цель достигается тем, что дренажно-увлажнительная система, включающая закрытый коллектор, дрены-увлажнители, устройство вакуумирования, которое выполнено в виде золотникового механизма с приводом, и емкость с поплавком, реле времени, система выполнена в виде последовательно расположенных водораспределительного исполнительного органа, в который введен вертикальный патрубок с мембранным приводом, золотникового механизма в виде двух поршней и поворотного крана с управляющим трубопроводом, причем подмембранная полость вертикального патрубка снабжена калиброванным отверстием, находящимся во взаимодействии с атмосферой, снаружи вертикального патрубка. При этом запорный орган водораспределителя связан с золотниковым механизмом и с поплавковым приводом посредством шарнирно соединенного с ними и закрепленного с возможностью вертикального перемещения при помощи рычагов, последний жестко закреплен со штоком поплавка, причем сливной трубопровод золотникового механизма сообщен через обратный клапан с подводящим оросительным трубопроводом. Кроме того, с целью уменьшения воздействия гидростатического давления на запорный орган последний выполнен в виде тарелки, а надмембранная полость камеры соединена с вертикальным патрубком и сообщена через управляющий трубопровод, снабженный вентилем, с переключателем, хвостовик которого закреплен с одним концом рычага шарнирно со штоком поплавкового привода, который ограничен от вертикального перемещения верхним и нижним упорами, выше и ниже предельного уровня в накопительной емкости, причем переключатель закреплен посредством смонтированного в верхней части емкости кронштейна, при этом в накопительной емкости установлен сифон, связанный с поворотным краном, имеющим привод, на одном конце которого закреплена емкость-противовес, а на другом - противовес.
Предлагаемая дренажно-увлажнительная система направлена на устранение указанных недостатков за счет конструкции, которая позволяет поддерживать напор воды, который имеет место в закрытом оросительном трубопроводе за счет водораспределительного исполнительного органа в виде управляющей мембранной камеры с установленным вертикальным патрубком. Следовательно, совокупность всех элементов блочно-модульной системы позволяет повысить надежность в работе, ликвидировать затраты электроэнергии при эксплуатации такой системы. Следует отметить, что данная связь, связанная с переходными процессами в режиме срабатывания запорного органа, накопительной емкости с поплавковым приводом, сифона и других управляющих элементов дренажно-увлажнительной системы позволяет создать последовательную замкнутую систему регулирования водно-воздушного режима почвы за счет рационального колебания верхнего слоя почвы, что и ускоряет обмен веществ в системе почва-растение, и получать чистую сельскохозяйственную продукцию. Кроме того, данная связь, связанная с переходными процессами в этих режимах, обеспечивает необходимые условия водно-воздушного режима почвы, снижает эксплуатационные затраты, происходит гидравлическая автоматизация полива и экономия оросительной воды за счет исключения сброса при отключении системы на перестройку и усилия на гидравлически разгруженный как на запорный орган, так и управлением накопительной емкости с поплавковым приводом и поворотным краном через управляющие трубопроводы с вентилями-регуляторами.
Эффективность предлагаемой системы определяется возможностью настройки золотникового механизма за счет времени сработки накопительной емкости, допускающей с поворотным краном их соединение, на возможность перемещения запорного органа вверх или вниз, а поплавкового привода соответственно по отношению к ограничительным упорам.
Система имеет линейное расположение, обусловленное привязкой закрытого оросительного трубопровода с размещением в колодце и  связью с закрытым коллектором с дренами-увлажнителями. Система может быть отключена в любой промежуток времени только закрытием вентиля-регулятора на любом из элементов устройства на блочно-модульной системе.
На фиг.1 изображена блочно-модульная дренажно-увлажнительная система, вид сверху; на фиг.2 - общий вид дренажно-увлажнительной системы; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2 и разрез Б-Б.
Дренажно-увлажнительная система содержит подводящий 1 и отводящий 2 трубопроводы, соединенные между собой водораспределительным исполнительным органом, состоящим из установленного вертикального патрубка 3 и рабочей камеры 4 давления с отделением от нее мембранной 5 со штоком 6. Патрубок 3 имеет калиброванное отверстие 7, связанное с атмосферой, и закреплен к корпусу 8, в седле которого установлен клапан 9, перекрывающий выпускное отверстие 10 седла корпуса 8, сообщающее отводящий трубопровод 2. При этом надмембранная полость 11 камеры 4 сообщена впускным отверстием 12, а шток 6 пропущен через направляющие 13 корпуса 8 и крышки 14 в верхней части камеры 4. Шток 6 связан через шарнир 15 с рычагом 16, который шарниром 17 соединен со штоком 18 золотникового механизма 19. Золотниковый механизм 19 выполнен в виде цилиндра, в котором может перемещаться двойной поршень 20 с возможностью возвратно-поступательного перемещения их, и конструкция шарнирного рычажного механизма через рычаг 21 жестко соединена со штоком 22, соединенным с поплавком 23. Поплавок 23 размещен внутри емкости 24, которая закреплена на вертикальных опорах 25. Кроме того, шток 22 связан с шарнирно параллелограммным механизмом. Шарнирно параллелограммный механизм в верхней части имеет кронштейн 26 для закрепления рычажной передачи с переключателем 27 и сифон 28, на выпускной ветви которого закреплен вентиль-регулятор 29. В донной части накопительной емкости 24 имеется впускное отверстие с патрубком 30, подсоединенным к трубопроводу 31 с вентилем 32, а сливное отверстие оборудовано вентилем 33.
Золотниковый механизм 19 гидравлической связи в начальной части его питается из подводящего напорного трубопровода 1 (возможно из другого напорного источника) через трубопровод 34 с вентилем 35, подключенного к входному патрубку 36 золотникового механизма 19, а выходной патрубок 37 соединен со сливной трубкой 38 и через обратный клапан 39 (возможно, что он подпружинен) с перегородкой 40 связан с подводящим напорным трубопроводом 1. Второй выходной патрубок 41 соединен с закрытым коллектором 42, к которому подключена система дрен-увлажнителей 43.
Управляющий трубопровод 34 гидравлической связи соответственно проходит через поворотный кран 44 с муфтой, снабженной поворотным рычагом 45, на одном конце которого шарнирно прикреплена емкость-накопитель 46 с вентилем 47, на другом - противовес 48. Момент груза 47 значительно больше, чем момент от пустотелой емкости-накопителя 46. При этом нижнее колено сифона 28 является сливным, а изогнутый конец 49 его размещен соосно над емкостью-накопителем 46.
При данном соотношении моментов исходное положение (нормальное) противовеса 48 является нижним, а порожней емкости-накопителя 46 - верхним, при этом поворотный кран 44, соединенный с управляющим трубопроводом 34 гидравлической связи, находится в открытом положении. При смене положений противовеса 48 и емкости-накопителя 45 (при наполнении ее водой) кран 44 закрыт.
Шарнирно параллелограммный механизм состоит из верхнего 50 и нижнего 51 рычагов, один конец которого соединен шарнирно со штоком 22, а другой - верхний - с двухпозиционным переключателем 27. Двухпозиционный переключатель 27 (верхний) выполнен в виде цилиндрического корпуса 52, в котором расположены радиальные отверстия 53, 54. Внутри цилиндрического корпуса 52 размещена поворотная пробка, выполненная в виде золотника 55, которая выступающим хвостовиком 56 прикреплена к рычагу 50, причем перемещение верхнего рычага 50 ограничено верхним 58 упором, а нижний рычаг 51 - нижним 59 упором. В золотнике 55 имеется осевое отверстие 60, а также лыска 61 (паз), расположенная в одной секущей плоскости с указанными радиальными отверстиями.
Надмембранная полость камеры 4 соединена гидравлическим трубопроводом 62 с вентилем 63 с подводящим трубопроводом 1, гидравлическим трубопроводом 64 с вентилем 65 и с переключателем 27.
Сочетание шарнирного параллелограммного механизма со штоком 22 и крепления с кронштейном 26 позволяет избежать перекосов в вертикальном перемещении поплавка и рычажного органа золотникового механизма 19, а также исполнительного органа с клапаном 9.
Дренажно-увлажнительная система работает следующим образом.
При монтировании системы на закрытом подводящем трубопроводе 1 в колодце (фиг.1) прикрепляют корпус 8 водораспределительного исполнительного органа с вертикальным патрубком 3 и с рабочей камерой 4. Устанавливают заданную величину перепада между дном накопительной емкости 23 и глубиной заложения подводящего трубопровода 1. В установленном положении закрепляют остальные элементы устройств. При этом в накопительной емкости 24 отсутствует вода, и поплавок 23 занимает крайнее нижнее положение, при котором движение рычага 51 ограничено упором 59. Подводящий трубопровод еще не заполнен водой до заданного напорного режима.
При поступлении воды в подводящий трубопровод 1 система находится в положении, когда к отверстию 10 седла в корпусе 8 поджат тарельчатый клапан 9, а двойной поршень 20 находится в цилиндрическом корпусе в нижнем положении так, что входной патрубок 32 оказывается по одну сторону золотника 19, причем давление в камере 4 мембранного привода повышается. Мембрана 5 выгибается вниз в камере 4, в полости 11 которой значительно повышается давление воды, воздействующее на мембрану 5. Воздух из вертикального патрубка 3 через отверстие 7 выходит в атмосферу. Усилие от мембраны 5 передается через шток 6 на клапан 9, так как парубок 3 освобожден от воздуха (газа), обеспечивая возможность плотного закрытия тарельчатого клапана 9 и обеспечивая возможность создания напорного режима в трубопроводе 1. По мере наполнения трубопровода 1 происходит повышение напора в нем, при этом одновременно вода поступает в гидравлический трубопровод 63 внутри цилиндрического корпуса 52 переключателя 27, закрытого золотником 55. В этом случае при повышении давления воды в трубопроводе 1 вода поступает по трубопроводу 33 через полость золотникового механизма 19 в коллектор 42 и затем в дрены-увлажнители 43. Выходя из дрен-увлажнителей 43, влага по капиллярной системе почвы проникает к ее поверхности более интенсивно, вытесняя углекислый газ к листьям с.-х. растений, что интенсифицирует фотосинтез. В режиме нагнетания влаги верхняя граница капиллярной каймы на чертеже показана пунктирной линией.
Одновременно при открытом вентиле-регуляторе 35 на трубопроводе 34 поворотный кран 44 открыт, в результате этого емкость-противовес 46 находится в верхнем положении, а противовес 48 - в нижнем. В накопительную емкость 24 поступает вода, включает в работу поплавок 23 со штоком 18, и при достижении максимального уровня в емкости 24 поплавок 23 останавливается и занимает крайнее верхнее положение, при котором движение рычага 50 ограничено верхним упором 58. Подводящий трубопровод заполняется водой. В этом случае поступающая вода по трубопроводу 64 в переключателе 27 через лыску 61 и отверстие 53 начинает изливаться в атмосферу, уменьшая давление воды на регулирующий орган - мембрану 5, отчего вес штока 6 с клапаном 9 в корпусе 8 станет уменьшаться. Одновременно с этим вода в емкости 24, достигнув капора сифона 28, начинает переливаться в правую ветвь и заполняет изогнутое колено 49, т.е. сифон 28 полностью заряжается, и вода подается в емкость-накопителя 24, а увеличение уровня воды в ней способствует повышению момента над моментом от веса противовеса 48, рычаг 45 поворачивается, что способствует закрытию водопропускного отверстия в поворотном кране 44 и прекращению поступления воды в емкость 24, т.е. приток воды в емкость 24 прекращается, а вода из нее удаляется сифоном 28. Кроме того, одновременно с наполнением емкости 24 (верхнее положение поплавка 23) двойной поршень 20 золотникового механизма 19 переместится вверх, откроет выходной патрубок 41, соединенный с коллектором 42 и связанный с дренами-увлажнителями 43, а входной патрубок 36 перекроет, и выходные патрубки 41 и 37 окажутся связанными через полость цилиндра золотника 19.
Вследствие того, что вода транзитом поступает в отводящий трубопровод 2 при открытом клапане 9, давление в подводящем трубопроводе 1 падает, происходит подсос воды из сливной трубки 38, обратный клапан 39 опускается на перегородку 40 и вода сливается в трубопровод 1. Далее происходит отсос влаги из почвы через дрены 43 коллектора 42.
Но ввиду того, что поплавок 23 со штоком 22 будет опускаться в емкости и уравновешиваться силами веса штока 18 с поршнем 20 и веса штока 6 с исполнительным механизмом в виде мембраны 5 и клапана 9, время слива отсоса влаги из почвы и верхняя граница капиллярной каймы опускается до расчетного, а в почву засасывается воздух. Следует отметить положительный эффект вакуума, создаваемого в точке слива воды в подводящий трубопровод 1, а обратный клапан в виде шара 38 служит и для уменьшения гидравлического удара при закрытии отверстия в трубке 38, и для препятствия быстрому перетоку воды при напорном режиме из трубопровода 1 со стороны нижнего поршня 20. Давление на поршень будет отсутствовать.
Действие пропорциональной части в целом системы на этом заканчивается, и приходит новый цикл работы. Суммарный вес поплавка и других элементов устройств системы подбирается расчетом, причем размеры их различны.
Время отсоса влаги зависит от общей связи работы мембранного исполнительного механизма, переключателя, золотника и сработки емкости с сифоном, связанным с поворотным краном.
Связь может быть реализована настройкой (регулируемой) вентилями-регуляторами на управляющих трубопроводах и вентилем на выпускной ветви сифона.
После окончания работы системы вентиль-регулятор 35 перекрывается и забор воды из трубопровода 1 прекращается отключением воды на головном водозаборе. Спустя заданное время, определяемое графиком водно-воздушным режимом почвы, система готова к новому циклу работы. Поршень золотника снова окажется в работе при открытом вентиле 35, а давление в трубопроводе 1 станет повышенным относительно заданного значения.
Предлагаемая дренажно-увлажнительная система имеет обширную по сравнению с известной системой область применения, так как при наличии совокупности данных элементов сам процесс пропуска воды и отсос ее из дрен позволяет создать систему автоматического контроля процессами, обеспечивающую почву удобрениями и микроэлементами в более широком диапазоне заданного времени в зависимости от состава почвогрунтов, что влияет и на обмен веществ в системе почва-растение для различных сложившихся грунтов в зависимости от районирования.
Предлагаемая система регулирования водно-воздушного режима позволяет создать замкнутые гидравлические автоматизированные дренажно-увлажнительные системы в мелиорации, позволяет получать необходимую урожайность сельскохозяйственной продукции при эффективном использовании таких земель.