Технические основы системы внутрипочвенного импульсного континуально-дискретного полива

УДК 633.1:412

B. П. Калиниченко

Т. М. Минкина

C. Ю. Бакоев, В. В. Черненко

Е. В. Радевич

А. Н. Сковпень, А. А. Болдырев, А. Э. Рыхлик

ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМЫ ВНУТРИПОЧВЕННОГО ИМПУЛЬСНОГО КОНТИНУАЛЬНО-ДИСКРЕТНОГО ПОЛИВА

Предложено устройство для внутрипочвенного импульсного континуальнодискретного полива растений как техническая основа перспективной роботизированной ирригационной системы в рамках технологической платформы ноосферы. Система позволяет исключить гидрологическую дестабилизацию биогеосистемы, переувлажнение и засоление почв в условиях длительной ирригации, обеспечить эргономичность технического решения, стабильность и продуктивность ирригационного ландшафта, заложить основы нового технологического уклада высокого уровня.

Ключевые слова: почва, внутрипочвенный импульсный континуально-

дискретный полив растений, преодоление переувлажнения, засоления.

V. P. Kalinitchenko

S. Yu. Bakoyev, V. V. Chernenko

Ye. V. Radevich

A. N. Skovpen, A. A. Boldyrev, A. E. Rykhlik

TECHNICAL BASEMENTS OF INTRASOIL PULSE CONTINUALLY-DISCRETE IRRIGATION SYSTEM

The device for intrasoil pulse continually-discrete irrigation as a technical basement of prospect robotic irrigation system within the scope of technological platform of noosphere is proposed. The system permits to exclude hydrological destabilization of biogeosystem, overwetting and salinity of soils in conditions of long-term irrigation, to provide ergonomics of the technical decision, stability and productivity of irrigation landscape, to lay down the foundations of a new high level technological way.

Keywords: intrasoil pulse continually-discrete irrigation, soil overwetting, soil salinity.

Внутрипочвенная импульсная дискретная концепция ирригации дает инструмент управления поведением воды от момента ее состояния как потока и до момента завершения диссипации воды в дисперсной системе почвы, что недостижимо в рамках действующей имитационной фронтальной континуально изотропной концепции ирригации [1, 2].

Объектом исследований авторов являлась внутрипочвенная импульсная дискретная концепция ирригации и поиск возможностей ее технический реализации.

Задачей исследований являлось изучение возможностей контролируемой дифференциации подачи воды из гидротехнической проводящей сети в почву посредством внутрипочвенного импульсного дискретного полива на современной технологической платформе ноосферы с привлечением методов механотроники, робототехники и технологий информационных систем. Создание ирригационных систем такого уровня представляет собою решение задачи инновационного пути развития цивилизации, экономии ресурсов, энергии, почв и особенно воды, являющейся стратегическим ресурсом человечества перед угрозой засушливости климата Земли [3, 4].

В результате исследований предложено устройство для внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений [5]. Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к орошению почв, и предназначено для полива различных растений.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является исключение необходимости прокладки на поверхности почвы большого количества трубопроводов, отказ от применения громоздких технических средств, снижение стоимости и повышение эффективности полива растений.

Техническим результатом, получаемым при практическом использовании изобретения, является возможность производить полив растений посредством дискретной циклической последовательной во времени и пошаговой в пространстве поливного участка импульсной подачи воды через шприцевые элементы внутрь почвы в дискретную зону корневой системы растения дозированными согласно поливной норме порциями.

Устройство для внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений и шприцевой элемент для импульсной подачи воды внутрь почвы разработаны с перспективой создания соответствующей роботизированной системы на базе методов механотроники (рисунки 1 и 2).

1

3

Рисунок 1 - Устройство для выполнения способа внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений

Устройство включает блок электрического питания 1, блок колесного шасси 2, блок управления 3, блок подачи поливной воды 4 (например, емкость для воды и водяной насос с приводом), диск 5 на оси 6 колеса шасси 2, шприцевой элемент для импульсной подачи воды в почву 7, упругую эластичную муфту 8 с центральным каналом 9, выдвижной шприц 10.

11 10 12 12

а о в

Рисунок 2 - Шприцевой элемент устройства для выполнения способа внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений

Шприцевой элемент для импульсной подачи воды внутрь почвы с помощью упругой эластичной муфты 8 с центральным каналом 9 присоединен к диску 5.

Шприцевой элемент для импульсной подачи воды внутрь почвы (рисунок 2) включает корпус с механической направляющей системой выдвижного шприца 11, упругую эластичную муфту 8 с центральным каналом 9, выдвижной шприц 10 с боковым отверстием 12 на цилиндрической поверхности внутреннего конца выдвижного шприца, зубчатую рейку 13 линейного реверсивного сервопривода выдвижного шприца 10, гидравлическое уплотнительное кольцо 14, сервопривод выдвижного шприца 15.

Блок электрического питания 1 (рисунок 1) обеспечивает энергопитание устройства. Блок колесного шасси 2 движется по полю влево. Диск 5, жестко установленный на оси шасси, вращается вместе с колесной опорой шасси против часовой стрелки. Окружная скорость установленных на диске упругих эластичных муфт 8, соединенных с диском, по окружности, практически совпадает с окружной скоростью опорной поверхности колеса шасси.

В исходном положении выдвижной шприц 10 (рисунок 2) расположен в механической направляющей системе выдвижного шприца. 11 так, что гидравлическое уплотнительное кольцо 14 занимает позицию напротив выступа зуба зубчатой рейки линейного реверсивного сервопривода выдвижного шприца.

Устройство работает следующим образом.

Блок управления циклически вырабатывает сигнал управления, по которому шприцевой элемент из исходного положения выдвижного шприца над почвой в позиции 7 заглубляет выдвижной шприц в почву в позиции 7.1 (рисунок 1). Заглубление в почву выдвижного шприца происходит следующим образом. Включается сервопривод 15. Его шестерня вращается по часовой стрелке, своими зубьями поочередно посредством вдавливания входит в зацепление с упруго-эластичными впадинами между зубьями зацепления (показаны без штриховки) зубчатой рейки 13 линейного реверсивного сервопривода выдвижного шприца (рисунок 2).

В момент зацепления с зубом цилиндрической шестерни сервопривода впадина между зубьями зацепления зубчатой рейки линейного реверсивного сервопривода выдвижного шприца эластично деформируется внутрь шприца. Выступ зуба зацепления рейки, который выполнен жестким, занимает позицию впадины между зубьями зацепления цилиндрической шестерни сервопривода.

Цилиндрическая шестерня сервопривода увлекает зубчатую рейку 13 линейного реверсивного сервопривода выдвижного шприца, вместе со шприцем наружу из исходного положения внутри корпуса шприца в рабочее положение. В зоне гидравлического уплотнительного кольца 14 упруго-эластичные впадины между зубьями зацепления (показаны без штриховки) зубчатой рейки линейного реверсивного сервопривода выдвижного шприца не находятся в зацеплении с цилиндрической шестерней сервопривода и занимают положение образующей наружной цилиндрической поверхности шприца, причем контакт с гидравлическим уплотнительным кольцом 14 обеспечивает гидравлическое уплотнение шприцевого элемента.

В рабочем положении выдвижного шприца ось центрального канала 9 упругой эластичной муфты 8 совпадает с осью бокового отверстия 12 на цилиндрической поверхности внутреннего конца выдвижного шприца. При этом внутренняя полость выдвижного шприца гидравлически соединяется с внутренней полостью диска 5 гидравлическим запорным устройством выдвижного шприца в виде цилиндрической полости механической направляющей системы корпуса 11 выдвижного шприца, наружной поверхности выдвижного шприца, бокового отверстия на цилиндрической поверхности внутреннего конца выдвижного шприца, привод которого выполняют линейным реверсивным сервоприводом 13, 15 выдвижного шприца.

В позиции 7.1 диск 5 гидравлически соединен с блоком подачи поливной воды 6. Вода под давлением из блока подачи поливной воды поступает во внутреннюю полость диска (рисунок 1).

Далее вода под давлением через внутреннюю полость диска 5, канал упругой эластичной муфты 9, боковое отверстие 12 на цилиндрической поверхности внутреннего конца выдвижного шприца, внутреннюю полость выдвижного шприца поступает внутрь почвы (рисунок 2).

В позиции 7.1 начинается выполнение дискретного импульса полива из заглубленного в почву выдвижного шприца. Шприцевой элемент 7 и вместе с ним выдвижной шприц, начиная с позиции 7.1, неподвижны относительно почвы в направлении движения блока колесного шасси 2 (рисунок 1).

Диск 5 равномерно вращается на оси шасси, равномерно движущегося в направлении проведения полива. В процессе движения шасси выдвижной шприц через корпус шприцевого элемента 7, упругую эластичную муфту 8, получает усилие от диска, направленное внутрь почвы. При этом выдвижной шприц из позиции 7.1 продолжает углубляться в почву вплоть до достижения позиции 7.2, а после этого, до момента достижения позиции 7.3, немного извлекается из почвы. Подача воды внутрь почвы из выдвижного шприца, ведется, начиная с момента достижения позиции 7.1, вплоть до момента достижения позиции 7.3.

По достижении выдвижным шприцем позиции 7.3 (рисунок 1) блок управления 3 вырабатывает сигнал управления, по которому включается реверс сервопривода 13, 15 (рисунок 2). Шестерня сервопривода вращается против часовой стрелки, своими зубьями поочередно входит в зацепление с упруго-эластичными впадинами между зубьями зацепления (показаны без штриховки) зубчатой рейки линейного реверсивного сервопривода выдвижного шприца и увлекает ее вместе с выдвижным шприцем внутрь корпуса из рабочего положения в исходное положение. В исходном положении выдвижного шприца ось центрального канала упругой эластичной муфты 2 не совпадает с осью бокового отверстия 12 на цилиндрической поверхности внутреннего конца выдвижного шприца. Гидравлическое запорное устройство выдвижного шприца в виде цилиндрической полости механической направляющей системы корпуса выдвижного шприца, наружной поверхности выдвижного шприца, бокового отверстия на цилинд-

рической поверхности внутреннего конца выдвижного шприца с линейным реверсивным сервоприводом выдвижного шприца гидравлически отсоединяет внутреннюю полость выдвижного шприца от внутренней полости диска. Дискретный импульс полива завершен.

В процессе проведения полива с помощью разработанного устройства очередная дискретная порция воды подается в почву импульсом. Однако в почве одновременно находятся сразу несколько шприцев, поэтому устройство в целом имеет практически постоянный расход воды и высокий коэффициент использования рабочего времени при проведении полива.

Количество воды, подаваемое устройством в процессе полива, регулируется согласно поливной норме напором воды в блоке подачи поливной воды, скоростью движения шасси по полю и внутренним диаметром выдвижного шприца.

В устройстве использованы новые элементы, ранее, по большей части, не применявшиеся в мелиорации, до настоящего времени приверженной индустриальной технологической платформе:

- диск, расположенный на оси шасси и снабженный внутренней замкнутой полостью, соединенной с блоком подачи воды;

- шприцевой элемент для импульсной подачи воды внутрь почвы;

- механическая направляющая система в виде корпуса выдвижного шприца с боковым отверстием для воды и цилиндрическим каналом с гидравлическим уплотнительным кольцом;

- упругая эластичная муфта с внутренним каналом, соединяющая механическую направляющую систему шприцевого элемента для импульсной подачи воды внутрь почвы;

- линейный реверсивный сервопривод выдвижного шприца в виде зубчатой рейки;

- зубчатая рейка линейного реверсивного сервопривода выдвижного шприца.

Важным обстоятельством перспективы применения устройства является возможность его использования в составе роботизированной меха-тронной системы полива на основе внутрипочвенной дискретной импульсной концепции ирригации.

Устройство позволяет реализовать внутрипочвенную дискретную импульсную концепцию ирригации, сохраняя почву, ландшафт, ресурсы, особенно пресную воду, экономия которой может составить до 4-5 раз по сравнению с известными способами ирригации без снижения продуктивности растений.

Предлагаемое устройство позволяет исключить возможность засоления исходно незасоленных или слабозасоленных почв в условиях длительной ирригации, т.е. является стабилизатором ирригационно обусловленной биогеосистемы, не приводя к эффекту ее избыточной оводненности [6].

В рассматриваемом случае принципиально нового способа полива, базирующегося на принципиально новой концепции ирригации, проблема засоления почв теряет свою остроту ввиду нового режима биогеосистемы. Легкорастворимые соли локально будут исключаться из процесса создания биомассы урожая, поскольку в каждом текущем ирригационном цикле и сезоне имеется и реализуется возможность, значительно ослабив влагопро-водность почв при относительно низкой средней влажности почвенного континуума и разорвав зону массопереноса на локальные конуры увлажнения, перевести соли вглубь почвы. Соли частично перераспределяются латерально в текущую биологически неактивную текущую зону почвенного континуума и вертикально вниз, будучи смытыми вниз струей в процессе впрыска. Ввиду быстрой стабилизации в почве относительно низкого термодинамического потенциала воды непосредственно после впрыска, ка-

пилляры в почве оказываются разорванными, условия подъема легкорастворимых солей вверх по почвенному профилю, как и условия интенсивного внутрипочвенного влагосолепереноса отсутствуют, почвенный континуум разделен на дискретные объемы.

Таким образом, результатом настоящей работы является возможность решения задач географической проблематики, касающихся рационального использования естественных ресурсов, охраны и улучшения окружающей среды [7]. Будет внесен вклад в оптимизацию соотношения естественных и антропогенных причин глобальных изменений климата, стабилизации климата за счет приоритета создания условий для ускоренного биологического синтеза в биосфере [3].

Список использованных источников

1 The method of intrasoil discrete plants watering (introducing new technologies) / V. P. Kalinitchenko [et al.] // FAO. Global Forum on Salinization and Climate Change. Topic I. Identifying systems vulnerable to salinization, including agroecosystems (irrigated and rainfed), soils, water bodies, biodiversity and fragile ecosystems and available tools and information systems to assess and monitor the evolution of salinization. Session II. - Valencia. Spain, 25-29 October 2010.

2 Ковда, В. А. Факторы, снижающие плодородие черноземов, и меры их устранения / В. А. Ковда // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1987. - № 3. - С. 3-6.

3 Котляков, В. М. Стратегия устойчивого развития: этика географического подхода / В. М. Котляков, А. А. Тишков // Вестник Российской академии наук. - 2009. - Т. 79. - № 11. - С. 963-970.

4 Котляков, В. М. Соотношение естественных и антропогенных причин глобальных изменений климата / В. М. Котляков // Земля и Вселенная. - 2010. - № 5. - С. 3-14.

5 Устройство для выполнения способа внутрипочвенного импульсного дискретного полива растений: пат. 2411718 Рос. Федерация: МПК(7) А0Ш 25/06 / Калиниченко В. П.; заявитель и патентообладатель Калиниченко В. П. - № 2009110757/21; заявл. 30.03.09; опубл. 20.02.10, Бюл. № 5. - 9 с.

6 Калиниченко, В. П. Интенсификация мелиоративного процесса на орошаемых солонцовых комплексных почвах / В. П. Калиниченко, М. Б. Минкин. - М.: Изд-во МСХА, 1991. - 196 с.

7 Бобченко, В. И. Технология гидроциклически-богарных комплексных мелиораций / В. И. Бобченко // Сборник паспортов по агропочвоведению. - М.: ЦБНТИ, 1989. - С. 39-40.

Калиниченко Валерий Петрович - доктор биологических наук, профессор, Институт плодородия почв юга России, директор.

Контактный телефон: +79185333041.

E-mail: kalinitch@mail.ru

Kalinichenko Valeriy Petrovich - Doctor of Biological Sciences, Professor, Institute of soil fertility in the Southern regions of Russia, Director.

Contact telephone number: +79185333041.

E-mail: kalinitch@mail.ru

Минкина Татьяна Михайловна - доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» (ФГАОУ ВПО «ЮФУ»), кафедра почвоведения и оценки земельных ресурсов факультета биологических наук, профессор.

Контактный телефон: 8-863-263-75-31, +79185531632.

E-mail: tminkina@mail.ru

Minkina Tatyana Mikhaylovna - Doctor of Biological Sciences, Professor, Federal State Autonomous Educational Establishment of Higher Professional Education “Southern Federal University” (FSAEE HPE “SFedU”), Department of Soil and land evaluation department of biological sciences, Professor.

Contact telephone number: 8-863-263-75-31, +79185531632.

E-mail: tminkina@mail.ru

Бакоев Сирождин Юсуфович - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «ДонГАУ»), старший преподаватель кафедры высшей математики и физики.

Контактный телефон: +79185518116.

E-mail: siroj 1@yandex.ru

Bakoyev Sirozhdin Yusufovich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University” (FSBEE OTE “DonSAU”), Senior Lecturer of the Chair of Higher Mathematics and Physics.

Contact telephone number: +79185518116.

E-mail: siroj 1@yandex.ru

Черненко Владимир Владимирович - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «ДонГАУ»), доцент кафедры земледелия и мелиорации.

Контактный телефон: +79064259586.

E-mail: instit03@mail.ru

Chernenko Vladimir Vladimirovich - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University” (FSBEE OTE “DonSAU”), Associate Professor of the Chair of Agriculture and Land Reclamation.

Contact telephone number: +79064259586.

E-mail: instit03@mail.ru

Радевич Евгений Васильевич - Институт плодородия почв юга России, эксперт. Контактный телефон: +79515039923.

E-mail: red0707@mail.ru

Radevich Yevgeniy Vasilyevich - Institute of Soil Fertility in the Southern Regions of Russia, Expert.

Contact telephone number: +79515039923.

E-mail: red0707@mail.ru

Сковпень Андрей Николаевич - кандидат биологических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «ДонГАУ»), доцент кафедры агроэкологии.

Контактный телефон: +79289088420.

E-mail: kalinitch@mail.ru

Skovpen Andrey Nikolayevich - Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University” (FSBEE OTE “DonSAU”), Associate Professor of Agroecology Chair. Contact telephone number: +79289088420.

E-mail: kalinitch@mail.ru

Болдырев Андрей Александрович - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «ДонГАУ»), аспирант.

Контактный телефон: +79281076637.

E-mail: kalinitch@mail.ru

Boldyrev Andrey Aleksandrovich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University” (FSBEE OTE “DonSAU”), Postgraduate Student.

Contact telephone number: +79281076637.

E-mail: kalinitch@mail.ru

Рыхлик Артем Эдуардович - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «ДонГАУ»), студент.

Контактный телефон: +79045036575, +79281749984.

E-mail: tyoma-4444@yandex.ru

Rykhlik Artem Eduardovich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Don State Agrarian University” (FSBEE OTE “DonSAU”), student. Contact telephone number: +79045036575, +79281749984.

E-mail: tyoma-4444@yandex.ru