УДК 631.432.1
A.С. Штучкина, ассистент, О.П.Гаврилина, канд. техн. наук, доцент В.А.
Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева
B.А. Биленко, канд. техн. наук, доцент Рязанского института (филиала) МГОУ.
М.И. Голубенко, канд. техн. наук, инженер- гидротехник.
АВТОРЕГУЛЯТОРЫ УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД НА ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫХ СИСТЕМАХ
Мелиорация земель и водохозяйственное строительство являются составной частью комплекса мероприятий по созданию материально-технической базы сельского хозяйства, и действие мелиоративно-технических средств оценивается, прежде всего, по результатам сельскохозяйственного производства.
Общеизвестно, что даже незначительное отклонение глубины стояния грунтовых вод от оптимальных значений неизбежно приводит к существенному снижению урожайности сельскохозяйственных культур [1].
В связи с этим, важное значение приобретают адаптивные (осушительно-увлажнительные) мелиоративные системы, которые позволяют автоматизировать процесс мелиорации, сохранить экологическую среду и достичь высокого экономического эффекта.
Под осушительно-увлажнительной системой понимается такая система, которая предназначена для удаления избытков воды во время переувлажнения земель и подачи влаги к корням растений в засушливые периоды. Эффективность систем двустороннего действия зависит от способа осушения и увлажнения. Для полива сельскохозяйственных культур на осушаемых землях применяют в основном два способа - подпочвенное орошение и дождевание [1].
На наш взгляд, регулирование на закрытых дренажных коллекторах при увлажнении путем инфильтрации легко реализуется по верхнему бьефу. Водорегулирование в этом случае осуществляют, создавая подпоры на участках коллекторов в регулируемых колодцах посредством стабилизации уровней регуляторами, поддерживающими заданный напор воды в коллекторно-
дренажной сети [2].
Гидравлические авторегуляторы уровня различаются принципом действия (принципом уравновешивания силовых параметров), способом воздействия датчика на регулирующий орган, характером регулирования и т.д. На гидромелиоративных системах двойного действия перспективно использование поплавковых регуляторов, которые позволяют осуществлять автоматическое управление водным режимом. Рассмотрим наиболее перспективные из них.
Автоматический регулятор уровня грунтовых вод на закрытой коллекторно-дренажной сети
Для системы дифференцированного регулирования уровня грунтовых вод [3] нами разработан автоматический регулятор уровня грунтовых вод на закрытой коллекторно-дренажной сети, устанавливаемый в устье сборного коллектора (рисунок 1). Система дифференцированного регулирования уровня грунтовых вод включает осушительно-увлажнительный мелиоративный массив 1, имеющий заданный уровень 2 грунтовых вод 3. Для отвода грунтовых вод 3 имеется коллекторно-дренажная сеть 4 с дренами 5, подающими грунтовую воду 3 в сборный коллектор 6, из которого грунтовая вода 3 поступает в водоот-водящий канал 7, в котором в конце сборного коллектора 6 установлен регулирующий механизм 8 уровня грунтовых вод 3, размещенный в камере 9. Регулирующий механизм 8 состоит из вертикальной трубы 10 с переливной кромкой 11 и с гофрированной вставкой 12, присоединенной к сборному коллектору 6, тросовоблочной системы 13 с устройством 14 для настройки регулирующего механизма 8 и поплавка-противовеса 15, размещен-
© Штучкина А. С., Гаврилина О. П., Биленко В. А., Голубенко М. И, 2013
ного в камере 16, соединенной гидравлическим каналом 17 с репрезентативной скважиной 18. Система соединения гидравлического канала 17 с репрезентативной скважиной 18 и регулирующим механизмом 8 происходит по принципу сообщающихся сосудов. Для полного перекрытия коллектора 6 служит дроссельный затвор 19, управляемый вручную.
Система работает следующим образом. В режиме осушения дроссельный затвор 19 открыт. Когда переводят систему дифференцированного регулирования уровня грунтовых вод на увлажнительный режим, то дроссельный затвор 19 закрывают, устройством 14 и производят настройку регулирующего механизма 8 на заданную отметку регулирования уровня 2 грунтовых вод 3, и система дифференцированного регулирования уровня грунтовых вод переходит на режим увлажнения, вследствие подпора грунтовых вод . Задающий параметр - уровень грунтовых вод - определяется технологическими требованиями сельскохозяйственного производства.
В случае понижения уровня грунтовых вод происходит понижение уровня воды в репрезентативной скважине 18, а следовательно, и в камере 16 с поплавком-противовесом 15. Поплавок-противовес опускается, а переливная кромка 11 трубопровода 10 поднимается. Тем самым создается подпор в сборном коллекторе 6, препятствующий отводу грунтовых вод 3 с массива регулирования 1. При повышении уровня грунтовых вод 3 процесс регулирования идет в обратном порядке.
Параметры системы дифференцированного регулирования уровня грунтовых вод здесь задаются конструктивно. Так, диаметр вертикальной трубы 10 принимается равным диаметру сборного коллектора 6, положение же ее переливной кромки 11 принимают по технологическим требованиям подпора грунтовых вод 3. Дроссельный затвор 19
подбирают из условия пропуска максимального расхода с сохранением бесподпорного режима работы сборного коллектора 6. Привод управления дроссельным затвором 19 принимают стандартным.
Регулятор уровня грунтовых вод
Регулятор уровня [4] (рисунок 2) состоит из сварного корпуса 1 с фланцем, соединен с дреной 2 и выполнен в виде трубы-колена 3 под 90°. Вертикальный конец трубы-клапана также перекрыт запорным органом в виде клапана 4, жестко прикрепленного к двухплечевому шарнирному рычагу ригеля 5, расположенному в высотном отношении выше поплавковой камеры 6, размещенной внутри колодца 7. В поплавковой камере 6 расположен чувствительный элемент в виде плавающего (свободного) поплавка 8. Съемная решетка 9 имеет продольные прорези с уменьшающейся по направлению высоты камеры шириной и установлена в направляющих поперек камеры 6 на дно. Дно камеры выполнено с уклоном в сторону впускной трубы-колена 3 и имеет упоры 10, на которые опускается плавающий поплавок 8. Рычажный механизм установлен на горизонтальной оси 12, причем ось 12 рычажного механизма, делит его на две, неравные части 14 и 15 и ось 12 закреплена на упорах 13. Рычажный механизм выполнен в виде двух жестко соединенных между собой частей ригеля 14 и 15, расположенных под тупым углом, прикрепленных выпуклой стороной к горизонтальной оси 12. Ось 12 смещена относительно крепления ригеля 5 к клапану 4 в сторону поплавковой камеры 6. На верховой части плеча
14 закреплена шарнирно камера-противовес 17, центр тяжести которой расположен выше горизонтальной оси 12 вращения. На низовой части плеча
15 шарнирно закреплен винтовой толкатель 18 с горизонтальной пластиной 19, контактирующий с плавающим поплавком 8 в камере 5. Для смены
Рис.1 - Автоматический регулятор уровня грунтовых вод на закрытой коллекторно-дренажной сети [3].
задания винтовой толкатель 18 может перемещаться по винту относительно низовой части плеча 15 на заданную величину, при этом винтовой толкатель 18 с фланцем 20 закреплен внутри фиксатора 21 с подъемником 22.
В целом регулятор представляет собой жесткий двухзвеневой шарнирный механизм, жестко прикрепленный к опорам 13. Камера-противовес 17 размещена в колодце 23 с дренажной трубой 24 у дна колодца. При этом съемная решетка 9, выполненная с уменьшающейся шириной в сторону ее верхового конца, размещена в направляющих и выполнена в нижней части у дна камеры промывным окном 28, с ручкой подъема 29, а дрена 24 соединена с коллектором 25.
Регулятор работает следующим образом. При поступлении воды в коллектор регулятор находится в положении, когда к корпусу трубы-колена 3 поджат клапан 4, а поплавок 8 свободно размещен на упорах 11 камеры 6. Вода в колодце отсутствует. Поступающая вода поступает в коллектор 25 и происходит повышение напора воды на клапан 4. В результате клапан 4 под действием выталкивающей силы воды поднимается вверх на величину, позволяющую пропустить требуемый расход воды в колодец 7. При уровнях в дрене меньших Нр, клапан 4 под действием веса емкости-противовеса 17 с балансиром (например, заполнение - гравий, булыжник или другой тяжелый подручный материал) закрыт, так как момент от силы гидростатического давления воды G•l1>P•l (где G - вес емкости-противовеса; Р - сила гидростатического давления воды; 11 и I - соответственно расстояние по горизонтали и по вертикали до оси вращения). Величина балласта для емкости-противовеса 17 подбирается такой, чтобы при до-
стижении уровнем воды в дрене Нр сила гидростатического давления воды на напорный клапан 4 Рст оказалась достаточной, чтобы автоматический клапан 4 сдвинулся с места и открыл доступ из верхнего бьефа дрены 2 в колодец 7. При этом верхняя часть клапана 4 с ригелем 5 жестко связанного с рычажным механизмом, опирающегося на ось 12 выпуклой стороной (силой трения можно пренебречь из-за их малости) поднимается вверх за счет действия двухзвеневого механизма, состоящего из соединенных между собой под тупым углом поворотных плеч 14 и 15. Одновременно с поворотом рычажного механизма, поворачиваясь вокруг оси 12, поднимается емкость-противовес 17. По мере повышения уровня в камере 6 поплавок 8 всплывает вверх, освобождая упоры 11, входит в контакт с пластиной 19 и воздействует на толкатель 18, закрепленный шарнирно на низовой части плеча 15. Заполнение водой колодца 7 и камеры 6 и контакт с пластиной 19 толкателя 18 продолжается до тех пор, пока давление в камере 6 не уравновесится максимальным для данного сброса уровня воды в отводящем коллекторе 25. При прекращении сброса и подъема уровня воды в коллекторе 25, следовательно, и увеличения гидростатического давления в камере 6 клапан 4 закрывается и колодец 7 остается наполненным водой. Волновой поток из колодца
7 через сужающиеся прорези съемной решетки 9 поступает в камеру 6, успокаивается, благодаря этому происходит спокойное движение поплавка
8 свободно по высоте камеры 6. При наличии в нижней части (у основания) решетки 9 промывного окна 28 осевшие на дно камеры 6 взвешенные наносы смываются потоком воды при понижении уровня воды в коллекторе 25. За время промывки
Рис. 2 - Регулятор уровня грунтовых вод [4]
камеры 6 от осевших взвешенных наносов из-за опускания уровня воды в ней возможно осматривать решетку 9 и, если плавник частично задержится на решетке 9, то ее поднимают (например, крючком или другими известными устройствами) ручкой 29, очищают от остатков плавника.
Уменьшение суммарной площади отверстий в решетке 9 позволяет добиться исключения пульсаций на поверхности воды в камере 6 без устройства специальных гасителей, что характеризуется высокой надежностью свободного перемещения поплавка в камере 6.
При полном опорожнении камеры 6 и колодца 7 вода постепенно вытекает из дрены 24 в коллектор 25. При этом поплавок 8 свободно опускается на упоры 11. Наклонное дно камеры 6, связанное с промывным отверстием 28 со съемной решеткой 9, позволяет проводить смыв наносов в колодец 7 и в дрену 24. Плавник также отрывается от предложенной конструкции решетки, так как смыв будет зависеть от скорости прохождения потока воды при понижении уровня в колодце 7 и скорости движения воды в дрене 24. Шарнирно-рычажный механизм (привод) с емкостью-противовесом 17 плеча 14 поднимается вверх, клапан 4 открывает трубу-колено 3. Вода из подводящей дрены 2 под напором устремляется в колодец 7 и заполняет вновь камеру 6. Напор в отводящей дрене 24 поддерживается на заданной величине, вызванной наполнением коллектора 25.
Устройство для регулирования уровня воды в закрытой дренажной сети
Устройство для регулирования уровня воды в закрытой дренажной сети [5] (рисунок 3) включает дренажный колодец 1, соединенный с входной дреной 2, и запорный клапан 3, регулирующий расход воды через выходную дрену 4. Запорный клапан 3 со штоком 5 пропущен через направляю-
щие 6 в крышке 7, причем клапан 3 перекрывает выпускное отверстие 8 корпуса 9, соединяющее выходную дрену 4 и с колодцем 1. Колодец 1 снабжен проточной камерой 10, сообщающейся выпускным калиброванным отверстием 11 с дополнительной емкостью 12. Выпускное калиброванное отверстие 11 перекрыто клапаном 13, снабженным грузом 14 для увеличения его массы (балласт, вода, грузики и т.п.). Емкость 12 сообщается с полостью выходной дрены 4 посредством трубопровода 15 и впускным отверстием 16 с дренажным колодцем 1. Клапан 13 выполнен в виде конуса, к вершине которого прикреплен шток 17, на котором закреплен поплавок 18 посредством фиксатора 19. Поплавок размещен в камере 10 и шарнирно-рычажным органом 20 соединяет шток 17 и шток 5 запорного клапана 3. Шток 5 запорного клапана 3 может иметь винтовую пару, допускающую возможность настройки клапана 3 вверх или вниз и перемещения поплавка 18 в камере 10 со штоком 17, причем нижним концом он связан с клапаном 13 конусного вида с грузом 14, последние размещены ниже дна камеры 10 в емкости 12.
Поплавковый датчик 21 уровня с клапаном 22 размещен во впускном отверстии 16, выполненном в камере 10 и связывающий ее с дренажным колодцем 1.
Впускное отверстие имеет выступы 23 с окнами и периодически взаимодействует с поплавковым датчиком 21 уровня в крайнем верхнем положении связанным с клапаном
Выбор поплавкового датчика 21 уровня позволяет прижать датчик 21 к выступам- ограничителям 23, через отверстия которых вода поступает в камеру 10. Кинематическая связь между поплавком 18 и запорным клапаном 3 выполнена в виде рычага 20, шарнирно связанного с дренажным колодцем 1. Сочетание поплавка 18 на штоке 17, пропущенного через калиброванное выпускное
Рис. 3 - Устройство для регулирования уровня воды в закрытой дренажной сети
отверстие 11, с клапаном 13 и с грузом 14 переменной массы позволяет избежать перекосов в вертикальном перемещении. На боковой стенке камеры 10 выполнено калиброванное отверстие 24, объединяющее камеру 10 с колодцем 1. Все элементы устройства выполнены съемными и взаимозаменяемыми при настройке.
С целью уменьшения усилия на поплавковое устройство система сконструирована таким образом, чтобы усилие от веса штока 5 и шарнирно-рычажного органа 20 уравновешивалось весом поплавка 18 со штоком 17 на котором закреплены клапан 13 с грузом 14 переменной массы.
Устройство для регулирования уровня воды в закрытой дренажной сети работает следующим образом. Элементы устройства устанавливают в дренажном колодце 1, в проточной камере 10 и в емкости 12 и настраивают на определенный заранее выбранный уровень воды в камере 10, для чего фиксируют длину штока 5 с запорным клапаном 3, поплавок 18 на штоке 17 и удерживающей его штоком с клапаном 13 с грузом 14.
В закрытом положении запорный клапан 3 прижимается к выпускному отверстию 8 корпуса 9 усилием веса поплавка 18 с клапаном 13 с грузом 14. Во время таяния снега, весенних паводков и при увеличении дренажных вод в колодец 1 через входную дрену 2 он заполняется водой до тех пор, пока поплавковый датчик 21 уровня не начнет подниматься. Клапан 22 начнет открывать впускное отверстие 16, а поплавковый датчик 21 уровня свободно начнет контактировать и фиксировать с выступами-ограничителями имеющих прорези (окна) для поступления воды в камеру 10. Одновременно с заполнением камеры 10 при повышении уровня воды в дренажном колодце 1, вода заполняет и камеру 10, клапан 22 который расположен выше впускного отверстия 16 за счет всплытия поплавкового датчика 21 уровня, взаимодействующего с выступами- ограничителями 23. При этом поплавок 18 всплывает, одновременно клапан 13 в виде конуса при наличии направляющего штока 17 плотно закрывает выпускное калиброванное отверстие 11, связанное с емкостью 12, и шарнирно-рычажный орган 20 через шток 5 постепенно открывает клапаном 3 выпускное отверстие 8 корпуса 9, соединяющее выходную дрену 4 с колодцем 1.
При прекращении подъема уровня воды в колодце 1 происходит снижение уровня воды в дренажном колодце 1, поплавок 14 поднимется, обратный клапан 13 закроет впускное отверстие 16 и камера 10 остается наполненной водой, происходит постепенное снижение уровня воды в камере 10 посредством отведения воды через суммарные площади обоих калиброванных отверстий 16 и 24 в камере 10 в колодец 1 и в выходную дрену 4, а следовательно, под действием веса поплавка 18, клапана 13 и массы груза 14 открывается выпускное отверстие 11. Общая конкретная масса элементов будет соответствовать постепенному
закрытию запорного клапана 3 отверстия 8 в корпусе 9, шарнирно-рычажный привод плечом штока 5 воздействует на клапан 3. Причем возможность перемещения как датчика 21 уровня, так и клапана 13 с грузом 14 позволяет осуществить промывку полости камеры и полости дрены с необходимой задержкой, после опорожнения их во время интенсивной работы дренажа, определяемой по величине водоотдачи почвогрунтов и по времени освобождения пахотного, слоя данной мелиоративной системы. После опорожнения проточной камеры 10 через емкость 12 устройство для регулирования уровня воды в закрытой дренажной сети готово к новому циклу работы, что упрощает его эксплуатацию.
Поплавковые регуляторы отличаются высокой точностью работы, позволяют осуществлять дистанционное управление из-за того, что чувствительные элементы здесь - это малогабаритные устройства, для изменения положения которых достаточно небольшой мощности привода. К недостаткам этих устройств можно отнести характерное для них запаздывание. Данный процесс требует всестороннего изучения для того, чтобы минимализировать запаздывание и позволить осуществлять автоматическое управление водным режимом.
Нами изготовлен опытный образец автоматического регулятора уровня грунтовых вод на закрытой коллекторно-дренажной сети, проводятся его всесторонние гидравлические исследования и разрабатывается методика гидравлического расчета.
Библиографический список
1. Оптимизация параметров водного режима осушенных и сопредельных земель с учетом надежности мелиоративных систем: монография. -Рязань: ФГБОУ ВПО РГАТУ, 2012. - 376 с.
2. Основы автоматики и автоматизации гидромелиоративных систем / Я.В. Бочкарев, П.И. Коваленко, А.И. Сергеев. - М.: Колос, 1993. 284 с.
3. Пат. 2 458 203 С2 Российская Федерация, МПК Е02В 7/38. Система дифференцированного регулирования уровня грунтовых вод / В. И. Билен-ко, Ю. А. Мажайский, С. Г. Малюгин, А. С. Штучкина; заявитель и патентообладатель Рязанский агротех-нологич. ун-т. - № 2010132398/13 ;заявл. 02.08.2010 ; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22. - 5 с.
4. Пат.2490394/С1 Российская Федерация, МПК Е02В11/00, G05D9/02. Регулятор уровня грунтовых вод / В.М.Голубенко, М.И.Голубенко; заявитель и патентообладатель Голубенко М.И. - № 20121104171/13, заявл.19.03.2012, опубл.20.08.2013.
5. Заявка исх.№ 2131810 от 01.11.13 Российская Федерация. Устройство для регулирования воды в закрытой дренажной сети /Голубенко М.И.,Биленко В.А., Штучкина А.С., Гаврилина О.П. заявитель Голубенко М.И., 600903, г.Владимир, м-р Лесной, 3, кв.23.