АВТОМАТИЧЕСКИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ПОТОКА ЖИДКОСТИ
AUTOMATIC HYDRAULIC DISTRIBUTOR OF LIQUID FLOW

Изобретение относится к гидроавтоматическим устройствам и может быть использовано для преобразования постоянного потока жидкости в дискретный поток и подачу поочередно в несколько каналов к потребителям. Более конкретно предлагаемое изобретение может найти применение для дозированной подачи жидкости потребителям в пищевой и химической промышленности, а также в сельском хозяйстве для дискретной подачи поливной нормы небольшими порциями при поливе сельскохозяйственных культур, что повышает урожайность сельскохозяйственных культур и эффективность систем полива в целом.
Известен автоматический сифонный дозатор-распределитель жидкости, включающий накопительную емкость, питающую трубку с краном, рабочий сифон с механизмом запуска и срыва вакуума и механизмом автоматического переключения потока жидкости, состоящим из объединенных между собой всасывающими частями посредством коллектора нескольких сифонов со сливными частями, заглубленными в стаканы, имеющие выходные патрубки, при этом входной патрубок каждого стакана предшествующего сифона сообщен микросифоном с нижней частью полости стакана последующего стакана [1].
под.
отвод
под.
отвод
Недостатком этого автоматического сифонного дозатора-распределителя жидкости является значительная разница между подводимым (q) расходом и отводимым (Q) расходом (q<Q), что приводит к нецелесообразности его применения в системах, где требуется подача воды к потребителям в большом диапазоне изменения как по расходу, так и по продолжительности. Это устройство также нельзя использовать в закрытых (напорных) системах гидроавтоматики, что значительно сужает его область применения.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству, выбранным в качестве прототипа, является устройство для полива, включающее поливной трубопровод, имеющий водовыпуски, механизм их включения, выполненный в виде качающегося на горизонтальной оси ковша с противовесом, и связанный с ним гидрораспределитель, при этом водовыпуски выполнены в виде камер, содержащих корпус с седлом, сливными отверстиями и крышкой с осевым отверстием и расположенную между крышкой и седлом корпуса эластичную мембрану, а гидрораспределитель - в виде поршня с радиальным сливным отверстием, размещенным в корпусе, снабженным крышкой, имеющей выходное осевое отверстие, которое сообщено через фильтр с поливным трубопроводом, а выходные отверстия сообщены каналами связи с надмембранными полостями водовыпусков [2].
Недостатками этого устройства для полива являются невысокая надежность в работе и большие непроизводительные сливы жидкости через механизм включения водовыпусков. Конструктивное решение водовыпуска приводит к необходимости поддержания давления в управляющих гидравлических каналах связи и в рабочей полости механизма включения водовыпусков. Сообщенность между собой управляющих каналов связи и необходимость поддержания постоянного давления в них для закрытия водовыпусков снижают схемную надежность устройства в целом, так как повреждение (параметрический отказ) одного из каналов связи непрерывно влияет на нормальную работу других каналов связи и приводит к расстройству (иногда и отказу) работы устройства в целом. Давление жидкости в полостях гидрораспределителя приводит к большим силам трения между поршнем и корпусом, что увеличивает размеры ковша и способствует увеличению, как непроизводительного слива воды, так и материалоемкости.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности работы, снижение материалоемкости и непроизводительного слива жидкости путем включения в работу управляющих каналов связи лишь на время, которое необходимо для подачи жидкости потребителю по данной напорной линии, сведения к минимуму влияния давления жидкости в напорном трубопроводе на силу трения между деталями гидравлического шагового искателя и использования давления жидкости для работы гидравлического коммутатора.
Поставленная цель достигается тем, что механизм включения гидроуправляемых запорных клапанов выполнен в виде гидравлического коммутатора с входным, сливным и управляющими выходными гидравлическими каналами связи, причем выходные управляющие каналы связи сообщены с атмосферой и рабочими полостями гидроуправляемых запорных клапанов и выполнены с возможностью поочередного соединения с напорным трубопроводом, а входной и сливной каналы сообщены соответственно с напорным трубопроводом через фильтр и атмосферой, гидравлический коммутатор выполнен в виде гидроцилиндра с поршнем и штоком, клапана переключателя и гидравлического шагового искателя, причем клапан-переключатель и гидравлический шаговый искатель установлены неподвижно относительно гидроцилиндра и кинематически связаны со штоком гидроцилиндра, штоковая полость гидроцилиндра сообщена с напорным трубопроводом, а подпоршневая его полость имеет возможность поочередного сообщения с атмосферой или напорным трубопроводом через параллельно установленные обратный клапан и регулируемый дроссель посредством клапана-переключателя и гидравлических каналов связи, усилие сжатой пружины гидравлического шагового искателя выбрано больше, чем произведение суммарных площадей штока и выступа на давление в напорном трубопроводе, клапан-переключатель содержит поршень, малое и большое седла, причем диаметр поршня выполнен больше диаметра проходного сечения малого седла и меньше диаметра проходного сечения большого седла, шток гидроуправляемого запорного клапана выполнен полым, а рабочая полость мембранного гидропривода сообщена с атмосферой и имеет возможность периодического сообщения с напорным трубопроводом через управляющие каналы связи и гидравлический шаговый искатель.
Сущность предлагаемого изобретения приведена на фиг.1 - принципиальная схема автоматического гидравлического распределителя потока жидкости; на фиг.2 - конструктивная схема гидроуправляемого запорного клапана; на фиг.3 - конструктивная схема клапана-переключателя; на фиг.4 - конструктивная схема гидравлического шагового искателя (вид А на фиг.1); на фиг.5 - разрез Б-Б фиг.4.
Автоматический гидравлический распределитель потока жидкости состоит из напорного трубопровода 1, гидроуправляемых запорных клапанов 2, установленных на напорных линиях I, II, III, IV, V, VI потребителей, гидравлического коммутатора 3 и фильтра 4.
Гидравлический коммутатор содержит гидроцилиндр 5 со штоковой 6 и подпоршневой 7 полостями, поршень 8 со штоком 9, клапан-переключатель 10, гидравлический шаговый искатель 11, выходной 12, сливной 13 и управляющие гидравлические каналы связи 14. Шток 9 имеет неподвижный упор 15 на боковой поверхности и фиксированный упор 16 на оси для взаимодействия соответственно с гидравлическим шаговым искателем 11 и клапаном-переключателем 10.
Гидроуправляемый запорный клапан 2 (фиг.2) содержит корпус 17 и клапан 18 с полым штоком 19 и мембранным гидроприводом 20. Клапан 18 прижат возвратной пружиной 21 к седлу 22 корпуса 17, а полость мембранного гидропривода с помощью тарелки 23 и мембраны 24 разделена на рабочую полость 25 со штуцером 26 и надмембранную полость 27.
Клапан-переключатель 10 (фиг.3) состоит из корпуса 28 с рабочим 29 и сливным 30 каналами связи и большим седлом 31, цилиндра 32 с напорным каналом связи 33 и малым седлом 34 и штока 35 с поршнем 36, клапаном 37 и пятой 38.
I
II
VI
Гидравлический шаговый искатель 11 (фиг.4, фиг.5) состоит из корпуса 39 с радиальными выходными отверстиями 40, 40, …40, сливным отверстием 41 и крышкой 42 с входным каналом 43, диска 44 с выступом 45, штоком 46, с осевым отверстием 47, зубьями 48 на поверхности по периметру и штоком 49, рычага-толкателя 50, установленного на штоке 49 с возможностью осевого вращения и имеющего паз 51 на одном конце и подпружиненную собачку-толкатель 52 на другом конце для взаимодействия соответственно с неподвижным упором 15 и зубьями 48. Выступ 45 выполнен с отверстием 53, которое сообщено с отверстием 47 штока 46. Диск 44 с выступом 45 посредством пружины 54 прижат к корпусу 39 и образует полость 55.
Клапан-переключатель 10 кинематически связан со штоком 9 гидроцилиндра 5 через переключатель 56 (фиг.1), состоящий из диска 57, установленного на шарнирно неподвижной опоре, упора-толкателя 58, 59 и 60 и пружины растяжения 61, обеспечивающей два устойчивых положения диска 57.
Гидравлический шаговый искатель 11 установлен относительно гидроцилиндра 5 неподвижно и через рычаг-толкатель 50 кинематически связан со штоком 9 гидроцилиндра 5 посредством неподвижного упора 15.
Штоковая полость 6, входной канал 43 и напорный канал связи 33 сообщены с входным каналом связи 12 соответственно каналами связи 62, 63, 64 и далее через фильтр 4 и канал связи 65 с напорным трубопроводом 1. Подпоршневая полость 7 через обратный клапан 66 и регулируемый дроссель 67, установленные параллельно на канале связи 68, имеет возможность сообщения с напорным трубопроводом через рабочий канал 29 и канал связи 64 и с атмосферой через сливной канал 30 и канал связи 69 и 13.
Сливное отверстие 41 объединено с каналом связи 69 с помощью канала связи 70 и сообщено с атмосферой через сливной канал связи 13.
I
II
III
VI
Выходные управляющие каналы связи 14 сообщают выходные радиальные отверстия 40, 40, 40… 40 с рабочими полостями 25 гидроуправляемых запорных клапанов 2, установленных соответственно на напорных линиях I, II, III, IV, V, VI.
Для нормальной работы автоматического гидравлического распределителя потока жидкости необходимо соблюдать следующие условия:
пружина 54
где: F - усилие предварительного сжатия пружины 54;
пружина 61
F - усилие предварительного расжатия пружины 61;
Р - давление жидкости в напорном трубопроводе 1;
шток
S - площадь поперечного сечения штока 46;
выступ
S - площадь поперечного сечения выступа 45;
поршень
S - площадь поперечного сечения поршня 36;
большое седло
S - площадь проходного сечения большого седла 31;
малое седло
S - площадь проходного сечения малого седла 34.
Для нормальной работы гидравлического шагового искателя 11 необходимо обеспечить следующее:
I
II
VI
- крайнее правое положение штока 9 должно обеспечивать совмещение отверстия 53 с одним из радиальных выходных отверстий 40,40, … 40 (см. фиг.1, фиг.4, фиг.5);
I, II, III…n
- крайнее левое положение штока 9 должно обеспечивать переход собачки-толкателя 52 на следующий зуб, то есть угол сектора описываемого рычагом 50 при его перемещении с крайне правого на крайне левое положение должен быть больше угла 360°/n, где n - количество выходных радиальных отверстий 40 (см. фиг.1).
Автоматический гидравлический переключатель потока жидкости может начинать работу с любого положения штока 9. Для описания работы, как частный случай, рассмотрим положение штока 9, приведенное на фиг.1, которое приводит клапан-переключатель 10 и гидравлический шаговый искатель 11 соответственно в положение, показанное на фиг.3, фиг.4 и фиг.5.
Работает автоматический гидравлический распределитель потока жидкости следующим образом.
I
III
VI
II
Жидкость по напорному трубопроводу 1 под давлением Р поступает к гидроуправляемым запорным клапанам 2 и далее к потребителю только по напорной линии II, так как гидроуправляемые запорные клапаны, установленные на напорных линиях I, III, IV, V, VI, остаются закрытыми из-за сообщения их рабочих полостей 25 с атмосферой через управляющие каналы 14, радиальные выходные отверстия 40, 40… 40, полость 55, сливное отверстие 41 и сливные гидравлические каналы связи 70 и 13, только гидроуправляемый запорный клапан 2, установленный на линии II открывается из-за сообщения его рабочей полости 25 с напорным трубопроводом 1 через штуцер 26, канал управления 14, радиальное выходное отверстие 40, отверстия 45, 47, входной канал 43 крышки 42, каналы связи 65, 12, фильтр 4 и канал связи 65.
При этом незначительная часть жидкости из напорного трубопровода 1 через канал связи 65, фильтр 4 и входной канал 12 поступает к гидравлическому коммутатору 3 и далее одновременно поступает:
- в рабочую полость 25 гидроуправляемого запорного клапана 2, установленного на напорной линии II через канал связи 63, гидравлический шаговый искатель 11 (условие (1)), управляющий канал 14, штуцер 26 и поддерживает его в открытом состоянии;
- в штоковую полость 6 через канал связи 62:
- полость клапана переключателя 10 через гидравлический канал связи 64 и напорный канал 33.
поршень
седло
II
II
III
III
Благодаря условию (4) под давлением жидкости в напорном трубопроводе 1 клапан 37 остается прижатым к седлу 34 с силой, равной Р (S-S 34), что обеспечивает сообщение подпоршневой полости 7 с атмосферой через канал связи 68, регулируемый дроссель 67, входной 29 и сливной 30 каналы связи, выполненные в корпусе 28, и сливные каналы 69 и 13. При этом шток 9 под давлением жидкости в штоковой полости 6 на поршень 8 начинает медленное движение (начало цикла возвратно-поступательного движения штока 9) в направлении с крайне правого положения на крайнее левое положение со скоростью, определяемой регулируемым дросселем 67, вытесняя воду из подпоршневой полости 7 в атмосферу (основное время подачи жидкости по данной напорной линии к потребителю). При этом шток 9 неподвижным упором 15, установленным в паз 51, взаимодействуя с рычагом 50, свободно вращаясь на оси 49, в конце хода перемещает подпружиненную собачку-толкатель 52 к следующему зубу 48, выполненному на поверхности по периметру диска 44, не смещая при этом отверстие 45 по отношению к выходному радиальному отверстию 40. Шток 9, перемещаясь влево фиксированным упором 16, взаимодействуя с упором 60 диска 57 и растягивая пружину 61 в конце хода, резко переводит ее с верхнего устойчивого положения в нижнее и благодаря условию (3) и взаимодействию упора 58 с пятой 38 мгновенно переводит клапан 37 со штоком 35 и поршнем 36 от седла 34 к седлу 31. Входной канал 12 сообщается с подпоршневой полостью 7 через канал связи 64, напорный канал 33 цилиндра 32, проходное сечение седла 34, рабочий канал 29 и канал связи 68 с параллельно установленными обратным клапаном 66 и регулируемым дросселем 67. Жидкость из напорного трубопровода 1 большим расходом поступает в подпоршневую полость 7, так как обратный клапан 66 не препятствует движению жидкости в этом направлении и начинает перемещать шток 9 вправо с большой скоростью, воздействуя поперечное сечение поршня 8 и вытесняя жидкость из штоковой полости 6 в входной канал 12 через канал связи 62 и 63. При движении штока 9 вправо неподвижный упор 15, взаимодействуя с рычагом-толкателем 50, с помощью подпружиненной собачки-толкателя 52 и зубьев 48, поворачивает диск 44, прижатый к корпусу 39 посредством пружины 54, по часовой стрелке (см. фиг.5) и переводит выступ 45 с отверстием 53 от выходного радиального отверстия 40 к выходному радиальному отверстию 40, что приводит к сообщению рабочих полостей 25 гидроуправляемых запорных клапанов 2, установленных на напорных линиях II и III, соответственно с атмосферой и напорным трубопроводом 1 через гидравлический шаговый искатель 11. Совмещение отверстия 53 с выходным каналом 40 происходит при крайнем правом положении штока 9.
При этом гидроуправляемый запорный клапан 2, установленный на напорной линии II, закрывается [клапан 18 гидропривода 20 перемещается с верхнего положения (положение открыто) в нижнее положение и прижимается к седлу 22 (положение закрыто), закрывая его проходное сечение] под действием возвратной пружины 21 и давления жидкости, поступающей из входа корпуса 17 через полый шток 19 в полость 27, отделенную от рабочей полости 25 тарелкой 23 и мембраной 24, а гидроуправляемый запорный клапан 2, установленный на напорной линии III, открывается под действием давления жидкости в рабочей полости 25, поступающей из напорного трубопровода 1.
Жидкость из напорного трубопровода 1 начинает поступать к потребителю по напорной линии III.
Шток 9, приближаясь к крайне правому положению, взаимодействуя с упором 60, переводит пружину 61 с нижнего устойчивого положения на верхнее. При этом упор 59, ударяясь об пяту 38, благодаря условию (2) резко отрывает клапан 37 от большого седла 31 и прижимает к малому седлу 34. Подпоршневая полость 7 отсекается от входного канала 12 и сообщается с атмосферой. Начинается движение штока 9 влево (конец цикла возвратно-поступательного движения штока 9).
Далее шток 9 гидроцилиндра 7, взаимодействуя одновременно с клапаном-переключателем 10 через переключатель 56 и гидравлическим шаговым искателем 11 через неподвижный упор 15, совершает возвратно-поступательное движение и поочередно сообщает рабочие полости 25 гидро-управляемых запорных клапанов 2 с напорным трубопроводом 1, что обеспечивает поочередное открытие запорных клапанов 2 и подачу жидкости по напорным линиям I, II, III, IV, V, VI.
В виду незначительности продолжительности перемещения штока 9 с крайне левого положения в крайне правое, продолжительность подачи жидкости по напорным линиям I, II, III, IV, V, VI определяется продолжительностью перемещения штока 9 из крайне правого положения в крайнее левое, которая регулируется с помощью регулируемого дросселя 67.
Таким образом, выполнение гидравлического коммутатора 3 в виде гидроцилиндра 5 с поршнем 8 и штоком 9, кинематически связанным клапаном-переключателем 10 и гидравлическим шаговым искателем 11 соответственно через переключатель 56 и неподвижный упор 15, позволили сводить к минимуму влияние давления жидкости в напорном трубопроводе 1 на силу трения между корпусом 30 и диском 44 (выступом 45) и использовать давление жидкости в напорном трубопроводе для работы гидравлического шагового искателя 11, что обеспечивает снижение материалоемкости и непроизводительного слива жидкости в атмосферу. Новая конструкция гидравлического шагового искателя 11 и гидроуправляемого запорного клапана 2 с полым штоком 19 позволяет во время работы автоматического гидравлического распределителя жидкости отключить управляющие каналы связи 14 и включить только один канал связи 14 лишь на время, которое необходимо для подачи жидкости к потребителю по данной напорной линии, что резко повышает схемную надежность работы в целом.
Экспериментальный образец автоматического гидравлического распределителя потока жидкости изготовлен в производственных условиях в мастерских ФГНУ ВНИИ «Радуга», и проведены испытания в лабораторных условиях. Результаты испытания положительны.
Работоспособность обеспечена в большом диапазоне изменения следующих параметров:
- давления в напорном трубопроводе (0.2-0.7 МПа);
- расхода жидкости в напорном трубопроводе (2.0-3.8 л/с);
- продолжительности подачи жидкости каждому потребителю по напорной линии (20-1500 с).
Применение предлагаемого изобретения в народном хозяйстве значительно повысит надежность и эффективность систем гидроавтоматики.
Источники информации
1. Патент РФ №21838221, кл. G01F 13/00, F04F 10/00, A01G 25/02.
2. Патент РФ №2019097, кл. A01G 25/06, 25/16 - прототип.