РЕГУЛЯТОР УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД
GROUND WATER LEVEL REGULATOR

Изобретение относится к мелиорации и может быть использовано для автоматического регулирования уровня грунтовых вод.
Известен регулятор уровня воды в дренажной сети, включающий запорный орган, установленный на входном оголовке дренажной трубы, поплавок со штоком, дренажный колодец и выпускной патрубок (Авторское свидетельство SU №496349, Е02В 11/00 от 25.12.1975).
Недостатком этого регулятора является низкая эффективность регулирования водного режима почвы, а также необходимость ручной настройки для перехода на другой режим работы и запаздывание процесса открытия запорного органа, выполненного из клапанов, соединенных между собой штоком, причем нижний клапан размещен внутри запорного органа, а верхний - снаружи, в связи с этим он недостаточно чувствителен при изменениях уровня воды в колодце, требует более высокого качества изготовления исполнительного устройства, так как вследствие двух перпендикулярных клапанов, имеющих общий шток, нижний клапан может отказать в работе при заклинивании его в корпусе вследствие коррозии или загрязнения, что ведет к резкому возрастанию сил сопротивления и погрешности поддержания уровня воды в колодце. Кроме того, другим недостатком является низкая надежность в условиях изменения уровня воды в колодце вследствие работы двух клапанов.
Известно также устройство для регулирования уровня грунтовых вод, содержащее колодец с размещенным в нем оголовком дрены, снабженный запорным органом, поплавковый привод, установленный в камере, которая сообщена с колодцем, и трубопровод, соединенный с дреной (Авторское свидетельство SU №1013560, Е02В 11/00 от 23.04.1983).
Недостатком данного устройства является то, что оно не может контролировать свой нижний бьеф, а значит, не может быть использовано в каскаде таких сооружений по длине коллектора, при этом в процессе эксплуатации не предоставляется возможность точного и гибкого регулирования уровня грунтовых вод из-за постоянного ручного открытия или закрытия затвора в боковой стенке камеры, что негативно влияет на урожайность сельскохозяйственных культур. Кроме того, использование рычага и дроссельной заслонки непосредственно в самом колодце усложняет конструкцию и увеличивает погрешность при стабилизации заданного расхода и необходимость настройки поплавка с работой водосливного затвора в каждом конкретном случае применения в реальных условиях. Оно также ненадежно из-за трения штока в ползуне при попадании мусора и наносов и отсутствия возможности управления системой для полного уравновешивания поплавкового привода при закрытии затвора, сложно в эксплуатации.
Наиболее близким из анналогов, принятым за прототип, является регулятор уровня грунтовых вод, включающий запорный орган, установленный на входном оголовке дренажной трубы, поплавок со штоком, дренажный колодец и патрубок, запорный орган снабжен Г-образным рычагом, шарнирно присоединенным к штоку, связанному с рычагом поплавкового привода, шарнирно одним концом присоединенного к борту колодца, а поплавок и запорный орган патрубка шарнирно соединены штоком со средней частью рычага с возможностью их вертикального перемещения, соответственно, на противоположное при изменении положения запорного органа на входном оголовке дрены, при этом поплавок расположен в камере, которая размещена внутри колодца (Патент RU №2530527, Е02В 11/00, G05D 9/04 от 10.10.2014).
Недостатком данного устройства является то, что оно имеет большие габаритные размеры поплавковой камеры для размещения в ней объемного поплавка для управления рычагами, связанными с двумя запорными органами, один из которых снабжен пружиной сжатия, и необходимость применения значительных сил одного затвора на закрытие, а другого на открытие, а значит, усложнение конструкции поплавкового привода в эксплуатации, т.е. увеличивает расход материала на изготовление поплавковой камеры в целом, следовательно, усложняет эксплуатацию системы конструкции.
Предлагаемое устройство направлено на устранение указанных недостатков за счет конструкции, которая позволяет уменьшить величину гидростатического давления при закрытии запорного органа на входном оголовке дрены и открытии запорного органа в виде клапана, подпружиненного пружиной сжатия, за счет конструкции в целом и уменьшить воздействие переменного давления воды, накопленной в камере до определенного уровня. При этом полый поплавок, которому придана форма двояковыпуклой линзы в полости поплавковой камеры с запорным элементом в виде конической иглы, и запорное гнездо в выходном патрубке с определенным уровнем заполнения водой поплавковой камеры позволяет уменьшить расход материала на его изготовление и обеспечивает заданную эксплуатационную надежность. Размеры устройства в целом поплавковой камеры определяются расчетом и опытным путем. Кроме того, запорный элемент в виде конической иглы, запорное коническое гнездо выходного патрубка, соединенного с сужающей книзу трубой, будет регулировать и перекрывать выпускное отверстие выходного патрубка в дне камеры с увеличением или уменьшением открытия выпускного отверстия, имеющего форму конического запорного гнезда, при этом нет необходимости устраивать на боковой стенке камеры ограничители хода поплавка, причем поплавковая камера сверху закрыта крышкой с направляющими для штока и закрепленного к нему поплавка вместе с нижним запорным элементом. Отсюда и качество регулирования воды в дренажной системе будет надежным, т.е. обеспечит заданную эксплуатационную надежность.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Задача, на применение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение эксплуатационной надежности путем уменьшения усилий на шток, связанный с рычагом, и уменьшение габаритных размеров.
Технический результат - повышение урожайности сельскохозяйственных культур и регулирование сбросного расхода в колодце на подкомандной территории.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном регуляторе уровня грунтовых вод, включающем запорный орган, установленный на входном оголовке дренажной трубы, поплавок, шток, дренажный колодец, патрубок, запорный орган снабжен Г-образным рычагом, шарнирно присоединенным к штоку, связанному рычагом, шарнирно одним концом присоединенным к борту колодца, запорный орган патрубка отводящего коллектора шарнирно соединен штоком со средней частью рычага с возможностью его вертикального перемещения, соответственно, на противоположное при изменении положения запорного органа на входном оголовке дрены, при этом поплавок расположен в камере, которая размещена внутри колодца, полому поплавку придана форма двояковыпуклой линзы и поплавок в своей нижней части снабжен запорным элементом в виде конической иглы, а выходной патрубок имеет коническое запорное гнездо, при этом гнездо выходного патрубка соединено с сужающейся книзу трубой, причем поплавок в своей верхней части дополнительно соединен штоком, который шарнирно соединен с рычагом, при этом шток запорного органа патрубка размещен в цилиндре с возвратной пружиной, один конец которой прикреплен к крышке цилиндра, а второй - к клапану запорного органа.
Кроме того, сужающая книзу труба соединена с отводящей трубкой посредством резьбового соединения.
На чертеже схематически изображен регулятор уровня грунтовых вод.
Регулятор уровня грунтовых вод включает колодец 1 с впускным патрубком 2 коллектора, запорный орган 3, который посредством Г-образного рычага 4, штока 5 и жестких связей через шарниры 6, 7, 8, 9 связан с рычагом 10, один конец которого шарнирно присоединен к борту колодца 1. Камера 11 выполнена в виде поплавкового привода, размещенного внутри колодца 1 и закреплена на вертикальных опорах 12 к дну колодца 1. Одна из стенок 13 камеры 11 выполнена с впускным отверстием 14, устроенным в нижней части стенки 13. В камере 11 установлен поплавок 15, которому придана форма двояковыпуклой линзы. Поплавок 15 в своей нижней части снабжен запорным элементом 16, который представлен в виде конической иглы. Дно камеры 11 снабжено выходным патрубком 17. Выходной патрубок 17 имеет коническое запорное гнездо 18. Запорное гнездо 18 выходного патрубка 17 соединено с сужающейся книзу трубой 19. Сужающая труба 19 соединена с отводящей трубкой 20, с вентилем 21 посредством резьбового соединения 22. Камера 11 снабжена крышкой 23 с отверстием 24 и направляющими 25, через которые пропущен шток 26, соединенный жестко нижним концом с поплавком 15, и шток 26 соединен в верхней своей части через шарнир 8 со средней частью рычага 10, и клапан 27 шарнирно соединен со средней часть рычага 10, соответственно, штоком 28. Камера 11 имеет отверстие 29 в крышке 23 для сообщения с окружающей воздушной средой. Шток 28 клапана 27 размещен в цилиндре 30 с возвратной пружиной 31, один конец которой прикреплен к крышке 32 цилиндра 30, а второй - к клапану 27. Гибкая связь между крышкой 33 корпуса 34 и клапана 27 выполнена в виде рукава 35 из гибкой мелиоративной ткани. Корпус 34 клапана 27 с патрубком 36 отводящего коллектора 37, которое имеет сужение, выполненное в виде трубы Вентури 38. Угол сужения конфузора трубы Вентури α=40…50°, а угол расширения диффузора β=6…8°. Труба Вентури 38 при помощи трубки 20 с вентилем 21 присоединена к сужающейся книзу трубе 19 посредством резьбового соединения 22. Цилиндр 30 присоединен к крышке 32 корпуса 34.
Выбор полого поплавка 15 в форме двояковыпуклой линзы с запорным элементом 16 в виде конической иглы, которая постоянно размещена в запорном гнезде 18 выходного патрубка 17 при движении поплавка 15 вверх - вниз, т.е. в любых положениях уровня воды в камере 11, фиксирует направление поплавка 15 и одновременно реализует выпуск воды в сужающую книзу трубу 19. Кинематическая связь поплавка 15 с выходным патрубком 17, в котором размещен запорный элемент 16,и пропущенный через отверстие 29 в крышке 23 и шток позволяют избежать перекосов в вертикальном перемещении поплавка 15, при этом поплавок 15 благодаря форме исполнения с элементами крепления сглаживает пиковые наполнения и давления в камере 11 при совместной работе запорного органа 3 и клапана 27, перемещаясь вверх-вниз, рычаг 10, которого связан через шарнир 8 со штоком 26. В свою очередь форма и параметры поплавка 15 с запорным элементом 16 в виде иглы позволяют усиливать давление поплавка 15 на шток 26, соответственно, чтопозволяет, уменьшит размеры камеры 11. Под действием веса поплавка 15, запорного элемента 16 и штока 26, запорная игла 16 будет постоянно находиться в гнезде 18 и перекрывать выпускное отверстие гнезда 18. При этом одновременно усилие от упругости возвратной пружины 31 в замкнутом цилиндре 30 со штоком 28 и изменения положения клапана 27, закрепленного над отверстием корпуса 34, позволяет усилие уравновешивать рабочими органами, размещенными в камере 11.
Регулятор уровня грунтовых вод работает следующим образом.
При поступлении воды в коллектор регулятор находится в положении, когда запорный орган 3 открыт на дренажном коллекторе. Система сбалансирована таким образом, что при поступлении воды в колодец 1 поплавок 15 находится в нижнем положении под действием силы веса, и опирается на запорный элемент 16, и перекрывает отверстие в запорном гнезде 18 выходного патрубка 17 и выход воды в сужающую книзу трубу 19. По мере заполнения водой камеры 11 поплавок 15, которому придана форма двояковыпуклой линзы, всплывает и своей контактной поверхностью жестко соединенной со штоком 26, давит вверх на шток 26, который через шарнир 8 поднимает рычаг 10 и клапан 27, открывает отверстие в корпусе 34, соответственно происходит перемещение на перекрытие дренажного коллектора запорным органом 3, а запорный элемент 16 открывает нижнее коническое запорное гнездо 18 и вода, находящаяся в камере 11, поступает в сужающую книзу трубу 19, увеличивая постепенно в нем живое сечение, тем самым уменьшая наполнение воды в камере 11 на определенной высоте, и вода поступает в трубку 20. В результате этого уровень воды в камере 11 снижается постепенно, поплавок смешается вниз в полости камеры 11 вместе со штоком 26 и через шток 28 закрывает клапан 27, соответственно, дренажный коллектор открывается запорным органом 3. При этом одновременно при снижении уровня в камере 11 происходит и снятие сжатия пружины 31, и через шток 28 клапан 27 закрывает отверстие в корпусе 34.
Таким образом, полый поплавок 15 с запорным элементом 16 со штоком 26 при полностью освобожденной камере 11 от воды и снятия сжатия пружины 31 создают усилия плотного закрытия клапаном 27 выпускного отверстия в корпусе 34 и цикл повторяется. Форма и объем пустотелого поплавка 15 позволяют усиливать непосредственно давление на шток 26, что компенсирует растяжение пружины 31 и закрытие запорного органа 3. При этом, в целом, это уменьшает расход материала поплавковой камеры 11 и обеспечивает заданную эксплуатационную надежность. Размеры устройства в целом поплавковой камеры определяются расчетом и опытным путем, совершая движение вверх-вниз в камере 11, поплавок 15 обеспечивает строго вертикальное перемещение вместе со штоком 26, увеличивает заданную эксплуатационную надежность и позволяет уменьшить материалоемкость. Отсюда и качество регулирования воды в дренажной системе будет надежным и обеспечит с большей точностью автоматическое регулирование уровня грунтовых вод.