РЕГУЛЯТОР УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД
ADJUSTER OF GROUNDWATER LEVEL

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 №496349, E02B 11/00 от 1975).
Недостатком этого регулятора является низкая эффективность регулирования водного режима почвы, а также необходимость ручной настройки для перехода на другой режим работы и имеет свойство запаздывания 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, E02B 11/00 от 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 анналов, принимаем 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, E02B 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 при соотношении плеч рычага от контактной поверхности поплавка до точки касания рычага с жесткой планкой штока в камере не менее 4:1. Таким образом, планка, перемещаясь вверх, давит на шток, который связан через рычажную систему с запорными органами с определенным уровнем заполнения водой поплавковой камеры, что повышает эксплуатационную надежность и позволяет уменьшить расход материала на ее изготовление. Размеры устройств в целом поплавковой камеры определяются расчетом и опытным путем. Кроме того, конический запорный клапан, закрепленный в нижней части поплавка, соответственно, будет регулировать, и перекрывать выпускное отверстие в дне камеры с увеличением или уменьшением открытия выпускного отверстия, имеющего форму конуса с конусной поверхностью 10…15°, при этом нет необходимости устраивать на боковой стенке камеры ограничители хода поплавка, причем поплавковая камера сверху закрыта крышкой с направляющими для штока и закрепленной к нему снизу жесткой планкой. Отсюда и качество регулирования воды в дренажной системе будет надежным.
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 над 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 с рычагом, шарнирно одним концом присоединенного 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, в поплавковую камеру введены пара рычагов, которые шарнирно закреплены в стенках камеры, при этом свободные концы каждого рычага лежат на поверхности поплавка, и поплавок в своей нижней части снабжен коническим клапаном с возможностью перекрытия выходного отверстия в дне камеры, причем дополнительная жесткая планка соединена с нижним концом штока поплавковой камеры, который шарнирно соединен с рычагом, периодически взаимодействует с парой рычагов, шарнирно закрепленных в стенках камеры, 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, выходное отверстие в дне камеры имеет форму усеченного конуса с конусной поверхностью 10…15°.
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 связаны с рычагом 10, один конец которого шарнирно присоединен к борту колодца 1. Камера 11 выполнена в виде поплавкового привода, размещена 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. Поплавок 15 свободно расположен в камере 11 и в своей нижней части снабжен коническим клапаном 16, соосно зафиксированным над выпускным отверстием 17 в дне камеры 11. Выпускное отверстие 17 выполнено в дне камеры 11 в форме усеченного конуса с конусной поверхностью 10…15°, что предотвращает засорение камеры 11 при работе. Камера 11 снабжена крышкой 18 с отверстием 19 и направляющими 20, через которое пропущен шток 21, соединенный в верхней своей части через шарнир 8 со средней частью рычага 10 и клапан 22 шарнирно соединен со средней частью рычага 10, соответственно, штоком 23. Камера 11 имеет отверстие 24 в крышке 18 для сообщения ее с окружающей воздушной средой. В верхней части камеры 11 над поплавком 15 установлены саморегулирующие рычаги 25 и 26 таким образом, что один конец их зафиксирован в стенке камеры со свободой качания на осях 27 и 28, другой конец свободно лежит на плоскости поплавка 15 (поплавковый привод). Планка 29 контактирует с рычагами 25 и 26 и жестко соединена с нижним концом штока 21, который, в свою очередь, через шарнир 8 соединен со средней частью рычага 10. Шток 23 клапана 22 размещен в цилиндре 30 с возвратной пружиной 31, один конец которой прикреплен к крышке 32 цилиндра 30, а второй - к клапану 22. Гибкая связь между крышкой 33 корпуса 34 и клапана 22 выполнена в виде рукава 35 из гибкой мелиоративной ткани. Корпус 34 клапана 22 соединен с патрубком 36 отводящего коллектора 37, который 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 39 с вентилем 40 присоединена к выпускному отверстию 17, выполненному в форме усеченного конуса с конусной поверхностью 10…15°. Цилиндр 30 присоединен к крышке 32 корпуса 34.
Выбор поплавкового привода в виде поплавка 15 позволяет рычаги 25 и 26 прижать к планке 29, которая жестко прикреплена к нижнему концу штока 21. Кинематическая связь между поплавком 15 и рычагами 25 и 26 со свободой качания на осях 27 и 28 и пропущенный через отверстие 19 и направляющие 20 в крышке 18, шток 21 позволяет избежать перекосов в вертикальном перемещении планки 29 при контакте с рычагами 25 и 26, при этом планка 29, перемещаясь вверх, давит на шток 21, который через шарнир 8 связан с рычагом 10. Поплавок 15 не только выполняет роль поплавкового привода для запорного органа 3 и клапана 22, но при малых собственных размерах рычагов 25 и 26 позволяет усиливать давление поплавка 15 на шток 21 через планку 29 не менее чем в 4 раза, за счет чего объем поплавка 15 может быть уменьшен в несколько раз в своих геометрических параметрах. Уменьшение размеров поплавка 15 позволяет, соответственно, уменьшить размеры камеры 11. Под воздействием веса поплавка 15, веса саморегулирующих рычагов 25 и 26 и веса планки 29, конический клапан 16 будет перекрывать выпускное отверстие 17 в дне камеры 11. При этом одновременно усилие от упругости возвратной пружины 31 в замкнутом цилиндре 30 со штоком 23 и изменения положения клапана 22, закрепленного над отверстием корпуса 34, позволяют усилие уравновешивать рабочими органами, размещенными в поплавковой 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, а конический клапан 16 прикрывает поперечное сечение выпускного отверстия 17 в дне камеры 11. Поступающая вода наполняет камеру 11, уровень возрастает, и поплавок 15 всплывает и своей контактной поверхностью давит на концы свободно лежащих на его поверхности рычагов 25 и 26. Давление через рычаги передается на лежащую на них планку 29, причем соотношение плеч рычага от контактной поверхности поплавка 15 до точки касания рычага 25 и 26 с планкой 29 до оси качания в камере 11 не менее 4:1. Планка 29, перемещаясь вверх, давит на шток 21, который через шарнир 8 поднимает рычаг 10 и клапан 22, открывает отверстие в корпусе 34, соответственно, происходит перемещение на перекрытие дренажного коллектора запорным органом 3. Вследствие расположения поплавка 15 с коническим клапаном 16 выше дна камеры 11 на определенной высоте, клапан 16 тем самым открывает выпускное отверстие 17 и увеличивает живое сечение, тем самым уменьшая наполнение воды в камере 11. В результате увеличения уровня воды в колодце 1 и в камере 11 гидростатическое давление воды снижается постепенно, поплавок 15, следуя за уровнем воды в камере, опускается и через шток 23 закрывает клапан 22, 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 23 клапан 22 закрывает отверстие в корпусе 34.
Совместная работа рычагов 25 и 26, планки 29 со штоком 21, поплавка 15 при полностью освобожденной камере 11 от воды и снятии сжатия пружины 31 создают усилия плотного закрытия клапаном 22 выпускного отверстия в корпусе 34, и цикл снова повторяется. Рычаги 25 и 26 при малых собственных размерах позволяют усиливать давление поплавка 15 на шток 21 не мене чем в 4 раза, за счет чего объем поплавка 15 может быть уменьшен в 4 раза, соответственно уменьшаются и геометрические размеры самой камеры 11.
Таким образом, конструктивное решение регулятора увеличивает эксплуатационную надежность за счет уменьшения давления на шток и позволяет уменьшить материалоемкость.