РЕГУЛЯТОР УРОВНЯ ГРУНТОВЫХ ВОД
GROUND WATER LEVEL CONTROLLER

Изобретение относится к мелиорации, в частности к гидротехническим сооружениям на осушительно-увлажнительных системах, и предназначено для автоматического регулирования уровня воды в открытой и закрытой сети.
Известно устройство для регулирования влажности, включающее колодец и сложную арматуру регулирования, которое обеспечивает изменение режима работы дренажа при изменении уровня воды в канале (Авторское свидетельство СССР №794112, кл. E02B 11/00, 1981).
Однако устройство имеет невысокую точность стабилизации уровня, требует устройства специального увлажнительного канала и крупных дренажных систем и характеризуется сложностью конструкции, а это влечет за собой снижение надежности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор уровня грунтовых вод, содержащий колодец, установленный в нем на оголовке дрены запорный орган в виде тарельчатого клапана, связанного с рычагами шарнирного механизма и поплавок, размещенный в колодце. Такое устройство позволяет стабилизировать уровни воды в колодце и открывать дренажный коллектор независимо от этого уровня при повышении грунтовых вод (Авторское свидетельство СССР №763519, кл. E02B 13/00, 1978).
Однако такое устройство требует подачи воды по дренажному коллектору от истока к устью и характеризуется невысокой точностью стабилизации уровня. Кроме того, устройство сложно в изготовлении, в процессе эксплуатации из-за заиления и заохривания датчика трубчатого фильтра, не обеспечивается с достаточной точностью поддержание заданных напоров; трудоемкость перестройки регулятора на другой уровень грунтовых вод. Другим недостатком является то, что при одновременно повышении сверх заданного уровней грунтовых вод в верхнем и нижнем бьефах, например, от атмосферных осадков, поплавки действуют на привод запорного органа в двух взаимно противоположных направлениях, что влечет за собой случайность выбора его положения. Невозможность работы регулятора в режиме полного осушения.
Цель изобретения - повышение надежности устройства и повышение точности регулирования и перестройка в режим осушения.
Указанная цель достигается тем, что рычажный механизм выполнен с возможностью свободного контактирования с плавающим поплавком, размещенным в дополнительной камере, а рычаги установлены на горизонтальной оси, причем ось рычажного механизма делить его на две неравные части, верховая из которых больше низовой, причем на верховой части плеча шарнирно закреплена емкость-противовес, центр тяжести которой размещен выше горизонтальной оси вращения, а на низовой части плеча шарнирно закреплен механизм измененения положения соответственно над поплавком на отметках максимального и минимального уровня воды в поплавковой камере.
Кроме того, рычажный механизм выполнен в виде двух соединенных между собой частей ригеля, расположенных под тупым углом, прикрепленных выпуклой стороной к горизонтальной оси.
Механизм изменения положения при контактной связи с поплавком выполнен в виде винтового шарнирного толкателя с горизонтальной пластиной, закрепленной на конце низовой части плеча, и регулятор снабжен подъемником, взаимодействующим с винтовым шарнирным толкателем.
Регулятор снабжен свободным поплавком, размещенным на упорах в камере, дно которой имеет наклон в сторону сороудерживающего устройства выполненного в виде съемной вертикальной решетки, в нижней части у дна камеры с промывным окном и имеет продольные прорези с уменьшающей по направлению высоты камеры шириной.
Применение регулятора уровня грунтовых вод предлагаемой конструкции позволяет обеспечить поддержание уровней грунтовых вод, а также обеспечивает гибкое и дифференцированное регулирование заданных уровней на подкомандной территории в зависимости от видов сельхозкультур и вегетационного периода, что способствует увеличению с.-х. культур в независимости от погодных условий. Кроме того, предлагаемое устройство обладает более низкой по сравнению с прототипом материалоемкостью. Эффективность предлагаемого регулятора также определяется возможностью автоматического управления нормой осушения в процессе увлажнения-осушения, а также при необходимости перестроить работу системы в режим осушения, что позволяет исключить необходимость создания герметичного колодца. Кроме того, волновой поток из колодца поступает в камеру, успокаивается благодаря наличию сужающиеся прорези решетки, в результате чего поплавок перемещается по высоте камеры при спокойном наполнении камеры водой. Осевшие взвешенные наносы на дно камеры легко разрушаются водой и смываются обратным током воды при понижении уровня воды в коллекторе. Разрушение осевших взвешенных наносов производится при снижении уровня воды в сбросном коллекторе ниже минимально допустимой расчетной отметки - водой, поступающей из колодца, манипулированием которым можно производит механизмом положения на свободно плавающий поплавок. Все это характеризуется высокой надежностью перемещения плавающего поплавка в камере.
Выполнение конструкции защитной решетки позволяет автоматизировать процесс защиты камеры от завала взвешенными (мелкими) наносами и мелким мусором. При этом процесс защиты производится дифференцированно: разрушение выраженного завала - по команде снижения уровня воды в коллекторе или при закрытии трубы-колена клапаном манипуляциями механизма управления, настроенного на максимально допустимую расчетную отметку уровня воды (освобождение колодца от воды), то есть ее слив.
На фиг.1 изображен регулятор грунтовых вод, вид сверху; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - развертка решетки.
Регулятор уровня состоит из сварного корпуса 1 с фланцем, соединен с дреной 2 и выполненным в виде трубы-колена 3 под 90°. Вертикальный конец трубы-клапана также перекрыт запорным органом в виде клапана 4, жестко закрепленного 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 уменьшающей по направлению высоты камеры шириной и установлена в направляющих поперек камеры 6 на дно 10. Дно камеры 6 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 делить 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 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.
р
1
1
р
ст
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 H, 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·l>P·l (где G - вес емкости-противовеса; P - сила гидростатического давления воды; l и l - соответственно расстояние по горизонтали и по вертикали до оси вращения). Величина балласта для емкости-противовеса 17 подбирается такой, чтобы при достижении уровнем воды в дрене H сила гидростатического давления воды на напорный клапан 4 P 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, и 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 наполненной 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 взвешенные наносы на дно 10 камеры 6 смываются потоком воды при понижении уровня воды в коллекторе 25. За время промывки 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 10 камеры 6 связано 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.
Таким образом, в межполивной период автоматически поддерживается постоянное давление в отводящей дрене, определяемой по величине водоотдачи почвогрунтов во времени освобождения расчетного, например, пахотного, слоя данной мелиоративной системы, что сохраняет трубу от ударов и от разрушения. Причем гидравлический режим в отводящей дрене 24 характеризуется плавным постепенно затухающим изменением расхода вплоть до полного опорожнения полости дрены и от наносов.
р
ст
1
При снижении уровня воды в верхней дрене 2 до заданного H равнодействующая сила давления воды P уменьшается и момент от этой силы становится меньше моментов от веса емкости-противовеса 17. Клапан 4 начинает закрываться. Верхняя часть плеча 14 рычажного механизма, опираясь на ось 12 вращения, опускается, а нижняя часть плеча 15 перемещается вверх с толкателем 18, поплавок 8 опускается на упоры 11. При закрытии клапана 4 соотношение моментов составит G·l>Р·l.
Значение тупых углов должны обосновываться в процессе проектно-конструкторских разработок.
Величина равнодействующей определяется по формуле
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><msubsup><mi>H</mi><mi>p</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mi>g</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
р
где H - расчетный рабочий напор, м;
3
γ - объемный вес воды, т/м;
2
g=9,81 м/с.
Окончательно вес емкости-противовеса уточняется заполнением балласта 17 при проектировании регулятора (заполнение - гравий, булыжник или другой тяжелый подручный материал).
Таким образом, сочетанием работы плавающего поплавка 8, толкателя 18 с пластиной 19, связанного с двуплечим шарнирным механизмом и клапаном 4, размещенным в общем колодце 7, поддерживается давление в автоматическом режиме, даже после опорожнения емкости колодца 7 и камеры 6, мелиоративная система готова к новому циклу работы.
Для данного регулятора в режиме осушения необходимо фиксатор 21 подъемника 22 надавить вниз полностью на фланец 20 толкателя 18, тем самым клапан 4 откроет трубу-колено 3.
Кроме того, в режиме полного опорожнения колодца 7 и камеры 6, что способствует размыву и транспортированию отложившихся наносов из полости сооружения и дрены, необходимо фиксатором 21 подъемника 22 зацепить фланец 20 и полностью поднять толкатель 18, тем самым клапан 4 закроет трубу-колено 3.
a
Для подачи заданного расхода Q клапан 4 устанавливается на открытие . За счет рычажно-шарнирного механизма и при взаимодействии винтового толкателя 18 с поплавком 8, действительный расход истечения равен
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><msub><mi>μ</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mn>2</mn><mi>g</mi><mi>Z</mi></mrow></msqrt></mrow>
,
кол.
2
где ω - площадь поперечного сечения колена, м;
кол.
µ - коэффициент расхода колена равен (0,3…0,4);
Z - перепад между гидравлическим напором в выходном сечении колена и уровнем нижнего бьефа коллектора, м;
2
g=9,81 м/с.
кол.
кол.
кол.
Это значит, что регулятор может иметь оптимальные соотношения геометрических размеров. Учитывая, что поплавковая камера 6 вынесена за пределы пульсационной зоны и снабжена успокоительной съемной решеткой 9, с уменьшением суммарной площади отверстий решетки 9 и с промывным окном 28, решетка, которая размещена в направляющих, а также отсутствия влияния пульсации уровня воды от открытия отверстия тубы-колена 3 с клапаном 4, создается устойчивость работы плавающего поплавка 8. Затопление выходного отверстия над клапаном целесообразно принимать равным (1,0…1,5)Д (где Д - диаметр колена), высота предельного открытия клапана (0,5…0,8)ДУчитывая, что открытие клапана 4 зависит также от задатчика уровня винтовым толкателем 18 с механизмом положения с подъемником и устанавливает любой режим расхода из дрены, связывающие открытие и расход, целесообразно выдерживать эти параметры. При этом труба-колено 3 при таких диаметрах обеспечивает регулирование расхода воды в колодце при изменении расхода (уровня) в коллекторе 25.
Расчет поплавка определяет объем поплавка и длину нижнего рычага при контакте до оси рычага. Исходя из того, что обе части плеч 14 и 15 рычажного механизма разные и закреплены выпуклой стороной к оси 12 в стороне от клапана 4, плавающий поплавок 8 работает устойчиво с меньшей вертикальной нагрузкой. Конструкция регулятора проста и компактна. Установка в направляющих съемной решетки с сужающими прорезями в сторону с уменьшающейся ее верхового конца шириной и с промывным окном, характеризуется высокой надежностью свободного перемещения поплавка в камере. Камера, имеющая уклон дна в сторону промывного окна в решетке повысит работу ее с плавающим поплавком.
Подобное исполнение регулятора, по мнению авторов, ранее не было известно и отвечает критерию «Существенные отличия».
Таким образом, по сравнению с прототипом регулятор позволяет осуществить регулирование уровня воды в дрене в автоматическом режиме с высокой точностью и повышенным быстродействием. Имеет простую систему узлов и пониженную чувствительность к взвешенным наносам благодаря тому, что вода вытекает под напором из колодца даже при закрытии клапана на трубе - колена и не поступает при его закрытии. Поэтому предлагаемый регулятор надежен в работе при перепадах выше минимального заданного уровня воды в верхней дрене.
Эффективность предлагаемого регулятора заключается в том, что он обеспечивает реализацию возможности управления в процессе увлажнения-осушения; промывки поплавковой камеры и полости дрены, а также при необходимости перестроить работу системы в режим осушения, что позволяет исключить необходимость создания герметичного колодца, который по размерам больше и по стоимости несколько раз дороже, чем само устройство. Предлагаемый регулятор имеет простую скрепленную между собою части ригеля, расположенных под тупым углом, прикрепленных выпуклой стороной к горизонтальной оси, и снижает величину управляющих усилий при работе конструкции.