RU2529277C1 - Hydraulic ram - Google Patents

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: hydraulic ram comprises a feeding reservoir 17, a supplying pipeline 1, a body 2, a water-air cap 3 with a valve and a slide valve 4, an impact valve 6, made in the form of a sphere and placed on a stem, an injection check valve 7, a loading pipeline 16 with an overflow valve 14 and a hydraulic cylinder 11. The injection cavity 15 of the valve 14 is connected to the pipeline 16. The stem of the valve 6 is simultaneously a through stem 10 of the hydraulic cylinder 11 piston. The loading cavity 12 of the hydraulic cylinder 11 is connected to a drain hole 13 of the valve 14. The unloading cavity 18 of the hydraulic cylinder 11 is connected to atmosphere. The diameter of the hydraulic cylinder and travel of the impact valve are determined according to formulas.

EFFECT: provision of regulation in automatic mode and maintenance of maximum efficiency.

1 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к водоподъемным устройствам, использующим потенциальную энергию воды, и может быть использовано в местах перепада уровней воды, например на плотинах прудов.The present invention relates to water-lifting devices using the potential energy of water, and can be used in places where water levels are different, for example, on pond dams.

Известен гидравлический таран, содержащий водоподъемную ступень, включающую подводящую трубу с ударным клапаном, напорный колпак с впускным и перепускным клапанами (RU 82798 U1, МПК F04F 7\02, опубл. 17.12.2009).Known hydraulic ram containing a lifting stage, including a supply pipe with a shock valve, a pressure cap with inlet and bypass valves (RU 82798 U1, IPC F04F 7 \ 02, publ. 12/17/2009).

Недостатком аналога является малая производительность.The disadvantage of an analogue is low productivity.

Известен гидравлический таран, содержащий водоподъемную ступень, включающую подводящую трубу с ударным клапаном, напорный колпак с впускным и перепускным клапанами, воздушную напорную ступень, переливную камеру (RU 2239102 С1, МПК F04F 7\02, опубл. 27.10.2004).Known hydraulic ram containing a water-lifting stage, including a supply pipe with a shock valve, a pressure cap with an inlet and an overflow valve, an air pressure stage, an overflow chamber (RU 2239102 C1, IPC F04F 7/02, publ. 10.27.2004).

Недостатком данного аналога также является малая производительность, недостаточная надежность работы.The disadvantage of this analogue is also low productivity, lack of reliability.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является гидравлический таран, содержащий корпус, водовоздушный колпак с вентилем и золотником, разделенным эластичной мембраной большого хода на водяную и воздушную части, ударный клапан, выполненный из сферы, нагнетательный (обратный) клапан, нагнетательный трубопровод, напорную емкость (RU 2468261 С1, МПК F04F 7\02, опубл. 13.05.2011).The closest technical solution taken as a prototype is a hydraulic ram containing a housing, a water-air cap with a valve and a spool, separated by a long-stroke elastic membrane into water and air parts, a shock valve made from a sphere, a discharge (check) valve, a discharge pipeline, pressure vessel (RU 2468261 C1, IPC F04F 7 \ 02, publ. 13.05.2011).

Недостатком прототипа является невозможность поддержания и автоматического регулирования его максимальной производительности в зависимости от входного напора без ручной настройки, недостаточная надежность в работе, большая металлоемкость для мощных гидротаранов.The disadvantage of the prototype is the inability to maintain and automatically control its maximum performance depending on the input pressure without manual adjustment, insufficient reliability, large metal consumption for powerful rams.

Задачей изобретения является регулирование в автоматическом режиме и поддержание максимальной производительности (расхода) гидравлического тарана при любом нагнетательном (входном) напоре, повышение надежности его работы.The objective of the invention is to regulate in automatic mode and maintain maximum productivity (flow) of the hydraulic ram for any pressure (input) pressure, increasing the reliability of its operation.

Технический результат обеспечивается тем, что гидравлический таран содержит питающий резервуар, подающий трубопровод, корпус гидротарана, водовоздушный колпак с вентилем и золотником, ударный клапан, выполненный в виде сферы и насаженный на шток, нагнетательный обратный клапан, но в отличие от прототипа для регулирования в автоматическом режиме и поддержания максимальной производительности дополнительно установлен нагрузочный трубопровод с переливным клапаном и гидроцилиндром, причем нагнетательная полость переливного клапана соединена с нагрузочным трубопроводом, шток ударного клапана объединен со сквозным штоком поршня гидроцилиндра, нагрузочная полость гидроцилиндра соединена со сливным отверстием переливного клапана, разгрузочная - с атмосферой, диаметр поршня гидроцилиндра определяется по формуле:The technical result is ensured by the fact that the hydraulic ram contains a supply tank, a supply pipe, a ram body, a water-air cap with a valve and a spool, a shock valve made in the form of a sphere and mounted on a stem, a pressure check valve, but unlike the prototype for regulation in automatic mode and maintain maximum performance, an additional load pipeline with an overflow valve and hydraulic cylinder is installed, and the discharge cavity of the overflow valve is soy dinene with a loading pipeline, the shock valve rod is combined with the through-rod of the hydraulic cylinder piston, the hydraulic cylinder loading cavity is connected to the overflow valve drain hole, the discharge cylinder is with the atmosphere, the hydraulic cylinder piston diameter is determined by the formula:

$$d_{ц}=\sqrt{\frac{1}{3}\cdot d^2+d_{шт}^2}$$

(1) $$d_c=\sqrt{\frac{\mathrm{one}}{3}\cdot d^2+d_{wt}^2}$$

(one)

а величина хода ударного клапана - по формуле:and the stroke value of the shock valve is according to the formula:

$$y=\frac{1}{3}\cdot d$$

(2) $$y=\frac{\mathrm{one}}{3}\cdot d$$

(2)

где d_ц - диаметр гидроцилиндра;where d _c is the diameter of the hydraulic cylinder;

d - диаметр подающего трубопровода;d is the diameter of the supply pipe;

d_шт - диаметр сквозного штока поршня гидроцилиндра;d _pc - the diameter of the through rod of the piston of the hydraulic cylinder;

y - величина хода ударного клапана.y is the stroke value of the shock valve.

Известен общий принцип действия гидравлического тарана. Через открытый ударный клапан жидкость под действием напора из питающего бассейна (созданного плотиной или рельефом реки) разгоняется в подающей трубе до определенной скорости, при которой захлопывается ударный клапан. Вследствие резкого уменьшения скорости в подающей трубе до 0 происходит гидравлический удар, то есть многократное увеличение давления под нагнетательным клапаном, открывается нагнетательный клапан, и жидкость начинает поступать в воздушный колпак до тех пор, пока давление под нагнетательным клапаном не упадет и он не закроется. При этом падении давления до определенной величины ударный клапан под действием собственного веса и веса груза на нем вновь открывается, и цикл повторяется. Так как давление гидроудара значительно превышает давление, созданное напором плотины, то жидкость из воздушного колпака под действием сжатого в колпаке воздуха по нагнетательной трубе поднимается в напорную емкость на высоту, значительно большую, чем питающий напор. (Овсепян В.М. Гидравлический таран и таранные установки. М.: Машиностроение, 1968, 124 с.)The general principle of operation of a hydraulic ram is known. Through an open shock valve, the liquid under pressure from the supply basin (created by a dam or a river topography) accelerates in the supply pipe to a certain speed at which the shock valve closes. Due to a sharp decrease in speed in the supply pipe to 0, a hydraulic shock occurs, that is, a multiple increase in pressure under the discharge valve, the discharge valve opens, and liquid begins to flow into the air cap until the pressure under the discharge valve drops and it closes. With this pressure drop to a certain value, the shock valve under the influence of its own weight and the weight of the load on it opens again, and the cycle repeats. Since the pressure of the hydroblow significantly exceeds the pressure created by the pressure of the dam, the liquid from the air cap under the action of compressed air in the cap through the discharge pipe rises into the pressure tank to a height significantly greater than the supply pressure. (Hovsepyan V.M. Hydraulic ram and ram installations. M.: Mechanical Engineering, 1968, 124 pp.)

Существенные отличительные признаки, характеризующие изобретение, а именно: наличие нагрузочного трубопровода с переливным клапаном и гидроцилиндром, причем нагнетательная полость переливного клапана соединена с нагрузочным трубопроводом, сквозной шток гидроцилиндра является одновременно штоком ударного клапана, а нагрузочная полость гидроцилиндра соединена со сливным отверстием переливного клапана, разгрузочная полость гидроцилиндра соединена с атмосферой, поршень гидроцилиндра имеет определенный размер, определяемый по формуле (1), а ход ударного клапана отрегулирован на определенную величину, определяемую по формуле (2), позволяют в автоматическом режиме поддерживать максимальную производительность гидравлического тарана при любой изменяющейся высоте водного столба в питающем резервуаре.The essential distinguishing features characterizing the invention, namely: the presence of a loading pipeline with an overflow valve and a hydraulic cylinder, the discharge cavity of the overflow valve being connected to the loading pipeline, the through rod of the hydraulic cylinder is simultaneously the rod of the shock valve, and the loading cavity of the hydraulic cylinder is connected to the drain hole of the overflow valve, unloading the cavity of the hydraulic cylinder is connected to the atmosphere, the piston of the hydraulic cylinder has a certain size, determined by the shape le (1), and the stroke of the shock valve is adjusted to a certain value, determined by the formula (2), they allow to automatically maintain the maximum productivity of the hydraulic ram for any changing height of the water column in the supply tank.

На чертеже представлена схема предлагаемого гидравлического тарана.The drawing shows a diagram of the proposed hydraulic ram.

Гидравлический таран содержит (см. чертеж) подающий трубопровод 1, корпус гидротарана 2, водовоздушный колпак 3 с вентилем и золотником 4, разделенный эластичной мембраной 5 большого хода на водяную и воздушные части, ударный клапан 6, выполненный из сферы, нагнетательный клапан 7, нагнетательный трубопровод 8, водонапорную емкость 9 с нагнетательным напором h, шток ударного клапана является одновременно сквозным штоком 10 поршня гидроцилиндра 11. Выходной конец сквозного штока 10 имеет регулирующие гайки 19. Гидроцилиндр 11 разделен поршнем на разгрузочную полость 18, соединенную с атмосферой, и нагрузочную полость 12, которая соединена со сливным отверстием 13 переливного клапана 14, нагнетательная полость 15 переливного клапана соединена нагрузочным трубопроводом 16 с питающим резервуаром 17, имеющим питающий напор Н.The hydraulic ram contains (see drawing) a supply pipe 1, a ram body 2, a water-air cap 3 with a valve and a spool 4, separated by a long-flow elastic membrane 5 into water and air parts, a shock valve 6 made of a sphere, a discharge valve 7, a discharge pipeline 8, a water tank 9 with a discharge head h, the shock valve rod is simultaneously a through rod 10 of the piston of the hydraulic cylinder 11. The output end of the through rod 10 has adjusting nuts 19. The hydraulic cylinder 11 is divided by a piston at a time a loading cavity 18 connected to the atmosphere and a loading cavity 12, which is connected to a drain hole 13 of the overflow valve 14, the discharge cavity 15 of the overflow valve is connected by the loading pipe 16 to the supply tank 17 having a supply pressure N.

Гидравлический таран работает следующим образом. Перед началом работы с помощью регулирующих гаек 19 устанавливают рассчитанную по формуле (2) величину хода ударного клапана 6. Гидротаран размещают ниже источника водоснабжения и соединяют с ним при помощи подающего трубопровода 1. Для запуска гидротарана в работу принудительно открывают ударный клапан 6, с помощью сквозного штока 10, водяную часть водовоздушного колпака 3 наполняют наполовину. При помощи воздушного насоса с манометром через вентиль 4 с золотником накачивают воздух в воздушный колпак 3 в зависимости от высоты подъема воды в водонапорную башню. Затем, сделав несколько толчков сквозным штоком 10 в сторону ударного клапана 6, запускают гидротаран в работу.Hydraulic ram operates as follows. Before starting work, using the adjusting nuts 19, the stroke value of the stroke valve 6 calculated by the formula (2) is set. The hydraulic ram is placed below the water supply source and connected to it using the supply pipe 1. To start the hydraulic ram, the shock valve 6 is forcibly opened using the through rod 10, the water portion of the air-cap 3 is half filled. Using an air pump with a manometer, through the valve 4 with a spool, air is pumped into the air cap 3, depending on the height of the water rising into the water tower. Then, having made several pushes through the rod 10 in the direction of the shock valve 6, start the ram in operation.

При открытии ударного клапана 6 вода, выливаясь через него и разгоняясь, повышает давление под клапаном (со стороны подающей трубы 1). Когда это давление становится достаточным, чтобы преодолеть давление в нагрузочной полости 12 гидроцилиндра 11, созданного напором Н питающего резервуара (плотины) 17, клапан 6 начинает захлопываться, перемещает при этом поршень цилиндра 11 и вытесняет воду в переливной клапан 14, двигая поршень переливного клапана 14 и открывая сливное отверстие 13. Вода вытесняется через сливное отверстие 13 переливного клапана 14, ударный клапан 6 захлопывается. Возникает гидроудар и давление под нагнетательным клапаном 7 резко возрастает, открывая его. Наступает нагнетательная фаза работы гидротарана. Вода поступает в водовоздушный колпак 3, сжимает находящийся в нем воздух и под действием сжатого воздуха по нагнетательной трубе 8 поступает в водонапорную емкость 9 на высоту нагнетательного напора h. Во время этой фазы поршень переливного клапана 14 опускается вниз под напором воды из резервуара и перекрывает отверстие 13, создавая опять избыточное давление на поршень гидроцилиндра 11, который передает нагрузку на ударный клапан 6 через сквозной шток 10 гидроцилиндра 11. После окончания фазы нагнетания давление под нагнетательным клапаном 7 падает, он закрывается, а ударный клапан 6 открывается под действием нагрузки со стороны сквозного штока 10 гидроцилиндра 11. Далее процесс повторяется.When the shock valve 6 is opened, water spilling through it and accelerating increases the pressure under the valve (from the side of the supply pipe 1). When this pressure becomes sufficient to overcome the pressure in the loading cavity 12 of the hydraulic cylinder 11 created by the pressure H of the supply tank (dam) 17, the valve 6 starts to shut, moves the piston of the cylinder 11 and displaces the water into the overflow valve 14, moving the piston of the overflow valve 14 and opening the drain hole 13. Water is displaced through the drain hole 13 of the overflow valve 14, the shock valve 6 closes. There is a water hammer and the pressure under the discharge valve 7 increases sharply, opening it. The discharge phase of the ram operation is approaching. Water enters the water-air cap 3, compresses the air contained in it, and under the action of compressed air through the discharge pipe 8 enters the water tank 9 to the height of the discharge head h. During this phase, the piston of the overflow valve 14 drops down under the pressure of the water from the tank and closes the hole 13, again creating excess pressure on the piston of the hydraulic cylinder 11, which transfers the load to the shock valve 6 through the through rod 10 of the hydraulic cylinder 11. After the end of the injection phase, the pressure under the discharge the valve 7 falls, it closes, and the shock valve 6 opens under the action of the load from the side of the through rod 10 of the hydraulic cylinder 11. Then the process is repeated.

В ходе проведенных исследований предлагаемого технического решения установлено, что максимальная производительность (расход) гидравлического тарана находится в зависимости от отношения эффективной площади поршня гидроцилиндра к площади сечения подающей трубы и отношения величины хода ударного клапана к площади сечения подающей трубы (см. таблицу).In the course of studies of the proposed technical solution, it was found that the maximum productivity (flow rate) of a hydraulic ram is dependent on the ratio of the effective area of the piston of the hydraulic cylinder to the cross-sectional area of the supply pipe and the ratio of the stroke of the shock valve to the cross-sectional area of the supply pipe (see table).

ТаблицаTable Подъем воды h, мThe rise of water h, m 55 1010 H, мH, m d, ммd mm S_d, мм² S _d mm ² q_max,
л/минq _max
l / min y, ммy mm y/dy / d S_эф, мм² S _eff mm ² S_эф/S_d S _eff / S _d q_max,
л/минq _max
l / min y, ммy mm y/dy / d S_эф, мм² S _eff mm ² S_эф/SdS _eff / Sd 1one 50fifty 19631963 7.67.6 14fourteen 0.2790.279 552552 0.2810.281 3.83.8 14fourteen 0.2190.219 555555 0.2830.283   100one hundred 78547854 32.532.5 3232 0.320.32 23432343 0.2980.298 16.316.3 3232 0.320.32 23482348 0.2990.299   200200 3142031420 136.9136.9 6767 0.3370.337 99649964 0.3170.317 68.568.5 6767 0.3370.337 99689968 0.3170.317                           1.51.5 50fifty 19631963 14.614.6 14fourteen 0.2790.279 614614 0.3130.313 7.37.3 14fourteen 0.2790.279 614614 0.3130.313   100one hundred 78547854 6262 3232 0.320.32 25822582 0.3290.329 31.331.3 3232 0.320.32 25752575 0.3280.328   200200 3142031420 262.2262.2 6767 0.3370.337 1090010900 0.3470.347 131131 6767 0.3370.337 1084010840 0.3450.345                           22 50fifty 19631963 23.223.2 14fourteen 0.2790.279 658658 0.330.33 11.611.6 14fourteen 0.2790.279 655655 0.330.33   100one hundred 78547854 9999 3232 0.320.32 27582758 0.350.35 49.549.5 3232 0.320.32 27342734 0,3480.348   200200 3142031420 415415 6767 0.3370.337 1159011590 0.3690.369 207.2207.2 6767 0.3370.337 1146011460 0.3650.365                           Н - м, напор плотины
h - м, подъем воды
d - мм, типоразмер гидротарана (диаметр подающей трубы)

- мм², площадь сечения подающей трубы

- мм², эффективная площадь гидроцилиндра
q_max - л/мин, максимальная производительность (расход) гидротаранаN - m, the pressure of the dam
h - m, water rise
d - mm, hydraulic ram size (feed pipe diameter)

- mm ² , the cross-sectional area of the feed pipe

- mm ² , the effective area of the hydraulic cylinder
q _max - l / min, maximum productivity (flow) of ram

Анализ данных исследований, отраженных в таблице, позволяет применять в инженерной практике формулы (1) и (2).Analysis of the research data shown in the table allows the use of formulas (1) and (2) in engineering practice.

Таким образом, для обеспечения и поддержания максимальной производительности (расхода) гидравлического тарана диаметр гидроцилиндра определяют по формуле:Thus, to ensure and maintain maximum productivity (flow) of a hydraulic ram, the diameter of the hydraulic cylinder is determined by the formula:

$$d_{ц}=\sqrt{\frac{1}{3}\cdot d^2+d_{шт}^2}$$

(1) $$d_c=\sqrt{\frac{\mathrm{one}}{3}\cdot d^2+d_{wt}^2}$$

(one)

а ход ударного клапана устанавливают регулирующими гайками сквозного штока поршня гидроцилиндра на величину, рекомендуемую определять по формулеand the stroke of the shock valve is set with the adjusting nuts of the through piston rod of the hydraulic cylinder by the value recommended to be determined by the formula

$$y=\frac{1}{3}\cdot d$$

(2) $$y=\frac{\mathrm{one}}{3}\cdot d$$

(2)

где d_ц - диаметр гидроцилиндра;where d _c is the diameter of the hydraulic cylinder;

d - диаметр подающего трубопровода;d is the diameter of the supply pipe;

d_шт - диаметр сквозного штока поршня гидроцилиндра;d _pc - the diameter of the through rod of the piston of the hydraulic cylinder;

y - ход ударного клапана.y is the stroke of the shock valve.

Предварительно задав диаметр подающего трубопровода и выбрав диаметр штока гидроцилиндра, по формулам (1) и (2) определяют диаметр поршня гидроцилиндра и ход ударного клапана, при которых обеспечивается максимальный расход гидравлического тарана.Preliminarily setting the diameter of the supply pipe and selecting the diameter of the hydraulic cylinder rod, using the formulas (1) and (2), determine the piston diameter of the hydraulic cylinder and the stroke of the shock valve, at which the maximum consumption of the hydraulic ram is ensured.

Например, для гидравлического тарана, у которого диаметр подающего трубопровода d=100 мм, диаметр штока поршня гидроцилиндра d_шт=10 мм, величина хода ударного клапана, определенная по формуле (2), у=34 мм, диаметр поршня гидроцилиндра, определенный по формуле (1), d_ц=59 мм, при этом при питающем напоре H=2 м и нагнетательном напоре h=10 м получаем максимально возможную производительность (расход) гидротарана 49,5 л/мин.For example, for a hydraulic ram, in which the diameter of the supply pipe d = 100 mm, the diameter of the piston rod of the hydraulic cylinder d _pcs = 10 mm, the stroke of the shock valve, determined by the formula (2), y = 34 mm, the diameter of the piston of the hydraulic cylinder, determined by the formula (1), d _c = 59 mm, while with a supply pressure of H = 2 m and a discharge pressure of h = 10 m, we obtain the maximum possible productivity (flow rate) of a ram of 49.5 l / min.

Предлагаемое техническое решение позволяет также снизить металлоемкость и уменьшить габариты мощных (с большими диаметрами подающих трубопроводов) гидравлических таранов за счет применения гидроцилиндра вместо обычно применяемых в мощных гидротаранах других нагрузочных элементов и сохранить при этом максимальную производительность в автоматическом режиме.The proposed technical solution also allows to reduce the metal consumption and reduce the size of powerful (with large diameters of the supply pipelines) hydraulic rams due to the use of a hydraulic cylinder instead of other load elements commonly used in powerful rams and at the same time maintain maximum performance in automatic mode.

Claims (1)

Гидравлический таран, содержащий питающий резервуар, подающий трубопровод, корпус гидротарана, водовоздушный колпак с вентилем и золотником, ударный клапан, выполненный в виде сферы и насаженный на шток, нагнетательный обратный клапан, отличающийся тем, что для регулирования в автоматическом режиме и поддержания максимальной производительности дополнительно установлен нагрузочный трубопровод с переливным клапаном и гидроцилиндром, причем нагнетательная полость переливного клапана соединена с нагрузочным трубопроводом, шток ударного клапана объединен со сквозным штоком поршня гидроцилиндра, нагрузочная полость гидроцилиндра соединена со сливным отверстием переливного клапана, разгрузочная - с атмосферой, диаметр поршня гидроцилиндра определяется по формуле:
$$d_{ц}=\sqrt{\frac{1}{3}\cdot d^2+d_{шт}^2},(1)$$

а величина хода ударного клапана - по формуле:
$$y=\frac{1}{3}\cdot d,(2)$$

где d _ц- диаметр гидроцилиндра;
d - диаметр подающего трубопровода;
d _шт - диаметр сквозного штока поршня гидроцилиндра;
y - величина хода ударного клапана. A hydraulic ram containing a supply tank, a supply pipe, a ram body, a water-air cap with a valve and a spool, a shock valve made in the form of a sphere and mounted on a stem, a pressure check valve, characterized in that for automatic regulation and maintaining maximum performance additionally a loading pipeline with an overflow valve and a hydraulic cylinder is installed, and the discharge cavity of the overflow valve is connected to the loading pipeline, the rod is shock th valve is combined with the through piston rod of the hydraulic cylinder, the loading cavity of the hydraulic cylinder is connected to the drain hole of the overflow valve, the discharge cavity is connected to the atmosphere, the diameter of the hydraulic cylinder piston is determined by the formula:
$$d_c=\sqrt{\frac{\mathrm{one}}{3}\cdot d^2+d_{wt}^2},(\mathrm{one})$$

and the stroke value of the shock valve is according to the formula:
$$y=\frac{\mathrm{one}}{3}\cdot d,(2)$$

where d _c is the diameter of the hydraulic cylinder;
d is the diameter of the supply pipe;
d _pc - the diameter of the through rod of the piston of the hydraulic cylinder;
y is the stroke value of the shock valve.