无外部动力液压 ram 泵如何将水推上坡

想象一下，你的农场低洼地区有一条天然溪流。这是一个很好的淡水来源，只是你真正需要用它来灌溉一些位于较高海拔的作物。该地区远离固定设施，使问题复杂化。

你的第一个想法可能是购买某种商用现成的泵，以及一个花哨的太阳能系统来提供运行所需的动力。但是，如果有一种泵可以在完全没有外部动力输入的情况下完成这项工作呢？这就是液压 ram 泵。

液压 ram 泵是最优雅的适用技术范例之一，它将流动水的动能转化为足够的压力，将一部分水提升到似乎违背重力的高度。这种巧妙的装置不需要外部动力源，维护也非常少，使其成为偏远地区泵送应用的完美解决方案，在这些地区，否则为泵提供电力或燃料很不方便。

阿根廷安装的小型液压 ram 泵。注意从废水阀流出的水，以及作为输送管线的小软管。它直接安装在用于平滑流动的压力容器下方。图片来源：Jorge Daniel Czajkowski, CC BY-SA 2.5

液压 ram 泵的核心是利用一种称为水锤的现象，这种效应也是当你快速关闭水龙头时导致管道发出砰砰声的原因。当流动的水突然停止时，其动量会产生压力波。当这种情况发生在你的管道中时，你会听到这种嘎嘎作响的锤击声，这大多只是令人讨厌。然而，这种压力峰值实际上可以被利用来做有用的工作——比如把水推上坡。这只需要一些巧妙的阀门设计。

该泵仅由几个关键部件组成：一根从水源引水的驱动管、一个通常允许水自由流动的废水阀、一个通向泵输出的输送阀，以及一个作为压力蓄能器的空气室。这些部件协同工作，产生自持的泵送动作。

泵的运行始于水从高于泵的水源（如河流或溪流的流水）通过驱动管向下流动。最初，废水阀打开，水自由流过。随着流速增加，废水阀由于水流经它产生的阻力开始上升。最终，阀门上升到完全关闭的位置，突然停止水流。这种突然停止会引起水锤，流动水的动能转化为强大的压力峰值，迫使输送阀打开，将水推上泵出口。最终，水锤事件后的压力下降导致废水阀重新打开，输送阀关闭，允许循环重新开始。

在初始阶段，来自入口的水通过打开的废水阀流出。输送阀由于其上方水柱的重量而保持关闭。图片来源：作者

最终，水流的阻力导致废水阀关闭。当它关闭时，会产生一个压力峰值，打开输送阀并将水向上推送到输送出口。液压 ram 泵可以通过这种方式将水输送到很高的高度，尽管流量会随着输出扬程的增加而减少。有时会在泵中安装压力容器以减少压力峰值的影响并平滑输出流量。最终，压力峰值消退，输送阀关闭，废水阀因重力重新打开，循环再次开始。图片来源：作者

一些泵在系统中增加了一个压力室，压力峰值导致水进入容器，压缩被困在里面的空气。压缩空气就像一个弹簧，即使在初始水锤效应消退后也能维持输出压力。这可以通过平衡废水阀关闭时的剧烈压力峰值来改善流量并减少泵部件的应变。

既然是 Hackaday，我们应该提到，这很像一个升压 DC-DC 转换器，电感扮演充满水的管道角色，提供惯性，而二极管和平滑电容则扮演止回阀和空气室的部分。在电升压中，废水阀通常是接地的 MOSFET，并且它是电子驱动的，而不是被水锤猛烈关闭。

液压 ram 泵有效地将低压快速水流转换为高压低速水流，使得水可以容易地输送到比水源更高海拔的水箱或出口。驱动水的垂直落差与水泵提升高度之间的比率决定了到达输出的水量。例如，如果水源高于 ram 泵本身 1 米，而输送管高于泵 10 米，则只有 10% 的水将被输送到输出端，另外 90% 的水将通过废水阀流出。然而，最终，这对于从天然水道运行且无需外部动力输入的泵来说通常被认为是可接受的权衡，废水阀的出流简单地返回到泵所在的河流或溪流。液压 ram 泵可以长时间运行以输送更多的水并灌溉某个区域或填充水箱，即使瞬时流速很低。毕竟，你不需要为它的运行支付任何动力费用！

液压 ram 泵在需要将水泵送到更高高度而无需外部动力源的情况下很受欢迎。

今天的液压 ram 泵应用范围从农村供水系统到发展中国家的灌溉项目。液压 ram 泵在大多数需要将水泵送到高海拔且无需外部动力输入的情况下都能证明是有用的。最终，液压 ram 泵代表了最优秀的可持续技术。这是一种清洁、无破坏性的方式，利用自然能量来做有用的工作。还有什么比这更有回报的呢？

特色图片：“Hydraulic Ram” by [Gutza] and [Sonett72]。