ИМПУЛЬСНЫЙ ДОЖДЕВАЛЬНЫЙ АППАРАТ Российский патент 2007 года по МПК A01G25/09 

Предлагаемое изобретение относится к механизации полива сельскохозяйственных культур способом дождевания и может быть использовано на дождевальных оросительных системах.

Известен импульсный дождевальный аппарат, включающий ствол с насадкой, механизм поворота, запорный орган, выполненный в виде двухседельного клапана с гидроприводом, воздушный бак с разделительной эластичной мембраной, при этом запорный орган вмонтирован в ствол дождевального аппарата перед насадкой так, что полость между седлами клапанов сообщена с водовоздушным баком, полость седлом и поршнем гидропривода сообщена с напорным трубопроводом, а гидропривод запорного органа нагружен усилием сжатой пружины [1].

Недостатком этого импульсного дождевального аппарата является невысокая надежность работы в автоколебательном режиме и узкий диапазон изменения подводимого расхода и давления воды.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является импульсный дождевальный аппарат, включающий насадку, водовоздушный бак и запорный орган, выполненный в виде корпуса, цилиндра и установленного на штоке плунжера клапана, при этом запорный орган снабжен подпружиненным относительно корпуса поршнем, установленным на штоке между плунжером и клапаном с возможностью перемещения; шток выполнен с продольными канавками, а цилиндр - ступенчатым [2].

Недостатком этого импульсного дождевального аппарата является работоспособность в узком диапазоне изменения подводимого расхода и давления воды и невысокая надежность работы запорного органа. Работа запорного органа в фазе открытия зависит от трения уплотнителя, которое со временем изменяется вследствие его износа и поэтому расстраивает параметры работы дождевального аппарата. Ниже определенного подводимого расхода запорный орган не открывается, так как этот расход воды после незначительного перемещения клапана вправо из водовоздушного бака сливается в атмосферу через ствол и дождевальное сопло аппарата, не образуя нарастающее давление на плунжер клапана с левой стороны, необходимое для преодоления усилия сжатой пружины и перемещения клапана в крайнее правое положение (положение открытия клапана). Подводимый расход выравнивается с расходом, сливаемым из дождевателя, происходит "зависание" запорного органа и прекращение выстрелов. В некоторых типоразмерах запорного органа и сопла дождевального аппарата подводимый расход "зависания" достигает значения оптимального подводимого расхода, что приводит к увеличению подводимого расхода для обеспечения работоспособности, вследствие чего увеличиваются капитальные вложения и снижается эффективность импульсного дождевального аппарата.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и снижение энергоемкости работы путем обеспечения работоспособности в большом диапазоне изменения подводимого расхода и давления и исключения влияния сил трения уплотнителей на работоспособность запорного органа в фазе его открытия.

Поставленная цель достигается тем, что полость между седлом и поршнем клапана сообщена с полостью ствола, а полость под клапаном - с водовоздушным баком и напорным трубопроводом, запорный орган снабжен подпружиненным относительно поршня клапана вспомогательным поршнем с большими и малым цилиндрами, разделенный перегородкой с отверстиями, при этом вспомогательный поршень установлен в цилиндре корпуса с возможностью осевого перемещения и прижат к седлу торцом малого цилиндра, а клапан и поршень установлены соответственно в полостях малого и большого цилиндров вспомогательного поршня, причем расстояние от перегородки малого цилиндра до клапана выполнено большим, чем расстояние между правыми торцами поршня клапана и вспомогательного поршня, а наружный диаметр малого цилиндра выполнен меньшим, чем внутренний диаметр большого цилиндра вспомогательного поршня.

Сущность предлагаемого изобретения приведена на фиг.1 - общий вид импульсного дождевального аппарата, и фиг.2 - предлагаемый запорный орган импульсного дождевального аппарата в продольном разрезе.

Импульсный дождевальный аппарат состоит из водовоздушного бака 1 с разделительной эластичной мембраной 2, ограничительным сводом 3 и устройством для заполнения воздухом 4, входным 5 и выходным 6 штуцерами, дождеобразующего устройства 7 и запорного органа 8. Водовоздушный бак 1 эластичной мембраной 2 разделен на водную 9 и воздушную 10 полости. Запорный орган 8 установлен на штуцере 6 и содержит корпус 11 с входной 12 и выходной 13 полостями, ступенчатый цилиндр 14 с основанием 15 и боковыми выходными каналами 16, клапан 17 со штоком 18 и поршнем 19, пружины 20 и 21, вспомогательный поршень 22 с большим 23 и малым 24 цилиндрами и основанием 25 с отверстиями 26, крышку 27 с регулировочным болтом 28 и упорную шайбу 29. Основание 15 имеет седла 30 и 31, а малый цилиндр 24 - дренажное отверстие 32 в боковой стенке. Вспомогательный поршень 22 и поршень 19 клапана снабжены уплотнительными манжетами 33 и 34 и образуют полости 35 и 36. Полость 36 сообщена с атмосферой через отверстие 37.

В исходном положении клапан 17 прижат к седлу 30 посредством пружины 21, регулируемой болтом 28 и упорной шайбой 29, поршня 19 и штока 18, а малый цилиндр 24 - к седлу 31 посредством пружины 20.

Для нормальной работы импульсного дождевального аппарата необходимо заполнить воздухом полость 10 через устройство 4 до минимального рабочего давления Р_min и соблюдать следующие условия (без учета силы трения между деталями ввиду ее незначительной величины):

где

d₂₂ - диаметр вспомогательного поршня 22,

d₁₉ - диметр поршня 19,

d₂₄ - наружный диаметр малого цилиндра 24,

d₁₇ - эффективный диаметр клапана 17,

S₁₇ - эффективная площадь клапана 17,

S₁₉ - площадь поперечного сечения поршня 19,

S₂₂ - кольцевая площадь вспомогательного поршня 22,

L_19-22 - расстояние между правыми торцами поршня 19 и 22,

L_19-23 - расстояние от левого торца поршня 19 до бурта у основания большого цилиндра 23,

L_19-27 - расстояние от правого конца поршня 19 до крышки 27,

L_17-25 - расстояние правого торца клапана 17 до перегородки 25,

К₂₀ - коэффициент жесткости пружины 20,

К₂₁ - коэффициент жесткости пружины 21,

f₂₀ - усилие предварительного сжатия пружины 20,

f₂₁ - усилие предварительного сжатия пружины 21,

P_СЕТЬ - давление воды в подводящей сети,

P_min - минимальное рабочее давление в полости 10,

Р_max - давление начала открытия запорного органа 8 (момент отрыва клапана 17 от седла 30),

q_сред - средний подводимый расход к дождевальному аппарату,

q₅ - расход воды, поступающей из сети в водовоздушный бак 1 в момент открытия запорного органа 8,

q₃₀ - расход воды из полости 35 в полость 13 в момент открытия запорного органа 8,

Q - расход выстрела импульсного дождевального аппарата.

Работает импульсный дождевальный аппарат следующим образом:

Вода под давлением P_СЕТЬ из сети по штуцеру 5 поступает расходом q_сред в водную полость 9 водовоздушного бака 1, сжимая предварительно накаченный воздух в воздушной полости 10 и перемещая вниз разделительную мембрану 2, так как запорный орган 8, установленный на штуцере 6, закрыт до достижения давления водной полости 9 значения Р_max (условие 3). Ограничительный свод 3 ограничивает объем накопления воды в водовоздушном баке и защищает разделительную мембрану 2 от разрушительных растяжений в случае утечки воздуха из полости 10.

При достижении давления в полости 9 до Р_max (период накопления) запорный орган 8 открывается и накопленный объем воды в полости 9 под действием сжатого воздуха в полости 10 посредством разделительной мембраны 2 большим расходом Q выбрасывается на орошаемое поле в виде дождя через дождеобразующее устройство 7 (период выброса). После выброса накопленного объема запорный орган 8 закрывается и далее цикл "накопление-выброс" автоматически повторяется. Продолжительность периода накопления может быть на 2 порядка больше продолжительности периода выброса. Частота циклов "накопление-выброс" регулируется изменением подводимого расхода.

Запорный орган 8, обеспечивающий цикл "накопление-выброс" импульсного дождевального аппарата, работает следующим образом.

До достижения давления в полости 12 корпуса 11 до Р_max (период накопления), что соответствует определенному накопленному объему воды в полости 9 водовоздушного бака 1, клапан 17 под действием пружин 21 и 20 предотвращает сообщение полостей 9 и 12 с полостями 35 и 13 через проходное сечение седла 30 основания 15 (условие 3). При достижении давления в полости 11 к Р_max (начало открытия запорного органа), усилие на клапан 17 с левой стороны превышает усилие пружины 20-21, и он отрывается от седла 30 и сообщает полость 12 с полостью 35 через отверстия 26 в перегородке 25. Благодаря условиям (1) и (7) малый цилиндр 24 прижимается к уплотнителю 31, а давление в полости 35 изменяется по нарастающей, вследствие чего усилие со стороны поршня 19 на пружину 21 резко возрастает. Поршень 19 резко перемещается вправо до упора в крышку 27 с отверстием 37, перемещая за собой вспомогательный поршень 22 с большим 23 и малым 24 поршнями, упираясь клапаном 17 в перегородку 25. Полости 9, 12 через полость 25 и проходные каналы 16 сообщаются с полостью 13 и далее через дождеобразующее устройство - с атмосферой (конец открытия запорного органа). Благодаря условию (5) вспомогательный поршень 22 с большим 23 и малым 24 цилиндрами и поршень 19 со штоком 18 и клапаном 17 остаются в крайне правом положении до полного выброса накопленного объема воды из полости 9 на орошаемое поле в виде дождя через дождеобразующее устройство 7.

После выброса накопленного объема воды благодаря условию (6) клапан 17 под действием пружины 21 перемещается в крайнее левое положение (начало закрытия запорного органа), закрывая проходное сечение седла 30, и лишь после этого малый цилиндр 24 с отставанием L_19-23 от клапана 17 прижимается к уплотнителю 31 под действием пружины 20 и разобщает полость 35 от полости 13, выжимая остатки воды из полости 35 в полость 13 через дренажные отверстия 30 (конец закрытия запорного органа).

Таким образом, запорный орган 8 возвращается в исходное (закрытое) положение. Далее процесс "накопление-выброс" повторяется в циклическом режиме.

Уплотнительные манжеты 33 и 34 предотвращают утечку воды из полости 35 и 13 в атмосферу. Благодаря условию (2) исключаются перегрузки на клапан 17 (на его крепежную гайку) в момент выброса накопленного объема воды.

Таким образом, путем сообщения полости между седлом и поршнем клапана с полостью ствола, а полость под клапаном - с водовоздушным баком и напорным трубопроводом, снабжения запорного органа 8 вспомогательным поршнем 22 с большим 23 и малым 24 цилиндрами, выполнения d₁₉>d₂₄ и L_25-17>L_19-22 достигнута работоспособность в большом диапазоне изменения подводимого расхода (условие 7), обеспечено четкое открытие и закрытие запорного органа 8 и исключено влияние сил трения уплотнительных манжет 33 и 34 на надежность работы запорного органа.

Экспериментальные образцы импульсных дождевальных аппаратов по прототипу и предлагаемому изобретению изготовлены в производственных условиях мастерских ФГНУ ВНИИ "Радуга", и проведены сравнительные испытания в лабораторных условиях. Результаты испытания приведены в таблице.

Таблица

№ п/пНаименование показателяПредлагаемое изобретениеПрототип1.Корпус запорного органаКорпус 2 чугунного вентиляаналогично2.Объем водовоздушного бака40 л40 л3.Давление предварительно накаченного воздуха (Р_min)0,15...0,30 МПа0,15...0,30 МПа4.Давления начала открытия запорного органа (Р_max)0,25...0,50 МПа0,25...0,50 МПа5.Давление подводящей сети0,30...0,55 МПа0,50...0,75 МПа6.Диапазон изменения подводимого расхода0,05...0,50 л/с0,20...0,3 5 л/с7.Непроизводительный объем слива воды через сопло дождеобразующего устройства перед открытием запорного органа0,05...0,025 л1,50...0,80 л

Применение предлагаемого изобретения в народном хозяйстве значительно повысит надежность и эффективность оросительных систем способом дождевания.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1090294, кл. А01G25/00.

2. Авторское свидетельство СССР №1128878, кл. А01G25/09.

Изобретение относится к механизации полива сельскохозяйственных культур способом дождевания и может быть использовано на дождевальных оросительных системах. Полость между седлом и поршнем клапана сообщена с полостью ствола, а полость под клапаном - с водовоздушным баком и напорным трубопроводом. Запорный орган снабжен подпружиненным относительно поршня клапана вспомогательным поршнем с большими и малыми цилиндрами, разделенный перегородкой с отверстиями. Вспомогательный поршень установлен в цилиндре корпуса с возможностью осевого перемещения и прижат к седлу торцом малого цилиндра. Клапан и поршень установлены соответственно в полостях малого и большого цилиндров вспомогательного поршня, причем расстояние от перегородки малого цилиндра до клапана выполнено большим, чем расстояние между правыми торцами поршня клапана и вспомогательного поршня. Наружный диаметр малого цилиндра выполнен меньшим, чем внутренний диаметр большого цилиндра вспомогательного поршня. Изобретение повышает надежность и снижает энергоемкость работы путем обеспечения работоспособности в большом диапазоне изменения подводимого расхода и давления и исключения влияния сил трения уплотнителей на работоспособность запорного органа в фазе его открытия. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Импульсный дождевальный аппарат, включающий водовоздушный бак с разделительной мембраной, дождеобразующее устройство со стволом и запорный орган, выполненный в виде корпуса с седлом, цилиндра и подпружиненного клапана со штоком и поршнем, отличающийся тем, что полость между седлом и поршнем клапана сообщена с полостью ствола, а полость под клапаном - с воздовоздушным баком и напорным трубопроводом, запорный орган снабжен подпружиненным относительно поршня клапана вспомогательным поршнем с большими и малым цилиндрами, разделенный перегородкой с отверстиями, при этом вспомогательный поршень установлен в цилиндре корпуса с возможностью осевого перемещения и прижат к седлу торцом малого цилиндра, а клапан и поршень установлены соответственно в полостях малого и большого цилиндров вспомогательного поршня.2. Импульсный дождевальный аппарат по п.1, отличающийся тем, что расстояние от перегородки малого цилиндра до клапана выполнено большим, чем расстояние между правыми торцами поршня клапана и вспомогательного поршня.3. Импульсный дождевальный аппарат по п.1, отличающийся тем, что наружный диаметр малого цилиндра выполнен меньшим, чем внутренний диаметр большого цилиндра вспомогательного поршня.