ВЗРЫВ-ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ПУШКА Российский патент 2016 года по МПК A01G25/16 B05B13/00 

Изобретение относится к области орошения туманом посевов зерновых, овощных и бахчевых культур, а также оно может применяться для предупреждения и тушения пожаров леса, камыша, травы, зданий и сооружений.

Известна импульсная установка для орошения туманом посевов различных сельскохозяйственных растений, основанная на принципе действия двигателя внутреннего сгорания, с подачей сжатого воздуха от компрессора (Шумаков Б.Б. Стратегия мелиорации. Знание, Техника, М., 1987/7, с. 28-32).

Известна также импульсная установка для орошения туманом с подачей сжатого воздуха в камеру сгорания от компрессора (патент №2442859, 20.02.2012).

Недостатком известных импульсных установок является то, что в них для подачи сжатого воздуха в камеры сгорания используются компрессоры, которые работают от внешнего источника энергии - двигателя внутреннего сгорания или от электромотора, подключенному к источнику электроэнергии, что значительно увеличивает расход топлива и приводит к увеличению стоимости орошения туманом.

Однако известная импульсная установка по патенту №2442859 является ближайшим аналогом-прототипом, так как она содержит признаки, совпадающие с признаками изобретения, в частности импульсная установка выполнена с камерой сгорания, стволом с соплом и клапаном.

Недостатком известной импульсной установки является то, что для ее работы необходим внешний источник электроэнергии и сжатый воздух.

В связи с этим в предлагаемой конструкции взрыв-гидравлической пушки, содержащей поворотную платформу с расположенным в ее центре устройством для подачи воды, с установленными на ней блоком управления, аккумулятором, топливным и масляным баками, с размещенными друг над другом гидравлической камерой, подсоединенной с одной стороны к трубопроводу, соединенному с устройством для подачи воды, а с другой - к стволу с соплом для выстрела струй воды, цилиндром с поршнем, опертым на цилиндрическую пружину, установленную на гидравлической камере, цилиндром с расположенным в нем крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом и маховиком, расположенным в картере с крышкой, соединенным с одной стороны со стартером, редуктором, электрогенератором и топливным насосом, а с другой стороны - с редуктором и масляным насосом, укрепленными на опорах,

- цилиндр с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом снабжен ребрами и кожухом для его воздушного охлаждения, соединенным с одной стороны трубопроводом с центробежным вентилятором, подключенным к электродвигателю, а с другой - с выпускным патрубком для выпуска в атмосферу нагретого воздуха,

- и наклонными впускным патрубком для подачи сжатого атмосферного воздуха и очистки цилиндра от сгоревших газов, соединенным с центробежным вентилятором, подсоединенным к тому же электродвигателю, и выпускным патрубком, соединенным с глушителем, причем первый патрубок установлен ниже второго для увеличения давления сжатого воздуха в цилиндре,

- гидравлическая камера содержит пластинчатый самодействующий клапан маятникого типа, установленный на входе воды из трубопровода,

- ствол для выстрела струй воды выполнен с соплом с прикрепленным к нему устройством, содержащим ступенчатый цилиндр, с установленным в нем клапаном (плунжером) со скошенной под углом 45° торцевой поверхностью для его отбрасывания под давлением воды, опирающимся на пружину, размещенную в наружном ступенчатом цилиндре с гайкой, с залитым в него смазочным маслом,

- устройство для подачи воды выполнено в виде вертикальной трубы, закрепленной на поворотной платформе, содержащей крышку с патрубком для соединения с трубопроводом гидравлической камеры с одной стороны, а с другой она прикреплена к трубе с помощью накидной гайки с уплотнением шарнирного стыка резиновыми кольцами, подсоединенной к насосу с электродвигателем, соединенному с емкостью для воды,

- поворотная платформа выполнена с кольцом, по ее оси шарнирно установленным на цилиндрической опоре, укрепленной на металлическом листе фундамента, при этом кольцо снабжено конической шестерней, соединенной с конической шестерней, имеющей вал, подсоединенный к цилиндрическим шестерням редуктора с электродвигателем, установленным на ней, с прикрепленными на поворотной платформе кронштейнами, размещенными по периметру на равных расстояниях друг от друга, имеющими опорные катки.

Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждой из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточны для получения положительного эффекта - выстрелов струй воды на большое расстояние и образования тумана над посевами.

Исходя из приведенных доводов, совершенно правомерен довод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения - «изобретательский уровень».

Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована неоднократно на практике с получением одной и той же цели. Неоднократная возможность реализации при изготовлении заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения - «промышленная применимость».

Изложенная сущность технического решения поясняется чертежами, на которых:

- на фиг. 1 в продольном разрезе показана схема конструкции взрыв-гидравлической пушки;

- на фиг. 2 показан вид сверху на взрыв-гидравлическую пушку по 1-1;

- на фиг. 3 показан узел N - продольное сечение по соплу ствола с показом устройства с клапаном (плунжером);

- на фиг. 4 в продольном разрезе показана гидравличесая камера с клапаном установленным на входе воды, и частью ствола с другой ее стороны.

Взрыв-гидравлическая пушка (см. фиг. 1), содержит цилиндр 1 с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом, включающим поршень 2, шток 3, крейцкопф 4, шатун 5, коленчатый вал 6 с маховиком 7.

Коренные подшипники 8 коленчатого вала установлены в картере 9 с крышкой 10. Цилиндр 1 укреплен на втором цилиндре 11 с помощью фланцев и болтов или шпилек (не показанных на чертеже), в котором размещен поршень 12, опирающийся на цилиндрическую пружину 13. В свою очередь цилиндр 11 соединен с гидравлической камерой 14, укрепленной на поворотной платформе 15, при этом гидравлическая камера имеет с одной стороны пластинчатый самодействующий клапан 16 (маятникова типа) (см. узел Q), установленный на входе воды из трубопровода 17, а с другой она соединена со стволом 18, служащим для выстрела струй воды на расстояние до 500-600 м. Цилиндр 1 имеет ребра 19, расположенные на равном расстоянии друг от друга, с помощью которых цилиндры 1, 11 и гидравлическая камера 14 крепятся на поворотной платформе 15.

Охлаждение цилиндра 1 и поршня 2 - воздушное - осуществляется с помощью ребер 20 и кожуха 21, в который нагнетается сжатый атмосферный воздух по трубопроводу 22, соединенному с центробежным вентилятором 23, с выходом нагретого воздуха в атмосферу по патрубку 24.

Очистка цилиндра 1 от сгоревших газов осуществляется по наклонным патрубкам 25 и 26, причем по патрубку 25 нагнетается сжатый атмосферный воздух с помощью центробежного вентилятора 27, соединенного общим валом с центробежным вентилятором 23 и электродвигателем 28, установленными на опоре 29. Патрубок 26 соединен с глушителем 30. Система смазки взрыв-гидравлической пушки - принудительная с помощью насоса 31, соединенного с редуктором 32, подсоединенным с одной стороны к коленчатому валу 6 (см. фиг. 2), укрепленных на опоре 33, при этом масло под давлением от насоса 31 подается по масляным каналам для смазки коренных подшипников 8 коленчатого вала 6, шатунных головок шатуна 5, крейцкопфа 4 и цилиндра 1, а по каналу в теле штока 3 масло поступает в емкость 34, выполненную в поршне 2, а из нее по каналам 35 смазывает трущиеся поверхности цилиндра 1 и поршня 2.

Поршни 2 и 12 имеют сферические углубления 36 и 37 - камеры сгорания с установленной в цилиндре 1 форсункой 38 для впрыскивания жидкого топлива-дизтоплива.

Подача топлива в форсунку 38 осуществляется с помощью топливного насоса 39, соединенного с редуктором 40, подсоединенным к коленчатому валу 6 и к электрогенератору 41, при этом эти устройства установлены на опоре 42.

Блок упрпавления 43 взрыв-гидравлической пушкой.

На поворотной платформе 15 размещены бак с топливом 44 и бак 45 со смазочным маслом, а также устройство 46, служащее для подачи воды под давлением в трубопровод 17, гидравлическую камеру 14, цилиндр 11 и ствол 18. Устройство 46 выполнено в виде вертикальной трубы, закрепленной на поворотной платформе 15, имеющей крышку 47 с патрубком 48 для соединения с трубопроводом 17. Подача воды в устройство 46 осуществляется по трубе 49, прикрепленной к устройству с помощью накидной гайки 50, а уплотнение стыка выполняется путем установки резиновых колец 51. Подача сжатого воздуха для очистки цилиндра 1 от центробежного вентилятора 27 производится по трубопроводу 52.

Поворотная платформа 15 размещается на фундаменте 53, имеющем настил 54 из металлического листа, на котором закреплен отрезок трубы 55, служащий опорой для поворотной платформы 15, при этом он входит в кольцо 56, на котором прикреплена коническая шестерня 57, соединенная с конической шестерней 58, имеющей вал 59, в свою очередь соединенный с цилиндрическими шестернями 60 и 61 редуктора 62. Поворотная платформа 15 по периметру снабжена кронштейнами 63, установленными на равных расстояниях друг от друга, на которых шарнирно укреплены опорные катки 64. Труба 49 соединена с насосом 65 с электродвигателем 66, который соединен с емкостью для воды объемом до 10 м³ (не показанной на чертеже). На фиг. 3 приведен узел N. Он включает ствол 18 с соплом 67, к которому прикреплено устройство, содержащее ступенчатый цилиндр 68 с установленным в нем плунжером 69 (клапаном) со скошенной под углом 45° торцевой поверхностью. Снаружи к ступенчатому цилиндру 68 прикреплен ступенчатый цилиндр 71 с гайкой 72 и пружиной 73, служащей для нагрузки на плунжер 69.

На фиг. 4 показан узел Q с гидравлической камерой 14. В ней на входе воды из трубопровода 17 установлен самодействующий клапан 16 (маятникового типа) с пружиной 74, выполненной в виде полосовой стали, которая удерживает его в закрытом положении.

Стартер 75, размещенный на опоре 42, соединен с маховиком 7. Смазочное масло 76 залито в ступенчатый цилиндр 71, имеется батарея аккумуляторов 77.

Работает взрыв-гидравлическая пушка следующим образом.

С помощью блока управления 43 подается электроэнергия от аккумуляторов 77 на электродвигатель 66 насоса 65, с помощью которого вода из емкости (не показанной на чертеже) под давлением поступает в гидравлическую камеру 14, цилиндр 11 и ствол 18.

После этого включается стартер 75 (типа автомобильного), который приводит во вращение маховик 7 и соединенный с ним коленчатый вал 6, обеспечивающий движение шатуна 5, штока 3, поршня 2 в цилиндре 1.

Одновременно приводятся в действие с помощью редуктора 40 топливный насос 39 и электрогенератор 41 с одной стороны коленчатого вала, а с другой с помощью редуктора 32 масляный насос 31.

Вместе с тем только при пуске взрыв-гидравлической пушки начинают работать от аккумулятора 77 и электродвигателя 28 центробежные вентиляторы 27 и 23, причем патрубок 25, по которому нагнетается в цилиндр 1 сжатый атмосферный воздух, размещен ниже патрубка 26, служащего для выпуска в глушитель 30 и атмосферу отработанных газов, что позволяет обеспечить в цилиндре избыточое давление сжатого воздуха (наддув) при такте сжатия.

В нижней мертвой точке (н.м.т.) при сближении сферических поверхностей 36 в поршне 2 и 37 в поршне 12 с образованием камеры сгорания, с помощью форсунки 38 впрыскивается топливо-солярка. Образующаяся горючая смесь воспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха с последующим расширением продуктов сгорания в цилиндре 1 и обратным ходом поршня 2 в верхнюю мертвую точку (в.м.т.).

Взрыв-гидравлическая пушка начинает работать, при этом обеспечивается продувка (очистка) цилиндра 1 от сгоревших газов с помощью работы центробежного вентилятора 27 с подачей сжатого воздуха по патрубку 25 и выпуском отработанных газов по патрубку 26 в глушитель 30 и атмосферу. В нижней мертвой точке при сгорании горючей смеси и резком повышении давления сгоревших газов осуществляются процессы не только движения поршня 2 в в.м.т., но и за счет отбрасывния под давлением воды клапана 69 (плунжера) и выхода воды через сопло 67 обеспечивается движение поршня 12 в сторону гидравлической камеры 14, сжатие пружины 13 и выстрел струи воды через ствол 18 и сопло 67 в атмосферу на заданное расстояние. При этом струя воды при полете в воздухе распыляется на мельчайшие капли с образованием тумана, а после каждого выстрела струи воды поворотная платформа 15 поворачивается вокруг своей оси на заданный угол с помощью редуктора 62, соединенного с электродвигателем (не показанным на чертеже).

Под действием пружины 13 поршень 12 возвращается в исходное положение с опиранием его поверхности на цилиндр 1, при этом отгибается под давлением воды клапан 16 в положение 78 и вода заполняет гидравлическую камеру 14, цилиндр 11 и ствол 18, а клапан (плунжер) 69 возвращается в исходное положение, перекрывая в сопле 67 выход воды за счет давления пружины 73.

Частота выстрелов струй воды около 55-60 выстрелов/мин за один оборот поворотной платформы 15, при этом в зависимости от мощности взрыв-гидравлической пушки (туманообразующей установки) может обеспечиваться образование тумана на площади до 180 га, с дальностью выстрелов струй воды до 500-600 м.

При работе взрыв-гидравлической пушки подача электроэнергии на электродвигатели 28, 66 и электродвигатель (не показанный на чертеже) редуктора 62 осуществляется от электрогенератора 41, а от аккумулятора 77 отключается.

Особенности работы взрыв-гидравлической пушки

Отрезок водяной струи, выстреливаемый из взрыв-гидравлической пушки, длиной L может пролететь в атмосфере Земли путь .

Учитывая, что вода в 800 раз плотнее атмосферного воздуха, можно считать, что отрезок водяной струи длиной L может пролететь в атмосфере путь, в раз превосходящий его длину (Покровский Г.И. Гидродинамические механизмы. Знание, Физика, 2/1972, с. 11-12) (1).

Вместе с тем при движении струи в воздухе она дробится на мельчайшие капли, при этом чем больше скорость отрезка струи, тем мельче получаемые капли. Для воды эта критическая скорость дробления капель оказывается равной (см. (1), с. 16).

В известном способе орошения туманом (Шумаков Б.Б. Стратегия мелиорации. Знание, Техника, М., 1987/7, с. 28-32) (2) с помощью импульсной установки, в которой используется принцип работы двигателя внутреннего сгорания с подачей сжатого воздуха от компрессора, осуществляется увлажнение воздуха над посевами в самые жаркие часы суток и их полив, что требует гораздо меньше воды, чем орошение дождеванием, не говоря уже о струйном.

Взрыв-гидравлическая пушка также предназначена для увлажнения воздуха вокруг растений в самые жаркие часы суток, а также для полива посевов, однако отличается от известной установки и установок по патенту №2442859 «Комплекс для добычи подземных вод и мелиорации» тем, что для ее работы не требуется компрессор, в связи с чем в разы уменьшается расход топлива. Рабочий процесс взрыв-гидравлической пушки аналогичен высокоэкономичному рабочему процессу длинноходных двухтактных крейцкопфных дизелей с высокими степенями сжатия (Иванченко Н.Н. Высокий наддув дизелей. - Л.: Машиностроение, 1983, с. 4-6) (3).

Еще одним важным преимуществом является то, что одновременно взрыв-гидравлическая пушка является источником электроэнергии, генерируемой с помощью электрогенератора 41.

Взрыв-гидравличесая пушка может строиться также в 2-цилиндровом или многоцилиндровом исполнении на различные мощности - от нескольких киловатт для орошения садового участка до десятков и сотен киловатт для орошения туманом посевов зерновых культур на сотнях гектар.

При этом взрыв-гидравлические пушки могут изготовляться в виде стацилонарных установок или передвижными на автотранспорте, а также прицепными.

Технико-экономическая часть

Более 99% воды, поступающей в почву, растениями из нее выкачивается и испаряется. Таким путем пшеница, произрастающая только на 1 га, за вегетационный период перекачивает около 5-6 тыс. м³ воды. В жаркие солнечные дни растения вынуждены вытягивать из почвы влагу и испарять ее, чтобы понизить вокруг себя температуру воздуха. Транспирация защищает растения от ожогов и создает лучшие условия для фотосинтеза. Ученые пришли к выводу, что если увлажнять воздух вокруг растения, то можно подавать значительно меньше воды к его корням. Увлажнять воздух над посевами зерновых, овощных и бахчевых культур необходимо в самые жаркие часы с определеннми промежутками, что потребует гораздо меньше воды, чем орошение дождеванием, не говоря уже о струйном. Но нужно, чтобы влага как можно дольше не оседала на почву (см. (2), с. 28), чему способствует высокая скорость полета в атмосфере отрезков струй, распыляемых на мельчайшие капли.

Исследования, выполненные ВНИИ гидротехники и мелиорация им. А.Н. Костякова, показали, что с помощью работы импульсной туманообразующей установки было достигнуто орошение поля площадью 180 га водой из емкости объемом 10 м³, при этом расход топлива составил всего 1 кг (см. (2), с. 28-30).

Таким образом для орошения поля площадью 180 га потребовалось всего 10 м³ воды или 5, 6 см³/м², что по существу позволило ликвидировать потребление воды растениями на транспирацию. Так для пшеницы в количестве до 5-6 тыс. м³ воды.

Вместе с тем туманообразующие (ТОУ) аэрозольные установки или взрыв-гидравлические пушки можно использовать не только по прямому назначению. В распляемую воду можно подмешивать удобрения и средства борьбы с насекомыми. Кроме того, спасать растения от неожиданных заморозков путем превращения капель в мельчайшие кристаллики льда с выделением тепла, которое повышает температуру приземного слоя воздуха на 3-4°С, что достаточно для спасения растений. Таким же образом создается на поле снеговой покров, предохраняющий от промерзания слой почвы над корнями. С помощью установки можно побелить растения, снижая температуру поверхности растений на 4-5°С (см. (2), с. 30-31).

Кроме того, взрыв-гидравлические пушки можно применять для предупреждения и тушения пожаров леса, травы, камыша, зданий и сооружений.

Испытания в полевых условиях в Краснодарском крае, Киргизии, Ростовской области показали, что даже в засушливые годы многие сельскохозяйственные растения дали прибавку урожая на 25-30% только за счет применения туманообразующих установок (см. (2), с. 29).

Изобретение относится к области орошения туманом посевов зерновых, овощных и бахчевых культур, а также оно может применяться для предупреждения и тушения пожаров леса, камыша, травы, зданий и сооружений. Пушка содержит поворотную платформу с расположенным в ее центре устройством (46) для подачи воды, с установленными на ней блоком управления (43), аккумулятором (77), топливным (44) и масляным (45) баками. На платформе друг над другом размещены гидравлическая камера и цилиндр (1) с расположенным в нем крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом (6) и маховиком (7), расположенным в картере с крышкой, соединенным с одной стороны со стартером (75), редуктором (40), электрогенератором (41) и топливным насосом (39), а с другой стороны - с редуктором (32) и масляным насосом (31), укрепленными на опорах (42 и 33). Цилиндр (1) снабжен ребрами и кожухом для его воздушного охлаждения, соединенным с одной стороны трубопроводом (22) с центробежным вентилятором (23), подключенным к электродвигателю (28), а с другой - с выпускным патрубком для выпуска в атмосферу нагретого воздуха. Пушка содержит наклонные впускной патрубок для подачи сжатого атмосферного воздуха и очистки цилиндра от сгоревших газов, соединенный с центробежным вентилятором (27), подсоединенным к тому же электродвигателю (28), и выпускной патрубок, соединенный с глушителем (30). Гидравлическая камера содержит пластинчатый самодействующий клапан маятникого типа, установленный на входе воды из трубопровода. Ствол для выстрела струй воды выполнен с соплом (67) с прикрепленным к нему устройством, содержащим ступенчатый цилиндр, с установленным в нем клапаном/плунжером со скошенной под углом 45° торцевой поверхностью. Устройство (46) для подачи воды выполнено в виде вертикальной трубы, закрепленной на поворотной платформе, содержащей крышку с патрубком для соединения с трубопроводом гидравлической камеры с одной стороны, а с другой - она прикреплена к трубе, подсоединенной к насосу с электродвигателем, соединенному с емкостью для воды. Поворотная платформа выполнена с кольцом, по ее оси шарнирно установленным на цилиндрической опоре, укрепленной на металлическом листе фундамента. Кольцо снабжено конической шестерней, соединенной с конической шестерней, имеющей вал, подсоединенный к цилиндрическим шестерням редуктора с электродвигателем, установленным на ней с прикрепленными на поворотной платформе кронштейнами, размещенными по периметру на равных расстояниях друг от друга, имеющими опорные катки. Обеспечивается выстрел струй воды на большее расстояние, образование тумана, уменьшение расхода топлива. 4 ил.

Взрыв-гидравлическая пушка содержит поворотную платформу с расположенным в ее центре устройством для подачи воды, с установленными на ней блоком управления, аккумулятором, топливным и масляным баками, с размещенными друг над другом гидравлической камерой, подсоединенной с одной стороны к трубопроводу, соединенному с устройством для подачи воды, а с другой - к стволу с соплом для выстрела струй воды, цилиндром с поршнем, опертым на цилиндрическую пружину, установленную на гидравлической камере, цилиндром с расположенным в нем крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом и маховиком, расположенным в картере с крышкой, соединенным с одной стороны со стартером, редуктором, электрогенератором и топливным насосом, а с другой стороны - с редуктором и масляным насосом, укрепленными на опорах,
- при этом цилиндр с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом снабжен ребрами и кожухом для его воздушного охлаждения, соединенным с одной стороны трубопроводом с центробежным вентилятором, подключенным к электродвигателю, а с другой - с выпускным патрубком для выпуска в атмосферу нагретого воздуха,
- и наклонными впускным патрубком для подачи сжатого атмосферного воздуха и очистки цилиндра от сгоревших газов, соединенным с центробежным вентилятором, подсоединенным к тому же электродвигателю, и выпускным патрубком, соединенным с глушителем, причем первый патрубок установлен ниже второго для увеличения давления сжатого воздуха в цилиндре,
- гидравлическая камера содержит пластинчатый самодействующий клапан маятникого типа, установленный на входе воды из трубопровода,
- ствол для выстрела струй воды выполнен с соплом с прикрепленным к нему устройством, содержащим ступенчатый цилиндр, с установленным в нем клапаном/плунжером со скошенной под углом 45° торцевой поверхностью для его отбрасывания под давлением воды, опирающимся на пружину, размещенную в наружном ступенчатом цилиндре с гайкой с залитым в него смазочным маслом,
- устройство для подачи воды выполнено в виде вертикальной трубы, закрепленной на поворотной платформе, содержащей крышку с патрубком для соединения с трубопроводом гидравлической камеры с одной стороны, а с другой она прикреплена к трубе с помощью накидной гайки с уплотнением шарнирного стыка резиновыми кольцами, подсоединенной к насосу с электродвигателем, соединенному с емкостью для воды,
- поворотная платформа выполнена с кольцом, по ее оси шарнирно установленным на цилиндрической опоре, укрепленной на металлическом листе фундамента, при этом кольцо снабжено конической шестерней, соединенной с конической шестерней, имеющей вал, подсоединенный к цилиндрическим шестерням редуктора с электродвигателем, установленным на ней с прикрепленными на поворотной платформе кронштейнами, размещенными по периметру на равных расстояниях друг от друга, имеющими опорные катки.