Импульсный дождевальный аппарат

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.

 

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/п	Наименование показателя	Предлагаемое изобретение	Прототип
1.	Корпус запорного органа	Корпус 2 чугунного вентиля	аналогично
2.	Объем водовоздушного бака	40 л	40 л
3.	Давление предварительно накаченного воздуха (Рmin)	0,15...0,30 МПа	0,15...0,30 МПа
4.	Давления начала открытия запорного органа (Рmax)	0,25...0,50 МПа	0,25...0,50 МПа
5.	Давление подводящей сети	0,30...0,55 МПа	0,50...0,75 МПа
6.	Диапазон изменения подводимого расхода	0,05...0,50 л/с	0,20...0,3 5 л/с
7.	Непроизводительный объем слива воды через сопло дождеобразующего устройства перед открытием запорного органа	0,05...0,025 л	1,50...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.

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.