МАШИНА ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ВНЕСЕНИЯ ЖИДКИХ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
MACHINE FOR DIFFERENTIATED APPLICATION OF LIQUID MINERAL FERTILISERS

Изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, в частности к машинам для дифференцированного внесения в системе координатного земледелия азотных, фосфорных и калийных растворов и суспензий минеральных удобрений.
Известен агрегат для дифференцированного внесения жидких удобрений по RU 2286040 C2, А01C 23/04, 2005, содержащий шасси с резервуарами для азотных, фосфорных и калийных удобрений, пневматическую систему с источником сжатого воздуха, гидравлические системы для отдельной подачи каждого компонента удобрений с последующим их смешиванием в центральном эжекторе и дифференцированным внесением смеси жидкого минерального удобрения.
Недостатком известного устройства является несовершенство конструкции группового эжектора, заключающееся в отсутствии в нем камеры смешения, поэтому подаваемые в приемную камеру компоненты жидких минеральных удобрений недостаточно перемешиваются в эжекторе, часть их без перемешивания с другими компонентами сразу поступает в диффузор и далее в коллектор, кроме этого при изменении дозы вносимых удобрений от минимального до максимального значения из-за большого перепада скоростей истечения газожидкостной смеси возникает полидисперсность распыла - это в совокупности приводит к нестабильному качеству внесения удобрений, и как следствие, к снижению урожайности сельскохозяйственных культур.
Известно распыливающее сопло по патенту №3675855, кл. 239-59, USA 11.07.1972, содержащее корпус, дефлектор и два сопловых канала с одной общей осью для подачи рабочей жидкости и воздуха. Такая форсунка дает широкий факел распыла газожидкостной смеси, но не может обеспечить монодисперсность распыла, вследствие недостаточного взаимодействия потоков газа и жидкости из-за отсутствия камеры смешивания в сопле, что снижает качество распределения газожидкостной смеси.
Известны разнофазные струйные аппараты с упругой рабочей и неупругой инжектируемой средой, в которых осуществляется как процесс пневмотранспорта рабочих жидкостей, так и процесс перемешивания жидкости и газа с возможностью регулирования расхода рабочего потока (Соколов Е.Я., Зингер Н.М. Струйные аппараты. - 3-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.190). Однако в таких аппаратах, как правило, отсутствует дефлектор, и они не могут обеспечить широкий факел распыла газожидкостной смеси жидких минеральных удобрений и их равномерное распределение по рабочей ширине захвата.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений по RU 2321201 С2, А01С 23/00, 2006, включающая самоходное энергетическое средство, установленные на нем гидрорезервуар с отсеками для компонентов минеральных удобрений и штангу с закрепленными на ней рабочими органами с приемными камерами и дефлектирующими поверхностями, технологические системы подачи жидких компонентов и сжатого воздуха, дозирования и регулирования, распределения и внесения многокомпонентных смесей жидких минеральных удобрений и бортовой компьютер. Данное устройство имеет отдельные автономные дозаторы для каждой форсунки, распределяющей удобрения, причем количество дозаторов на каждую форсунку возрастает по мере увеличения количества вносимых компонентов удобрений, что усложняет устройство и вызывает громоздкость конструкции.
Калийсодержащий компонент смеси применяется в виде насыщенных растворов и суспензий, в которых диспергированы малорастворимые мелкие кристаллы хлорида калия частиц стабилизатора суспензий (Технология жидкого тукосмешения / Колесникова В.А., Марченко Л.А., Базегский Э.П. и др. - М.: РАСХН, 2004, с.8-12).
Использование компонента минерального удобрения, имеющего труднорастворимые мелкие кристаллы хлористого калия, приведет к абразивному износу всех контактирующих деталей дозаторов, выполненных в виде цилиндров с перемещающимся поршнем, и как следствие, к потере точности дозирования, а затем к отказу в работе устройства (Соколов М.В., Гуревич А.Л. Автоматическое дозирование жидких сред. - Л.: Химия, 1987, с.176).
2
2
Концентрация КО в калийном компоненте находится в пределах от 10% в растворах и до 30% - в суспензиях. В качестве калийного компонента используют базисные высоковязкие суспензии с максимальной концентрацией КО. Такие суспензии являются неньютоновскими жидкостями.
Неньютоновские жидкости обладают особыми свойствами, одним из которых является наличие в них при покое некоторой пространственной жесткой структуры, которая в состоянии сопротивляться любому внешнему воздействию до тех пор, пока вызванное им напряжение сдвига не превзойдет соответствующее этой структуре предельное напряжение (Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - Изд. 6-е, перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987, с.364-369).
В этой связи воздействие на калийную суспензию импульсами расхода сжатого воздуха не обеспечит равномерное распределение калийного компонента в потоке и, как следствие, снизит точность подачи дифференцированных доз.
Указанные недостатки снижают эффективность и качество выполнения технологического процесса дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений данными устройствами.
Выявленные недостатки не позволяют осуществлять дифференцированное внесение многокомпонентных смесей жидких минеральных удобрений с заданным нормативным качеством распределения удобрений и установленной дозой на каждом элементарном участке и по всей площади обрабатываемого поля.
Техническая задача изобретения - обеспечение нормативного качества дифференцированного внесения многокомпонентных смесей жидких минеральных удобрений на каждом элементарном участке и по всей площади обрабатываемого поля.
Технический результат от использования изобретения - повышение точности. внесения дифференцированных доз многокомпонентных смесей жидких минеральных удобрений, обеспечение монодисперсности распыла при изменении доз компонентов удобрений, снижение неравномерности распределения удобрений до нормативного значения в процессе перехода машины с одного элементарного участка на другой и на каждом элементарном участке обрабатываемого поля.
Поставленная техническая задача достигается тем, что в машине для дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений, включающая самоходное энергетическое средство, установленные на нем гидрорезервуар с отсеками для компонентов минеральных удобрений и штангу с закрепленными на ней рабочими органами с приемными камерами и дефлектирующими поверхностями, технологические системы подачи жидких компонентов и сжатого воздуха, дозирования и регулирования, распределения и внесения многокомпонентных смесей жидких минеральных удобрений и бортовой компьютер, согласно изобретению, что приемные камеры снабжены, по крайней мере, тремя установленными симметрично по окружности щелевыми соплами, оси выходных отверстий которых смещены от нормали к оси симметрии корпуса рабочего органа в сторону подачи потока сжатого воздуха, пересекая эту ось в точке выхода сжатого воздуха из сопла, а на дефлектирующих поверхностях между плоскостями выходного отверстия и схода выполнены турбулизаторы в виде продольно-поперечных углублений, с уменьшающимися по мере увеличения их ширины глубиной и длиной, при этом ширина каждого последующего турбулизатора больше предыдущего.
Сравнение заявляемого устройства с прототипом показывает, что новым является то, что приемные камеры снабжены, по крайней мере, тремя установленными симметрично по окружности щелевыми соплами, оси выходных отверстий которых смещены от нормали к оси симметрии корпуса рабочего органа в сторону подачи потока сжатого воздуха, пересекая эту ось в точке выхода сжатого воздуха из сопла, а на дефлектирующих поверхностях между плоскостями выходного отверстия и схода выполнены турбулизаторы в виде продольно-поперечных углублений, с уменьшающимися по мере увеличения их ширины глубиной и длиной, при этом ширина каждого последующего турбулизатора больше предыдущего.
В предлагаемой конструкции машины с сочетанием пневматического и гидравлического способов распыления жидких компонентов: установка в приемной камере распределяющих рабочих органов плоскофакельных щелевых сопел на одинаковых расстояниях по окружности со смещением в сторону распыляемого потока воздуха обеспечивает взаимодействие газовой струи с несколькими перекрестными, падающими на нее плоскими струями жидкости, что, с одной стороны, исключает образование обратных токов и вихрей газожидкостной смеси в торцевой части приемной камеры, а также застойных зон, являющихся местом скопления механических загрязнений от накопления кристаллов удобрений, с другой стороны, повышает равномерность орошения зоны взаимодействия разнофазных потоков и, как следствие, обеспечивает равномерное перемешивание компонентов смеси удобрений и воздуха перед подачей газожидкостной смеси на дефлектор. За счет выполнения на дефлектирующих поверхностях турбулизаторов в виде продольно-поперечных углублений с последовательным уменьшением глубины и длины с увеличением ширины каждого последующего турбулизатора при взаимодействии потока газожидкостной смеси с дефлектором образуется поле поперечных пульсаций скоростей плоского потока, адекватное расширяющемуся факелу распыла газожидкостной смеси, что стабилизирует монодисперсность распыла и дает более равномерное распределение смесей удобрений в самом факеле распыла, по рабочей ширине захвата машины и по ходу ее движения - это, в конечном итоге, обеспечивает нормативные параметры качества распределения каждого компонента смесей жидких минеральных удобрений при их дифференцированном внесении под сельскохозяйственные культуры на каждом элементарном участке и по всей площади обрабатываемого поля, повышает эффективность работы машины.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».
Заявляемое устройство соответствует критерию «изобретательский уровень, так как не является очевидным для специалиста и позволяет достигнуть результат, удовлетворяющий существующую потребность: повышение точности внесения дифференцированных доз многокомпонентных смесей жидких минеральных удобрений, обеспечение монодисперсности распыла при изменении доз компонентов удобрений, снижение неравномерности распределения удобрений до нормативного значения в процессе перехода машины с одного элементарного участка на другой и на каждом элементарном участке обрабатываемого поля.
Заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «промышленная применимость», так как может использоваться в сельском хозяйстве, в частности в машинах для дифференцированного внесения в системе координатного земледелия азотных, фосфорных и калийных растворов и суспензий минеральных удобрений.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид; на фиг.2 изображена комбинированная принципиальная схема машины; на фиг.3 изображен рабочий орган для внесения жидких минеральных удобрений в продольном разрезе; на фиг.4 - поперечный разрез А-А рабочего органа; на фиг.5 - вид сверху Б рабочего органа.
Машина для дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений состоит из самоходного энергетического средства 1, установленных на нем бортовым компьютером с микропроцессорным блоком 2 контроля и управления работой машины и приемником навигационных сигналов 3, на шасси 4 машины установлены: гидрорезервуар 5 с эластичными перегородками 6 и 7, разделяющими его на отсеки 8, 9 и 10 для азотных, фосфорных и калийных компонентов минеральных удобрений, компрессор 11 с ресивером 12; насосы 13, 14 и 15, дозаторы 16, 17 и 18; штанга 19 с размещенными на ней рабочими органами 20, распределяющими жидкие минеральные удобрения.
Технологические системы подачи жидких компонентов удобрений и сжатого воздуха, дозирования и регулирования, распределения и внесения удобрений объединены соответственно в блоки подачи 21, дозирования 22, распределения 23, связанные интерфейсами 24, 25 и 26 с блоком контроля и управления 2.
Отсеки 8, 9 и 10 гидрорезервуара 5 снабжены, соответственно, заправочными горловинами 27, 28 и 29 и дыхательными пневмоклапанами 30, 31 и 32. В нижней части гидрорезервуара 5 под каждым отсеком 8, 9 и 10 установлены трехходовые краны 33, 34 и 35 и фильтры 36, 37 и 38.
Насосы 13, 14 и 15 для подачи жидких компонентов через гидроклапаны давления переливного типа 39, 40 и 41 соединены гидролинией с дозаторами 16, 17 и 18, а другой гидролинией через обратные клапаны 42, 43 и 44 соединены соответственно с отсеками 8, 9 и 10 гидрорезервуара 5.
Гидроклапаны давления 39, 40 и 41 обеспечивают понижение давления, создаваемого насосами 13, 14 и 15 и поддержание перепада давления на заданном уровне перед дозаторами 16, 17 и 18. Компрессор 11 и ресивер 12 соединены пневмолинией с редукционным пневмоклапаном 45, который, в свою очередь, соединен с электромагнитным клапаном 46, дозаторы 16, 17 и 18 соединены с электрогидравлическими клапанами 47, 48 и 49, каждый из которых посредством гидролиний 50, 51 и 52 подключен к выходным штуцерам 53, 54 и 55 распределяющих рабочих органов 20, а электропневмоклапан 46 соединен с пневмоштуцерами 56 рабочих органов 20.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Рабочие органы 20, распределяющие удобрения, состоят из корпуса 57, внутри которого выполнены приемная камера 58, переходящая в камеру смешения 59 конондального типа и цилиндрическое сопло 60, дефлектора 61 с плоскостью схода 62 и турбулизаторами 63, имеющими глубину h>h>h и длину ℓ>ℓ>ℓ, уменьшающимися по мере увеличения ширины b<b<b турбулизаторов 63. При этом ширина каждого последующего турбулизатора больше предыдущего.
Торцевая часть приемной камеры 58 закрыта резьбовой крышкой 64, по оси которой ввинчен штуцер 65, с одной стороны которого установлено сопло 66, а с другой - корпус регулирующего устройства 67 подачи воздуха, содержащее шаговый двигатель 68, плунжер 69 с золотником 70 в виде усеченного конуса, канал 71 для подачи сжатого воздуха.
В приемной камере 58 установлено, по крайней мере, не менее трех щелевых сопел 74, 75, 76, симметрично расположенных по окружности корпуса 57, смещенных от нормали к оси симметрии корпуса 57, с осями А-А, наклоненными в сторону движения потока сжатого воздуха и пересекающимися с осью сопла 66.
Машина для дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений работает следующим образом.
В соответствии с заранее подготовленной электронной картой доз вносимых азотных, фосфорных и калийных удобрений, необходимых для каждого элементарного участка обрабатываемого сельскохозяйственного поля, отсеки 8, 9 и 10 гидрорезервуара 5 заполняются соответственно азотными, фосфорными и калийными растворами или суспензиями минеральных удобрений, при этом наличие гибких перегородок 6 и 7 гидрорезервуара 5 позволяет максимально использовать грузовместимость машины. Машина с загруженными удобрениями ставится на обрабатываемом поле в точке начала работы. По навигационному приемнику 3 определяются значения координат стартовой точки и сравниваются с заданными на электронной карте обрабатываемого поля, записанной в микропроцессор 2. При необходимости стартовая точка ввода машины в работу корректируется, и машина переустанавливается. В момент начала и в процессе движения машины микропроцессор 2 по заданной программе обработки поля определяет дозы внесения азотных, фосфорных и калийных компонентов минеральных удобрений для каждого участка поля в соответствии с их координатами.
В момент начала и в процессе движения машины от микропроцессора 2 через интерфейсы 24, 25 и 26 передаются управляющие сигналы к блокам 21, 22 и 23. Включаются насосы 13, 14, 15 и компрессор 11, открываются электроклапаны 47, 48, 49 и 46. Включаются шаговые электродвигатели 68 регулирующего устройства 67 распределяющих рабочих органов 20. Из отсеков 8, 9 и 10 азотные, фосфорные и калийные удобрения, соответственно, подаются насосами 13, 14 и 15 к дозаторам 16, 17 и 18, посредством которых происходит автоматическое регулирование расхода и, соответственно, дифференциация дозы компонента жидкого минерального удобрения по заданной программе обработки поля в соответствии с его электронной картой для каждого элементарного участка поля. Часть удобрений через клапаны 42, 43 и 44 поступает обратно в отсеки 8, 9, и 10 для перемешивания. Далее компоненты азотных, фосфорных и калийных удобрений поступают к рабочим органам 20.
Сжатый воздух от компрессора 11 через ресивер 12, клапаны 45 и 46 поступает в штуцер 56 рабочих органов 20. Посредством шагового электродвигателя 68 плунжер 69 с золотником 70 сдвигаются вправо, открывается входное отверстие штуцера 65, и сжатый воздух распыляется из сопла 66 во входную часть камеры смешения 59. Одновременно в приемную камеру 58 рабочего органа 20 через щелевые форсунки 73 со смещенными соплами 74, 75 и 76 распыляются азотные, фосфорные и калийные компоненты жидкого минерального удобрения в виде симметричных плоских факелов, направленных в сторону движения потока сжатого воздуха. Жидкостно-воздушная смесь поступает в камеру смешения 59 и далее в сопло 60, выходя из сопла 60, цилиндрическая струя газожидкостной смеси за счет перехода кинетической энергии потока газожидкостной смеси в потенциальную энергию давления преобразуется в форму плоской пленки, которая вследствие действия дефлектора, турбулизаторов и аэродинамических сил дробится на капли оптимального размера и равномерно распределяется по всей обрабатываемой площади с заданной дозой для каждого элементарного участка сельскохозяйственного поля.
Угол факела распыла и дисперсность распыла при изменении доз компонентов жидкого минерального удобрения регулируются и устанавливаются на заданные параметры изменения расходом сжатого воздуха, выходящего из сопла 66, за счет изменения перепада давления, устанавливаемого редукционным пневмоклапаном 46 и за счет изменения площади выходного отверстия штуцера 65 при повороте вала шагового электродвигателя 68 на заданную угловую дискрету по команде управления от микропроцессора 2.