ЛАБОРАТОРНАЯ ДОЖДЕВАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Область техники
Заявляемая полезная модель относится к области лабораторного оборудования, позволяющего воспроизводить (имитировать) дождь различной интенсивности с различной скоростью падения капли в лабораторных условиях, что, в свою очередь, может быть использовано при исследовании почвенных образцов в процессе изучения протекающих эрозионных процессов.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные варианты исполнения дождевальных установок аналогичного назначения.
Так, известна портативная лабораторно-полевая дождевальная установка, включающая горизонтальную раму с панелью, емкость для воды, фильтр, подающий и напорный водоводы с вентилем, дождеватель, состоящий из последовательно закрепленных ниппеля, толстой гибкой трубки с хомутами, втулки и закрепленного в ней пучка тонких гибких трубок, при этом емкость для воды закреплена выше рамы на вертикальных стойках с подвесной скобой, между напорным водоводом и ниппелем установлен поплавковый механизм, а каплеобразующие концы тонких гибких трубок дождевателя закреплены на горизонтальной панели по спирали Архимеда с одинаковым шагом (патент РФ №2519789).
Известная установка обладает достаточно простой конструкцией привода, обеспечивает равномерное распределение капель по поверхности образца, хотя, вместе с тем обладает достаточно сложной системой подачи воды к каплеобразующим трубкам, также не предусматривает изменения режимов дождевания за счет отсутствия выраженных центров формирования капель. Кроме того, данная установка характеризуется ручным механизмом раскручивания, что представляется крайне неудобным в эксплуатации.
Также, известна лабораторная дождевальная установка, состоящая из секций с виброблоком и напорных трубопроводов с насадками, снабженными гибкими трубками и переходниками (а. с. СССР №1648288).
Недостатком данного устройства является низкая равномерность распределения дождя по площади полива. Вода, поступающая через насадки к гибким трубкам, неравномерно заполняет их. Те трубки, которые заполняются первыми, начинают отсасывать воду из насадок, создавая в ней разрежение, которое не позволяет заполняться остальным трубкам, что в свою очередь приводит к большой неравномерности истечения воды между ними.
Данная установка, имеющая характеристику лабораторной, в основном, обладает признаками, присущими промышленной машине, что не всегда удобно при проведении опыта в лабораторных условиях.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является лабораторная дождевальная установка, включающая раму с установленным на ней конусным перфорированным распыливающим барабаном с приводом от электродвигателя, при этом барабан с электродвигателем установлены на площадке, закрепленной с одной стороны шарнирно, а с другой - связан с колебательным механизмом, в качестве которого выступает эксцентрик, установленный на валу (а. с. СССР №345905).
Основным недостатком известной конструкции является отсутствие точности попадания капель на орошаемую поверхность, секторальный характер орошения. Центробежная сила, создаваемая колебательным механизмом, не обеспечивает одинаковый размер капель. Конструктивно установка выполнена таким образом, что достаточно большой объем воды не попадает на орошаемую поверхность, а стекает по раме, что приводит к повышению расхода воды.
Раскрытие полезной модели
Задачей заявляемой полезной модели является создание компактной лабораторной дождевальной установки, обеспечивающей возможность имитации дождя на ограниченной поверхности.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении рассеивания капель по орошаемой поверхности, равномерности орошения, а также имитации дождя на ограниченную поверхность. Кроме того, данная дождевальная установка позволяет имитировать падение капель дождя с различной скоростью и силой удара капель о почву.
Поставленная задача решается тем, что в лабораторной дождевальной установке, содержащей распыливающее воду устройство, соединенное с насосом подачи воды, каркас, образованный стойками и жестко закрепленными к ним верхней, средней пластинами и основанием, электродвигатель с вращающимся валом, установленный на верхней пластине и соединенный с приводом, включающим ведущую ось и колебательный механизм, согласно техническому решению, колебательный механизм выполнен в виде эксцентрика, кинематически связанного с рабочим стержнем со стаканом, при этом эксцентрик закреплен к вертикально расположенной ведущей оси с возможностью скольжения по внутренней поверхности стакана рабочего стержня, привод снабжен карданным шарниром, посредством которого рабочий стержень соединен с распыливающим устройством, представляющим собой дождевальную кассету, выполненную в виде камеры с вводным отверстием для подачи воды от насоса и отверстием отвода воздуха, в нижней части которой с равномерным шагом размещены дозирующие капилляры. Ведущая ось привода соединена с валом электродвигателя. Карданный шарнир представляет собой трубчатый корпус, внутри которого закреплен осевой элемент, снабженный фиксаторами, на котором установлен рабочий стержень. Лабораторная дождевальная установка может быть снабжена опорной стойкой, к которой подвижно закреплен каркас установки.
Описание чертежей
На фиг. 1 схематично представлено сечение в вертикальной плоскости заявляемой установки.
На фиг. 2 укрупненно представлено вертикальное сечение карданного шарнира установки.
На фиг. 3 представлено горизонтальное сечение карданного шарнира установки.
На фиг. 4 укрупненно представлено соединение ведущей оси с каркасом.
На фиг. 5 схематично представлено относительное положение дождевальной кассеты, почвенного образца и зоны орошения (вид сверху). Позициями на чертежах обозначены:
1. электродвигатель;
2. ведущая ось привода;
3. верхняя пластина каркаса;
4. средняя пластина каркаса;
5. стойки;
6. эксцентрик;
7. стакан;
8. основание;
9. штифт;
10. резьбовой крепеж;
11. распорные стержни;
12. упорный подшипник;
13. карданный шарнир;
14. держатель;
15. дождевальная кассета;
16. капилляры;
17. рабочий стержень;
18. опорная стойка;
19. трубчатый корпус;
20. осевой элемент шарнира,
21. фиксаторы;
22. почва;
23. орошаемая поверхность.
Заявляемая установка представляет собой лабораторное оборудование, предназначенное для проведения испытаний и исследований опытных образцов почвы при имитации дождя различной степени интенсивности. В частности, при помощи заявляемой установки возможно изучение разрушающего воздействия дождя - степень и характер разбрызгивания почвенных частиц при определенной интенсивности дождя, скорости падения капель.
Дождевальная установка содержит каркас, включающий вертикально расположенные металлические стойки 5, к которым закреплены, соответственно, верхняя 3 металлическая пластина и основание 8 каркаса. Средняя пластина через распорные стержни 11 закреплена к верхней пластине 3 посредством резьбового крепежа 10. Средняя пластина обеспечивает удержание упорного подшипника 12. На верхней пластине 3 установлен электродвигатель 1, при этом вращающийся вал электродвигателя ориентирован вертикально вниз и через отверстие, выполненное в верхней пластине, взаимодействует с ведущей осью 2 привода. В средней пластине также выполнено соосное отверстие, через которое проходит ведущая ось 2 привода, при этом фланец ведущей оси расположен на упорном подшипнике 12, размещенном на средней пластине. Колебательный механизм представляет собой эксцентрик 6, кинематически связанный с рабочим стержнем 17 со стаканом 7. Эксцентрик закреплен к вертикально расположенной ведущей оси с возможностью скольжения по внутренней поверхности стакана рабочего стержня, снабженного карданным шарниром 13. Карданный шарнир создает рабочему стержню четыре «степени свободы», при этом любое отклонение одного из концов стержня воспроизводится другим концом. Карданный шарнир заявляемой установки включает трубчатый корпус 19, внутри которого закреплен осевой элемент шарнира 20, снабженный фиксаторами 21. На осевом элементе установлен рабочий стержень с возможностью движения, обеспечиваемого перемещением эксцентрика по внутренней поверхности стакана рабочего стержня. Фиксаторы 21 удерживают рабочий стержень от боковых смещений.
Вал электродвигателя входит в гнездо ведущей оси 2 привода, а связывающий их штифт 9 входит в прорезь ведущей оси. Ведущая ось проходит через отверстие в средней пластине 4, опираясь фланцем на упорный подшипник 12. Упорный подшипник лежит на поверхности средней пластины. На конце ведущей оси закреплен эксцентрик 6, который в свою очередь размещен в стакане рабочего стержня с возможностью скольжения по его внутренней поверхности при вращении ведущей оси. Рабочий стержень соединен через держатель 14 с дождевальной кассетой посредством карданного шарнира. Дождевальная кассета представляет собой цилиндрическую камеру со стенками, выполненными из пластика, например, из оргстекла для облегчения визуального контроля за наполненностью камеры. В нижней донной части камеры расположено множество капилляров 16 (при этом выдерживают расстояние примерно 10 мм между соседними капиллярами), в качестве которых могут быть использованы, например, тонкие медицинские иглы. В стенке кассеты выполнены два отверстия - для ввода воды от насоса и отвода воздуха.
Установка также снабжена опорной стойкой 18, к которой, например, хомутами, закреплен каркас дождевальной установки. К основанию каркаса или стойке может быть закреплен противовес. Перемещением каркаса дождевальной установки вдоль опорной стойки достигают требуемой высоты размещения установки относительно орошаемой поверхности.
Осуществление полезной модели
Каркас фиксируют на опорной стойке на определенной высоте от исследуемого почвенного образца, обеспечивающей требуемую интенсивность осадков. К дождевальной кассете подключают насос (на фиг. не показан), обеспечивающий наполнение дождевальной кассеты водой. Запускают электродвигатель (может быть снабжен понижающим редуктором для регулирования оборотов двигателя), вращающийся вал которого, входя во взаимодействие с ведущей осью приводного механизма, обеспечивает ее вращение. При вращении ведущей оси эксцентрик скользит по внутренней поверхности стакана 7 рабочего стержня, вызывая его отклонение от вертикального положения. Угол отклонения выбирают опытным путем и регулируют размерами эксцентрика и диаметром стакана. Так, для лабораторного использования заявляемой установки угол отклонения выбирают не более 3°. Контактная точка эксцентрика со стаканом описывает окружность. Шарнирная связь вынуждает рабочий стержень отклоняться и двигаться по аналогичной траектории, т.е. по окружности. Таким образом, дождевальная кассета, жестко соединенная с рабочим стержнем, также описывает окружность, тем самым ограничивая орошаемую поверхность. Вода, поступающая в дождевальную кассету через отверстие в стенке кассеты, проникает через капилляры, при этом на концах капилляров образуются капли, которые достигнув определенного размера и веса (около 2,6 мм в диаметре), отрываются и падают на почвенный образец 22. Интенсивность регулируется насосом подачи воды. За счет конструктивно реализованных посредством применения карданного шарнира на рабочем стержне круговых движений дождевальной кассеты достигается равномерное рассеивание капель по орошаемой поверхности. При этом, площадь орошаемой поверхности ограничена таким образом, что в любой момент времени вся она орошается (фиг. 5, позиция 23). Перемещая установку по опорной стойке и фиксируя каркас установки на различных высотных уровнях, получают различные значения скорости капли. При работе заявляемой лабораторной установки исследуют, в том числе, результаты попадания на орошаемую поверхность капель с заданной скоростью, что приводит к разной силе удара капли о почву и, соответственно, разному характеру разбрызгивания.
Пример 1.
2
В качестве лабораторной дождевальной установки изготовлена установка, для орошения почвенных образцов на территории площадью примерно 54-55 см, (площадь круга, описываемого дождевальной кассетой), за счет отклонения рабочего стержня на угол, равный 3°. Установка приводится в действие от электродвигателя РД-09 мощностью 1 Вт, 8,7 об/мин, а подача воды в дождевальную камеру организована от перистальтического насоса фирмы Zalimp, Польша и регулирующего зажима, пережимающего шланг подачи воды к касcете. В донной части дождевальной камеры диаметром 140 мм равномерно размещено 100 капилляров, размером 0,6×30 мм. Дождевание проводилось в течение 30 минут на различных высотных уровнях (от 10 до 150 см от орошаемой поверхности) и различной степенью интенсивности: 2, 4 и 6 мм осадков в минуту. Соответственно, расход воды при этом составил 20, 40 и 60 мл.