АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ ЖИДКИХ УДОБРЕНИЙ В ПОЛИВНУЮ ВОДУ
AUTOMATIC DEVICE FOR APPLICATION OF LIQUID FERTILISER TO IRRIGATION WATER

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к устройствам для внесения удобрений и химических веществ с поливной водой.
Известно устройство для внесения жидких удобрений с поливной водой, включающее напорный трубопровод с расположенным в нем дросселем, емкость для жидких удобрений, мембранный насос-дозатор, соединенный всасывающим трубопроводом с емкостью для жидких удобрений и нагнетательным трубопроводом с напорным трубопроводом, кинематически связанные между собой и с мембранным насосом-дозатором, сообщающейся с рабочими полостями напорного и возвратного гидроцилиндров, распределитель, соединенный питающим трубопроводом перед дросселем и сливным трубопроводом - после дросселя (Авторское свидетельство СССР №755236, кл. А01С 23/04, 1980 г.)
Недостатком данного устройства является колебание концентрации удобрений в поливной воде при изменении расхода оды в напорном трубопроводе, а также невозможность изменения концентрации удобрений в поливной воде в необходимых пределах. Вызвано это тем, что в известном устройстве не предусмотрена корректировка расходной характеристики мембранного насоса-дозатора. В результате изменения концентрации удобрений в поливной воде происходит неравномерное их распределение по площади орошаемого участка, снижающее эффективность использования жидких удобрений. Кроме того, сложная система узлов понижает чувствительность к колебанию удобрений с поливной водой, а также увеличивает величину управляющих усилий при работе конструкции.
Известно также устройство для внесения жидких удобрений с поливной водой, включающее напорный водовод с расположенным в нем дросселем, емкость для жидких удобрений, мембранный насос-дозатор, соединенный всасывающим трубопроводом с емкостью для жидких удобрений и нагнетательным трубопроводом, напорный и возвратный гидроцилиндры, кинематические связанные между собой и с мембранным насосом-дозатором, сообщающийся с рабочими полостями напорного и возвратного гидроцилиндров, распределитель, соединенный с напорным трубопроводом перед дросселем и сливным трубопроводом - после дросселя. Кроме того, на напорном трубопроводе перед дросселем установлен регулятор давления со штоком управления, а на питающем трубопроводе - регулирующий клапан с толкателем, который киниматически связан двуплечим рычагом со штоком управления регулятора давления (Авторское свидетельство СССР №952139, кл. А01С 23/04, 1981).
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы из-за сложной системы узлов, что понижает чувствительность к колебанию удобрений с поливной водой. Количество поступающего раствора жидких удобрений ограничено и зависит только от числа двойных ходов поршней напорного гидроцилиндра, которые должны воспринимать значительные нагрузки. Все это связано непосредственно с напорным транспортирующим потоком, т.е. имеет место отрицательный фактор. Сложная механическая связь с регулировочным элементом и регулирующего клапана ненадежна из-за возникающих трущихся трений в узлах - возможны моменты заклинивания. Имеет место прерывистая подача стоков в трубопровод, а это показывает, что низкая производительность насоса-дозатора. Подача стоков производится специально над трубопроводом от точки ввода в трубопровод под напором, а давление воды в трубопроводе должно быть меньше, чем давление от подачи стоков. Невозможно точно осуществлять контроль концентрации смеси при смешивании с водой. Недостаточно используется энергия воды оросительного трубопровода при вводе удобрений, что особенно важно, т.е. требуется высоконапорный насос-дозатор в точке ввода при большой длине трубопровода. Кроме того, не учитывается характеристика напорного оросительного трубопровода и, следовательно, ограничена выдержка дозировки стоков при возможном колебании напора в сети. Таким образом, отсутствует устройство, позволяющее полную энергию потока воды переводить в кинетическую (скоростной напор), чтобы снизить резко напор и образовать зону вакуума, в которую можно вводить удобрение. Отсутствует зона восстановления части потенционального (пьезометрического) напора. Все это указывает на сложность конструкции и низкую надежность при работе внесения жидких удобрений.
Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности и увеличение КПД гидродвигателя в работе гидродинамической связи движущего потока с подвижными элементами насоса-дозатора.
Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое автоматическое устройство для введения жидких удобрений в поливную воду, содержащее емкость для жидких удобрений, имеющий рабочие полости насос-дозатор с поршнем, кинематическим связанный с гидродвигателем, сообщенный через имеющую сливную линию распределитель и соединительную арматуру, согласно изобретению снабжено пружинным синхронизатором-толкателем, состоящим из двух блоков: пружинного толкателя и золотника-водораспределителя, при этом пружинный синхронизатор-толкатель снабжен дополнительно подвижной каркас-рамкой, установленной с противоположной стороны силового поршня гидродвигателя и кинематически связанной с подвижной осью, установленной в направляющих, кроме того, корпус его выполнен в виде неподвижного каркаса с опорными осями, упорами и со сквозными отверстиями, причем опорные оси и направляющая подвижной оси соединены между собой подпружиненным ограничителем хода подвижной оси каркас-рамки, выполненным в виде штока с упорами в направляющей с возможностью отклоненения штоков от нейтрального равновесия в пределах от 3 до 7 градусов, при этом подвижная ось установлена с возможностью поочередного ударного взаимодействия с симметрично установленной осью подвижной серьги с регулировочным винтом, свободный ход которой выбран к началу ударного взаимодействия с подвижной осью каркас-рамки, при этом подвижная серьга связана с осью золотника-водораспределителя. Кроме того, переключающее устройство снабжено дополнительно поворотной пробкой и охватывающей ее полой втулкой с двумя радиальными отверстиями, гидравлически сообщенными с напорным подводящим трубопроводом, при этом поворотная пробка имеет две внутренние между собой полости, гидравлически соединенные через полые рычаги с емкостями-противовесами, при этом емкости-противовесы выполнены в виде стакана и имеют прямоугольную форму. При этом диаметры силового и нагнетательного цилиндров составляют отношение равно 1,8-2,0, а отношение диаметров силового цилиндра к отводящему трубопроводу равно 2,7-3,0, кроме того, ход поршня нагнетательного цилиндра принимается 1-2 диаметра силового цилиндра.
Такое автоматическое устройство обеспечивает высокопроизводительную подачу стоков в поливную воду для конкретного технического процесса, т.е. рабочий поток в этом режиме непосредственно используется в технологическом процессе. Емкость, расположена ниже отметки не более 3 м от расположения по глубине напорного трубопровода по сравнению с прототипом.
Происходит равномерное по всему сечению трубопровода и беспрерывная подача стоков, растворенных удобрений одновременно в разреженную кольцевую полость камеры с эжектором с повышенными характеристиками, поскольку параметры простого модульного устройства выполнены оптимально, с установленной внутри и по ширине камеры горизонтальной диафрагмы с отверстием в виде защитного П-образного экрана, кроме того, это приводит к уменьшению сопротивления к подаче стоков в оросительную воду, не предъявляет жестких требований к механическому составу твердых частиц, содержащихся в жидких стоках, а также отсутствует вероятность защемления содержащихся в стоках мелких частиц и волокнистых включений между рабочими элементами устройства, при одновременном снижении энергоемкости при высотной подаче стоков в емкость насосами. Кроме того, уменьшается продолжительность цикла включения в работу генератора, отсутствует биение каких-либо элементов о корпус арматуры.
Ввод жидких удобрений в напорный трубопровод через устройство производится низконапорным насосом-дозатором заданного количества беспрерывно и автоматически. В этом устройстве полная энергия потока воды переводится в кинетическую (скоростной напор), при этом напор резко снижается, и образуются зоны вакуума, в которые можно вводить жидкие удобрения. Затем, благодаря насадку, выполненному из камеры разрежения, горизонтальной диафрагмы с отверстием и выполненной в виде П-образного экрана, а также решению оптимальной длины и диаметра разгонной трубы смешения, последняя имеет кольцевой раструб с радиусом кривизны и блока эжектора, заканчивающегося соплом и диффузор, соединенный с отводящей напорной трубой, восстанавливается определенная часть потенциального (пьезометрического) напора, при наличии оптимальной длины и диаметра разгонной трубы и диффузора, соединенного с отводящей трубой восстанавливается определенная часть потенционального (пьезометрического) напора. Такое неоднократное превращение энергии потока может найти широкое применение всего устройства в целом, так как имеет простую конструкцию и высокую надежность в работе с жидкими удобрениями.
Установленная доза подачи жидких удобрений поддерживается и при колебаниях скорости потока воды в напорном трубопроводе, В предложенном устройстве расход эжектора прямо пропорционален диаметру сопла и обратно пропорционален напору на выходе. Используется полезно потенциальная энергия воды этого же трубопровода. Конструктивные параметры и технологические характеристики устройства подтверждают практическую применимость в сельском хозяйстве. Разрешенные потери напора используются для создания в эжекторе пониженного давления, по сравнению с давлением на входе, при этом создавая плавный вход в полость эжектора. Величина понижения давления (напора) в смесительной трубе и пропускная способность устройства зависит от диаметра сопла и давлениях на входе и выходе из эжектора, наличия по ширине камеры горизонтальной диафрагмы с отверстием, а также и эффективность самого эжектора. Поэтому, нужно предусматривать оптимальные соотношения взаимовлияния всего устройства в целом, а также влияние на расход жидких удобрений, подаваемых в напорный трубопровод. Немаловажное значение имеет место производство регулировки и быстрой сборки - разборки с заменой изношенных деталей. Большое значение имеет работа в автоматическом режиме золотника-водораспределителя с пружинным синхронизатором-толкателем. При подаче расхода жидких удобрений в полость камеры с горизонтальной диафрагмой через отверстие, не допускается расширения вначале поступления их, а происходит компактное соединение расхода жидких удобрений под горизонтальной диафрагмой и, далее поступление в кольцевую полость камеры расширения. В трубе смешения и, затем в диффузоре, подводящий поток и эжектируемый расход жидких удобрений смешиваются, скорости их выравниваются, а давление повышается до некоторого значения, большего, чем давление эжектируемого жидких удобрений, и меньше, чем давление подводящего потока. Таким образом, разработана новая принципиальная схема введения удобрений (стоков) в поливную воду. Удлинение времени подачи жидких удобрений в камеру с эжектором, заканчивающимся водопропускным соплом, направленным в сторону входного отверстия кольцевого отверстия, очерченного радиусом входного оголовка разгонной смесительной трубы, повышает равномерность подачи удобрений из вакуумной кольцевой полости камеры в отводящем трубопроводе.
Практическая работоспособность предлагаемого автоматического устройства введения жидких удобрений в напорный трубопровод очевидна при данных соотношениях геометрических размеров элементов устройства. Устройство вписывается в технологию ирригационного оборудования для орошения площадей, отвечающие современным технико-экономическим, эксплуатационным и технологическим требованиям, то есть оросительная система в целом становится многоцелевой. Надежность транспортирования на поля орошения и распределения по ним с помощью поливной техники животноводческих стоков, разбавленные с поливной водой до необходимой концентрации, обеспечивает улучшение экологической обстановки, например, вокруг животноводческих комплексов.
На фиг.1. представлено автоматическое устройство для введения жидких удобрений в поливную воду, общий вид; на фиг.2 - автоматическое устройство для введения жидких удобрений в поливную воду, вариант размещения одностороннего действия насоса-дозатора, общий вид; на фиг.3 - схема устройства пружинного синхронизатора-толкателя, вид в плане; на фиг.4 - то же, разрез; на фиг.5 - шток золотника-водораспределителя; на фиг.6 - корпус золотника-водораспределителя; на фиг.7 - сечение по А-А на фиг.6; на фиг.8 - схема работы золотника, правое положение штока; на фиг.9 - то же, левое положение штока; на фиг.10 - расчетная схема эжекторного узла; на фиг.11 - пропускная способность эжектора на модели; на фиг.12 - вариант выполнения автоматического переключателя потока (золотника-водораспределителя), общий вид; на фиг.13-18 - положение цилиндрических золотников-регуляторов соответственно положению поршня силового цилиндра в работе на фиг.12.
Автоматическое устройство содержит емкость 1 для жидких удобрений или других химикатов, установленную ниже напорного трубопровода, разделенного на подводящий 2 и отводящий 3 трубопроводы. Конец напорного подводящего трубопровода 2 снабжен насадком, выполненным камерой 4 разрежения, соединенной с трактом разгонной трубы 5 смешения через кольцевой раструб 9, очерченный радиусом входного оголовка трубы 5. Входной оголовок трубы 5 расположен в камере 4. В полости 6 камеры 4 размещен блок эжектора 7, входной конец которого выполнен с начальным радиусом «г» и заканчивается соплом 8. Выходное отверстие сопла 8 размещено в зоне входного отверстия кольцевого раструба тракта разгонной трубы 5 смешения, при этом кромки трубы смешения выполнены в виде кольцевого раструба 9 и расположенного с внешней стороны стенок сопла 8 эжектора 7. Сопло 8 эжектора 7 и кольцевая полость 6 камеры 4 направлены минимальными проходными сечениями в сторону ближе к входному отверстию кольцевого раструба 9 трубы 5 смешения. Конец тракта разгонной трубы 5 смешения соответственно соединен с напорным отводящим 3 трубопроводом и с диффузором 11. Стенки внутри эжектора 7 выполнены выпуклыми с начальным радиусом г на входном участке, полость которого сообщена входом с напорным подводящим 2 трубопроводом.
Над дном и по ширине камеры 4 разрежения установлена горизонтальная диафрагма 12 с отверстием 13, разделяющей ее на верхнюю безнапорную 14 полость и нижнюю нагнетаемую закрытую 15 полость с питающими трубками 16 и 17 с обратными клапанами 18 и 19, присоединенные к нагнетательному цилиндру 20 (всасывающему) двухстороннего действия. Рабочие полости 21 цилиндра 20 с всасывающими трубопроводами 22 и 23 с обратными клапанами 24 и 25, присоединены к емкости 1. Камера 4 связана сливной линией 26 с вентилями 27 и 28 с обратным клапаном 29. При этом между стенкой эжектора 7, под которым установлена по ширине камеры горизонтальная диафрагма 12 с отверстием 13 в виде П-образного экрана, образует щель 31, обращенную в сторону сопла 8, раструба 9 оголовка трубы 5. Питающая трубка 16 имеет расходомер 30.
Пружинный синхронизатор-толкатель состоит из блоков - пружинного толкателя (фиг.2 и 3) и золотника-водораспределителя (фиг.4, 5 и 6).
Пружинный синхронизатор-толкатель состоит из неподвижного каркаса 32, дополнительной каркас-рамки 33, кинематический связанный с подвижной осью 34, направляющей 35, двух опорных осей 36 и 37 с отверстиями 38. Подпружиненный ограничитель хода подвижной оси 34 с кронштейнами 39, каркас-рамки 33 содержит штоки 40 один конец которых свободно входит в одно из отверстий 38 опорных осей 36 и 37 и свободно входит в каркас - рамки 33, в одно из отверстий 41, а другой конец штока 40 упирается в кронштейны 39 направляющей 35 оси 34. Между опорными осями 36 и 37 и кронштейнами 39 в направляющих 35 оси 34 установлены пружины 42.
Подвижная ось 34 каркаса-рамки 33 присоединена посредством штока 43 с подвижной серьгой 44 с продольным пазом 45 и с регулировочным винтом 44 к передвижному штоку 47 золотника-водораспределителя 48, состоящего из регулируемых отверстий 49. Золотник 50 связан напорными линиями трубок 51 и 52 с общей линией трубки 53 с напорным подводящим трубопроводом 2 с вентилем 54 (краном).
Размещением в корпусе подвижных каркас-рамки 33 и оси 34 обеспечивается возможность отклонения штоков 40 от нейтрального неустойчивого равновесия в пределах от 3 до 7 градусов. Подвижная ось 34 взаимодействует симметрично установленной штока 43 с подвижной серьгой 44 с продольным пазом 45 с регулировочным винтом 46. Серьга 44 имеет свободную прорезь (паз) 45 и соединена штоком 46 с осью - штока 50 золотника-водораспределителя 48 (гидрораспределителя).
Оптимальное расположение эжектора 7 заканчивающимся соплом 8 в камере 4, связанной с кольцевым раструбом 9 трубы 5 смешения, имеет меньший диаметр и выполнен ближе к входному концу трубы 5 с кольцевым раструбом 9, другой конец трубы 5 соединен с трубой в виде диффузора 11 с отводящим трубопроводом 3. Соотношение длины разгонной трубы 5 смешения к длине эжектора 7 с соплом 8 равно 55-56. Соотношение диаметра разгонной трубы 5 смешения к диаметру сопла эжектора 7 равно 5-6.
Гидродвигатель состоит из силового цилиндра 55 с размещенным в рабочей полости поршнем 56 и нагнетательного цилиндра 20 с поршнем 57, соединенных между собой штоком 58. Полость 59 силового цилиндра 55 гидравлически связана трубками 60 и 61 с рабочими отверстиями 49 золотника-водораспределителя 48. Диаметры силового и нагнетательного цилиндров составляют соотношение равно 1,8-2,0, а соотношение диаметров силового цилиндра к отводящему трубопроводу равно 2,7-3,0, при этом ход поршня 57 нагнетательного цилиндра 20 принимается от одного до двух диаметра силового цилиндра 55.
Вариант выполнения автоматического переключателя потока (золотника-водораспределителя) на фиг.12 включает поворотную пробку (золотник) 62 и и охватывающей ее полой втулкой 63. Полая втулка 63 золотника представляет собой цилиндрическую деталь, имеющую с торцов гидравлические связи: две внутренние разделенные между собой полости 64 и 65 и ряд радиальных отверстий 66, 67, 68, 69, из которых отверстия 66 и 67 находятся в одной плоскости, по диаметрально противоположным направлениям внешней стороны втулки 53 золотника, а отверстия 67 и 69 смещены относительно друг друга в радиальном направлении. Втулка 63 золотника имеет два радиальных отверстия 70 и 71, расположенных в горизонтальной плоскости и соответствующих в радиальном сечении отверстиями 66 и 67 пробки 62. Корпус пробки 62 с радиальными гидравлическими связями 66, 69 соединен через полые изогнутые рычаги 72, 73 с емкостями-противовесами 74, 75, выполненные в виде стаканов прямоугольной формы. Полая втулка 63 имеет сливные трубки 76, 77, соединенные с атмосферой. Кроме того, втулка 63 золотника гидравлически сообщена с напорным трубопроводом 2 при помощи трубки 53 с трубками 51 и 52, прикрепленными к втулке 63 золотника вместе расположения гидравлических связей 70 и 71, при этом трубка 53 снабжена вентилем 54. Вентиль 54 позволяет производить оперативное наполнение емкостей-противовесов 74 или 75 в течение требуемого времени их заполнения, соответственно меняется заполнение трубками 62 или 63 полости 59 в силовом цилиндре 55, поршень 56 которого связан штоком 58 с поршнем 57 нагнетательного цилиндра 20.
Поперечные сечения трубок 53, 54, 55 и полых рычагов 72, 73, как и гидравлических связей 66-71 больше площади сечений сливных отверстий трубок 76, 77.
Автоматическое устройство для введения удобрений в поливную воду работает следующим образом.
Рабочий процесс начинается с открытия вентиля 54 (крана). Вода из подводящего напорного трубопровода 2 по трубке 53 через открытый вентиль 54 поступает в золотник-водораспределитель 48 (гидрораспределитель) в силовой цилиндр 55 двустороннего действия (например, влево) поршень 56 которого механически соединен с поршнем 50 нагнетательного цилиндра 20 и перемещаются влево. При этом через всасывающий трубопровод 22 с обратным клапаном 24 или через всасывающий трубопровод 23 с обратным клапаном 25 происходит заполнение рабочей полости 21 раствором удобрений из емкости 1. Так как золотник-водораспределитель 48 с рабочими отверстиями 49 гидравлически соединен трубками 51 и 52 с общей трубкой 53 и шток 47 золотника-водораспределителя 48 может поочередно находиться только в одном из крайних положений (например, влево) поршень 56 который механически соединен с поршнем 57 нагнетательного цилиндра 20 и перемещаются влево. При этом через всасывающий трубопровод 22 с обратным клапаном 24 происходит заполнение рабочей полости 21 нагнетательного цилиндра 20 раствором удобрений. При этом, золотник-водораспределитель 48 с рабочими отверстиями 49 гидравлически соединены трубками 51 и 52 с общей трубкой 53 и шток 47 золотника-водораспределителя 48 может поочередно находится только в одном из крайних положений (фиг.7 и фиг.8), например, вправо, то вода из подводящего напорного трубопровода 2 через золотник 53 со штоком 47 поступает в силовой цилиндр 55 двустороннего действия. Под воздействием давления воды поршень 56 цилиндра 55 перемещается влево и перемещает связанные конструктивно с ним поршень 57 нагнетательного цилиндра 20 и подвижно каркас-рамку 33 синхронизатора-толкателя. Каркас-рамка 33, дойдя до соприкосновения с подвижной осью 34, перемещает ее также влево, одновременно происходит выбор свободного хода соединительной серьги 44 и сжатие пружин 42. При переходе подвижной оси 34 - толкателя через точку неустойчивого равновесия от 3 до 7 градусов, равновесие нарушается и пружины 42 разжимаясь, переводят толчком подвижную ось 29 влево положение. Подвижная ось 34 толкает серьгу 44, свободный ход которой выбран к началу толкателя, и через нее шток 47 золотника 50, переводящего его влево положение (фиг.8). Вода из подводящего напорного трубопровода 2 теперь поступает в силовой цилиндр, с другой стороны, двустороннего действия, перемещая поршень в нем вправо. Поршень цилиндра 55 выталкивает отработанную воду в отстойник (фиг.7), то есть, повторяются все вышеописанные операции движения вправо. Цикл завершается сработкой пружинного синхронизатора-толкателя с переводом штока 47 золотника-водораспределителя 48, крайнее правое положение. Далее циклы повторяются в автоматическом режиме.
Очищенные стоки (растворы) хранятся в специальных бассейнах - хранилищах, глубина которых не превышает трех метров.
Установка камеры 4 с блоком эжектора 7 заканчивающегося соплом 8 позволяет создать необходимый напор подводящим потоком воды в эжекторе 7 с соплом 8. Увеличение скорости воды приводит к увеличению и вакуума, следовательно, можно вводить большее количество жидких удобрений при работе даже низконапорного поршневого нагнетательного насоса. Во время работы силового цилиндра 55, например, двухстороннего действия, раствор удобрений из емкости 1 поступает в нижнюю всасывающую 15 полость камеры 4 разрежения, сжимается в сплошной поток. Раствор удобрений перетекает из полости 15 камеры 4 через отверстие 13 горизонтальной диафрагмы 12 в кольцевую полость 14 безнапорной камеры 4, в которой размещен блок эжектора 7 с соплом 8 с отсутствием пульсационного давления. Объем раствора жидких удобрений выходит через щель между стенками эжектора 7 и камеры 4 в сторону кольцевого раструба 9 разгонной трубы 5 смешения. Смешение скоростного потока и раствора удобрений в кольцевом раструбе 9 трубы 5 смешения сопровождается изменениями осредненного давления вдоль проточной части. По мере выравнивания эпюры скоростей потоков и уменьшения от сечения к сечению средней скорости суммарного потока происходит повышение давления, которое продолжается и в пределах диффузора 11. За диффузором устанавливается повышенный уровень давления, соответствующий давлению, которое должен развивать эжектор 7, т.е. в эжекторе сначала идет преобразование потенциальной энергии подводящего напорного потока в кинетическую. Кинетическая энергия подводящего потока трубопровода 1 во время смешивания с раствором жидких удобрений частично передается эжектируемому раствору жидких удобрений - происходит выравнивание скоростей общего потока и преобразование кинетической энергии смешанных потоков в потенциальную энергию.
Размещение кольцевой полости 6 в камере 4 с проходным сечением по направлению потока имея расширяющуюся часть в виде кольцевого раструба 9, очерченного радиусом входного оголовка трубы 5 смешения и получения большой скорости эжектирующего потока (раствора), способствует получение за ним зоны с низким давлением потока, что увеличивает скорость истечения раствора удобрений (захвата) из полости камеры 4 и приводит к более равномерному распределению его по всему сечению разгонной трубе 5 смешения. Распределение скоростей на прямом участке трубы 5 смешения соответствует равномерному движению воды, длина участка которого составляет 10÷30d (где d - диаметр трубы), и соединенный поток стабилизируется перед соединением трубы диффузора с отводящим напорным трубопроводом 3. Раствор через кольцевую полость камеры и минимально проходное отверстие камеры, ограничено выходным концом сопла 8 эжектора 7, размещением горизонтальной диафрагмы 12 с отверстием 13 и раструба 9, поступает одновременно по всему сечению поливного трубопровода (отводящего). Это связано тем, что наличие зазора между концом сопла эжектора и входным отверстием разгонной трубы смешения малой величины, приводит к смешиванию удобрений по всему сечению разгонной смесительной трубы, длина которой зависит от диаметра трубы и давлений, возникающих в узком сечении сопла эжектора 7.
В результате разности давлений в области создаваемого эжектором 7, установленным на конце подводящего трубопровода 2, образуется область пониженного давления для поступления питательных растворов. Разрежение (местное понижение давления), возникающее в кольцевой полости 6 камеры 4 дополнительно дает импульс увеличению поступления питательных растворов из емкости 1, то есть, увеличивается производительность устройства (узла смешения), увеличивает к.п.д. насоса. Таким образом, диаметр сопла определяет конструктивнее параметры эжектора.
Изменением положений вентиля 54 задатчика производительности устанавливают требуемый режим работы по числу перемещений поршня силового цилиндра в единицу времени. Остановка (выключение) устройства осуществляется закрытием вентиля 54 (крана).
Возвратно-поступательное движение силового поршня 55 происходит в нагнетательном цилиндре 20 - всасывание и нагнетанием раствора в нижнюю нагнетаемую 15 полость и далее в кольцевую область камеры 4, в результате чего обеспечивается непрерывность процесса дозирования, и исключаются непроизводительные перемещения поршня 57 цилиндра 20.
Вариант (на фиг.2) с применением двух силовых цилиндров одностороннего действия, позволяет применять два напорно-всасывающих цилиндра одностороннего действия, что также повышает работоспособность и надежность работы всего устройства, в целом обеспечивается заданная производительность поступления раствора удобрений в нижнюю нагнетаемую 15 полость и далее в верхнюю безнапорную 14 полость в камеры 4 с эжектором 7 заканчивающимся соплом 8.
Так как диаметр цилиндра 20 насоса (всасывающего) меньше диаметра силового цилиндра 55 в нем развивается большее давление пропорционально отношению диаметров и питательные растворы под этим повышенным давлением подаются в область пониженного давления, создаваемого в полости 6 камеры 4 с эжектором 7 с соплом 8. Частота циклов работы силового цилиндра 55 влияет на движение хода поршня 56, то есть при уменьшении хода поршня 56 значительно увеличивается частота циклов, что увеличивает нагрузку на шток 47 золотника 48 и толкатель-синхронизатор. Влияние же на поступление растворимых растворов удобрений, подаваемых в напорный трубопровод, может меняться незначительно (малозаметно).
Основное внимание в предложенном устройстве на его работоспособность также влияет разность напоров на входе и выходе эжектора, то есть, например, если взять напоры на входе 5 м, а на выходе 10 м, то устойчивое функционирование устройства составит при разности напоров от 5 до 10 м, надежное функционирование сохраняется при напоре 5 м.
Наличие пружинного синхронизатора-толкателя, включающего опорные оси 36 и 37 и направляющую 35 подвижной оси 34 со штоками 40 с пружинами 42, снимает вертикальные нагрузки на подвижную ось 34 с каркас-рамкой 33, свободно перемещаясь в. направляющей 35 до упора с подвижной серьгой 44 и возврата в крайнее нерабочее положение. Таким образом, обеспечивает плавность их хода и повышает надежность работы. Запас потенциальной энергии пружинам обеспечивается через концы штоков 40 с пружинами 42 замкнутых между опорными осями 36 и 37 с отверстиями для установки их с кронштейнами 39 в направляющей 35 подвижной оси 34. Кроме того, параметры пружин 42 (жесткость, длина) подобраны таким образом, что к моменту соприкосновения конца подвижной оси 34 к штоку 43 подвижной серьги 44 и сообщения толчка (импульса), движения, происходит переход подвижной оси 34 - толкателя синхронизатора через точку неустойчиого равновесия от 3 до 7 градусов. Равновесие нарушается и пружины 42 разжимаясь, переводят толчком подвижную ось 29, например, в левое положение.
Разгонная труба 5 смешения, сообщается с трубой 1 через диффузор 11 и с отводящим 3 трубопроводом, позволяет по длине удерживать заданное разрежение в месте движения воды выходными отверстиями камеры и сопла эжектора. Кроме того, отсутствует отрыв струйного движения воды от стенок при входе в отводящий 3 трубопровод, что также повышает надежность работы и отсутствие гидроудара. При этом восстанавливается определенная часть потенционального (пьезометрического) напора. Производительность поршневого насоса увеличивается из-за сокращения потерь напора на преодоление усилий подъема жидких удобрений из емкости 1, установленной ниже напорного трубопровода с оросительной водой. Расход удобрений контролируют по расходомеру (счетчику стока) 30, установленного на нагнетательной трубке, соединенной с нагнетательным цилиндром 20 с поршнем 57.
По варианту (фиг.12) при включении воды под давлением, например, емкость-противовес 75 расположена в верхнем положении, расход воды поступает по трубке 53, через соответствующую 55 и совмещенные отверстия 69 и 67 во втулку 63 золотника и поворотную пробку 62, во внутреннюю полость 64 пробки 62. Вода проходит в полый 73 и заполняет емкость-противовес 75. Вес емкости-противовеса 75, выполненная в виде стакана, так как одновременно с наполнением емкости-противовеса 75 идет опорожнение емкости-противовеса 74 в перевернутом состоянии (например, в виде перевернутого стакана), при этом вода, поступающая к пробке 62 через трубку 54, перекрывается радиальной поверхностью охватывающей ее полой втулки, то равновесие емкостей-противовесов 74 и 75 нарушается.
Вода сливается из емкости 74, следовательно, уменьшается и момент, создаваемый ее весом. Когда момент от противовеса 75 и момент от давления в корпусе силового цилиндра 55 на поршень 56 повышается, последний перемещается, например, влево и далее начинает перемещаться поршень 57 нагнетательного цилиндра 20. При смене крайних положений емкостей-противовесов 74 и 75 осуществляется изменение положений радиальных отверстий 67, 68 в пробке 62 относительно радиальных отверстий 70, 71 во втулке 63 золотника. Это изменение показано на фиг.16-18, т.е. поступление воды через трубку 54, далее через отверстия 71, 68, 65, втулку 63 золотника, и пробку 62 и полый рычаг 72. Начинается новый цикл нагнетания жидких удобрений в нагнетательный цилиндр 20, например, через трубопровод 23 с обратным клапаном 25. Наличие водопропускной трубки 53 с вентилем 54 позволяет создавать скорость протекания жидкости в полость каждой последовательно наполняемой емкости-противовеса.
Таким образом, осуществляется подача жидких удобрений (растворов) этим повышенным давлением в область пониженного давления, создаваемого в полости 6 камеры 4 с эжектором 7 с соплом 8 с применением нагнетательного цилиндра 20.
Для выключения из работы достаточно закрыть вентиль 54.
Автоматическое устройство для введения удобрений в поливную воду представляет собой одну из разновидностей метода решения более общей задачи - практическая целесообразность таких устройств, а именно, создание специфических гидравлических условий организации подачи растворимых удобрений и смешивание с поливной водой с доставкой на поля орошения и внесения их в почву с улучшением экологической обстановки.
Необходимость разработки устройства для введения удобрений в поливную воду проявляется следующим образом. В рабочем технологическом режиме устройство обеспечивает подачу удобрения в напорный мелиоративный трубопровод. Этот режим характеризует основную закономерность, определение площади сопла эжектор (на фиг.9):
<mrow><mi>ω</mi><mi>с</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mi>μ</mi><mo>√</mo><mn>2</mn><mi>g</mi><mi>H</mi><mi>o</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                                       </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
где ωс - площадь сопла эжектора, м;
1
3
Q - расход, м/с;
µ - коэффициент расхода сопла, принимаем равно 0,9;
2
g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с;
Но - напор, м.
Диаметр сопла эжектора:
<mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mo>=</mo><mo>√</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>ω</mi><mi>с</mi></mrow><mi>π</mi></mfrac><mtext>                                                                                                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
1
2
2
3
Задаются исходные данные напор H и расход Q воды в подводящем трубопроводе, а также напор Н и расход Q в отводящем трубопроводе. Максимальный расход подаваемых удобрений (например, 0,025 м/с).
1
По выше приведенным исходным параметрам уточняется значение напора на входе устройства и внесение удобрений H:
<mrow><msub><mi>Н</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Н</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mi>Н</mi><mi>о</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>δ</mi><mi>К</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>δ</mi><mo>⋅</mo><mi>К</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                                 </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>ϕ</mi><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>λ</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msup><mi>m</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где
φ - коэффициент скорости истечения из сопла, равно 0,93;
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mrow><mi>м</mi><mo>.</mo><mi>у</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                                                       </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
m - отношение диаметра разгонной трубы смешения к диаметру сопла и зависит оно от λ.
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>т</mi><mo>.</mo><mi>с</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>о</mi></mrow></mfrac><mtext>                                                                                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Коэффициент К равен:
<mrow><mi>К</mi><mo>≤</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>m</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>λ</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>λ</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>m</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>0,5</mn><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>ξ</mi><mrow><mi>д</mi><mi>и</mi><mi>ф</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext>                                                                  </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
диф.
где ξ - коэффициент потерь напора в диффузоре (0,08…0,15).
Определяется необходимый напор у сопла Но из формулы (3)
<mrow><mi>Н</mi><mi>о</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Н</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>δ</mi><mo>⋅</mo><mi>К</mi><mo>−</mo><msub><mi>Н</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>δ</mi><mo>⋅</mo><mi>К</mi></mrow></mfrac><mtext>                                                                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
о
о
При необходимости корректировки Н производится изменение диаметра разгонной трубы смешения и по формулам (6, 7, 8) уточняется Н.
Исходя из полученного значения сопла эжектора определяются другие конструктивные параметры эжектора: длина сопла, длина разгонной смесительной трубы, длина диффузора и, соответственно, геометрические параметры горизонтальной диафрагмы с отверстием, расположенной ниже корпуса эжектора на дне камеры. Длина диффузора определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>ℓ</mi><mrow><mi>д</mi><mi>и</mi><mi>ф</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Д</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mo>−</mo><mi>λ</mi><mi>к</mi><mo>.</mo><mi>с</mi><mo>.</mo><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mfrac><mi>λ</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                              </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
тр.
где Д - диаметр отводящего мелиоративного трубопровода, м;
λ - угол конусности диффузора.
С учетом указанных выше условий отношение диаметров силового и нагнетательного цилиндров можно принимать в диапазоне от 1,8 до 2,0. Ход поршня насоса подачи удобрений принимается от одного до двух диаметров силового цилиндра. Продолжительность цикла устройств подкачки оптимальная от 2,0 до 2,5 секунд и зависит от диаметра нагнетательного цилиндра, хода поршня и расхода подаваемых в ороситель удобрений. Они связаны соотношением:
<mrow><mi>Q</mi><mi>м</mi><mo>.</mo><mi>у</mi><mo>.</mo><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>н</mi><mo>.</mo><mi>ц</mi><mo>.</mo><mo>⋅</mo><mi>ℓ</mi><mi>х</mi><mo>.</mo><mi>п</mi><mo>.</mo></mrow><mrow><mi>Т</mi><mi>ц</mi><mo>.</mo></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                                       </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>10</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
м.у.
2
где Q - расход жидких удобрений, см/c;
н.ц.
d - диаметр нагнетательного цилиндра, см;
х.п.
ℓ - ход поршня нагнетательного, см;
ц.
Т - продолжительность цикла, секунд.
Отношение диаметров силового цилиндра к диаметру отводящего трубопровода составляет соотношение в пределах от 2,7 до 3,0.
Скорость перемещения штока гидроцилиндра зависит от направления подачи жидкости и скорость перемещения штока можно найти из выражения:
<mrow><mi>V</mi><mi>п</mi><mo>=</mo><mn>4</mn><mi>Q</mi><mi>η</mi><mi>о</mi><mo>/</mo><mi>π</mi><mi>Д</mi><msup><mi>ц</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo><mtext>                                                                                       </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>11</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
ц
о
где Д - внутренний диаметр гидроцилиндра, η - объемный к.п.д.
Отсюда отношение скоростей движения штока в указанных направлениях зависит от соотношения диаметров гидроцилиндра. Усилие, развиваемое гидроцилиндром при подаче жидкости в поршневую полость, определяется:
<mrow><mi>Р</mi><mi>п</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mi>Д</mi><msup><mi>ц</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>η</mi><mi>о</mi><mi>Р</mi><mo>.</mo><mtext>                                                                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>12</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Создание движения в противоположном направлении, работа поршня связана с конструированием золотника-водораспределителя 48 (гидрораспределитель), работа которого изображена на фиг.8 и 9.
Следует отметить, что ход поршня гидроцилиндра связан с конструкцией золотника-водораспределителя, что исключает удар поршня о крышки в гидроцилиндрах, в противном случае, потребуются специальные дополнительные демпфирующие устройства.
Гидроцилиндры одностороннего действия (фиг.2), как и двустороннего действия, способны также развивать на выталкивание жидкости, но при соответствующих диаметров цилиндров меньшего и большего.
Что касается золотникового гидрораспределителя, то он имеет ряд преимуществ перед другими типами: разгруженность золотника от усилий, создаваемых давлением рабочей жидкости, простота осуществления многопозиционности золотника, малая чувствительность к загрязнению жидкости, простота в изготовлении, надежность действия.
Расчет проходных сечений золотниковых гидрораспрделителей производится:
щ
щ
F=qh=Q/V, (13), где F - площадь проходного сечения щели золотника; q - периметр щели; h - величина открытия щели; Q - расход через щель; V - допустимая скорость движения жидкости через щель.
Таким образом, конструктивные соотношения параметров устройства позволяют сделать его работоспособным и надежным в эксплуатации в автоматическом режиме работы. В свою очередь позволяет создать систему контроля за процессами подачи удобрений и их смешения с поливной водой в режиме планового задания, исключает субъективный фактор при определении у потребителя дополнительных погрешностей конструирования данного устройства в условиях эксплуатации.
Совместная работа гидродвигателя и блока эжектора, указывает границу значений объемного расхода всасываемых жидких удобрений подводящим напорным потоком, с учетом высоты подъема на необходимую отметку жидких удобрений из емкости 1, соответственно, максимальный к.п.д., в данных условиях работы является оптимальным.
Применение изобретения позволяет значительно упростить конструкцию устройства, повысить надежность его работы, так как заклинивание узлов не произойдет, достигается полное опорожнение золотника и емкостей, причем взвешенные частицы не оседают в элементах устройства, обеспечивается плавная уставка регулирования поступления расхода удобрений в поливную воду с меньшим тяговым усилием гидродвигателя, соответственно, стабилизируется расход поливочной воды в мелиоративном трубопроводе и четкость работы гидродвигателя.
Работоспособность гидродвигателя и всего устройства в целом обеспечивается связью работы камеры разрежения и блока эжектора, а дозирование раствора удобрений в поливную воду задается величиной хода силового поршня, связанного штоком с поршнем нагнетаемого цилиндра. Изменением величины хода поршней регулируется частота циклов, а значит, и объем подаваемого раствора удобрений в камеру разрежения, в которой размещена горизонтальная диафрагма с отверстием.
Эффективность устройства обеспечивается за счет улучшения компоновки распределительной арматуры. Элементы легко поддаются унификации для закрытых мелиоративных систем путем сборки из деталей, выполненных индустриально на соответствующих заводах.