ИМПУЛЬСНЫЙ ДОЖДЕВАЛЬНЫЙ АППАРАТ
PULSE SPRINKLER

Предлагаемое изобретение относится к механизации полива сельскохозяйственных культур способом дождевания и может быть использовано на системах импульсного дождевания.
Известен 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 [1].
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 износа уплотнителя и расстраивает параметры работы дождевального аппарата. Ниже определенного подводимого расхода запорный орган не открывается, 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.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является 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, при этом 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 большим и малым цилиндрами, разделенной 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].
Недостатком этого импульсного дождевального аппарата является невысокая эффективность из-за невозможности использования максимального подводимого расхода воды (0,5 л/с), при котором импульсный дождевальный аппарат работает стабильно и может поливать площадь, превышающую в несколько раз площадь, обслуживаемую дождеобразующим устройством. Эта конструкция импульсного дождевального аппарата не позволяет увеличить площадь орошения путем увеличения количества дождеобразующих устройств, так как его расход выстрела (5-7 л/с) может обеспечивать работу только одного дождеобразующего устройства.
Увеличение площади орошения путем применения малорасходных дождеобразующих устройств приводит к необходимости строительства дополнительной сети для распределения расхода выстрела между дождеобразующими устройствами, что приводит к увеличению удельной материалоемкости.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности путем увеличения площади полива и снижение удельной материалоемкости на орошаемую площадь без изменения типа дождеобразующих устройств и их технических параметров.
Поставленная цель достигается тем, что импульсный дождевальный аппарат снабжен двумя раздельными дождеобразующими устройствами и гидрораспределителем с входным и двумя выходными каналами, причем входной канал гидрораспределителя сообщен с запорным органом, а выходные с дождеобразующими устройствами; гидрораспределитель выполнен в виде корпуса с входным и двумя выходными каналами, ступенчатым цилиндром и фиксатором, клапана с поршнем и полым штоком с радиальными отверстиями и цилиндра с поршнем, пазом и двумя углублениями на наружной поверхности, причем клапан установлен между седлами выходных каналов и через полый шток и поршень посредством двух одинаковых пружин взаимодействует с поршнем цилиндра, установленным в ступенчатом цилиндре с возможностью взаимодействия с фиксатором посредством паза и двух углублений.
Сущность предлагаемого изобретения приведена на фиг.1 - общий вид импульсного дождевального аппарата и фиг.2 - предлагаемый гидрораспределитель в продольном разрезе.
I
II
I
II
I
II
Импульсный дождевальный аппарат (фиг.1) состоит из водовоздушного бака 1 с запорным органом 2, гидрораспределителя 3 и дождеобразующих устройств 4 и 4. Гидрораспределитель 3 сообщен с запорным органом 2 и дождеобразующими устройствами 4 и 4 соответственно через колено 5 и распределительные каналы 6 и 6.
Водовоздушный бак 1 содержит входной 7 и выходной 8 штуцеры, эластичную мембрану 9, ограничительный свод 10 и устройство для подкачки воздуха 11. Водовоздушный бак 1 эластичной мембраной 9 разделен на водную 12 и воздушную 13 полости.
I
II
Гидрораспределитель 3 (фиг.2) содержит корпус 14 с входным 15 и выходными 16 и 16 каналами, седла 17 и 18, ступенчатый цилиндр 19 с фиксатором 20, клапан 21 с поршнем 22 и полым штоком 23 с радиальными отверстиями 24 и цилиндр 25 с поршнем 26, пазом 27 и углублениями 28 и 29, причем клапан 21 установлен между седлами 17 и 18 и через полый шток 23 и поршень 22 посредством двух одинаковых пружин 30 и 31 взаимодействует с поршнем 26 цилиндра 25, установленным в ступенчатом цилиндре 19 с возможностью взаимодействия с фиксатором 20 посредством паза 27 и двух углублений 28 и 29. Фиксатор 20 выполнен в виде металлического шарика 32, установленного в паз 27 и прижатого к цилиндру 25 посредством стакана 33 и пружины 34.
min
Для нормальной работы импульсного дождевального аппарата необходимо заполнить воздухом полость 13 через устройство 11 до минимального рабочего давления P и соблюдать следующие условия (без учета силы трения между деталями в виду ее незначительной величины):
где
26
d-диаметр поршня 26,
22
d - внутренний диаметр цилиндра 25 (поршня 22),
17
d - диаметр проходного сечения седла 17,
18
d - диаметр проходного сечения седла 18,
L - длина пружины 30 (31) в свободном состоянии,
1
L - длина максимального сжатия пружины 31,
2
L - расстояние между углублениями 28 и 29,
3
L - ход клапана 21,
4
L - длина сжатой пружины 30,
26
S - площадь поперечного сечения поршня 26,
23
S - площадь поперечного сечения полого штока 23,
min
P - минимальное рабочее давление в полости 13,
N - усилия, необходимые для перемещения цилиндра 25 из положения фиксации,
K - коэффициент жесткости пружины 30 (31).
Работает импульсный дождевальный аппарат следующим образом.
Вода под давлением из сети по штуцеру 7 поступает в водную полость 12 водовоздушного бака 1, сжимая предварительно накачанный воздух в воздушной полости 13 и перемещая вниз разделительную мембрану 9 (период накопления), так как запорный орган 2, установленный на штуцере 8, закрыт до достижения давления воды в полости 13 определенной величины, что соответствует прилеганию мембраны 9 к перфорированному своду 10.
I
II
I
II
После прилегания разделительной мембраны 9 к перфорированному своду 10 давление в полости 13 резко повышается и запорный орган 2 открывается. Накопленный объем воды в полости 12 под действием сжатого воздуха в полости 13 посредством разделительной мембраны 9 большим расходом, превышающим подводящий расход в несколько раз, выбрасывается на орошаемое поле в виде дождя через колено 5, гидрораспределитель 3, один из распределительных каналов 6 и 6 и дождеобразующих устройств 4 и 4 (период выстрела).
I
II
После выброса накопленного объема запорный орган 2 закрывается и далее цикл «накопление - выброс» автоматически повторяется, а гидрораспределитель 3 поочередно направляет расход выброса по дождеобразующему устройству 4 то 4.
I
II
Гидрораспределитель 3 (фиг.2), обеспечивающий поочередное включение дождеобразующих устройств 4 и 4, работает следующим образом.
I
II
Гидрораспределитель 3 может начать работу с любого положения клапана 21, который в исходном состоянии может находиться в двух устойчивых положениях. Для описания работы как частный случай рассмотрим положение клапана 21, приведенное на фиг.2, при котором благодаря фиксации цилиндра 25 относительно ступенчатого цилиндра 19 посредством шарика 32 и углубления 29 клапан 21 прижат к седлу 17 с помощью пружины 30, вследствие чего выход I (выходной канал 16) закрыт, а выход II (выходной канал 16) сообщен с входом (входной канал 15).
II
II
При выбросе очередного накопленного объема вода по входу 15, проходному сечению седла 18 и выходу II корпуса 14 через распределительный канал 6 поступает к дождеобразующему устройству 4 и выбрасывается на орошаемое поле в виде дождя, так как проходное сечение седла 17 закрыто клапаном 21 посредством пружины 30 (условие 1 и 4). За период выброса под давлением воды клапан 21 прижимается к седлу 17 еще сильнее, а поршень 26, сжимая пружину 23, вытаскивает подпружиненный посредством пружины 34 и стакана 33 металлический шарик 32 фиксатора 20 из углубления 29 (условие 4) и перемещает цилиндр 25 в крайне правое положение до момента попадания шарика 32 в углубление 28 (условие 2), при этом пружина 30 разжимается и достигает длины, равной L.
После окончания выброса, давление воды в полости гидрораспределителя 3 падает до атмосферного. Благодаря условиям 4 и 5 цилиндр 25 остается в крайне правом положении, а клапан 21 посредством сжатой пружины 31, поршня 22 и полого штока 23 отрывается от седла 17 и прижимается к седлу 18, тем самым закрывая выход II и сообщая выход I с входом.
I
I
При выбросе очередного накопленного объема, вода через вход 15 проходное сечение седла 17, выход I и распределительный канал 6 поступает теперь к дождевальному устройству 4, так как клапан 17 остается прижатым к седлу 18 благодаря условиям 1 и 2. За период выброса часть воды под давлением через полый шток 23 и радиальное отверстие 24 поступает в подпоршневую полость поршня 22 и, освобождая цилиндр 25 от фиксатора 20 (условие 4), перемещает его из крайне правого положения в крайне левое, фиксируя его шариком 32 и углублением 29. При этом пружина 30 максимально сжимается, а пружина 31 полностью освобождается.
После окончания выброса давление воды в полостях гидрораспределителя 3 падает до атмосферного. Благодаря условиям 4 и 5 клапан 21 отрывается от седла 18 и прижимается к седлу 17 посредством сжатой пружины 30, закрывая выход I и открывая выход II, подготавливает гидрораспределитель 3 к следующему выбросу накопленного объема воды водовоздушным баком 1.
I
II
I
II
Таким образом, путем снабжения импульсного дождевального аппарата двумя раздельными дождеобразующими устройствами 4 и 4 и гидрораспределителем 3, что обеспечивает поочередное включение дождеобразующих устройств 4 и 4, достигнуто увеличение площади полива в два раза без изменения типа дождеобразующих устройств и их технических параметров и обеспечена эксплуатация водовоздушного бака 1 с запорным органом 2 при максимальных подводимых расходах, что приводит к повышению эффективности импульсного дождевального аппарата и снижению удельной материалоемкости на полив.
Экспериментальный образец импульсного дождевального аппарата был изготовлен в производственных условиях мастерских ФГНУ ВНИИ «Радуга» и прошел испытания в лабораторных условиях. Результаты испытания положительны. За период испытания отказов и изменение параметров не отмечено.
Применение предлагаемого изобретения в народном хозяйстве по сравнению с прототипом сократит в два раза количество водовоздушных баков с запорными органами на системе, что значительно повысит эффективность и надежность оросительных систем с импульсными дождевальными аппаратами.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1128878, кл.A01G 25/09.
2. Патент РФ №2300192, кл. A01G 25/09 - прототип.