带速度控制制动器的喷洒器 【技术领域】
本发明主要涉及一种喷洒器的改进，特别是对旋转或所谓微流型喷洒器的改进，这种喷洒器含有一个旋转叶片式导流件，可产生许多较细的水流，向周围地面喷水，灌溉附近的植物。更具体地说，本发明涉及一种喷洒器，这种喷洒器含有改进的调速制动器，在正常工作压力和流速范围内可保持叶片式导流件的转速基本稳定。
背景技术
现有用于产生许多较细外射水流、含有旋转叶片式导流件的旋转喷洒器已众所周知。这些喷洒器中，有一股以上的水流是向上导向旋转导流件的，该导流件下表面为叶片式，此表面形成较细水流的流道，向上并以一个螺旋方向分量，沿径向向外延伸。喷射的水流冲到导流件的该下表面，充满这些曲线型流道并驱动导流件旋转。同时，水经曲线型流道导向，以许多较细水流的形式，基本上沿径向从喷洒器中喷出，灌溉附近的植物。由于导流件是旋转地，所以水流可洒遍周围的地面，其中喷射半径某种程度上取决于流道型面。这些喷洒器已经设计用于灌溉预定形式的周围地面，如整圆、半圆或四分之一圆形地面。有关这种旋转喷洒器的实例，请参阅美国专利5,288,022、5,058,806以及6,244,521。
在这一大类旋转喷洒器中，需要控制或调节叶片式导流件的转速，因而也需要调节水流洒遍周围地面的速度。在这一点上，如果没有速度控制或制动措施，叶片式导流件的转速有可能过高，达到或超过1,000rpm，从而使喷洒器快速磨损，喷射水流的形态也不规则。需要采用约4～20rpm之类的较低导流件转速，以达到延长喷洒器使用寿命，同时又产生均匀一致的喷射水流形态的目的。为此，各种液体制动装置应运而生，其中叶片式导流件上所安装的转子元件在含有粘性液体的封闭腔体内旋转。在这种结构中，粘性液体对转子零件旋转施加一种重要的液体阻力，从而可大幅度降低叶片式导流件在喷灌时的转速。
虽然这种液体制动装置可有效地避免导流件旋转速度过高，但导流件的实际转速却因内在原因，会按流经喷洒器的水压和流速的函数而发生大幅度变化。遗憾的是，这些参数可在喷灌工作的任意给定时段或周期内发生变化，从而使灌溉周围植物的水流喷洒形态也相应发生变化。此外，这种液体制动器原理需要采用粘性液体，如硅基油类等，并需要有效的密封，因而难免增加喷洒器的整体复杂性和成本。
因此，需要进一步改进以许多较细水流喷洒周围地面的这种旋转喷洒器，特别是使叶片式导流件的转速保持可控、较低且基本稳定。本发明不仅能够满足这些需要，而且还具有其它有关优点。
【发明内容】
根据本发明，一种旋转喷洒器采用了旋转叶片式导流件，可沿径向向外，向周围地面喷洒许多较细的灌溉水流，灌溉附近的植物；其中喷洒器含有一个速度控制制动器，在正常工作压力和流速范围内，可保持导流件的转速基本稳定。喷洒器工作时，可推动与导流件一起旋转的磨擦盘，使所带的弹性制动垫与不旋转的制动盘接合。制动垫含有锥面接触区域，可根据水压和/或流速的变化而相应改变磨擦接触半径，以保持导流件转速基本稳定。
旋转喷洒器包括叶片式导流件，导流件具有由一组螺旋叶片所构成的下表面，螺旋叶片上游端方向通常是垂直的，叶片呈螺旋形或曲线形，并平滑地过渡到通常沿径向向外延伸且较直的下游端。这些螺旋叶片共同形成了介于其间、相应型面的较小流道。一股或以上向上的水流冲击螺旋叶片，被分为许多较细的水流，流经上述流道。这些水流驱动导流件旋转，然后通常沿径向从中向外喷出。随着导流件旋转，这些较细的水流洒遍周围的地面。
磨擦盘较佳地安装在导流件上侧。在水力驱动旋转时，导流件及相应的磨擦盘被沿轴向向推动，将磨擦盘推向制动垫的一侧，其另一侧固定在不旋转的制动盘上，形成磨擦阻力，从而有效地阻碍或减缓磨擦盘及导流件的转速。较佳的形式中为，制动垫轴向一侧且最佳在轴向两侧均含有锥形接触区，其作用是随流经喷洒器的水压和/或流速的增大而相应增加与磨擦盘及制动盘的表面接触半径。采用这种结构，速度控制制动器所施加的磨擦阻力或扭矩随水压和/或流速的变化而相应变化，使叶片式导流件的转速在正常工作压力及流速的范围内保持基本稳定。在一种较佳的具体实施例中，制动垫由硅橡胶制成，表面可涂覆润滑剂，如涂一层薄薄的精选油脂之类，以实现较小的静磨擦系数。
通过以下详细说明，结合以实例的方式阐述本发明原理的附图，将更清楚地阐明本发明的其它特征及优点。
【附图说明】
附图用于阐述本发明。其中，
图1为说明安装在立管上端的本发明所述旋转喷洒器的不完整透视图；
图2为图1所示旋转喷洒器的透视图，以与立管成分解关系表示，其中有些部分以局部剖面图的形式表示；
图3为通常在图1的3-3线上所取的垂直剖面图；
图4为旋转喷洒器的分解透视图；
图5为旋转导流件下表面的透视图；
图6为说明速度控制制动器构件的放大及分解剖面图；
图7为旋转喷洒器的一个放大剖面图，用于说明其流量控制调节装置；
图8为构成速度控制制动器一部分的下磨擦盘的上透视图；及
图9为构成速度控制制动器一部分的上制动盘的下透视图。
【具体实施方式】
如实例图所示，通常由图1～4中引用号10所指的旋转喷洒器，包括一个改进的速度控制制动器12(图2～4)用于控制水力驱动的导流件14(图2～5)转速，导流件产生许多较细的水流16(图1)并将水流喷洒到周围地面以灌溉附近的植物。速度控制制动器12经专门设计，可在正常工作压力及流速范围内，保持流件14的转速基本稳定。
示意图中所示旋转喷洒器10通常包括一个小型喷淋部件或喷头，可方便地旋装在固定式或弹出式立管18(图1～2)上。工作时，通过立管18输送出有压力的水，产生一股以上向上的水流，冲击螺旋叶片组20(图5)，螺旋叶片组构造于导流件14的下表面，用于驱动导流件转动。螺旋叶片20将水流分解为许多较细的水流16(图1)，从中被沿径向向外甩出并随导流件14旋转而洒遍周围地面。这一大类旋转喷洒器有时也称为微流洒水器，其实例如美国专利5,288,022、5,058,806及6,244,521所示及所述。
本发明的速度控制制动器12采用了简单而有效的磨擦机构，不管供水压力或流速如何，均可将导流件14的转速调节和控制在大约4～20rpm的稳定速度，从而保持每个工作周期中水的喷洒形态统一均匀。这种改进的制动器12采用机械制动部件，不需要专门的粘性液体或相关的密封容腔，因而没有由此相应产生的复杂性和相关成本。依据本发明，速度控制制动器12在每次喷洒器关闭时，即每次压力水源关闭时，均基本完全脱离接合。打开水源时，改进的制动器12的部件接合，产生磨擦阻力，起着阻碍作用并从而调节导流件14的转速。依据本发明的一个重要方面，这种磨擦阻力基本上与水源压力或流速的波动呈线性函数关系变化，某种意义上使导流件14的转速在正常工作压力和流速范围内保持基本稳定。
如图2～4所示，旋转喷洒10包括一个带内螺纹的喷嘴座22，其形状通常为圆柱形，可快速拧装在立管18带螺纹的上端。喷嘴24安装在喷嘴座22的上端，采用超声波焊接连接于此，且包括通常为圆形的模板26，覆盖整个喷嘴座22的上端面，与喷嘴座一起夹持密封圈28，如O型密封圈，当喷洒器10安装于此时，可与立管18的上端轴向接合。模板26内含中心轴套30，中心柱或中心轴32从其中穿过，导流件14安装于中心轴上并可旋转，详情将进一步予以说明。该中心轴套30周围有一个以上注水口34，呈环形布置或部分环形布置，向上输送一股以上水流进行冲击，驱动导流件14旋转。现有技术中众所周知，注水口34的数量以及主要采用部分圆形还是整圆形布置，是根据喷洒器10要灌溉的预定喷洒区域进行选择的，如整圆、半圆或四个之一圆形。
中心柱或中心轴32将喷嘴模板26定位于预定的轴向位置。最佳的情况如图3所示，加大的轴肩36固定于中空沉孔38内，中空沉孔沿轴向构造于中心轴套30的上端。密封环39固定在中心轴套30的轴向下端。
喷嘴套46定位于喷嘴模板26的下侧。喷嘴套46(图3和图7)的上段通常为圆柱形，其环形上端固定并夹持于模板26下表面上。圆柱形上段从模板26向下延伸，并与截顶的锥形下段衔接，锥形下段有一个安装在轴30上的中心轴套48，其轴向的上端与密封圈39接合。重要的是，喷嘴套46的这个截顶的锥形下段形成弧形进水通道50，让水在压力作用下从立管18向上流入。
流量调节轴环52定位于喷嘴套46的下侧，用于可调性地选择及调节通过入水通道50的进水量。如图所示，流量调节轴环52的形状通常为圆柱形，中心轴套54安装于轴32的花键段56处，其中轴环52可与上述轴32一起旋转。轴环52在轴32上的轴向位置由轴承垫圈60定位，轴承垫圈由卡环62之类的定位件沿轴向固定于轴套54的下端，卡环夹持在轴上的空心槽64内。流量调节轴环52轴向的上段由截顶的锥形座66限定，锥形座与喷嘴套46锥形下段的定位为配合关系，在此锥形座66中加工有弧形流量孔口68，可调节与喷嘴套中流量通道50的对准关系。轴32的上端有一个上面外露的螺丝刀槽70等，用以转动调节弧形孔口68与弧形流量通道50之间的相对位置，从而有目的地调节和设定通过注水口34向上的流速。多孔过滤器72可用适当的搭扣配合接头等，连接到调节轴环52上，防止砂砾及其它水中固体物质进入喷洒器。
导流件14安装于轴32的上部，可以旋转，其安装位置距喷嘴24的模板26上方有一小段距离。在这点上，导流件14含有一个中心圆柱形凸台74，可滑动配合安装在轴32上。磨擦盘76(图3、4、6及8)通过适当的搭扣配合接头等连接到导流件14上，其中含有一个向下插入导流件凸台74的中心轴套78，磨擦盘76构成了制动器12的一部分，将在下文详述。在图3中可最好地看出，磨擦盘轴套78在轴32上也是滑动配合，使导流件14可围绕轴32自由旋转。
螺旋叶片组20制作在导流件14的下表面，其中相邻的或对叶片之间形成许多较小的流道80(图5)，流道通常沿径向向上延伸，然后改变方向且通常以一个螺旋方向分量沿径向向外弯曲。更为具体地说，叶片20及相应的流道80含有通常为垂直方向的下端或上游端，其通常排列于模板26中注水口34的上方。通过注水口34向上的水流因此通常被导入流道80的下端或上游端，在此分为许多较细的水流。这些流道80的上游端螺旋弯曲并与沿径向向外延伸且较直的外侧流道端平滑衔接，其中向上的水流冲击并驱动导流件14旋转。随着导流件14旋转，流经流道80的小水流被沿径向向外喷射，喷射半径某种程度上由通道外侧端的倾角控制。此外，随着导流件14旋转，这些水流洒遍要灌溉的地面。如图所示，导流件14的这个下表面有螺旋叶片20，距直立圆柱壁82之上有一小段距离，直立圆柱壁82整体制造于喷嘴24的外围。
速度控制制动器12安装在轴32上，在一个紧凑且基本密封但无压力的腔室84内(图3)，布置于导流件14上方。更明确地说，在螺旋叶片20的外围，导流件14形成了一个较短的直立圆柱形壁86，其上缘通过搭扣配合或超声波焊接与盘形盖88连接，盘形盖88与导流件14的上表面一起形成了腔室84。轴32通过导流件14和磨擦盘76，向上伸入腔室84。轴32的上端通过盖88中加工的中心孔口90向上露出，可用螺丝刀从此处插入其中带槽的上端，调节流向喷洒器10的水流速度，同样如前所述。
通常为环形且由精选的弹性磨擦或制动材料，最好由硅橡胶制造的制动垫92(图2～4及图6)，定位于轴32周围、磨擦盘76的上面。设置制动垫92，用于向上支承制动盘94(图3、4、6和9)，制动盘94以相对于轴的转动受到限制的方式安装在轴上。在这点上，制动盘94的上表面，如图所示，有一个锁定座96，通常为非圆形(图3)，用于定位在轴32上形成的形状与之配合的锁定法兰98，如六角锁定法兰。采用这种结构，防止了制动盘94相对于轴32旋转。密封件100及102可围绕在轴32周围，通常位于磨擦盘轴毂78下端，处于衬垫盖孔口90的位置，可基本密封腔室84，防止污物(如灰尘及砂砾)进入。
喷洒器10在工作过程中，向喷嘴24供应压力水的情况下，一股以上水流被向上导向螺旋叶片组及导流件14下侧相应的流道80，如前所述，驱动导流件转动。同时，导流件14在轴32上轴向移动一段较短的行程，足以使磨擦盘76上的上磨擦表面77(图8最能说明)与制动垫92的下接触面104(图6)进入面对面接合。制动垫92也被沿轴向向上带动一小段行程，使上制动垫接触面106(图6)与覆盖的制动盘94上的下磨擦表面95(图9)进入轴向面对面接合。接合时，弹性制动垫92轴向夹在转动的磨擦盘76及不转动的制动盘94之间。由于制动垫92磨擦阻力作用，磨擦盘76及与之相连的导流件14的转速减慢。灌溉周期结束时，水源关闭，导流件14自由下落到轴32上，下落距离足以脱离制动部件。
根据本发明的一个主要方面，制动垫92的上下环形接触面104及106的形状分别与磨擦盘76及制动盘94的相邻磨擦表面77和95有关，可根据喷洒器任意工作周期过程中可能出现的水压和/或流速的波动，调节其间的表面接触半径。在这点上，作用在导流件14上的驱动扭矩的变化与水压及流速的增减通常呈线性函数关系。制动垫92的形状则按本发明所示较佳的形式定制，通常按水压及流速变化的相应的线性函数关系，改变磨擦扭矩，在正常工作范围内无论压力和/或流速如何波动，均可获得基本稳定的磨擦盘76及导流件14的转速。
更明确地说，在图6中最能说明，在所示的本发明较佳形式中，制动垫92的上下环形表面106及104为锥面，分别从磨擦盘76和制动盘94的相邻的磨擦接触表面77和95沿径向向外延伸并沿轴向逐渐变细。在一种较佳的配置中，制动垫92直径尺寸约为1/2英寸，锥形环形表面104及106分别沿轴向从磨擦盘76及制动盘94的相邻磨擦接触表面77和95向外延伸，角度约为2～4度。采用这种配置，当弹性制动垫92随向上作用在导流件14上的水压增大和/或流速增大而相应沿轴向压缩时，实际接触半径也发生增大，从而实现动磨擦扭矩基本上呈线性增大。相反，当水压和/或流速降低时，制动垫相对于磨擦垫92与相邻部件上磨擦接触表面之间的实际表面接触半径的压缩程度相应降低，从而实现动磨擦扭矩基本上呈线性降低。
结果，制动扭矩基本上随水压和/或流速的变化，以线性函数关系相应增大或减小，从而实现导流件转速的基本稳定，对于任一灌溉周期，转速最佳约在4～20rpm。低压起动条件下磨擦接触半径较小，使磨擦制动作用较小，从而使水力驱动扭矩克服密封磨擦，起动导流件以可靠而有效的方式旋转。制动垫92上的锥形接触面104及106，如图所示，在环形制动垫92的内径附近衔接，环形制动垫92有深锥形沉孔108及110，沿径向向内延伸并沿轴向离开相邻接触表面，有效地防止了因灌溉周期中制动垫沿轴向被压缩，制动垫92的每侧的磨擦接触半径沿径向向内移动。
虽然结合一种较佳的形式对本发明进行了图示及说明，其中制动垫92的轴向相反两面均有锥形接触面104及106，掌握现有技术的人会发现并认识到，磨擦盘76及制动盘94的相邻磨擦表面77及95之一或两者均可为锥形而取代制动垫上的锥形接触面。即，制动垫92的锥形接触面104或106之一或两者可以不要，而采用磨擦盘76和/或制动盘94上的相邻磨擦表面77或95加工成适当的锥面，沿径向向外延伸并沿轴向离开制动垫92。这种结构可同样实现部件之间的磨擦接触半径随水压及流速增减而相应增减。
依据本发明的进一步特征，制动垫92和/或磨擦盘76及制动盘94上的邻磨擦接触表面77及95，可涂以薄薄的一层选定的润滑剂，如适当的合成润滑剂或PTFE(聚四氟乙烯)强化油脂等等，大幅度降低制动部件之间的静磨擦系数。此外，如图8中箭头111所指，磨擦接触表面77和/或95分别形成在磨擦盘76及制动盘94上，可加工出一系列小沟痕或其它粗加工表面纹理，以改进润滑剂的保持能力。另一种方法或此外的方法是，制动垫92的相邻磨擦接触表面可制成类似的纹理。在这种方案中，制动垫92及相邻部件76、94之间的起动磨擦或扭矩小于动磨擦或扭矩，因而即使在较低的水压下也可有效地起动。在这方面，由于低压起动操作时的磨擦制动作用极低，导流件克服对轴密封件的磨擦即开始旋转。随着液体压力增大，作用在速度控制制动器12上的磨擦阻力增大，如上所述，从而保持导流件转速基本稳定。在这种运行过程中，在水进入制动腔室84的情况下，制动接触表面涂覆的润滑剂则有利地排斥水，确保磨擦速度控制不间断且恰到好处。
对本发明所述的的旋转喷洒器进行各种进一步修改及改进，对于掌握此方面技术的人来说，是显而易见的。因此，除所附权利要求中所述之外，决无用上述说明及附图对本发明进行限制的意思。