廈門依洛克進出口貿(mào)易有限公司
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閱讀：478發(fā)布時間：2025-4-16
對于自控閥門來說，相關(guān)研究大多集中在有源控制，而對無源控制的研究較少，無源控制閥門指的就是不需要外部提供能量就能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)的閥門，無源控制閥門也稱為純機械自控閥門，其有著自動化程度高、節(jié)能效果好、使用方便、設(shè)備工藝簡單等優(yōu)點。基于以上，本文簡要探討了純機械自控閥門的額設(shè)計及控制原理。
一、純機械自控閥門概述
從本質(zhì)上來講，純機械自控閥門就是一種不需要外部能量供應(yīng)就可以實現(xiàn)自動控制調(diào)節(jié)的閥門，即無源控制閥門，純機械控制閥門的研究始于上世紀八十年代，L.Ornstein教授設(shè)計了一種名為 Irristat 的閥門，這種閥門就屬于一種純機械自控閥門，其在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的應(yīng)用較為廣泛。當土壤中的水分含量達到預(yù)定值的時候，水分會進入到閥門，使得閥門內(nèi)部凝膠膨脹，下壓活塞，減小水管的截面積，從而實現(xiàn)對用水量的控制[1]。而當土壤中水分含量低于預(yù)定值的時候，法門中的水分會回到土壤中，活塞失去下壓力上移，水流量增大，從而實現(xiàn)對水流量的自動控制。
二、純機械自控閥門的設(shè)計
（一）純機械自控閥門的設(shè)計思路
本文以 Irristat 閥門為基礎(chǔ)，以土壤水分張力為主要設(shè)計原理。Irristat 閥門的自動控制主要是通過水分平衡原理來實現(xiàn)的，借助真空壓力表的讀數(shù)，張力計能夠?qū)ν寥浪智闆r進行監(jiān)測，以監(jiān)測結(jié)果為基礎(chǔ)來實現(xiàn)對閥門的自動化控制。在整個控制過程中，張力計相當于一個土壤溫度的傳感器，Irristat 閥門通過內(nèi)部凝膠吸水膨脹及失水收縮來判斷土壤中水分情況，從而通過閥門來實現(xiàn)對水流量的自動化控制，實現(xiàn)灌溉自動化，其不需要計算機和傳感器，屬于一種無源自控閥門，通過純機械來實現(xiàn)閥門的自動化控制[2]。
?。ǘ┘儥C械自控閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文提出的純機械自控閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 1 所示：
閥門結(jié)構(gòu)主要包括控制元件、兩個彈簧（一個緩沖彈簧即彈簧1，一個復(fù)位彈簧即彈簧2）、進水口以及兩個出水口組成，通過彈簧 1 能夠推動閥芯移動，當閥芯錐形面封堵進水口的時候，則閥門關(guān)閉，灌溉停止，通過閥門 2 可以推動閥芯反向移動，封住進水口的閥芯錐形面會慢慢后退，從而實現(xiàn)閥門入水口的逐漸開啟，灌溉恢復(fù)。
三、純機械自控閥門的控制原理及控制單元設(shè)計
?。ㄒ唬┘儥C械自控閥門的控制原理分析
純機械自控閥門的控制原理如下：閥門自動控制元件中存在濕敏材料，濕敏材料與土壤直接接觸，當土壤中水分含量增多的時候，濕敏材料產(chǎn)生吸水膨脹作用，從而給緩沖彈簧施加壓力，緩沖彈簧在壓力的作用下會移動并推動復(fù)位彈簧和閥芯進行運動，閥芯運動的過程中其錐形面會逐漸封住進水口，實現(xiàn)閥門的自動關(guān)閉，灌溉停止。當濕敏材料吸水膨脹的時候，如果其膨脹量比閥芯封堵進水口的移動量大，則很可能導(dǎo)致閥芯錐形頭受到較大壓力，甚至損壞閥芯，而緩沖彈簧則能夠起到良好的緩沖作用，避免閥芯錐形頭受到較大壓力，實現(xiàn)對閥芯錐形頭的保護[3]。
（二）自動控制單元設(shè)計分析
通過上文中的分析可知，緩沖彈簧主要起到對閥芯的緩沖保護作用，復(fù)位彈簧主要起到開啟閥門的作用，閥門自動化控制的核心為彈簧，下面對兩種彈簧的參數(shù)設(shè)定和設(shè)計方法進行分析：
1. 彈簧參數(shù)設(shè)定。兩種彈簧采用相同的參數(shù)，主要包括彈簧的內(nèi)徑、外徑、中徑、節(jié)間距、螺旋升角以及彈簧絲的直徑。對于彈簧的旋轉(zhuǎn)方向來說，如果沒有特殊要求，一般選擇右側(cè)旋轉(zhuǎn)。彈簧在不受壓力的情況下，彈簧圈之間的間距應(yīng)當為一定值，在受到壓力的時候，彈簧會發(fā)生收縮變形。在設(shè)計的過程中應(yīng)當考慮極限荷載的情況，應(yīng)當保證彈簧圈之間在極限荷載作用下一定的間距。
2.設(shè)計方法。在對彈簧進行設(shè)計的過程中，要保證其能夠滿足閥門正常使用的尺寸要求和圈數(shù)要求，同時要保證彈簧的穩(wěn)定性和可靠性，這就涉及到彈簧剛度、穩(wěn)定性以及強度的計算和確定。
（1）彈簧剛度計算。彈簧剛度需要滿足閥門正常工作對彈簧變形量的要求，從而計算出彈簧的具體參數(shù)，在彈簧絲直徑、彈簧材質(zhì)相同的時候，增加彈簧的圈數(shù)，彈簧的剛度會變小，減少彈簧的圈數(shù)，彈簧的剛度會變大。
?。?/span>2）彈簧強度計算。在本純機械自控閥門設(shè)計中，所采用彈簧絲的升角在 5 度到9 度之間，將升角設(shè)為 a，則可以求出，a 的正弦值約等于 0，a 的余弦值約等于 1，以此可以求出彈簧截面應(yīng)力的近似值：(12)42cdF+π。
在上式中，F 代表剪力，c 代表彈簧中徑與彈簧絲直徑的比值，即彈簧指數(shù)，d 代表彈簧絲的直徑，c 值過大，則可能會對彈簧的穩(wěn)定性帶來不良影響，c 值過小，則可能導(dǎo)致在卷繞的過程中彈簧絲出現(xiàn)彎曲，因此 c 值不宜過大也不宜過小，在本設(shè)計中 c 的取值范圍為4-16。
?。?/span>1）彈簧穩(wěn)定性計算。彈簧側(cè)向彎曲是彈簧不穩(wěn)定的具體體現(xiàn)，彈簧本身的圈數(shù)較多，同時受到的壓力較大的時候，會影響其穩(wěn)定性，出現(xiàn)側(cè)向彎曲，即如果彈簧的高徑比超過上限，則會出現(xiàn)側(cè)向彎曲。為了保證純機械自控閥門中彈簧的穩(wěn)定性，在彈簧兩端的不同狀態(tài)需要取不同的長細比值，如果彈簧兩端都處于固定狀態(tài)，則彈簧長細比的取值應(yīng)當小于5.3，如果彈簧一端處于固定狀態(tài)，另一端處于自由狀態(tài)，則彈簧的長細比應(yīng)當小于 3.7，如果彈簧兩端都處于自由狀態(tài)，則彈簧的長細比應(yīng)當小于 2.6。
四、結(jié)語
綜上所述，本文以前人研究理論為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種用于灌溉的純機械自控閥門，并探討了其具體的自動控制原理和設(shè)計方案，旨在為相關(guān)純機械自控閥門的設(shè)計和開發(fā)提供參考。本文的研究也存在著一定的不足之處，在未來的研究中，應(yīng)當著重對閥門壽命方面進行研究，以此來進一步推進純機械自控閥門的應(yīng)用和發(fā)展。
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