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　對(duì)于自控閥門來(lái)說(shuō)，相關(guān)研究大多集中在有源控制，而對(duì)無(wú)源控制的研究較少，無(wú)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(dòng)控制調(diào)節(jié)的閥門，無(wú)源控制閥門也稱為純機(jī)械自控閥門，其有著自動(dòng)化程度高、節(jié)能效果好、使用方便、設(shè)備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)�；�于以上，本文簡(jiǎn)要探討了純機(jī)械自控閥門的額設(shè)計(jì)及控制原理。

　　一、純機(jī)械自控閥門概述

　　從本質(zhì)上來(lái)講，純機(jī)械自控閥門就是一種不需要外部能量供應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)的閥門，即無(wú)源控制閥門，純機(jī)械控制閥門的研究始于上世紀(jì)八十年代，L.Ornstein教授設(shè)計(jì)了一種名為 Irristat 的閥門，這種閥門就屬于一種純機(jī)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(dāng)土壤中的水分含量達(dá)到預(yù)定值的時(shí)候，水分會(huì)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)用水量的控制[1]。而當(dāng)土壤中水分含量低于預(yù)定值的時(shí)候，法門中的水分會(huì)回到土壤中，活塞失去下壓力上移，水流量加大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的自動(dòng)控制。

　　二、純機(jī)械自控閥門的設(shè)計(jì)

　�。ㄒ唬┘儥C(jī)械自控閥門的設(shè)計(jì)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(jì)原理。Irristat 閥門的自動(dòng)控制主要是通過(guò)水分平衡原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，借助真空壓力表的讀數(shù)，張力計(jì)能夠?qū)ν寥浪�分情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以監(jiān)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的自動(dòng)化控制。在整個(gè)控制過(guò)程中，張力計(jì)相當(dāng)于一個(gè)土壤溫度的傳感器，Irristat 閥門通過(guò)內(nèi)部凝膠吸水膨脹及失水收縮來(lái)判斷土壤中水分情況，從而通過(guò)閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水流量的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化，其不需要計(jì)算機(jī)和傳感器，屬于一種無(wú)源自控閥門，通過(guò)純機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)化控制[2]。

　�。ǘ�）純機(jī)械自控閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文提出的純機(jī)械自控閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 1 所示：

　　閥門結(jié)構(gòu)主要包括控制元件、兩個(gè)彈簧（一個(gè)緩沖彈簧即彈簧1，一個(gè)復(fù)位彈簧即彈簧2）、進(jìn)水口以及兩個(gè)出水口組成，通過(guò)彈簧 1 能夠推動(dòng)閥芯移動(dòng)，當(dāng)閥芯錐形面封堵進(jìn)水口的時(shí)候，則閥門關(guān)閉，灌溉停止，通過(guò)閥門 2 可以推動(dòng)閥芯反向移動(dòng)，封住進(jìn)水口的閥芯錐形面會(huì)慢慢后退，從而實(shí)現(xiàn)閥門入水口的逐漸開(kāi)啟，灌溉恢復(fù)。

　　三、純機(jī)械自控閥門的控制原理及控制單元設(shè)計(jì)

　�。ㄒ唬┘儥C(jī)械自控閥門的控制原理分析

　　純機(jī)械自控閥門的控制原理如下：閥門自動(dòng)控制元件中存在濕敏材料，濕敏材料與土壤直接接觸，當(dāng)土壤中水分含量增多的時(shí)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(huì)移動(dòng)并推動(dòng)復(fù)位彈簧和閥芯進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，閥芯運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中其錐形面會(huì)逐漸封住進(jìn)水口，實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)關(guān)閉，灌溉停止。當(dāng)濕敏材料吸水膨脹的時(shí)候，如果其膨脹量比閥芯封堵進(jìn)水口的移動(dòng)量大，則很可能導(dǎo)致閥芯錐形頭受到非常大壓力，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非常大壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯錐形頭的保護(hù)[3]。

　�。ǘ�）自動(dòng)控制單元設(shè)計(jì)分析

　　通過(guò)上文中的分析可知，緩沖彈簧主要起到對(duì)閥芯的緩沖保護(hù)作用，復(fù)位彈簧主要起到開(kāi)啟閥門的作用，閥門自動(dòng)化控制的核心為彈簧，下面對(duì)兩種彈簧的參數(shù)設(shè)定和設(shè)計(jì)方法進(jìn)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(duì)于彈簧的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)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(dāng)為一定值，在受到壓力的時(shí)候，彈簧會(huì)發(fā)生收縮變形。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮較限荷載的情況，應(yīng)當(dāng)保證彈簧圈之間在較限荷載作用下一定的間距。

　　2.設(shè)計(jì)方法。在對(duì)彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)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(shí)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(qiáng)度的計(jì)算和確定。

　�。�1）彈簧剛度計(jì)算。彈簧剛度需要滿足閥門正常工作對(duì)彈簧變形量的要求，從而計(jì)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(shí)候，增加彈簧的圈數(shù)，彈簧的剛度會(huì)變小，減少?gòu)椈傻娜��?shù)，彈簧的剛度會(huì)變大。

　　（2）彈簧強(qiáng)度計(jì)算。在本純機(jī)械自控閥門設(shè)計(jì)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(guò)大，則可能會(huì)對(duì)彈簧的穩(wěn)定性帶來(lái)不良影響，c 值過(guò)小，則可能導(dǎo)致在卷繞的過(guò)程中彈簧絲出現(xiàn)彎曲，因此 c 值不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，在本設(shè)計(jì)中 c 的取值范圍為4-16。

　　（1）彈簧穩(wěn)定性計(jì)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(shí)受到的壓力非常大的時(shí)候，會(huì)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(guò)上限，則會(huì)出現(xiàn)側(cè)向彎曲。為了保證純機(jī)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(zhǎng)細(xì)比值，如果彈簧兩端都處于固定狀態(tài)，則彈簧長(zhǎng)細(xì)比的取值應(yīng)當(dāng)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(zhǎng)細(xì)比應(yīng)當(dāng)小于 3.7，如果彈簧兩端都處于自由狀態(tài)，則彈簧的長(zhǎng)細(xì)比應(yīng)當(dāng)小于 2.6。

　　四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文以前人研究理論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種用于灌溉的純機(jī)械自控閥門，并探討了其具體的自動(dòng)控制原理和設(shè)計(jì)方案，旨在為相關(guān)純機(jī)械自控閥門的設(shè)計(jì)和開(kāi)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(lái)的研究中，應(yīng)當(dāng)著重對(duì)閥門壽命方面進(jìn)行研究，以此來(lái)進(jìn)一步推進(jìn)純機(jī)械自控閥門的應(yīng)用和發(fā)展。

自控閥門全稱為自動(dòng)控制閥門，本文詳細(xì)描述了自控閥門工作原理以及應(yīng)用，同時(shí)對(duì)自控閥門的設(shè)計(jì)改進(jìn)提出了自己的想法。美國(guó)YLOK進(jìn)口閥門有經(jīng)驗(yàn)提供自控閥門，歡迎來(lái)電咨詢。