中旭達自控閥門的工作原理及應用
對于自控閥門來說，相關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實現自動控制調節的閥門，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、節能效果好、使用方便、設備工藝簡單等優點?；谝陨?，本文簡要探討了純機械自控閥門的額設計及控制原理。
一、純機械自控閥門概述
從本質上來講，純機械自控閥門就是一種不需要外部能量供應就可以實現自動控制調節的閥門，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，其在農業節水灌溉中的應用較為廣泛。當土壤中的水分含量達到預定值的時候，水分會進入到閥門，使得閥門內部凝膠膨脹，下壓活塞，減小水管的截面積，從而實現對用水量的控制[1]。而當土壤中水分含量低于預定值的時候，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，從而實現對水流量的自動控制。
二、純機械自控閥門的設計
?。ㄒ唬┘儥C械自控閥門的設計思路
本文以Irristat閥門為基礎，以土壤水分張力為主要設計原理。Irristat閥門的自動控制主要是通過水分平衡原理來實現的，借助真空壓力表的讀數，張力計能夠對土壤水分情況進行監測，以監測結果為基礎來實現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對水流量的自動化控制，實現灌溉自動化，其不需要計算機和傳感器，屬于一種無源自控閥門，通過純機械來實現閥門的自動化控制[2]。
?。ǘ┘儥C械自控閥門的結構設計
本文提出的純機械自控閥門結構設計如圖1所示：
閥門結構主要包括控制元件、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，從而實現閥門入水口的逐漸開啟，灌溉恢復。
三、純機械自控閥門的控制原理及控制單元設計
?。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，實現閥門的自動關閉，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，實現對閥芯錐形頭的保護[3]。
?。ǘ┳詣涌刂茊卧O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設定和設計方法進行分析：
1.彈簧參數設定。兩種彈簧采用相同的參數，主要包括彈簧的內徑、外徑、中徑、節間距、螺旋升角以及彈簧絲的直徑。對于彈簧的旋轉方向來說，如果沒有特殊要求，一般選擇右側旋轉。彈簧在不受壓力的情況下，彈簧圈之間的間距應當為一定值，在受到壓力的時候，彈簧會發生收縮變形。在設計的過程中應當考慮極限荷載的情況，應當保證彈簧圈之間在極限荷載作用下一定的間距。
2.設計方法。在對彈簧進行設計的過程中，要保證其能夠滿足閥門正常使用的尺寸要求和圈數要求，同時要保證彈簧的穩定性和可靠性，這就涉及到彈簧剛度、穩定性以及強度的計算和確定。
?。?）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，在彈簧絲直徑、彈簧材質相同的時候，增加彈簧的圈數，彈簧的剛度會變小，減少彈簧的圈數，彈簧的剛度會變大。
?。?）彈簧強度計算。在本純機械自控閥門設計中，所采用彈簧絲的升角在5度到9度之間，將升角設為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，d代表彈簧絲的直徑，c值過大，則可能會對彈簧的穩定性帶來不良影響，c值過小，則可能導致在卷繞的過程中彈簧絲出現彎曲，因此c值不宜過大也不宜過小，在本設計中c的取值范圍為4-16。
?。?）彈簧穩定性計算。彈簧側向彎曲是彈簧不穩定的具體體現，彈簧本身的圈數較多，同時受到的壓力較大的時候，會影響其穩定性，出現側向彎曲，即如果彈簧的高徑比超過上限，則會出現側向彎曲。為了保證純機械自控閥門中彈簧的穩定性，在彈簧兩端的不同狀態需要取不同的長細比值，如果彈簧兩端都處于固定狀態，則彈簧長細比的取值應當小于5.3，如果彈簧一端處于固定狀態，另一端處于自由狀態，則彈簧的長細比應當小于3.7，如果彈簧兩端都處于自由狀態，則彈簧的長細比應當小于2.6。
四、結語
綜上所述，本文以前人研究理論為基礎，設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計方案，旨在為相關純機械自控閥門的設計和開發提供參考。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用和發展。
中旭達隸屬于浙江展旭德自控閥門有限公司，位于“中國閥門城”之稱的溫州市龍灣沙城工業區，是一家專業研發生產、銷售、氣、液動執行器和自控智能化控制閥門于一體的科技型企業，公司技術力量雄厚，生產工藝先進、檢測設備完善、擁有立式加工中心、高精度數控機床、采用CAD三維制圖設計和CRM計算機網絡管理系統。公司通過ISO9001:2008標準國際質量體系認證、歐盟CE認證、并擁有國家發明專利及多項實用新型專利。
公司主要生產：氣動執行器、液動執行器、氣動程控閥、氣動快速切斷閥、氣動球閥、氣動蝶閥、氣動角座閥、氣動閘閥、氣動截止閥、氣動放料閥、氣動隔膜閥、氣動管夾閥、氣動調節閥、各種氣動閥門、液動閥門等自動化控制產品。產品可裝配：防爆電磁閥、回訊器、閥門定位器、三聯件及其他控制元件。廣泛應用于石油化工、金屬冶煉、輕工制藥、環保水處理、印染機械、鍋爐設備等。作為管道遠距離單獨和集中控制，可通過計算機遠程操作、是實現工業自動化、智能化控制的首選產品。
