自控阀门的工作原理及应用

　对于自控阀门来说，相关研究大多集中在有源控制，而对无源控制的研究较少，无源控制阀门指的就是不需要外部提供能量就能够实现自动控制调节的阀门，无源控制阀门也称为纯机械自控阀门，其有着自动化程度高、节能效果好、使用方便、设备工艺简单等优点。基于以上，本文简要探讨了纯机械自控阀门的额设计及控制原理。

　　一、纯机械自控阀门概述

　　从本质上来讲，纯机械自控阀门就是一种不需要外部能量供应就可以实现自动控制调节的阀门，即无源控制阀门，纯机械控制阀门的研究始于上世纪八十年代，L.Ornstein教授设计了一种名为 Irristat 的阀门，这种阀门就属于一种纯机械自控阀门，其在农业节水灌溉中的应用较为广泛。当土壤中的水分含量达到预定值的时候，水分会进入到阀门，使得阀门内部凝胶膨胀，下压活塞，减小水管的截面积，从而实现对用水量的控制[1]。而当土壤中水分含量低于预定值的时候，法门中的水分会回到土壤中，活塞失去下压力上移，水流量增大，从而实现对水流量的自动控制。

　　二、纯机械自控阀门的设计

　　（一）纯机械自控阀门的设计思路

　　本文以 Irristat 阀门为基础，以土壤水分张力为主要设计原理。Irristat 阀门的自动控制主要是通过水分平衡原理来实现的，借助真空压力表的读数，张力计能够对土壤水分情况进行监测，以监测结果为基础来实现对阀门的自动化控制。在整个控制过程中，张力计相当于一个土壤温度的传感器，Irristat 阀门通过内部凝胶吸水膨胀及失水收缩来判断土壤中水分情况，从而通过阀门来实现对水流量的自动化控制，实现灌溉自动化，其不需要计算机和传感器，属于一种无源自控阀门，通过纯机械来实现阀门的自动化控制[2]。

　　（二）纯机械自控阀门的结构设计

　　本文提出的纯机械自控阀门结构设计如图 1 所示：

　　阀门结构主要包括控制元件、两个弹簧（一个缓冲弹簧即弹簧1，一个复位弹簧即弹簧2）、进水口以及两个出水口组成，通过弹簧 1 能够推动阀芯移动，当阀芯锥形面封堵进水口的时候，则阀门关闭，灌溉停止，通过阀门 2 可以推动阀芯反向移动，封住进水口的阀芯锥形面会慢慢后退，从而实现阀门入水口的逐渐开启，灌溉恢复。

　　三、纯机械自控阀门的控制原理及控制单元设计

　　（一）纯机械自控阀门的控制原理分析

　　纯机械自控阀门的控制原理如下：阀门自动控制元件中存在湿敏材料，湿敏材料与土壤直接接触，当土壤中水分含量增多的时候，湿敏材料产生吸水膨胀作用，从而给缓冲弹簧施加压力，缓冲弹簧在压力的作用下会移动并推动复位弹簧和阀芯进行运动，阀芯运动的过程中其锥形面会逐渐封住进水口，实现阀门的自动关闭，灌溉停止。当湿敏材料吸水膨胀的时候，如果其膨胀量比阀芯封堵进水口的移动量大，则很可能导致阀芯锥形头受到较大压力，甚至损坏阀芯，而缓冲弹簧则能够起到良好的缓冲作用，避免阀芯锥形头受到较大压力，实现对阀芯锥形头的保护[3]。

　　（二）自动控制单元设计分析

　　通过上文中的分析可知，缓冲弹簧主要起到对阀芯的缓冲保护作用，复位弹簧主要起到开启阀门的作用，阀门自动化控制的核心为弹簧，下面对两种弹簧的参数设定和设计方法进行分析：

　　1. 弹簧参数设定。两种弹簧采用相同的参数，主要包括弹簧的内径、外径、中径、节间距、螺旋升角以及弹簧丝的直径。对于弹簧的旋转方向来说，如果没有特殊要求，一般选择右侧旋转。弹簧在不受压力的情况下，弹簧圈之间的间距应当为一定值，在受到压力的时候，弹簧会发生收缩变形。在设计的过程中应当考虑极限荷载的情况，应当保证弹簧圈之间在极限荷载作用下一定的间距。

　　2.设计方法。在对弹簧进行设计的过程中，要保证其能够满足阀门正常使用的尺寸要求和圈数要求，同时要保证弹簧的稳定性和可靠性，这就涉及到弹簧刚度、稳定性以及强度的计算和确定。

　　（1）弹簧刚度计算。弹簧刚度需要满足阀门正常工作对弹簧变形量的要求，从而计算出弹簧的具体参数，在弹簧丝直径、弹簧材质相同的时候，增加弹簧的圈数，弹簧的刚度会变小，减少弹簧的圈数，弹簧的刚度会变大。

　　（2）弹簧强度计算。在本纯机械自控阀门设计中，所采用弹簧丝的升角在 5 度到9 度之间，将升角设为 a，则可以求出，a 的正弦值约等于 0，a 的余弦值约等于 1，以此可以求出弹簧截面应力的近似值：(12)42cdF+π。

　　在上式中，F 代表剪力，c 代表弹簧中径与弹簧丝直径的比值，即弹簧指数，d 代表弹簧丝的直径，c 值过大，则可能会对弹簧的稳定性带来不良影响，c 值过小，则可能导致在卷绕的过程中弹簧丝出现弯曲，因此 c 值不宜过大也不宜过小，在本设计中 c 的取值范围为4-16。

　　（1）弹簧稳定性计算。弹簧侧向弯曲是弹簧不稳定的具体体现，弹簧本身的圈数较多，同时受到的压力较大的时候，会影响其稳定性，出现侧向弯曲，即如果弹簧的高径比超过上限，则会出现侧向弯曲。为了保证纯机械自控阀门中弹簧的稳定性，在弹簧两端的不同状态需要取不同的长细比值，如果弹簧两端都处于固定状态，则弹簧长细比的取值应当小于5.3，如果弹簧一端处于固定状态，另一端处于自由状态，则弹簧的长细比应当小于 3.7，如果弹簧两端都处于自由状态，则弹簧的长细比应当小于 2.6。

　　四、结语

综上所述，本文以前人研究理论为基础，设计了一种用于灌溉的纯机械自控阀门，并探讨了其具体的自动控制原理和设计方案，旨在为相关纯机械自控阀门的设计和开发提供参考。本文的研究也存在着一定的不足之处，在未来的研究中，应当着重对阀门寿命方面进行研究，以此来进一步推进纯机械自控阀门的应用和发展。