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德國(guó)寶德電磁閥工作控制原理
德國(guó)寶德電磁閥工作原理：
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)?；谝陨?，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，水流量增大，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)
BURKERT寶德電磁閥閥門為基礎(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寥浪智闆r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。
德國(guó)寶德電磁閥控制原理及控制單元設(shè)計(jì)：
（一）純機(jī)械自控BURKERT寶德電磁閥的控制原理分析
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(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯錐形頭的保護(hù)[3]。
（二）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)考慮極限荷載的情況，應(yīng)當(dāng)保證彈簧圈之間在極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。
BURKERT寶德電磁閥在上式中，F(xiàn) 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。
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