一體化穩(wěn)壓電磁閥的研發(fā)

嚴(yán)格

摘 要：簡要的介紹了一體化穩(wěn)壓電磁閥的選型和關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)及主要技術(shù)參數(shù)的設(shè)計，國內(nèi)外穩(wěn)壓電磁閥使用中的優(yōu)缺點，一體化穩(wěn)壓電磁閥的整體設(shè)計加工及產(chǎn)品的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：電磁閥；穩(wěn)壓；一體化

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水占到全國總用水量的70%，而在其中有90%以上用于農(nóng)業(yè)灌溉，目前干旱缺水成為制約我國農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的主要因素。我國農(nóng)業(yè)灌溉方式落后，農(nóng)業(yè)用水浪費非常嚴(yán)重，提高灌溉水的利用效率成為解決農(nóng)業(yè)用水危機(jī)、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以及保護(hù)生態(tài)環(huán)境的當(dāng)務(wù)之急。農(nóng)用管道控制由球閥控制轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶砰y控制，可以極大的促進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化灌溉控制的發(fā)展，同時也給予閥門行業(yè)一次巨大的發(fā)展機(jī)遇。

1 關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)

基于農(nóng)田信息化技術(shù)的實際需求，開發(fā)簡便、適用、成本低、達(dá)到使人工管理操作變?yōu)樽詣涌刂频拇筇锏喂嘞到y(tǒng)，其中穩(wěn)壓電磁閥又是整個灌溉系統(tǒng)的基礎(chǔ)組件。

2.1 穩(wěn)壓電磁閥關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的設(shè)計

2.1.1 穩(wěn)壓電磁閥選型

根據(jù)農(nóng)業(yè)低壓灌溉的特點，可選用成本、重量和材料相對較低的塑料常閉先導(dǎo)穩(wěn)壓電磁閥，利用流體的自身壓力自動控制，操作方便，成本低；具有穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)，能夠在使用范圍內(nèi)實現(xiàn)自動穩(wěn)壓，特別是在農(nóng)業(yè)灌溉方面，很適合低壓運行，對后級設(shè)備的沖擊小，同時提高了灌水均勻性，有利于農(nóng)作物的生長。

2.1.2 穩(wěn)壓電磁閥隔膜設(shè)計

根據(jù)農(nóng)田實際灌溉情況選擇最常用連接管材的閥門d=φ110mm作為設(shè)計基準(zhǔn)（內(nèi)徑為φ107mm），農(nóng)業(yè)實際灌溉用水壓大概范圍是0.3～1.3公斤力，要求通過S2的水量需略大于充滿管徑的水量。

F=PΔS

F為隔膜處于穩(wěn)壓狀態(tài)時所受的力；P為農(nóng)業(yè)實際灌溉用水壓0.3～1.3公斤力；ΔS為實際截面積，ΔS=S1—S2。

h=ΔS/h

h為隔膜從關(guān)閉到穩(wěn)壓的動程；L2為出口的周長。

依新疆本地農(nóng)田灌溉規(guī)律和灌溉周期的要求、閥門內(nèi)部空間和實際管件使用情況設(shè)計多種組合方案：

① d1=107mm，d2=50mm；h=45mm，動程合適，過水截面與閥門出口比為2：1，流量不符合設(shè)計要求。

④ d1=120mm，d2=90mm；h=17.5mm，動程過小，環(huán)狀單邊進(jìn)水間隙為15mm，符合設(shè)計要求。

⑤ d1=152mm，d2=90mm；h=41.7mm，動程合適，過水截面與閥門出口比為1：1.2，流量符合設(shè)計要求。

綜合上述設(shè)計計算結(jié)果，⑤方案最符合設(shè)計要求。

2.1.3 穩(wěn)壓電磁閥彈簧設(shè)計

新疆農(nóng)田灌溉的特點為低壓灌溉，灌溉用水實際水壓大概范圍是0.3～1.3公斤力，要求低壓開啟并且具備穩(wěn)壓特性，從而保證灌溉的均勻性。

根據(jù)農(nóng)業(yè)低壓灌溉的特點和閥門內(nèi)部空間的限制，初步選定彈簧：不銹鋼壓縮彈簧，兩端磨平并緊。

彈簧剛度計算公式：

G為切變模量，不銹鋼彈簧71×103MPa；d為彈簧絲徑；D為彈簧中徑；n為彈簧有效圈數(shù)。

壓并高度：

n1為總?cè)?shù)；d為彈簧絲徑。

（1）彈簧設(shè)計

隔膜受壓面積：S=π（R2—r2）=117.78cm2，在實際灌溉中，要求壓力穩(wěn)定在0.8～1.3公斤力，灌溉均勻性最好；根據(jù)電磁閥常閉特性，要求彈簧必須給予隔膜初始的預(yù)緊力，保證其常閉特性；同時還要求閥門在最低壓力時可以打開閥門。

① d=2mm，D=38mm，n=5，H0=80mm；F=0.518N/mm；Hb=16mm；安裝高度為 H1=58mm；

預(yù)緊力 F = Fx=0.518×（80—58）=11.4N；

閥門最小開啟壓力Fmin= PminS=0.3×117.78=35.33N；

F<

② d=3mm，D=38mm，n=5，H0=80mm；F=2.6N/mm；Hb=24mm；安裝高度為H1=54mm；

F = Fx=41.92N；

F>>Fmin，閥門不能順利開啟，不符合設(shè)計要求。

綜合上述設(shè)計計算結(jié)果，①符合設(shè)計要求。

（2）調(diào)壓彈簧設(shè)計

出水口壓力臨界值在0.8公斤力以下時，在膜腔內(nèi)的壓力未能完全建立起來，此時閥門為全開狀態(tài)；當(dāng)壓力值大于0.8公斤力時，膜腔內(nèi)的壓力逐步建立起來，穩(wěn)壓隔膜會根據(jù)壓力情況在調(diào)壓彈簧作用下自動把膜腔內(nèi)的壓力保持為0.8公斤力，以保證出口的壓力穩(wěn)定在0.8公斤力，從而保證灌溉的均勻性。

2.2 穩(wěn)壓電磁閥關(guān)鍵組件設(shè)計

2.2.1 閥蓋一體化流道設(shè)計

研發(fā)了成流道技術(shù)，減少了操作失誤和提高了使用壽命，同時便于維護(hù)。現(xiàn)有的國外進(jìn)口的調(diào)壓閥都使用外接管路結(jié)構(gòu)，在農(nóng)田使用中，外觀管路容易脫落和老化，本產(chǎn)品的集成流道技術(shù)完全避免了上述缺點。

從國內(nèi)外兩個公司產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)上看，新疆天業(yè)產(chǎn)品在集成化程度上較高，由于集成化較高，不會出現(xiàn)管路脫落和老化的現(xiàn)象，更適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用。

2.2.2 抗堵塞性能設(shè)計

運用水利學(xué)一般原理分析和計算閥門進(jìn)口與出口的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)進(jìn)口先導(dǎo)孔及出口先導(dǎo)孔的水壓大小，自動調(diào)節(jié)進(jìn)口先導(dǎo)孔和出口先導(dǎo)孔的截面比例，增大先導(dǎo)孔，提高抗堵塞功能，一定濃度的化學(xué)物質(zhì)（化肥）或含有較大顆粒的雜質(zhì)都能通過閥門，解決了閥門堵塞的情況。

2.3 穩(wěn)壓電磁閥一體化設(shè)計方案

通過穩(wěn)壓電磁閥選型及各個相關(guān)技術(shù)參數(shù)的設(shè)計定型，確定了開發(fā)一體化電磁閥的方案。采用CAD、CAE、CAM等技術(shù)，高效率地設(shè)計和模擬水源、閥門的實際工作情況，調(diào)整設(shè)計參數(shù)，確定最終設(shè)計加工方案。

3 總結(jié)

一體化穩(wěn)壓電磁閥從電磁閥的出水口到水頭末端壓力均衡，水肥分布均勻，肥料利用率提高，實現(xiàn)大田滴灌工程設(shè)計灌水效果，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理水平，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約程度，并為智能化灌溉奠定必要的設(shè)備基礎(chǔ)。

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