一體化穩壓電磁閥的研發

嚴格

摘 要：簡要的介紹了一體化穩壓電磁閥的選型和關鍵技術的研發及主要技術參數的設計，國內外穩壓電磁閥使用中的優缺點，一體化穩壓電磁閥的整體設計加工及產品的開發。

關鍵詞：電磁閥；穩壓；一體化

0 引言

我國是農業大國，農業用水占到全國總用水量的70%，而在其中有90%以上用于農業灌溉，目前干旱缺水成為制約我國農業快速發展的主要因素。我國農業灌溉方式落后，農業用水浪費非常嚴重，提高灌溉水的利用效率成為解決農業用水危機、發展現代農業以及保護生態環境的當務之急。農用管道控制由球閥控制轉變為電磁閥控制，可以極大的促進了現代農業自動化灌溉控制的發展，同時也給予閥門行業一次巨大的發展機遇。

1 關鍵技術的研發

基于農田信息化技術的實際需求，開發簡便、適用、成本低、達到使人工管理操作變為自動控制的大田滴灌系統，其中穩壓電磁閥又是整個灌溉系統的基礎組件。

2.1 穩壓電磁閥關鍵技術參數的設計

2.1.1 穩壓電磁閥選型

根據農業低壓灌溉的特點，可選用成本、重量和材料相對較低的塑料常閉先導穩壓電磁閥，利用流體的自身壓力自動控制，操作方便，成本低；具有穩壓機構，能夠在使用范圍內實現自動穩壓，特別是在農業灌溉方面，很適合低壓運行，對后級設備的沖擊小，同時提高了灌水均勻性，有利于農作物的生長。

2.1.2 穩壓電磁閥隔膜設計

根據農田實際灌溉情況選擇最常用連接管材的閥門d=φ110mm作為設計基準（內徑為φ107mm），農業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為隔膜處于穩壓狀態時所受的力；P為農業實際灌溉用水壓0.3～1.3公斤力；ΔS為實際截面積，ΔS=S1—S2。

h=ΔS/h

h為隔膜從關閉到穩壓的動程；L2為出口的周長。

依新疆本地農田灌溉規律和灌溉周期的要求、閥門內部空間和實際管件使用情況設計多種組合方案：

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

④ d1=120mm，d2=90mm；h=17.5mm，動程過小，環狀單邊進水間隙為15mm，符合設計要求。

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，流量符合設計要求。

綜合上述設計計算結果，⑤方案最符合設計要求。

2.1.3 穩壓電磁閥彈簧設計

新疆農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壓特性，從而保證灌溉的均勻性。

根據農業低壓灌溉的特點和閥門內部空間的限制，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。

壓并高度：

n1為總圈數；d為彈簧絲徑。

（1）彈簧設計

隔膜受壓面積：S=π（R2—r2）=117.78cm2，在實際灌溉中，要求壓力穩定在0.8～1.3公斤力，灌溉均勻性最好；根據電磁閥常閉特性，要求彈簧必須給予隔膜初始的預緊力，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，不符合設計要求。

綜合上述設計計算結果，①符合設計要求。

（2）調壓彈簧設計

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

2.2 穩壓電磁閥關鍵組件設計

2.2.1 閥蓋一體化流道設計

研發了成流道技術，減少了操作失誤和提高了使用壽命，同時便于維護。現有的國外進口的調壓閥都使用外接管路結構，在農田使用中，外觀管路容易脫落和老化，本產品的集成流道技術完全避免了上述缺點。

從國內外兩個公司產品的結構上看，新疆天業產品在集成化程度上較高，由于集成化較高，不會出現管路脫落和老化的現象，更適合農業生產使用。

2.2.2 抗堵塞性能設計

運用水利學一般原理分析和計算閥門進口與出口的函數關系，根據進口先導孔及出口先導孔的水壓大小，自動調節進口先導孔和出口先導孔的截面比例，增大先導孔，提高抗堵塞功能，一定濃度的化學物質（化肥）或含有較大顆粒的雜質都能通過閥門，解決了閥門堵塞的情況。

2.3 穩壓電磁閥一體化設計方案

通過穩壓電磁閥選型及各個相關技術參數的設計定型，確定了開發一體化電磁閥的方案。采用CAD、CAE、CAM等技術，高效率地設計和模擬水源、閥門的實際工作情況，調整設計參數，確定最終設計加工方案。

3 總結

一體化穩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，實現大田滴灌工程設計灌水效果，提升農業生產的管理水平，加強農業生產的集約程度，并為智能化灌溉奠定必要的設備基礎。

參考文獻

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