自動澆花系統的設計

王志強

（太原重工股份有限公司焦化設備分公司，山西 太原030024）

引言

室內養花既賞析悅目，又可以凈化空氣，很多人都有養花的想法，但由于無法按時給花澆水，剛買的花沒多久就死了。本文設計了一款自動澆花系統，可以解決這一問題。

1 澆花系統的介紹

自動澆花系統由澆花裝置、運水機器人、自動充水裝置和自動充電裝置組成。澆花裝置具有控制水量的功能，每盆花的澆水量不受水壓、通水時間影響，能夠確保每盆花都能澆到適量的水；自動充水裝置與水源連接，為運水機器人提供水源；自動充電裝置與電源連接，為運水機器人提供電源；需要澆花時，運水機器人行至澆花裝置接口，接通后將水送至澆花裝置，澆花裝置將適量的水送至花盆，實現澆花；運水機器人缺水報警后自動行至自動充水裝置進行補水，運水機器人低電報警后自動行至自動充電裝置進行充電。

2 澆花裝置原理

本文主要研究澆花裝置的實現過程。如圖1所示，澆花裝置包括上側的腔體和下側的閥體兩部分，通過兩個孔（下文稱連接孔）相連；腔體內有活塞1、彈簧1和限制活塞活動范圍的擋塊；閥體內有活塞2和彈簧2，閥體的右側為進水口，左側為出水口。當需要澆花時，左側注水，活塞2在水壓的作用下克服彈簧2的壓力，向右移動，到達腔體和閥體的右側連接孔，同時堵住左側連接孔后，水通過連接孔進入腔體。活塞1在水壓的作用下向上移動，活塞1到達擋塊后，水無法再注入腔體內，如圖2所示。當左側取消注水后，活塞2在彈簧2的作用下向右運動，同時活塞1在彈簧1的作用下向下運動，當活塞2運動到最右側時，左側連接孔接通，活塞1將腔體內水從出水口壓出，實現澆花，如圖3所示。

圖1 澆花裝置狀態1

圖2 澆花裝置狀態2

圖3 澆花裝置狀態3

3 澆花裝置元件參數計算過程與選擇

為了保證出水口的水能夠到達花盆，彈簧1的壓力必須足夠大。考慮到房間的高度在3 m以內，設定出水口的壓強為3.5 m高度水柱壓強，腔體直徑為0.07 m，活塞1工作距離130 mm。

出水時活塞1下平面的壓強：

式中：ρ為水的密度，取1 000 kg/m3；g為重力與質量比值，取9.8 N/kg；h1為水柱高度，取3.5 m。代入數值計算得P1=343 00 N/m2。

出水時活塞1下平面的壓力：

式中：P1為出水時活塞1下平面的壓強，取34 300 N/m2；S1為活塞1下平面面積，取0.003 846 5 m2。代入數值計算得F1=131.935 N。

根據試驗，活塞的摩擦力與周長比η為35 N/m。

活塞1的摩擦力：

式中：C1為活塞1周長，取0.439 6 m。代入數值計算得F摩1=15.386 N。

彈簧1需要提供的壓力：

式中：F1為出水時活塞1下平面的壓力，取131.935 N。代入數值計算得F彈1=147.321 N。

注水時，為推動活塞1運動，水壓需要克服摩擦力和水壓，計算方法為：

式中：F彈1為彈簧1需要提供的壓力；F摩1為活塞1的摩擦力；S1為活塞1下平面面積。根據上式，工作時彈簧1的F彈1越大，需要的注水壓力就越大，所以控制彈簧1在工作范圍內彈力控制在15%之內，設置彈簧1的最大工作載荷：

式中：F彈1為彈簧1需要提供的壓力，取147.321 N。代入數值計算得F'彈1=169.4191 N。

查圓柱螺旋壓縮彈簧計算表[1]得：材料直徑d=3 mm，彈簧中徑D=38 mm，許用應力τp=785 MPa，工作極限載荷Pj=196.77 N，工作極限載荷下的單圈變形量fj=13.50 mm，單圈剛度P'd=14.6 N/mm，最大心軸直徑DXmax=31 mm，最小套筒直徑DTmin=45 mm。

粗算彈性剛度：

式中：F'彈1為彈簧1的最大工作載荷，取169.419 1 N；F彈1為彈簧1需要提供的壓力，取值147.321 N；h為彈簧1距活塞1的工作距離，取130 mm。代入數值計算得P'=0.169 N/mm。

需要的彈簧有效圈數：

式中：P'd為彈簧1的單圈剛度，取14.6 N/mm；P'為彈簧1的彈性剛度，取0.169 N/mm。代入數值計算得n'=87。

彈簧圈數：

式中：n'為彈簧1的有效圈數，取87。代入數值計算得n=89。

彈簧節距：t=fj+d=16.5 mm。

彈簧總長度：

式中：t為彈簧1節距，取16.5 mm；n'為彈簧1的有效圈數，取值87圈；d'為彈簧1的線徑，取3 mm。代入數值計算得L=1 441.5 mm。

綜上彈簧1取線徑3 mm，中徑38 mm，長度1 500 mm，總圈數89，最小工作載荷148 N，工作行程130 mm，最大工作載荷小于169 N，由于長期與水接觸材質采用不銹鋼SUS304，彈性系數為7 000 kg/mm2。

彈簧1的彈性系數：

式中：G為彈簧1的彈性系數，取7 000 kg/mm2；d'為彈簧1的線徑，取值3 mm；D為彈簧1的中徑，取值38 mm；n'為彈簧1的有效圈數，取87圈。代入數值計算得K=0.145 5 N/mm。

彈簧1的最大工作距離：

式中：L為彈簧1長度，取1 500 mm；F彈1為彈簧1需要提供的壓力，取148 N；K為彈簧1的彈性系數，取0.145 5 N/mm。代入數值計算得L1=482.78 mm。

彈簧1的最大工作距離取482 mm，最小工作載荷：

式中：L為彈簧1長度，取1 500 mm；L1為彈簧1的最大工作距離，取482 mm；K為彈簧1的彈性系數，取0.145 5 N/mm。代入數值計算得F彈1=148.11 N。

彈簧1的最小工作距離：

式中：L1為彈簧1的最大工作距離，取482 mm；h為彈簧1的工作行程，取130 mm。代入數值計算得L2=352 mm。

彈簧1的最大工作載荷：

式中：L2為彈簧1的最小工作距離，取352 mm。代入數值計算得F'彈1=167.29 N。因此，彈簧1的最大工作載荷應符合最大工作載荷小于169 N的要求。

最終，彈簧1材質采用不銹鋼SUS304材質，線徑3 mm，中徑38 mm，長度1 500 mm，總圈數89，最小工作距離352 mm，最大工作距離482 mm，工作行程130 mm，最大工作載荷167.29 N，最小工作載荷148.11 N。

注水時，為推動活塞1運動，水壓必須大于P注水=（F'彈1+F摩1）/S1，代入數值計算得P注水=0.051 MPa。同樣的方法計算得彈簧2材質采用不銹鋼SUS304材質，線徑0.4 mm，中徑6.2 mm，長度300 mm，總圈數105，最小工作距離54.5 mm，最大工作距離75 mm，工作行程20.5 mm，最大工作載荷1.82 N，最小工作載荷1.67 N，注水時，為推動活塞2運動，水壓必須大于0.036 MPa。

為了實現澆花裝置的功能，需要在高度為130 mm的儲水腔上方設置長度為352 mm的彈簧安裝座。這樣會大大增加裝置的整體高度，不方便放置，所以本文考慮將推動活塞1的下壓力由彈力改為重力，外圍通過增加配重來提供活塞1需要的下壓力，如圖4所示。

圖4 重力式澆花裝置示意圖

以圖4中陰影部分注水為例計算澆花裝置的外觀尺寸。需要提供的重力為148 N，澆花裝置的整體高度為0.18 m，中間部分直徑為0.08 m。配重的體積V1=G/（gρ）。式中：G為需要提供的重力，取值148 N；g為重力與質量比值，取值9.8 N/kg；ρ為水的密度，取值1 000 kg/m3

中間部分的體積：

式中：d2為中間部分直徑，取值0.08 m；h2為澆花裝置的整體高度，取值0.18 m。代入數值計算得V2=0.000 904 m3。

裝置的整體體積為：

式中：V1為配重的體積，取0.015 1 m3；V2為中間部分的體積，取0.000 904 m3。代入數值計算得V=0.016 m3。

綜上，如果澆花裝置活塞1的下壓力由彈力改為重力后，裝置的外形變為D336 mm×180 mm圓柱，相比原來結構容易放置。

4 結語

澆花裝置本身不需要供電，利用水壓實現了對水的定量控制，結構簡單，成本低，便于推廣。