一体化稳压电磁阀的研发

严格

摘 要：简要的介绍了一体化稳压电磁阀的选型和关键技术的研发及主要技术参数的设计，国内外稳压电磁阀使用中的优缺点，一体化稳压电磁阀的整体设计加工及产品的开发。

关键词：电磁阀；稳压；一体化

0 引言

我国是农业大国，农业用水占到全国总用水量的70%，而在其中有90%以上用于农业灌溉，目前干旱缺水成为制约我国农业快速发展的主要因素。我国农业灌溉方式落后，农业用水浪费非常严重，提高灌溉水的利用效率成为解决农业用水危机、发展现代农业以及保护生态环境的当务之急。农用管道控制由球阀控制转变为电磁阀控制，可以极大的促进了现代农业自动化灌溉控制的发展，同时也给予阀门行业一次巨大的发展机遇。

1 关键技术的研发

基于农田信息化技术的实际需求，开发简便、适用、成本低、达到使人工管理操作变为自动控制的大田滴灌系统，其中稳压电磁阀又是整个灌溉系统的基础组件。

2.1 稳压电磁阀关键技术参数的设计

2.1.1 稳压电磁阀选型

根据农业低压灌溉的特点，可选用成本、重量和材料相对较低的塑料常闭先导稳压电磁阀，利用流体的自身压力自动控制，操作方便，成本低；具有稳压机构，能够在使用范围内实现自动稳压，特别是在农业灌溉方面，很适合低压运行，对后级设备的冲击小，同时提高了灌水均匀性，有利于农作物的生长。

2.1.2 稳压电磁阀隔膜设计

根据农田实际灌溉情况选择最常用连接管材的阀门d=φ110mm作为设计基准（内径为φ107mm），农业实际灌溉用水压大概范围是0.3～1.3公斤力，要求通过S2的水量需略大于充满管径的水量。

F=PΔS

F为隔膜处于稳压状态时所受的力；P为农业实际灌溉用水压0.3～1.3公斤力；ΔS为实际截面积，ΔS=S1—S2。

h=ΔS/h

h为隔膜从关闭到稳压的动程；L2为出口的周长。

依新疆本地农田灌溉规律和灌溉周期的要求、阀门内部空间和实际管件使用情况设计多种组合方案：

① d1=107mm，d2=50mm；h=45mm，动程合适，过水截面与阀门出口比为2：1，流量不符合设计要求。

④ d1=120mm，d2=90mm；h=17.5mm，动程过小，环状单边进水间隙为15mm，符合设计要求。

⑤ d1=152mm，d2=90mm；h=41.7mm，动程合适，过水截面与阀门出口比为1：1.2，流量符合设计要求。

综合上述设计计算结果，⑤方案最符合设计要求。

2.1.3 稳压电磁阀弹簧设计

新疆农田灌溉的特点为低压灌溉，灌溉用水实际水压大概范围是0.3～1.3公斤力，要求低压开启并且具备稳压特性，从而保证灌溉的均匀性。

根据农业低压灌溉的特点和阀门内部空间的限制，初步选定弹簧：不锈钢压缩弹簧，两端磨平并紧。

弹簧刚度计算公式：

G为切变模量，不锈钢弹簧71×103MPa；d为弹簧丝径；D为弹簧中径；n为弹簧有效圈数。

压并高度：

n1为总圈数；d为弹簧丝径。

（1）弹簧设计

隔膜受压面积：S=π（R2—r2）=117.78cm2，在实际灌溉中，要求压力稳定在0.8～1.3公斤力，灌溉均匀性最好；根据电磁阀常闭特性，要求弹簧必须给予隔膜初始的预紧力，保证其常闭特性；同时还要求阀门在最低压力时可以打开阀门。

① d=2mm，D=38mm，n=5，H0=80mm；F=0.518N/mm；Hb=16mm；安装高度为 H1=58mm；

预紧力 F = Fx=0.518×（80—58）=11.4N；

阀门最小开启压力Fmin= PminS=0.3×117.78=35.33N；

F<

② d=3mm，D=38mm，n=5，H0=80mm；F=2.6N/mm；Hb=24mm；安装高度为H1=54mm；

F = Fx=41.92N；

F>>Fmin，阀门不能顺利开启，不符合设计要求。

综合上述设计计算结果，①符合设计要求。

（2）调压弹簧设计

出水口压力临界值在0.8公斤力以下时，在膜腔内的压力未能完全建立起来，此时阀门为全开状态；当压力值大于0.8公斤力时，膜腔内的压力逐步建立起来，稳压隔膜会根据压力情况在调压弹簧作用下自动把膜腔内的压力保持为0.8公斤力，以保证出口的压力稳定在0.8公斤力，从而保证灌溉的均匀性。

2.2 稳压电磁阀关键组件设计

2.2.1 阀盖一体化流道设计

研发了成流道技術，减少了操作失误和提高了使用寿命，同时便于维护。现有的国外进口的调压阀都使用外接管路结构，在农田使用中，外观管路容易脱落和老化，本产品的集成流道技术完全避免了上述缺点。

从国内外两个公司产品的结构上看，新疆天业产品在集成化程度上较高，由于集成化较高，不会出现管路脱落和老化的现象，更适合农业生产使用。

2.2.2 抗堵塞性能设计

运用水利学一般原理分析和计算阀门进口与出口的函数关系，根据进口先导孔及出口先导孔的水压大小，自动调节进口先导孔和出口先导孔的截面比例，增大先导孔，提高抗堵塞功能，一定浓度的化学物质（化肥）或含有较大颗粒的杂质都能通过阀门，解决了阀门堵塞的情况。

2.3 稳压电磁阀一体化设计方案

通过稳压电磁阀选型及各个相关技术参数的设计定型，确定了开发一体化电磁阀的方案。采用CAD、CAE、CAM等技术，高效率地设计和模拟水源、阀门的实际工作情况，调整设计参数，确定最终设计加工方案。

3 总结

一体化稳压电磁阀从电磁阀的出水口到水头末端压力均衡，水肥分布均匀，肥料利用率提高，实现大田滴灌工程设计灌水效果，提升农业生产的管理水平，加强农业生产的集约程度，并为智能化灌溉奠定必要的设备基础。

参考文献

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[2] 成大先. 机械设计手册（第五版）第3卷，弹簧[M]

[3] 成大先. 机械设计手册（第五版）第5卷，液压控制阀[M]

[4] 陆培文. 阀门设计手册[M]

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[6] 杨源泉. 阀门设计手册[M]