對于自控閥門來說，相關研究大多集中在有源控制，而對無源控制的研究較少，無源控制閥門指的就是不需要外部提供能量就能夠實現自動控制調節的閥門，無源控制閥門也稱為純機械自控閥門，其有著自動化程度高、節能效果好、使用方便、設備工藝簡單等優點。基于以上，本文簡要探討了純機械自控閥門的額設計及控制原理。

　　一、純機械自控閥門概述

　　從本質上來講，純機械自控閥門就是一種不需要外部能量供應就可以實現自動控制調節的閥門，即無源控制閥門，純機械控制閥門的研究始于上世紀八十年代，L.Ornstein教授設計了一種名為 Irristat 的閥門，這種閥門就屬于一種純機械自控閥門，其在農業節水灌溉中的應用較為廣泛。當土壤中的水分含量達到預定值的時候，水分會進入到閥門，使得閥門內部凝膠膨脹，下壓活塞，減小水管的截面積，從而實現對用水量的控制[1]。而當土壤中水分含量低于預定值的時候，法門中的水分會回到土壤中，活塞失去下壓力上移，水流量增大，從而實現對水流量的自動控制。

　　二、純機械自控閥門的設計

　　（一）純機械自控閥門的設計思路

　　本文以 Irristat 閥門為基礎，以土壤水分張力為主要設計原理。Irristat 閥門的自動控制主要是通過水分平衡原理來實現的，借助真空壓力表的讀數，張力計能夠對土壤水分情況進行監測，以監測結果為基礎來實現對閥門的自動化控制。在整個控制過程中，張力計相當于一個土壤溫度的傳感器，Irristat 閥門通過內部凝膠吸水膨脹及失水收縮來判斷土壤中水分情況，從而通過閥門來實現對水流量的自動化控制，實現灌溉自動化，其不需要計算機和傳感器，屬于一種無源自控閥門，通過純機械來實現閥門的自動化控制[2]。

　　（二）純機械自控閥門的結構設計

　　本文提出的純機械自控閥門結構設計如圖 1 所示：

　　閥門結構主要包括控制元件、兩個彈簧（一個緩沖彈簧即彈簧1，一個復位彈簧即彈簧2）、進水口以及兩個出水口組成，通過彈簧 1 能夠推動閥芯移動，當閥芯錐形面封堵進水口的時候，則閥門關閉，灌溉停止，通過閥門 2 可以推動閥芯反向移動，封住進水口的閥芯錐形面會慢慢后退，從而實現閥門入水口的逐漸開啟，灌溉恢復。

　　三、純機械自控閥門的控制原理及控制單元設計

　　（一）純機械自控閥門的控制原理分析

　　純機械自控閥門的控制原理如下：閥門自動控制元件中存在濕敏材料，濕敏材料與土壤直接接觸，當土壤中水分含量增多的時候，濕敏材料產生吸水膨脹作用，從而給緩沖彈簧施加壓力，緩沖彈簧在壓力的作用下會移動并推動復位彈簧和閥芯進行運動，閥芯運動的過程中其錐形面會逐漸封住進水口，實現閥門的自動關閉，灌溉停止。當濕敏材料吸水膨脹的時候，如果其膨脹量比閥芯封堵進水口的移動量大，則很可能導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，實現對閥芯錐形頭的保護[3]。

　　（二）自動控制單元設計分析

　　通過上文中的分析可知，緩沖彈簧主要起到對閥芯的緩沖保護作用，復位彈簧主要起到開啟閥門的作用，閥門自動化控制的核心為彈簧，下面對兩種彈簧的參數設定和設計方法進行分析：

　　1. 彈簧參數設定。兩種彈簧采用相同的參數，主要包括彈簧的內徑、外徑、中徑、節間距、螺旋升角以及彈簧絲的直徑。對于彈簧的旋轉方向來說，如果沒有特殊要求，一般選擇右側旋轉。彈簧在不受壓力的情況下，彈簧圈之間的間距應當為一定值，在受到壓力的時候，彈簧會發生收縮變形。在設計的過程中應當考慮極限荷載的情況，應當保證彈簧圈之間在極限荷載作用下一定的間距。

　　2.設計方法。在對彈簧進行設計的過程中，要保證其能夠滿足閥門正常使用的尺寸要求和圈數要求，同時要保證彈簧的穩定性和可靠性，這就涉及到彈簧剛度、穩定性以及強度的計算和確定。

　　（1）彈簧剛度計算。彈簧剛度需要滿足閥門正常工作對彈簧變形量的要求，從而計算出彈簧的具體參數，在彈簧絲直徑、彈簧材質相同的時候，增加彈簧的圈數，彈簧的剛度會變小，減少彈簧的圈數，彈簧的剛度會變大。

　　（2）彈簧強度計算。在本純機械自控閥門設計中，所采用彈簧絲的升角在 5 度到9 度之間，將升角設為 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力的近似值：(12)42cdF+π。

　　在上式中，F 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，d 代表彈簧絲的直徑，c 值過大，則可能會對彈簧的穩定性帶來不良影響，c 值過小，則可能導致在卷繞的過程中彈簧絲出現彎曲，因此 c 值不宜過大也不宜過小，在本設計中 c 的取值范圍為4-16。

　　（1）彈簧穩定性計算。彈簧側向彎曲是彈簧不穩定的具體體現，彈簧本身的圈數較多，同時受到的壓力較大的時候，會影響其穩定性，出現側向彎曲，即如果彈簧的高徑比超過上限，則會出現側向彎曲。為了保證純機械自控閥門中彈簧的穩定性，在彈簧兩端的不同狀態需要取不同的長細比值，如果彈簧兩端都處于固定狀態，則彈簧長細比的取值應當小于5.3，如果彈簧一端處于固定狀態，另一端處于自由狀態，則彈簧的長細比應當小于 3.7，如果彈簧兩端都處于自由狀態，則彈簧的長細比應當小于 2.6。

　　四、結語

綜上所述，本文以前人研究理論為基礎，設計了一種用于灌溉的純機械自控閥門，并探討了其具體的自動控制原理和設計方案，旨在為相關純機械自控閥門的設計和開發提供參考。本文的研究也存在著一定的不足之處，在未來的研究中，應當著重對閥門壽命方面進行研究，以此來進一步推進純機械自控閥門的應用和發展。