自动浇花系统的设计

2020-04-12王志强

机械管理开发 2020年12期

关键词：水压活塞弹簧

王志强

（太原重工股份有限公司焦化设备分公司，山西太原030024）

引言

室内养花既赏析悦目，又可以净化空气，很多人都有养花的想法，但由于无法按时给花浇水，刚买的花没多久就死了。本文设计了一款自动浇花系统，可以解决这一问题。

1 浇花系统的介绍

自动浇花系统由浇花装置、运水机器人、自动充水装置和自动充电装置组成。浇花装置具有控制水量的功能，每盆花的浇水量不受水压、通水时间影响，能够确保每盆花都能浇到适量的水；自动充水装置与水源连接，为运水机器人提供水源；自动充电装置与电源连接，为运水机器人提供电源；需要浇花时，运水机器人行至浇花装置接口，接通后将水送至浇花装置，浇花装置将适量的水送至花盆，实现浇花；运水机器人缺水报警后自动行至自动充水装置进行补水，运水机器人低电报警后自动行至自动充电装置进行充电。

2 浇花装置原理

本文主要研究浇花装置的实现过程。如图1所示，浇花装置包括上侧的腔体和下侧的阀体两部分，通过两个孔（下文称连接孔）相连；腔体内有活塞1、弹簧1和限制活塞活动范围的挡块；阀体内有活塞2和弹簧2，阀体的右侧为进水口，左侧为出水口。当需要浇花时，左侧注水，活塞2在水压的作用下克服弹簧2的压力，向右移动，到达腔体和阀体的右侧连接孔，同时堵住左侧连接孔后，水通过连接孔进入腔体。活塞1在水压的作用下向上移动，活塞1到达挡块后，水无法再注入腔体内，如图2所示。当左侧取消注水后，活塞2在弹簧2的作用下向右运动，同时活塞1在弹簧1的作用下向下运动，当活塞2运动到最右侧时，左侧连接孔接通，活塞1将腔体内水从出水口压出，实现浇花，如图3所示。

图1 浇花装置状态1

图2 浇花装置状态2

图3 浇花装置状态3

3 浇花装置元件参数计算过程与选择

为了保证出水口的水能够到达花盆，弹簧1的压力必须足够大。考虑到房间的高度在3 m以内，设定出水口的压强为3.5 m高度水柱压强，腔体直径为0.07 m，活塞1工作距离130 mm。

出水时活塞1下平面的压强：

式中：ρ为水的密度，取1 000 kg/m3；g为重力与质量比值，取9.8 N/kg；h1为水柱高度，取3.5 m。代入数值计算得P1=343 00 N/m2。

出水时活塞1下平面的压力：

式中：P1为出水时活塞1下平面的压强，取34 300 N/m2；S1为活塞1下平面面积，取0.003 846 5 m2。代入数值计算得F1=131.935 N。

根据试验，活塞的摩擦力与周长比η为35 N/m。

活塞1的摩擦力：

式中：C1为活塞1周长，取0.439 6 m。代入数值计算得F摩1=15.386 N。

弹簧1需要提供的压力：

式中：F1为出水时活塞1下平面的压力，取131.935 N。代入数值计算得F弹1=147.321 N。

注水时，为推动活塞1运动，水压需要克服摩擦力和水压，计算方法为：

式中：F弹1为弹簧1需要提供的压力；F摩1为活塞1的摩擦力；S1为活塞1下平面面积。根据上式，工作时弹簧1的F弹1越大，需要的注水压力就越大，所以控制弹簧1在工作范围内弹力控制在15%之内，设置弹簧1的最大工作载荷：

式中：F弹1为弹簧1需要提供的压力，取147.321 N。代入数值计算得F'弹1=169.4191 N。

查圆柱螺旋压缩弹簧计算表[1]得：材料直径d=3 mm，弹簧中径D=38 mm，许用应力τp=785 MPa，工作极限载荷Pj=196.77 N，工作极限载荷下的单圈变形量fj=13.50 mm，单圈刚度P'd=14.6 N/mm，最大心轴直径DXmax=31 mm，最小套筒直径DTmin=45 mm。

粗算弹性刚度：

式中：F'弹1为弹簧1的最大工作载荷，取169.419 1 N；F弹1为弹簧1需要提供的压力，取值147.321 N；h为弹簧1距活塞1的工作距离，取130 mm。代入数值计算得P'=0.169 N/mm。

需要的弹簧有效圈数：

式中：P'd为弹簧1的单圈刚度，取14.6 N/mm；P'为弹簧1的弹性刚度，取0.169 N/mm。代入数值计算得n'=87。

弹簧圈数：

式中：n'为弹簧1的有效圈数，取87。代入数值计算得n=89。

弹簧节距：t=fj+d=16.5 mm。

弹簧总长度：

式中：t为弹簧1节距，取16.5 mm；n'为弹簧1的有效圈数，取值87圈；d'为弹簧1的线径，取3 mm。代入数值计算得L=1 441.5 mm。

综上弹簧1取线径3 mm，中径38 mm，长度1 500 mm，总圈数89，最小工作载荷148 N，工作行程130 mm，最大工作载荷小于169 N，由于长期与水接触材质采用不锈钢SUS304，弹性系数为7 000 kg/mm2。

弹簧1的弹性系数：

式中：G为弹簧1的弹性系数，取7 000 kg/mm2；d'为弹簧1的线径，取值3 mm；D为弹簧1的中径，取值38 mm；n'为弹簧1的有效圈数，取87圈。代入数值计算得K=0.145 5 N/mm。

弹簧1的最大工作距离：

式中：L为弹簧1长度，取1 500 mm；F弹1为弹簧1需要提供的压力，取148 N；K为弹簧1的弹性系数，取0.145 5 N/mm。代入数值计算得L1=482.78 mm。

弹簧1的最大工作距离取482 mm，最小工作载荷：

式中：L为弹簧1长度，取1 500 mm；L1为弹簧1的最大工作距离，取482 mm；K为弹簧1的弹性系数，取0.145 5 N/mm。代入数值计算得F弹1=148.11 N。

弹簧1的最小工作距离：

式中：L1为弹簧1的最大工作距离，取482 mm；h为弹簧1的工作行程，取130 mm。代入数值计算得L2=352 mm。

弹簧1的最大工作载荷：

式中：L2为弹簧1的最小工作距离，取352 mm。代入数值计算得F'弹1=167.29 N。因此，弹簧1的最大工作载荷应符合最大工作载荷小于169 N的要求。

最终，弹簧1材质采用不锈钢SUS304材质，线径3 mm，中径38 mm，长度1 500 mm，总圈数89，最小工作距离352 mm，最大工作距离482 mm，工作行程130 mm，最大工作载荷167.29 N，最小工作载荷148.11 N。

注水时，为推动活塞1运动，水压必须大于P注水=（F'弹1+F摩1）/S1，代入数值计算得P注水=0.051 MPa。同样的方法计算得弹簧2材质采用不锈钢SUS304材质，线径0.4 mm，中径6.2 mm，长度300 mm，总圈数105，最小工作距离54.5 mm，最大工作距离75 mm，工作行程20.5 mm，最大工作载荷1.82 N，最小工作载荷1.67 N，注水时，为推动活塞2运动，水压必须大于0.036 MPa。

为了实现浇花装置的功能，需要在高度为130 mm的储水腔上方设置长度为352 mm的弹簧安装座。这样会大大增加装置的整体高度，不方便放置，所以本文考虑将推动活塞1的下压力由弹力改为重力，外围通过增加配重来提供活塞1需要的下压力，如图4所示。