本发明涉及冻土工程技术领域，尤其涉及一种重心位移式风门自动控制系统。
背景技术：
冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土岩，冻土的力学强度会随着温度的变化而发生巨大的改变：温度越低其强度越大，温度低于-1.5℃时，其瞬时抗压强度与一般岩石相当；而温度高于-0.5℃至0℃时，其抗压强度相当于一般土块、甚至基本丧失。我国建设的青藏铁路、青藏公路，以及将要进行的青藏高速公路、新藏公路、新藏铁路、南水北调西线工程都面临高温（即温度接近0℃的多年冻土）、高含冰量冻土（即体积含冰量基本超过30%的多年冻土）、气候转暖和多年冻土不断退化等诸多难题。
在保护冻土工程的措施中，通过调控冻土工程的对流换热过程，主动冷却冻土基础，是保护冻土基础重要的工程措施的一个类型。该类措施通过有效促进冬季或夜晚低温环境条件下基础与外界环境的换热过程，有效抑制暖季或白天高温环境条件下基础的换热过程，由此达到冷能在路基内部的不断存储、冻土地温的不断降低、基础稳定性不断增强的目的。
为有效调控冻土工程的对流换热过程，申请人之前提出的通风管通风路基是一种重要、典型调控路基温度的工程措施，通过在通风管一端、或两端安装自控风门，风门根据环境温度高温自动关闭、低温自动打开，由此规避暖季热量对路基的加热作用，可以将自然界的冷能最大程度的存储到路基的内部，青藏铁路研究结果显示，该种措施可以将通风路基的降温效能提高一倍以上。因此，其中的风门就成为该项技术的焦点和核心。
现有的风门自动控制系统中，温度感应单元主要采用温度传感器，为感应阳光照射，整个温度感应单元安装在通风管外；控制单元与温度感应单元之间电连接，与风门之间通过杆件等联动部件连接，工作时，控制单元接收来自温度传感器的温度值（电信号），根据该温度值与预设启闭温度阈值的大小关系决定是否驱动联动部件动作，进而实现对风门的开启/关闭。
但是，青藏高原高寒极端的自然环境和特殊工程条件都对通风管调控风门的稳定性、风门的敏感性、风门安装和运维过程的便利性等都提出了更高的要求，现有技术难以完全满足工程实际需要。比如：整个温度感应单元安装在通风管外，控制单元与风门之间需要众多联动部件连接，而且整个风门自动控制系统的正常持续运行需要电源提供源源不断的电能。这样的话，在极端恶劣环境下，感应单元、控制单元容易遭受破坏，连接杆件容易失效，各部件之间的电连接容易被切断或者是不能及时提供新的电源，这些因素都会导致整个风门自动控制系统的失效。
因此，面对青藏高原多年冻土区青藏高速公路的建设、青藏铁路后期维护等迫切需要，有针对性开展新型风门的研究，就成为解决问题的关键，而本申请正是针对这种工程实际迫切需要而进行。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、稳定性高的重心位移式风门自动控制系统，以适应野外恶劣环境。
为解决上述问题，本发明所述的一种重心位移式风门自动控制系统，包括：
设在风门（1）外壁上的温度感应机构（3）；其中，所述风门（1）能够绕中心转轴（2）自由转动；
一端设在所述风门（1）内壁中心位置处、另一端远离内壁并向上倾斜的控制机构（5）；
以及位于所述风门（1）下部外侧的限位器（6）；
所述限位器（6）用于阻断所述风门（1）逆时针转动使其呈竖直关闭状态，所述控制机构（5）顺时针转动被通风管阻断时所述风门（1）呈水平打开状态；
所述风门（1）、温度感应机构（3）和所述控制机构（5）三者的重心位于同一平面，该平面为过所述风门（1）中心点垂直于所述风门（1）所在平面的平面；
所述温度感应机构（3）包括坚硬的第一外壳（31）以及设在所述第一外壳（31）内部第一软囊（32）；所述第一软囊（32）内部充满移动工质，其与所述第一外壳（31）之间充满胀缩介质；其中，所述胀缩介质指熔点在-5℃~+10℃之间、冻结后体积膨胀的物质，所述移动工质指低温环境下不冻结的液体；
所述控制机构（5）通过导管（4）与所述第一软囊（32）相连通，所述风门（1）中心位置处设有供所述导管（4）穿过的通道；所述控制机构（5）具有容纳所述移动工质的空间，工作时通过所述移动工质在该空间中的流进和流走改变整个系统的重心，进而控制实现所述风门（1）的打开和关闭。
优选的，所述控制机构（5）包括空心支撑杆（5a1）以及设在其端部的容纳腔；所述导管（4）穿过所述空心支撑杆（5a1）连通所述第一软囊（32）和所述容纳腔。
优选的，所述容纳腔由第二软囊（5a2）形成。
优选的，所述控制机构（5）包括内部设有活塞（5b2）的空心密封缸（5b1），所述空心密封缸（5b1）与所述导管（4）连接的一端与所述活塞（5b2）之间形成容纳所述移动工质的空间；所述活塞（5b2）向上的一端设有连接杆（5b3），所述连接杆（5b3）穿出所述空心密封缸（5b1）并在端部设有重物块（5b4）。
优选的，所述空心密封缸（5b1）内部所述活塞（5b2）连接所述连接杆（5b3）一侧设有回位辅助弹簧（5b6）。
优选的，该自动控制系统还包括支撑壳体（9）和设在所述支撑壳体（9）上的张紧部件，所述支撑壳体（9）围设在所述风门（1）外侧并通过所述中心转轴（2）与之相连，其形状大小与通风管内壁形状大小相适应，所述张紧部件用于辅助所述支撑壳体（9）固定于通风管内壁并且同时用作所述限位器（6）。
优选的，该自动控制系统还包括平衡弹簧（8）和/或重力平衡块（7），所述平衡弹簧（8）一端设在所述支撑壳体（9）上、另一端斜向上自由伸展，所述重力平衡块（7）设在所述风门（1）下部内壁上。
优选的，所述胀缩介质为水。
优选的，所述移动工质为不冻液、酒精、盐水或者有机溶液。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、温度感应灵敏、控制精度高
本发明温度感应机构最为突出特点为外层包裹层为胀缩介质，中心为移动工质。在外界环境温度发生以胀缩介质熔点温度为临界值的上下变化过程中，胀缩介质可以灵敏感应外界温度的变化并做出冻结或者融化的反应，对应其体积的膨胀或者收缩，进而将移动工质排挤到控制机构或者从控制机构吸回，控制机构则通过移动工质的流进和流走改变整个系统的重心，进而控制实现风门的打开和关闭。
、系统稳定性高、维护简便，合适在野外恶劣环境使用
首先，本发明整体系统为全封闭环境，重心移动过程为内部的移动工质带动，自成一体，没有更多联动部件，在青藏高原恶劣环境下与以往系统相比，具有更高的稳定性。
其次，本发明充分利用胀缩介质在固液相变过程中体积膨胀或缩小、内部负压以及物体重力等物理特性构成动力源，而这些动力源为环境温度变化自然产生，自给自足，无需专门提供或者定期补给。
另外，在现有技术中对整个风门系统进行安装时，需要在通风管上单独钻孔、打眼，过程繁琐、效率低下。本发明进一步设置了与风门自成一体的支撑壳体和张紧部件，方便对系统完成快速的安装或拆卸。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的侧视结构示意图。
图2为本发明实施例提供的正视结构示意图。
图3为本发明实施例中温度感应机构的另一种结构示意图。
图4为本发明实施例中控制机构的另一种结构示意图。
图中：1—风门，2—中心转轴，3—温度感应机构，4—导管，5—控制机构，6—限位器，7—重力平衡块，8—平衡弹簧，9—支撑壳体；31—第一外壳，32—第一软囊；5a1—空心支撑杆，5a2—第二软囊，5a3—第二外壳；5b1—空心密封缸，5b2—活塞，5b3—连接杆，5b4—重物块，5b5—第三外壳，5b6—回位辅助弹簧。
具体实施方式
参考图1~4，本发明实施例提供了一种重心位移式风门自动控制系统，其具体包括风门1、温度感应机构3、控制机构5以及限位器6。风门1具有中心转轴2，其可自由旋转。限位器6位于风门1下部外侧，用于阻断风门1逆时针转动使其呈竖直关闭状态；控制机构5顺时针转动被通风管阻断时风门1呈水平打开状态。
风门1、温度感应机构3和控制机构5三者集成一个整体，且三者的重心位于同一平面，该平面为过风门1中心点垂直于风门1所在平面的平面。
温度感应机构3设在风门1外壁上，其具体包括坚硬的第一外壳31以及设在第一外壳31内部第一软囊32；第一软囊32内部充满移动工质（以下简称工质），其与第一外壳31之间充满胀缩介质，第一软囊32一端部具有伸出第一外壳31、供连接用的端口。第一外壳31和第一软囊32的形状相适应，整体形状可以是如图1和图2中示出的长方体，为了容纳更多的移动工质，整体形状也可以是如图3中示出的圆弧型。
其中，胀缩介质指熔点在-5℃~+10℃之间、冻结后体积膨胀的物质，比如水或者有机材料；移动工质指低温环境下不冻结的液体，具体就是，当胀缩介质发生冻结时及以后移动工质也不会发生冻结，因为整个系统的正常运作需要移动工质的移动性、流动性。根据胀缩介质的选材和周围环境最低温度，移动工质可以考虑使用比如不冻液、酒精、盐水或者有机溶液等材料。
胀缩介质以水为例，在外界环境温度低于0℃的低温环境下，第一外壳31内的水分开始发生冻结，由于冻结的水分会发生体积9%的膨胀，受到冻结水分冻结后膨胀体积的挤压，且软囊外壁具有一定的柔软度，第一软囊32内的工质通过端口向外排挤，流向控制机构5。反之，当环境温度由负温转换为正温后，冻结的水分开始融化，体积开始发生收缩，由于第一外壳31材质坚硬，就会在其内部产生负压，并由端口吸回控制机构5中的工质。
控制机构5一端设在风门1内壁中心位置处、另一端远离内壁并向上倾斜，其通过导管4与第一软囊32相连通，风门1中心位置处设有供导管4穿过的通道；控制机构5具有容纳移动工质的空间。工作时，控制机构5通过移动工质在该空间中的流进和流走改变整个系统的重心，进而控制实现风门1的打开和关闭。
具体地，假设风门1伊始状态为竖直的关闭状态，在外界环境温度低于0℃的低温环境下，随着工质流进控制机构5，整体内部的重心相对轴心发生位移并由此产生顺时针方向的力矩，此力矩将驱动控制机构5和风门1沿顺时针转动，当控制机构5顶端到达通风管底部时，风门1正好处于水平的打开状态。之后，当环境温度由负温转换为正温后，随着工质从控制机构5流走，整体内部的重心和力矩回位，控制机构5和风门1沿逆时针转动，当风门1的逆时针转动被底部限位器6内侧阻断时，风门1停止逆时针转动处于竖直的关闭状态。
进一步地，上述自动控制系统还包括支撑壳体9和设在支撑壳体9上的张紧部件，支撑壳体9围设在风门1外侧并通过中心转轴2与之相连，其形状大小与通风管内壁形状大小相适应，比如图1中都是圆环形，张紧部件用于辅助支撑壳体9固定于通风管内壁并且同时用作限位器6，这样就不需要额外专门设置一限位器了。
此外，为使风门1在竖直的关闭状态其底部与限位器6更贴紧些，保证风门1确确实实处于关闭状态，可以给风门1增加些能在逆时针方向产生力矩的部件，比如平衡弹簧8和/或重力平衡块7，平衡弹簧8一端设在支撑壳体9上、另一端斜向上自由伸展，重力平衡块7设在风门1下部内壁上。
基于上述实施例公开的内容，本发明实施例对控制机构5的结构做进一步说明。
参考图1，控制机构5进一步具体包括一端设在风门1内壁中心位置处、另一端远离内壁并向上倾斜的空心支撑杆5a1以及设在空心支撑杆5a1另一端端部的容纳腔，该容纳腔可以由第二软囊5a2形成；导管4穿过空心支撑杆5a1连通第一软囊32和容纳腔。在实际应用中，还可以为第二软囊5a2配置一个如图1中第二外壳5a3所示的保护外壳。
参考图4，控制机构5还可以为另一种结构，其进一步具体包括内部设有活塞5b2的空心密封缸5b1，其一端设在风门1内壁中心位置处并与导管4连接，另一端远离内壁并向上倾斜；空心密封缸5b1与导管4连接的一端与活塞5b2之间形成容纳移动工质的空间；活塞5b2向上的一端设有连接杆5b3，连接杆5b3穿出空心密封缸5b1并在端部设有重物块5b4。工作时，工质的流进使得空心密封缸5b1的腔室压力不断增加，以此推动活塞5b2向外扩张移动进而带动重物块5b4向右侧移动，进而驱动控制机构5和风门1沿顺时针转动；反之，逆向推导即可。在实际应用中，还可以为整个控制机构5配置一个如图4中第三外壳5b5所示的保护外壳。
此外，为防止活塞5b2与空心密封缸5b1内壁之间的接触不够顺滑、导致工质流走时活塞5b2没法及时向左回位，可以在空心密封缸5b1内部活塞5b2连接连接杆5b3一侧设置一回位辅助弹簧5b6。
以上两种结构的控制机构5，重心移动过程都是由移动工质驱动带动，不过可以理解的是，在产生同样力矩的情况下，相较第一种结构中容纳工质的空间到风门1中心点的距离，第二种结构中容纳工质的空间到风门1中心点的距离更近些。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的结构及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。