纯机械自动控制阀门的设计及控制原理探讨

纯机械自动控制阀门的设计及控制原理探讨

仇吕佳花丽萍

浙江省嘉兴市海盐县天仙河自来水经营有限公司浙江省314300

摘要：在流体系统中，阀门是非常重要的组成部分，阀门的应用能够对流体流动的流量、方向以及压力等进行控制。就目前来看，对纯机械自动控制阀门的相关研究较少，市场上成熟的纯机械自动控制阀门也相对较少，而纯机械自动控制阀门有着使用方便、自动化程度高、成本低等优点。基于以上，本文从纯机械自动控制阀门概述入手，提出了一种新型纯机械自动控制阀门，并探讨了其设计方案和控制原理，旨在为纯机械自动控制阀门的设计和研发实践提供参考。

关键词：纯机械；自动控制；阀门；设计；控制原理

引言

无源控制阀门指的是不需要外部提供能量就能够实现自动控制调节的阀门，无源控制阀门也称为纯机械自动控制阀门，其有着自动化程度高、节能效果好、使用方便、设备工艺简单等优点。基于以上，本文简要探讨了纯机械自动控制阀门的额设计及控制原理。

1纯机械自动控制阀门概述

从本质上来讲，纯机械自动控制阀门就是一种不需要外部能量供应就可以实现自动控制调节的阀门，即无源控制阀门，纯机械控制阀门的研究始于上世纪八十年代，L.Ornstein教授设计了一种名为Irris-tat的阀门，这种阀门就属于一种纯机械自动控制阀门，其在农业节水灌溉中的应用较为广泛。当土壤中的水分含量达到预定值的时候，水分会进入到阀门，使得阀门内部凝胶膨胀，下压活塞，减小水管的截面积，从而实现对用水量的控制。而当土壤中水分含量低于预定值的时候，法门中的水分会回到土壤中，活塞失去下压力上移，水流量增大，从而实现对水流量的自动控制。自动控制阀门具有如下特点：①节约用水，节省时间；②安装简单，使用方便；③省电；④使用寿命长；⑤生产工艺简单，成本低，生产材料市场供给充足；⑥不需人工操作；⑦技术先进。由此观之，现有的自动控制阀门均应用到微电子线路以及诸如红外感应技术等。这些技术相对成本较高，对于一些投资较小的工厂来说不太适用。经查询资料，有关自动控制阀门的设计专利很多，原理及应用场合各异。

2纯机械自动控制阀门的设计

Irristat阀门的自动控制主要是通过水分平衡原理来实现的，借助真空压力表的读数，张力计能够对土壤水分情况进行监测，以监测结果为基础来实现对阀门的自动化控制。在整个控制过程中，张力计相当于一个土壤温度的传感器，Irristat阀门通过内部凝胶吸水膨胀及失水收缩来判断土壤中水分情况，从而通过阀门来实现对水流量的自动化控制，实现灌溉自动化，其不需要计算机和传感器，属于一种无源自动控制阀门，通过纯机械来实现阀门的自动化控制[2]。阀门结构主要包括控制元件、两个弹簧（一个缓冲弹簧即弹簧1，一个复位弹簧即弹簧2）、进水口以及两个出水口组成，通过弹簧1能够推动阀芯移动，当阀芯锥形面封堵进水口的时候，则阀门关闭，灌溉停止，通过阀门2可以推动阀芯反向移动，封住进水口的阀芯锥形面会慢慢后退，从而实现阀门入水口的逐渐开启，灌溉恢复。

3纯机械自动控制阀门的控制原理及控制单元设计

3.1阀门以及时间控制装置

阀门由5部分焊接而成，依次是手柄、阀门、连接用细杆、宽方杆、细方杆，其中，宽、细2方杆用于卡住计时用的销。传动销为折线形，材料为铁，其前端与连接在管件上的折线形的板上的孔配合。计时器为圆柱空腔，前端装有高磁性磁铁，用于吸引折线形销，在管件下方的细长管连通器内运动。

3.2工作原理

在折板与折线销之间固定有一根压缩的弹簧（图中画圈位置），使折线销顶住闸门。当需要进行计时放水时，提起闸门上的半圆环，使其带动闸门进行放水。抬到最高处时，闸门下端的粗长方体杆顶住管体，折线形销由于受到压缩弹簧的压力，陷入粗细长方形杆之间的台阶型槽内，此时会听到“铛”的一声，卡住闸门使其不掉落而关闭阀门，计时开始。同时，由于水流较快，水管前端已经充满水，此时可以认为，在一定范围内，水对管壁的压力处处相等，并且在瞬间充满连通器。由于水管与连通器的两端相连，并且两个联通口面积相等，所以可以认为在连通器细管中水流静止。这样就可以忽略由于海拔不同造成的水压偏差对计时准确性的影响。此时细管内充水，计时器同时受到浮力、自身重力以及管壁对其的摩擦阻力，通过设置使这3个变量控制计时器运动到细管后端的时间为5min，变量较为精确，可操控性较高。当计时器上升到最后端，计时器上的高磁性磁铁吸引折线形销，使其克服弹簧压力发生位移，从而释放闸门，计时结束，放水停止。之后细管内的水慢慢由下端的通空排出，计时器落到最下方，准备下一次计时。

3.3自动控制单元设计分析

通过上文中的分析可知，缓冲弹簧主要起到对阀芯的缓冲保护作用，复位弹簧主要起到开启阀门的作用，阀门自动化控制的核心为弹簧，下面对两种弹簧的参数设定和设计方法进行分析：

3.3.1弹簧参数设定

两种弹簧采用相同的参数，主要包括弹簧的内径、外径、中径、节间距、螺旋升角以及弹簧丝的直径。对于弹簧的旋转方向来说，如果没有特殊要求，一般选择右侧旋转。弹簧在不受压力的情况下，弹簧圈之间的间距应当为一定值，在受到压力的时候，弹簧会发生收缩变形。在设计的过程中应当考虑极限荷载的情况，应当保证弹簧圈之间在极限荷载作用下一定的间距。

3.3.2设计方法

在对弹簧进行设计的过程中，要保证其能够满足阀门正常使用的尺寸要求和圈数要求，同时要保证弹簧的稳定性和可靠性，这就涉及到弹簧刚度、稳定性以及强度的计算和确定。

（1）弹簧刚度计算

弹簧刚度需要满足阀门正常工作对弹簧变形量的要求，从而计算出弹簧的具体参数，在弹簧丝直径、弹簧材质相同的时候，增加弹簧的圈数，弹簧的刚度会变小，减少弹簧的圈数，弹簧的刚度会变大。

（2）弹簧强度计算

在本纯机械自动控制阀门设计中，所采用弹簧丝的升角在5度到9度之间，将升角设为a，则可以求出，a的正弦值约等于0，a的余弦值约等于1，以此可以求出弹簧截面应力的近似值：

在上式中，F代表剪力，c代表弹簧中径与弹簧丝直径的比值，即弹簧指数，d代表弹簧丝的直径，c值过大，则可能会对弹簧的稳定性带来不良影响，c值过小，则可能导致在卷绕的过程中弹簧丝出现弯曲，因此c值不宜过大也不宜过小，在本设计中c的取值范围为4-16。

（3）弹簧稳定性计算

弹簧侧向弯曲是弹簧不稳定的具体体现，弹簧本身的圈数较多，同时受到的压力较大的时候，会影响其稳定性，出现侧向弯曲，即如果弹簧的高径比超过上限，则会出现侧向弯曲。为了保证纯机械自动控制阀门中弹簧的稳定性，在弹簧两端的不同状态需要取不同的长细比值，如果弹簧两端都处于固定状态，则弹簧长细比的取值应当小于5.3，如果弹簧一端处于固定状态，另一端处于自由状态，则弹簧的长细比应当小于3.7，如果弹簧两端都处于自由状态，则弹簧的长细比应当小于2.6。

结语

综上所述，本文以前人研究理论为基础，设计了一种用于灌溉的纯机械自动控制阀门，并探讨了其具体的自动控制原理和设计方案，旨在为相关纯机械自动控制阀门的设计和开发提供参考。本文的研究也存在着一定的不足之处，在未来的研究中，应当着重对延长阀门寿命方面进行研究，以此来进一步推进纯机械自动控制阀门的应用和发展。

参考文献：

[1]寇正.纯机械自动控制阀门的设计及控制原理分析[J].内蒙古科技与经济，2012，（15）：82-83.

[2]孙东升.基于机械构建的自动控制阀门研究[J].机电信息，2014，（12）：106-107.

[3]邹旭东.机械构建的自动控制阀门探究[J].科技展望，2016，（12）：74.