純機械自動控制閥門的設(shè)計及控制原理分析

薛學良

摘 要：閥門是機械正常運行中的一個重要組成裝置，同時作為流體系統(tǒng)中的一個重要組成部分，對流體的控制發(fā)揮著重要的作用，如控制流體的流向、壓力以及流量。純機械自動控制閥門相較于其它的控制閥門具有明顯優(yōu)勢，如自動化程度高，成本較低，使用靈活方便，但是目前對純機械自動控制閥門設(shè)計和控制原理的研究分析還存在諸多不足，市場上有的純機械自動控制閥門大部分還不夠成熟。基于此，本文基于純機械自動控制閥門，分析了其設(shè)計和控制原理，以期為其研究和使用提供參考。

關(guān)鍵詞：純機械;自動控制閥門;設(shè)計及控制原理

目前對于自動控制閥門的研究大多集中于有源控制，而無源控制其實才是能夠進行自動調(diào)節(jié)，應(yīng)該需要加強研究的。無源控制閥門就是純機械自動控制閥門，它不僅具有一般自動控制閥門的優(yōu)勢特點，能夠有效控制流體介質(zhì)的流動方向和流量，滿足機械生產(chǎn)和管道運輸?shù)囊螅€具有較自動控制閥門更為顯著的優(yōu)勢，如在自動調(diào)節(jié)方面自動化程度更高，在自動控制的過程中不需要借助外部的能量或是任何傳感設(shè)備的幫助，在應(yīng)用方面更加靈活方便其節(jié)能效果俱佳。基于此，對于閥門的設(shè)計，需要在閥門作用原理的基礎(chǔ)上，提高其自動調(diào)節(jié)水平，本文主要是對純機械自動控制閥門的設(shè)計及控制原理進行了有效的分析。

1 純機械自動控制閥門概述

就本質(zhì)而言純機械自動控制閥門屬于無源控制閥門，在自動控制調(diào)節(jié)方面可以不用借助外部能量來實現(xiàn)在20世紀80年代就已經(jīng)開始了對純機械自動控制閥門的研究，其一直較為廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉中，農(nóng)業(yè)灌溉水量的控制是通過純機械自動控制閥門的應(yīng)用來實現(xiàn)的，其控制原理是當灌溉使得土壤中的水分達到一個限定值時，水分就會自動進入到閥門中，閥門的內(nèi)部會由于水分的進入而產(chǎn)生的凝膠膨脹，從而下壓到活塞，使得出水水管的截面面積減小，從而達到控制灌溉水量的目的。同時當土壤中含有的水分值低于了設(shè)定的需要量，閥門中的水就會回流到土壤中，閥門內(nèi)部的壓力變小情況下使得活塞下移，從而使得水流截面面積變大，水流量變大，這樣一來就實現(xiàn)了對灌溉水量的有效控制。

2 純機械自動控制閥門的設(shè)計分析

本文介紹一種可以控制生產(chǎn)用水的純機械自動控制閥門，它的設(shè)計原理為土壤水分張力。水分平衡的原理有助于閥門自動控制的實現(xiàn)，通過真空壓力表和張力計的應(yīng)用能夠有效監(jiān)測出土壤的水分情況，基于監(jiān)測結(jié)果來促進閥門控制的自動化。在水量的自動化控制過程中，張力計起著溫度傳感器的作用，通過閥門內(nèi)部的凝膠膨脹和失水收縮狀態(tài)可以判斷出土壤中水分的具體情況，是高于預(yù)估值還是低于預(yù)估值，在此基礎(chǔ)上通過純機械自動控制閥門能夠有效控制灌溉出水水流量，提高灌溉水量控制的自動化程度，在此過程中不需要借助任何外部的能量和傳感器，完全是一種無源自動控制閥門。

在結(jié)構(gòu)上純機械自動控制閥門主要包括四個部分，即彈簧、控制元件、進水口和出水口，其中彈簧包括緩沖彈簧和復(fù)位彈簧。通過緩沖彈簧能夠使閥芯移動至封堵進水口的狀態(tài)，從而達到關(guān)閉閥門，停止灌溉的目的。通過復(fù)位彈簧則能夠使閥芯反向移動，閥芯錐形面后移而達到開放閥門，恢復(fù)灌溉的目的。

3 純機械自動控制閥門的控制原理分析及控制單元設(shè)計

3.1 控制原理分析

純機械自動控制閥門對水量的控制主要是通過閥門中的一種濕敏材料來實現(xiàn)的，它是一種自動控制元件材料，這種材料對水極其敏感，當土壤中的水分含量增多超過預(yù)估值時，濕敏材料與土壤的直接接觸就能夠發(fā)揮作用，吸收土壤中的水分從而使其自身產(chǎn)生膨脹，這就會對緩沖彈簧造成一種壓力，從而推動復(fù)位彈簧和閥芯產(chǎn)生位移，閥芯經(jīng)過移動使其錐形截面堵住進水口，從而使閥門自動關(guān)閉而停止灌溉。但需要注意的是濕敏材料吸水而產(chǎn)生黨的膨脹程度應(yīng)當加以控制，若是濕敏材料的膨脹過于嚴重，則很可能使閥芯受到損壞，緩沖彈簧的存在就會在閥芯遇到巨大壓力時發(fā)揮一個緩沖作用，從而達到保護閥芯的目的。

3.2 控制單元設(shè)計分析

純機械自動控制閥門的核心構(gòu)成部分在于彈簧，緩沖彈簧能夠?qū)﹂y芯發(fā)揮緩沖保護作用，復(fù)位彈簧則能夠開啟閥門，這就需要對兩種彈簧的設(shè)計和各項參數(shù)進行簡單的分析。

首先對于彈簧的參數(shù)設(shè)定，不管是緩沖還是復(fù)位彈簧所設(shè)定的參數(shù)是相同的的，都有彈簧的內(nèi)外徑、中徑、節(jié)間距及彈簧絲直徑等。就旋轉(zhuǎn)方向而言，彈簧的旋轉(zhuǎn)方向多為向右。彈簧在不同壓力情況下的狀態(tài)是不同的，當在沒有壓力的情況下，彈簧圈之間是存在一定間距的，當彈簧受到壓力，則會收縮變形。基于此，在彈簧設(shè)計的過程中需要考慮到彈簧的荷載力度，在極限荷載作用下，彈簧圈應(yīng)當保持一個穩(wěn)定的間距值。

其次，對于彈簧的設(shè)計方法，在彈簧設(shè)計過程中一方面要確保彈簧的穩(wěn)定性和可靠性，這就需要精確地計算中彈簧的強度和剛度，另一方面要使設(shè)計出的彈簧能夠滿足閥門使用的要求，達到自動控制的目的。一是彈簧剛度的計算，這需要根據(jù)閥門在正常使用情況下彈簧的變形程度的要求來計算，從而確定彈簧的參數(shù)。在彈簧的制作材料和直徑大小一致的情況下，彈簧的圈數(shù)越大，剛度就越小，反之，剛度就越大。二是彈簧穩(wěn)定性的計算，彈簧的穩(wěn)定性能主要是受彈簧圈數(shù)大小的影響，若是彈簧的圈數(shù)過多，則會使得其在承受壓力大的情況下出現(xiàn)側(cè)向彎曲現(xiàn)象，因此彈簧的高徑比不能超過上限。為了確保彈簧的穩(wěn)定性能，在設(shè)計中需要考慮彈簧兩端的不同狀況，若是彈簧兩端都處于固定狀態(tài)，則彈簧的長細比值應(yīng)當?shù)陀?.3，若是彈簧兩端不是同時處于固定或是不固定狀態(tài)，長細比值則應(yīng)當?shù)陀?.7，若是兩端都處于非固定狀態(tài)，則彈簧的長細比值應(yīng)當?shù)陀?.6。

4 結(jié)束語

總之，純機械自動控制閥門的研究分析對于其實際應(yīng)用發(fā)揮著重要的作用。本文即是基于純機械自動控制閥門的概述，分析了其包括構(gòu)成部分在內(nèi)的設(shè)計，并研究分析了其控制原理和控制單元的設(shè)計，以期推動純機械自動控制閥門的生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展。

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