纯机械自动控制阀门的设计与控制原理探讨

纯机械自动控制阀门的设计与控制原理探讨

施宇期1,  ,罗宇敏2

浙江三方控制阀股份有限公司  311400

摘要：在流体类型的系统中，阀门装置发挥着重要的作用，阀门的合理运用可以有效地控制流体的流量、流体的方向与流体的压力。针对现今的研究情况来看，国内外关于纯机械的自动控制阀门的有关研究不多，市面上高效的纯机械自动控制阀门也不是很多。但此类控制阀门在实际应用中不仅简单方便，自动化程度也比较高，并且成本极低。针对这种情况，文章基于纯机械自动控制阀门的概述，探讨了一种创新的纯机械自动控制阀门设计，并对该阀门的设计方案与控制原理进行了全面阐述，希望能够为纯机械自动控制阀门的相关研究和运用提供一定的参考和借鉴。

关键词：纯机械；自动控制阀门；设计方案；控制原理

针对现今的自动控制阀门而言，与其有关的研究多数都侧重在有电源提供的控制，而关于无电源供应的控制研究却比较少。这里所指的无电源控制阀门主要指不必用外部供应能量就可以实现对阀门的自动控制与调节的目的。无源控制阀门就是本文要研究的纯机械自动控制阀门，其具有自动化程度高、节能效果显著、应用便利、制造工艺简单等优势。所以，文章围绕纯机械自动控制阀门的设计与控制原理展开了分析和研究。

1、纯机械自动控制阀门综述

针对阀门的实质而言，纯机械自动控制阀门属于一种不必借助外来能量的供应就能够达到自动调节与控制的阀门，也就是常说的无源控制阀门。针对纯机械控制阀门的相关研究初始于20世纪80年代，

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.奥恩斯坦教授研究出了一种被称为Irristat的阀门，此类阀门被归于纯机械自动控制阀门一类，其被广泛的用在农业生产中的节水灌溉中[1]。

2、纯机械自动控制阀门的设计方案分析

本次研究主要以名为Irristat的阀门为起始点，将土壤中的水分张力当成本设计方案的设计原理。该阀门自动控制目标的实现主要是利用水分平衡的原理来完成的，利用真空压力表的读数，土壤张力计可以有效监测土壤中的含水情况，凭借监测获取的结果来完成对阀门的自动化控制目标[2]。在控制的全过程中，土壤张力计类似于土壤温度的传感器，Irristat阀门凭借内部存在的凝胶吸水膨胀与失水收缩来预判土壤中的含水情况，以此利用阀门来自动控制水的流量，实现农业生产灌溉的自动化目标。在这一过程中，无需利用计算机与传感器装置，是一种纯无源自动控制阀门，利用纯机械来完成阀门的自动化控制目标。本次研究的纯机械自动控制阀门结构设计方案如图一所示：

图一 纯机械自动控制阀门结构图

该自动控制阀门装置的组成结构主要涉及1个控制元件、2个弹簧、1个入水口与2个出水口，其中，弹簧1属于缓冲弹簧，弹簧2属于复位弹簧，利用缓冲弹簧可以推动阀门内阀芯的向前移动，在阀芯的锥形面将入水口封堵的时，阀门就会关闭，此时灌溉停止；利用复位弹簧能够推动阀门内的阀芯向后移动，促使封堵住入水口的阀芯锥形面缓缓后退，由此实现阀门进水口的缓缓开启，灌溉逐渐恢复。

3、纯机械自动控制阀门的控制原理与控制模块分析

3.1控制原理

本次研究设计的纯机械自动控制阀门装置的控制原理具体如下：

纯机械自动控制阀门中的自动控制单元内装有湿敏材料，此类材料直接同土壤接触。当土壤内含有的水量逐渐增加时，这种湿敏材料就会出现吸水膨胀作用，以此将作用力施加给弹簧1，弹簧1在膨胀压力的作用下会逐渐移动，从而促使弹簧2与阀门内的阀芯进行运动。阀门内的阀芯在运动的过程中，阀芯的锥形面会慢慢将入水口封堵，实现阀门的自动化关闭，此时灌溉停止。 

3.2自动控制模块设计

综合上述的分析显示，缓冲弹簧主要发挥的作用是缓冲保护阀芯，而复位弹簧发挥的作用是控制阀门的开启，纯机械自动控制阀门的自动控制核心就是弹簧，接下来文章将会对缓冲弹簧与复位弹簧的参数设定与设计方式展开分析。

第一，缓冲弹簧与复位弹簧的参数设定。二者应用的参数相同，主要涉及：弹簧的内、外、中直径，节间距，螺旋升角与弹簧丝的直径。针对两类弹簧的旋转方向而言，若不存在特殊要求，通常是顺时针旋转（向右）[2]。弹簧在不受力的条件下，每个弹簧圈之间的距离应该保持一个固定值，在被施加作用力时，弹簧就会出现收缩变形的情况。

第二，缓冲弹簧与复位弹簧设计。在对两种弹簧展开设计时，应确保其设计的参数满足阀门常规使用时的尺与圈数要求，并保证两种弹簧的安全性和稳定性，这就要计算与确定弹簧的刚度、强度与稳定性。

首先，精准计算弹簧的刚度。两种弹簧的刚度相同，都要符合阀门常规运行中对弹簧变形量的要求，由此精准的计算出弹簧的实际参数，在弹簧丝直径与弹簧材质一致时，如果增加弹簧的圈数，那么其刚度就会减小，如果将弹簧的圈数减少，就会增加弹簧的刚度。

其次，计算弹簧的强度。在本次设计中，所选择的弹簧丝的升角大约在5到9度范围内，假定升角的角度为m，那么就能够计算出：m的正弦值大约为0，余弦值大约为1，如此就能够计算获得弹簧的截面应力大概值：

。

其中，表示剪力，表示弹簧的中直径和弹簧丝直径的比值，也就是弹簧指数，表示弹簧丝的直径，如果弹簧的中直径和弹簧丝直径的比值过大，就极易降低弹簧的稳定性；如果弹簧的中直径和弹簧丝直径的比值过小，就极易致使其在卷绕中发生弹簧丝弯曲的情况，所以，弹簧的中直径和弹簧丝直径的比值，不能太大，也不能太小，在此次阀门的设计中，该比值的取值区间为4到16。

最后，计算弹簧的稳定性。弹簧存在的不稳定性主要体现在其侧向弯曲上。弹簧的圈数较多，被施加的力较大时，其稳定性就会受到影响，发生侧向弯曲现象，也就是弹簧的高径比高于上限，就会发生上述现象[4]。为确保本次设计的阀门装置中弹簧的稳定性，弹簧的两端要针对不同状态设置不同长细比，若处在固定状态，那么长细比值不超过5.3；若一端为固定状态，一端为自由状态，那么长细比值不超过3.7；若两端均为自由状态，那么长细比值不超过2.6。

4、结束语

总而言之，本次研究总结了以往的研究经验，并以此为基础，提出了一种用在农业生产灌溉方面的纯机械自动控制阀门，并对阀门的自动控制原理与设计方案展开了分析，希望能够为今后的纯机械自动控制阀门的应用和研究提供一定借鉴。但不可忽视的是，本次研究也有一定的缺点存在，即阀门的使用寿命等方面，所以未来针对纯机械自动控制阀门的研究可以此来展开。

参考文献：

[1]张宇涵[1].纯机械自动控制阀门的设计及控制原理分析[J].科学与信息化,2019(03):65-66.

[2]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(05):252-253.

[3]徐战卫.纯机械自动控制阀门的设计及控制原理分析[J].世界有色金属,2018(15):172-172.