基于機械構建的自動控制閥門研究

孫東升

（鹽城師范學院，江蘇 鹽城 224051）

1 閥門概述

閥門是流體系統中不可或缺的重要組成部分之一，其主要作用是控制流體的流動方向、壓力和流量。簡單來講，閥門就是管路流體輸送系統中的控制部件，具有導流、節流、分流、溢流卸壓、截止等功能。目前，應用于流體控制的閥門種類非常多，既有結構比較簡單的截止閥，也有復雜的自動控制系統中所用的閥門。通常情況下，能夠被閥門控制的介質基本上都具備流體的性質，如水、蒸汽、油、泥漿、液態金屬、腐蝕性介質、放射性流體等。閥門的控制方式也相對較多，如最常見的手動控制、電動控制、電磁控制、液動控制、氣動控制。同時，也可以在壓力、溫度或其他傳感信號的作用下，根據預先設定的要求自行動作。此外，還有一些不依賴傳感信號也能進行簡單開、關的閥門。按照閥門的作用以及用途的不同，大體上可將其分為：（1）截斷類閥門。如截止閥、球閥、閘閥等，最主要的作用是接通或是截斷管路中流動的介質。（2）真空類閥門。如真空球閥、真空擋板閥、真空充氣閥等，基本上都是在真空系統中應用，最主要的作用是改變氣流的流動方向，調節氣流量的大小，連通或是切斷管路的真空系統元件等。（3）特殊類閥門。這類閥門大多數都是一些用途比較特殊的閥門，如排氣閥、清管閥、排污閥等，其中排氣閥是管道系統中的重要組成部分，并被廣泛應用于給排水、鍋爐、空調、石油天然氣等管道中。

2 純機械無源控制閥門的研究現狀

目前，對自動控制閥門的研究一般都是基于有源控制，與之相關的文獻也相對較多，但是基于純機械的自動控制閥門的研究卻較少。所謂純機械自動控制閥門實質上就是無源控制閥門，即不需要外部供應能量實現自動調節的閥門。

20世紀80年代，美國華盛頓州立大學的L.Ornstein教授設計了一種無源控制閥門，該閥門當時被命名為Irristat閥門。此閥門主要是應用于農業的節水灌溉中，原理為：當土壤中的水分大于預定值時，水分便會經由親水物質進入到閥門內部，此時閥門內部的凝膠遇水之后便會發生膨脹，將活塞下壓，這樣水管的截面積就會減小，從而達到控制灌溉用水量的目的；當土壤含水量降低時，凝膠中的水分便會重新進入到土壤內，此時凝膠的體積會有所減小，活塞便會上移，水管的截面積增大，水流量也會隨之增大。這種閥門的開啟壓力為150 kPa左右。自其設計出來后，經過大量的試驗論證，其在節水灌溉方面具有良好的效果。該閥門的優點是能夠精確控制水量，有效減少水資源的浪費，且能節省設備成本，實現無源自動控制。但由于種種原因，該閥門并沒有獲得推廣使用。為此，本文在現有研究的基礎上設計一種新型的自動控制節水閥門，下面就此展開詳細論述。

3 基于機械構建的自動控制閥門設計及控制研究

3.1 設計思路

本文所提出的無源控制節水閥門的結構設計以Irristat閥門和土壤水分張力計作為基礎。由土壤水分張力計和Irristat閥門的基本工作原理可知，它們全都是利用水分的平衡原理對灌溉進行控制，其中，張力計主要是憑借真空壓力表的讀數對土壤墑情進行監測，并以此為依據指導灌溉。從本質上講，張力計的作用與土壤溫度傳感器幾乎相同，而Irristat閥門是通過特殊材料的吸水膨脹與失水收縮來對土壤墑情進行監測，從而實現自動灌溉的目的。這種閥門本身兼具傳感器、自動開關以及滴灌的功能，是一種節能、低成本、高自動化的節水設備。其最大特點是不需要計算機和傳感器，閥門的自動控制全部是通過機械操控來實現的。

3.2 自動控制閥門的結構

自動控制閥門的整體結構如圖1所示。

圖1 自動控制閥門的結構簡圖

由圖1可知，彈簧1可以推動閥芯向前移動，直至閥芯端部的錐形面完全封住進水口，灌溉便會停止；在彈簧2的作用下閥芯會發生移動，此時原本封住進水口的錐形面會向后退，在這一過程中，出水口便會逐步打開，從而恢復灌溉。

3.3 自動控制單元設計要點

無源控制閥門主要包括復位彈簧、緩沖彈簧2個圓柱螺旋壓縮彈簧。其工作原理為：在增加土壤含水率的情況下，控制元件中與土壤接觸的濕敏材料會在土壤中吸入水分、產生膨脹，在材料膨脹的作用下，推動緩沖彈簧移動，緩沖彈簧又會推動復位彈簧和閥芯運動，一直到閥芯的錐面將進水口堵住，便自動停止灌溉。緩沖彈簧在無源控制閥門工作過程中，能在濕敏材料膨脹量大于閥芯堵塞進水口移動量時起到重要的緩沖作用，有效避免閥芯錐形頭受過大壓力而損壞。濕敏材料的水分會隨著灌溉后土壤水分的蒸發而減少，在水分不斷減少的情況下，其體積逐步收縮回原來狀態，此時復位彈簧可促使閥芯向下移動，使錐形頭開啟，進行再次灌溉。由于緩沖彈簧起緩沖保護的作用，復位彈簧起控制閥門開啟的作用，所以下面根據以往的試驗數據設計復位彈簧、緩沖彈簧，并對其采用相同的參數。在該閥門中，彈簧的設計是重點，下面對其主要參數和設計方法進行論述：

（1）壓縮彈簧參數的確定。在本次設計中，壓縮彈簧的主要參數包括：彈簧絲的直徑d，彈簧圈的外徑D2、內徑D1、中徑D，彈簧的節間距t以及螺旋升角α。彈簧的旋轉方向既可以是左側旋轉也可以是右側旋轉。若沒有特殊要求，通常應采用右旋轉。在不受力的情況下，彈簧圈之間應當由適當的間距δ，這樣當彈簧受到來自外界的壓力時，便會產生變形。此外，在設計的過程中還應考慮在極限載荷的作用下，彈簧圈之間應保留一定的間距δ1。彈簧的2個端面圈應當與鄰圈并緊，這樣端面便只能起支撐作用，而不會參與變形。

（2）設計方法。對壓縮彈簧進行設計，最終目的是要確定出能夠滿足閥門使用要求的彈簧尺寸和圈數，并且還應使設計出來的彈簧穩定可靠。為此，應當對彈簧的強度、剛度和穩定性分別進行計算。

1）彈簧強度的計算。因為本次設計中的彈簧絲具有升角α，它的取值一般為5°～9°，由此可知，sinα≈0；cosα≈1，則截面上的應力可近似取：（1＋2c）。其中，F 為剪力；C＝D／d，即彈簧指數，也稱旋轉比。為了確保彈簧自身的穩定性，C值不宜過大；但是為了防止卷繞時彈簧絲彎曲，C值也不可過小。在本次設計中，C值的范圍可取4～16。

2）彈簧剛度的計算。對壓縮彈簧的剛度進行計算的最終目的是為了求出滿足變形量要求的彈簧圈數。由材料力學理論可知，當彈簧絲的直徑相等、材質相同時，彈簧本身的圈數越少，其剛度就越大；反之，剛度就越小。

3）彈簧的穩定性計算。通常情況下，作用在壓縮彈簧上的載荷過大或彈簧本身的圈數較多，即彈簧的高徑比超限時，便會導致彈簧出現過大的側向彎曲，這樣其穩定性便會大幅降低。因此，為了進一步確保壓縮彈簧的穩定性，在彈簧兩端為固定狀態時，可取壓縮彈簧的長細比b≤5.3；如果彈簧只有一端固定，而另一端為自由狀態時，則可取b≤3.7；當彈簧兩端全部為自由狀態時，可取b≤2.6。

4 結語

本文從機械構建的角度設計了一種無源控制閥門，其現已在國內部分節水灌溉工程中獲得了應用，起到了一定的節水、節能效果。由于該閥門不需要配置計算機、傳感器等設備來進行控制，故整體投資成本大幅降低。在未來一段時期，應重點加大對延長該閥門使用壽命方面的研究力度，這樣才能進一步推動其大范圍推廣應用。

［1］裘葉琴.淺析閥門設計領域中的知識構成問題［J］.科技創新導報，2010（22）

［2］金維增.低溫閥門閥蓋頸部溫度場分析與結構設計［D］.蘭州理工大學，2012