純機械自動控制閥門的設計及控制原理分析

徐戰衛

（黑龍江省大慶石油化工機械廠有限公司，黑龍江 大慶 163000）

目前對自動閥門的研究大多數是有源控制，事實上無源控制的能夠進行自動調節，是一種純機械自動控制的閥門，它的應用和操作靈活、簡單且方便，所以，加大對純機械自動控制閥門的研究具有重要意義，基于此，本文對純機械自動控制閥門的設計及控制原理進行主要分析。

1 自動控制閥門的簡單概述

自動控制閥門簡單來說就是不需要人進行控制，可以自動實現對流體的控制，包括流體的量和流體的方向等，對自動控制閥門進行分析，需要了解它的特點，主要包括：自動控制操作簡單，靈活方便并且便于使用；使用周期長，不易被損壞，在一定程度上降低企業對機械的投入成本，自動化的機械控制是一種先進的生產工藝，采用了先進的技術。自動控制閥門對有需要的大企業來說是非常值得應用的，目前對它的普遍應用主要是微電子路，對于這一技術來說投入成本較多，所以一些小的企業如果資金較少還是不建議使用的，關于自動控制閥門的設計目前還是比較廣泛的，并且對它的應用也各不相同，但是純機械自動閥門生產成本較低，并且應用效率高，是一種實用的裝置。通過對純機械自動閥門的應用實現對水量的控制，原理就是土壤中的水分達到預定值，此時水分會進入閥門，閥門因為水分的進入會凝膠膨脹，下壓活塞之后實現對水管截面積的減小，然后一段時間之后土壤中的水分會小于預定值，閥門中的水分會重新釋放到土壤中，閥門內壓力減小，活塞上移，水流量變大，這就是閥門的自動控制。

2 純機械自動控制閥門的零件設計

2.1 閥門的設計

首先介紹一種用于控制生產用水的純機械自動控制閥門，該種設計的出水時間是5分鐘，5分鐘之后閥門會自動關閉，如果需要再次使用，則需要人為操作即可。管道的出水口處設置一個細長管形連通器，同時，在空腔中有一個固定關閉閥門的細長方形槽，下端有一個連接閥門和計時裝置的圓柱形孔，每一個裝置都有獨特的作用，并且在閥門的安裝中缺一不可。

2.2 閥門和時間控制裝置

閥門是由五個部分組成的，這五個部分是通過焊接連在一起，其中有兩個方桿為寬方桿和細方桿，寬方桿和細方桿的作用是卡住計時時用的銷，另外幾個組成部分是手柄、閥門、細桿，其中細桿、寬方桿和細方桿都起到鏈接的作用。

2.3 工作原理

當裝置是在計時將要開始的情況下，這是會有一根彈簧用于折板和折現之間進行固定壓縮的，從而使閘門被折現銷控制住，然后如果需要進行放水。在半圓環到達最高的時候，管體會被閘門下方的粗長方體桿頂住，這時壓縮彈簧會對折線形銷進行加壓，這時折線形銷會進入到粗細長方形桿之間的臺階型槽內，然后計時就可以正式開始，計時開始的標志是會出現一聲響，然后閘門被卡住并且保證不會掉落，閥門被關閉，計時也就正式開始了。

計時開始之后水流的速度還是比較快的，水管前段也會被水快速填滿，這時候可以水對管壁的壓力看做每一處都是相等的，而水管和連通器是連接在一起的。

為了使計時更加準確，可以設置3個變量，保證計時器到細管后端的運動時間為5分鐘，當計時器達到最后端時，高磁性磁鐵在壓力之下發生移動，此時計時停止，閘門被釋放，放水也在此時結束。細管中的水也會被慢慢排出，計時器回到原來的位置，方便下一次的計時。

3 純機械自動控制閥門的控制原理和控制單元設計

3.1 純機械自動控制閥門的控制原理分析

對純機械自動控制閥門的控制原理進行分析有利于了解閥門的操作，對閥門的應用和設計都具有重要意義。純機械自動控制閥門中的自動控制元件材料有一種叫濕敏材料，濕敏材料對水是比較敏感的，也就是如果土壤中的含水量特別大，水分還在增多的過程中，此時濕敏材料會吸收土壤中的水分，產生膨脹，進而對彈簧的緩沖形成一種壓力，這時緩沖彈簧會使復位彈簧發生移動，閥芯也會因此發生運動，閥芯在運動的過程中錐形面會把進水口封住，從而使閥門關閉，放水結束，灌溉也在此時停止。濕敏材料在吸收水分之后會變得比較膨脹，對膨脹量的大小要注意控制，因為如果濕敏材料的膨脹量過大會對閥芯造成損壞，當閥芯承受的壓力較大時，緩沖彈簧會對壓力進行一定程度上的緩沖，減小閥芯的壓力，保護閥芯不受損壞。

3.2 控制單元設計分析

通過上述分析可以知道緩沖彈簧可以保護閥芯，使閥芯受到的壓力減到最小，而復位彈簧主要是開啟閥門，接下來本文主要對彈簧的相關參數和設計方法進行分析。

3.2.1 彈簧參數設定

緩沖彈簧和復位彈簧的參數選擇都是一樣的，參數設定的范圍包括彈簧的內徑、外徑、中徑還有節間距等，一般彈簧的旋轉方向是向右旋轉，當彈簧沒有受到外界壓力時，彈簧圈之間的間距是一定的，當彈簧受到壓力時會發生變形，但是，在彈簧的設計過程中一定要注意它的荷載程度，在極限荷載的情況下彈簧間間距的范圍。

3.2.2 設計方法

彈簧的設計，一方面彈簧的設計要保證能和閥門的正常使用相契合，另一方面彈簧本身也要具有一定的穩定性和強度。

（1）彈簧剛度計算。彈簧的剛度主要是針對彈簧的變形量來確定的，即閥門在正常工作的過程中彈簧應該具備的最大程度的變形量，從而確定最終彈簧的參數，一般來說，如果制造彈簧的材料相同，并且彈簧的直徑大小也相同，如果增加彈簧的圈數彈簧的剛度會變小，如果減少彈簧的圈數，彈簧的剛度會變大。

（2）彈簧穩定性計算。彈簧不穩定的表現就是出現彎曲的現象，一般影響彈簧穩定性大小的是彈簧的圈數，如果彈簧的圈數過多，那么彈簧在承受的壓力較大時容易出現側向彎曲，如果彈簧兩端都在固定的情況下，彈簧的長細比值應該在5.3一下，如果彈簧兩端都在自由的狀態下，彈簧的長細比值應該小于2.6，如果彈簧一段固定，另外一端是在自由狀態下，那么彈簧的長細比值應該在3.7以下，控制好彈簧的長細比值對彈簧的穩定性具有重要作用。

4 結語

綜上所述，對純機械自動閥門的研究具有重要意義，本文主要從自動閥門的概念入手，逐步對純機械自動化閥門的零件設計以及控制原理進行深入研究，希望可以為純機械自動閥門的應用提供參考。