機械自動控制閥門的設計及控制原理分析

陳飛龍

摘 要：閥門在管道系統或相關設備中應用較為廣泛，其在導流、節流、分流及控制方面占據優勢，這種控制閥門類型有多種，在閥門發展研究中，設計人員將先進的控制技術及控制理念應用其中，使閥門自動化控制力度更強，這種自動控制閥門最終會代替有源控制閥門，針對這種閥門設計，設計人員需要了解自動控制閥門內涵和作用原理，然后結合控制原理，保證設計質量。

關鍵詞：機械自動控制閥門;設計;控制原理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.008

自動控制閥門可以對流動介質的流入流出量進行控制，使其滿足管道運輸要求，滿足機械生產需求。在閥門自動化控制研究中，出現了一種純自動控制閥門，該閥門作用優勢更加顯著，甚至不需要傳感設備或外部能量的幫助。其屬于無源閥門，在閥門應用中，設計人員應基于閥門作用原理，研究閥門自動調節作用。如此才能設計出有益機械生產水平提升的閥門。本文主要針對機械自動控制閥門的設計及應用原理進行分析。

1 機械自動化控制閥門的設計

機械自動化控制閥門可以應用在農業灌溉區域，以Irristat閥門為基礎，設計相關的純機械自動化控制閥門，還需要掌握閥門控制作用原理。在設計中，農業中的土壤水分張力變化情況會成為閥門調節控制的判斷依據。水分平衡可以使閥門實現自動化控制[1]。其閥門結構如圖1所示：

在閥門控制結構中，控制單元屬于核心部分，其需要作用于緩沖彈簧和復位彈簧，來實現閥門開啟關閉控制。進出水口則是控制單元控制作用的表現點。在正式運行中，如果土壤水分過少，控制單元需要下達指令，使復位彈簧迅速復位，推動閥芯，使其遠離進水口，保證閥門的入水情況，使土壤灌溉要求得到滿足。如果土壤水分過多，緩沖彈簧會接收相關指令，正式啟動，推動閥芯，使進水口與閥芯重疊在一起，如此管道中的水便不能流出口。

2 機械自動化控制閥門的控制原理及控制單元設計

2.1 控制原理

彈簧推動閥芯，使進水口被堵塞、開啟，從而完成閥門操控。而彈簧主要將土壤水分含量作為操作依據。彈簧的操作過程便是閥門自動控制過程，在控制單元中，含有濕敏材料，該材料會直接探測土壤水分含量，含量不同，材料表現也不同，當水含量過多時，濕敏材料在吸水后，體積會變大，這會占用彈簧面積，對彈簧造成擠壓，所以彈簧會作用于閥芯上，使其啟動[2]。閥芯運行過程中會形成錐形面，該面在進出水口控制中發揮了重要作用。當進水口被堵塞后，閥門會自行關閉。緩沖彈簧可對閥門閥芯起到保護作用，使其不會受到膨脹濕敏材料的破壞。

2.2 自動控制單元設計

兩種彈簧在閥門自動化控制中發揮了主要作用，所以要將其作為核心元件進行重點設計，使緩沖彈簧發揮緩沖保護和關閉閥門作用，使復位彈簧發揮開啟作用。在自動控制單元具體設計中，需要完成以下兩方面設計工作。其一，參數的設定。彈簧這種控制元件有自己的性能參數，只有參數合格合理，彈簧才會發揮作用，使閥門實現自動控制。針對緩沖彈簧和復位彈簧，設計人員需要合理確定彈簧參數，使其滿足控制作用需求[3]。在設計中，主要對彈簧的內外尺寸、彈簧絲直徑及螺旋升角進行設計。彈簧在應用中，不僅會發生壓縮拉伸，還會出現旋轉，所以需要確定旋轉角度，針對閥門自動化控制要求，還要確定彈簧的旋轉方向。彈簧在發揮作用時，其本身會接收相關荷載，如果荷載過大，會對彈簧間距造成影響，設計人員還應設計極限荷載，使其不會影響彈簧圈間距。

其二，設計方法。在閥門自動化控制設計中，若要保證閥門一直有效，則需要使控制單元中的彈簧一直處于安全可靠狀態。彈簧的穩定性主要體現在彈簧參數上，設計人員需要控制彈簧參數，需要使彈簧更加穩定，如此彈簧才能滿足閥門需求。在可靠性設計中，應對彈簧的性能參數進行設計，使相關的剛度和強度等得到保證，如此其在承受荷載時才不會出現失效問題。在性能參數設計中，設計人員應確定其計算方法和設計方法。在彈簧剛度設計中，需要對剛度參數進行計算。在計算前，應創建穩定條件，如使彈簧材料及彈簧絲保持不變，對彈簧剛度進行研究，發現該參數與彈簧圈數有直接關系，兩者呈反相關關系。在實際應用中，設計人員應根據閥門自動控制要求，確定彈簧的變形量，該參數會決定彈簧圈數，如此彈簧剛度也可以被計算出來。彈簧變形量需要滿足閥門自動控制要求，而彈簧剛度則要滿足變形量要求。在彈簧強度計算中，需要確定彈簧絲的生角，需要使其正弦值和余弦值接近零和一。根據這些參數，可計算出彈簧的截面應力。該應力近似值計算中，需要涉及到剪應力、彈簧絲直徑、彈簧中徑等，彈簧中徑需要與彈簧絲作比值，該比值參數大小直接關系到彈簧的穩定可靠性，設計人員還要控制該比值，使其不會影響彈簧絲卷繞過程。在彈簧穩定性計算中，需要通過控制該參數來調控側向彎曲情況[4]。當彈簧穩定性得到保證后，即使彈簧所受壓力很大，其也不會影響彈簧使用效果。

3 結語

機械自動化控制閥門作用優勢主要來自控制單元，設計人員要重點設計該單元，使其自動調節能力和控制能力得到保證。自動控制單元應能及時探索到作用對象的運行情況，及時根據其運行需求，作出有效調控，使作用對象處于正常運行狀態。該種閥門可作用于不同的領域，設計人員還要結合不同行業作用需求，設計合理的自動控制閥門和控制單元。

參考文獻：

[1]徐戰衛.純機械自動控制閥門的設計及控制原理分析[J].世界有色金屬，2018（15）：227-228.

[2]張定三.純機械自動控制閥門的設計及控制原理探討[J].決策探索（中），2017（10）：69-70.

[3]寇正.純機械自動控制閥門的設計及控制原理分析[J].內蒙古科技與經濟，2016（15）：82-83.

[4]方世明.純機械自動控制閥門的設計及控制原理分析[J].建筑工程技術與設計，2017（13）：56-57.