基于机械构建的自动控制阀门研究

2014-03-06孙东升

机电信息 2014年12期

孙东升

（盐城师范学院，江苏盐城 224051）

1 阀门概述

阀门是流体系统中不可或缺的重要组成部分之一，其主要作用是控制流体的流动方向、压力和流量。简单来讲，阀门就是管路流体输送系统中的控制部件，具有导流、节流、分流、溢流卸压、截止等功能。目前，应用于流体控制的阀门种类非常多，既有结构比较简单的截止阀，也有复杂的自动控制系统中所用的阀门。通常情况下，能够被阀门控制的介质基本上都具备流体的性质，如水、蒸汽、油、泥浆、液态金属、腐蚀性介质、放射性流体等。阀门的控制方式也相对较多，如最常见的手动控制、电动控制、电磁控制、液动控制、气动控制。同时，也可以在压力、温度或其他传感信号的作用下，根据预先设定的要求自行动作。此外，还有一些不依赖传感信号也能进行简单开、关的阀门。按照阀门的作用以及用途的不同，大体上可将其分为：（1）截断类阀门。如截止阀、球阀、闸阀等，最主要的作用是接通或是截断管路中流动的介质。（2）真空类阀门。如真空球阀、真空挡板阀、真空充气阀等，基本上都是在真空系统中应用，最主要的作用是改变气流的流动方向，调节气流量的大小，连通或是切断管路的真空系统元件等。（3）特殊类阀门。这类阀门大多数都是一些用途比较特殊的阀门，如排气阀、清管阀、排污阀等，其中排气阀是管道系统中的重要组成部分，并被广泛应用于给排水、锅炉、空调、石油天然气等管道中。

2 纯机械无源控制阀门的研究现状

目前，对自动控制阀门的研究一般都是基于有源控制，与之相关的文献也相对较多，但是基于纯机械的自动控制阀门的研究却较少。所谓纯机械自动控制阀门实质上就是无源控制阀门，即不需要外部供应能量实现自动调节的阀门。

20世纪80年代，美国华盛顿州立大学的L.Ornstein教授设计了一种无源控制阀门，该阀门当时被命名为Irristat阀门。此阀门主要是应用于农业的节水灌溉中，原理为：当土壤中的水分大于预定值时，水分便会经由亲水物质进入到阀门内部，此时阀门内部的凝胶遇水之后便会发生膨胀，将活塞下压，这样水管的截面积就会减小，从而达到控制灌溉用水量的目的；当土壤含水量降低时，凝胶中的水分便会重新进入到土壤内，此时凝胶的体积会有所减小，活塞便会上移，水管的截面积增大，水流量也会随之增大。这种阀门的开启压力为150 kPa左右。自其设计出来后，经过大量的试验论证，其在节水灌溉方面具有良好的效果。该阀门的优点是能够精确控制水量，有效减少水资源的浪费，且能节省设备成本，实现无源自动控制。但由于种种原因，该阀门并没有获得推广使用。为此，本文在现有研究的基础上设计一种新型的自动控制节水阀门，下面就此展开详细论述。

3 基于机械构建的自动控制阀门设计及控制研究

3.1 设计思路

本文所提出的无源控制节水阀门的结构设计以Irristat阀门和土壤水分张力计作为基础。由土壤水分张力计和Irristat阀门的基本工作原理可知，它们全都是利用水分的平衡原理对灌溉进行控制，其中，张力计主要是凭借真空压力表的读数对土壤墒情进行监测，并以此为依据指导灌溉。从本质上讲，张力计的作用与土壤温度传感器几乎相同，而Irristat阀门是通过特殊材料的吸水膨胀与失水收缩来对土壤墒情进行监测，从而实现自动灌溉的目的。这种阀门本身兼具传感器、自动开关以及滴灌的功能，是一种节能、低成本、高自动化的节水设备。其最大特点是不需要计算机和传感器，阀门的自动控制全部是通过机械操控来实现的。

3.2 自动控制阀门的结构

自动控制阀门的整体结构如图1所示。

图1 自动控制阀门的结构简图

由图1可知，弹簧1可以推动阀芯向前移动，直至阀芯端部的锥形面完全封住进水口，灌溉便会停止；在弹簧2的作用下阀芯会发生移动，此时原本封住进水口的锥形面会向后退，在这一过程中，出水口便会逐步打开，从而恢复灌溉。

3.3 自动控制单元设计要点

无源控制阀门主要包括复位弹簧、缓冲弹簧2个圆柱螺旋压缩弹簧。其工作原理为：在增加土壤含水率的情况下，控制元件中与土壤接触的湿敏材料会在土壤中吸入水分、产生膨胀，在材料膨胀的作用下，推动缓冲弹簧移动，缓冲弹簧又会推动复位弹簧和阀芯运动，一直到阀芯的锥面将进水口堵住，便自动停止灌溉。缓冲弹簧在无源控制阀门工作过程中，能在湿敏材料膨胀量大于阀芯堵塞进水口移动量时起到重要的缓冲作用，有效避免阀芯锥形头受过大压力而损坏。湿敏材料的水分会随着灌溉后土壤水分的蒸发而减少，在水分不断减少的情况下，其体积逐步收缩回原来状态，此时复位弹簧可促使阀芯向下移动，使锥形头开启，进行再次灌溉。由于缓冲弹簧起缓冲保护的作用，复位弹簧起控制阀门开启的作用，所以下面根据以往的试验数据设计复位弹簧、缓冲弹簧，并对其采用相同的参数。在该阀门中，弹簧的设计是重点，下面对其主要参数和设计方法进行论述：

（1）压缩弹簧参数的确定。在本次设计中，压缩弹簧的主要参数包括：弹簧丝的直径d，弹簧圈的外径D2、内径D1、中径D，弹簧的节间距t以及螺旋升角α。弹簧的旋转方向既可以是左侧旋转也可以是右侧旋转。若没有特殊要求，通常应采用右旋转。在不受力的情况下，弹簧圈之间应当由适当的间距δ，这样当弹簧受到来自外界的压力时，便会产生变形。此外，在设计的过程中还应考虑在极限载荷的作用下，弹簧圈之间应保留一定的间距δ1。弹簧的2个端面圈应当与邻圈并紧，这样端面便只能起支撑作用，而不会参与变形。

（2）设计方法。对压缩弹簧进行设计，最终目的是要确定出能够满足阀门使用要求的弹簧尺寸和圈数，并且还应使设计出来的弹簧稳定可靠。为此，应当对弹簧的强度、刚度和稳定性分别进行计算。

1）弹簧强度的计算。因为本次设计中的弹簧丝具有升角α，它的取值一般为5°～9°，由此可知，sinα≈0；cosα≈1，则截面上的应力可近似取：（1＋2c）。其中，F 为剪力；C＝D／d，即弹簧指数，也称旋转比。为了确保弹簧自身的稳定性，C值不宜过大；但是为了防止卷绕时弹簧丝弯曲，C值也不可过小。在本次设计中，C值的范围可取4～16。

2）弹簧刚度的计算。对压缩弹簧的刚度进行计算的最终目的是为了求出满足变形量要求的弹簧圈数。由材料力学理论可知，当弹簧丝的直径相等、材质相同时，弹簧本身的圈数越少，其刚度就越大；反之，刚度就越小。

3）弹簧的稳定性计算。通常情况下，作用在压缩弹簧上的载荷过大或弹簧本身的圈数较多，即弹簧的高径比超限时，便会导致弹簧出现过大的侧向弯曲，这样其稳定性便会大幅降低。因此，为了进一步确保压缩弹簧的稳定性，在弹簧两端为固定状态时，可取压缩弹簧的长细比b≤5.3；如果弹簧只有一端固定，而另一端为自由状态时，则可取b≤3.7；当弹簧两端全部为自由状态时，可取b≤2.6。