机械构建的自动控制阀门的论述

2016-03-16赵小兰张雨涵

环球市场 2016年25期

关键词：弹簧圈无源自动控制

1.赵小兰 2.张雨涵

1.丹佛斯(鞍山)控制阀有限公司 2.沈阳普越实业有限公司

机械构建的自动控制阀门的论述

1.赵小兰 2.张雨涵

1.丹佛斯(鞍山)控制阀有限公司 2.沈阳普越实业有限公司

自动控制阀门是一种可支持自动控制的阀门装置，其最大的特点是阀门操作控制动作可以通过自动化方式实现，极大地节约了人工操作下的浪费问题，具有控制效果先进、可靠的优势。首先对自动控制阀门的应用优势与现状进行分析，然后分析了一种应用纯机械部件设计行程的自动控制阀门开发方案，并对自动控制阀门关键部位的设计要点以及阀门自动控制功能的实现原理进行分析。

机械构建；自动控制阀门

自动控制阀门是一类无需人为操作即能够实现对液体﹑气体的流入和流出量进行控制的阀门装置。相较于传统的手动控制阀门而言，自动控制阀门的特点在于：(1)阀门安装工艺简单，使用方便；(2)阀门运行期间电能消耗低，安全节能；(3)阀门装置生产工艺简单，成本低廉，生产材料市场供给充足；(4)无需人为操作控制，节约了人力资源；(5)技术先进，工艺可靠程度高。

1 自动控制阀门的概况

自动控制阀门是一种无需人为操控即可实现控制液体(或气体)流出﹑流入量的阀门。从自动控制阀门发展情况来看，自动控制阀门具有如下特点[1]：①节约用水；②安装简单，使用方便；③省电；④使用寿命长；⑤生产工艺简单，成本低，生产材料市场供给充足；⑥不需人工操作；⑦技术先进。由此观之，现有的自动控制阀门均用到微电子线路以及诸如红外感应技术等。这些技术相对成本较高，对于一些投资较小的工厂来说不太适用。经查询资料，有关自动控制阀门的设计专利很多，原理及应用场合各异。笔者设计了一种新型的纯机械自动控制阀门，来降低大规模生产及使用的成本，同时达到简单实用的目的。

2 纯机械无源控制阀门的研究现状

当今自动控制领域对自动控制阀门的研究一般都以有源控制为基础，与有源控制阀门相关的技术资料也较多，但是在纯机械无源控制阀门的研究方面表现出明显的不足，研究工作也较少。纯机械无源控制阀门与有源控制阀门有着本质的区别，在控制系统中可以实现自动调节，同时不需要外部为其供应能量[1]。上世纪80 年代，美国华盛顿大学有研究学者研究出无源控制阀门，这种无源控制阀门被应用于农业生产中的节水灌溉中，应用原理如下：当土壤中水含量比设定值大时，水分会经过亲水物质进入到阀门中，阀门内部存在凝胶，凝胶与水反应后会逐渐膨胀，活塞下压，水的流通管路的截面积减小，农田中灌溉量就会相应减小；如果土壤中的水量比设定值小，凝胶中的水分会进入到土壤中，凝胶失水收缩，体积减小，活塞上移，水管的截面积增大，水流量也会相应增大。需要注意的是，为避免阀门频繁启闭，影响阀门寿命，阀门的设定值建议设定为一个范围。自动控制阀门被应用农田灌溉后，获得了良好的节水效果。在该阀门应用的过程中，可以精确地控制水量，避免水资源浪费。

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阀门和土壤水分张力计作为基础。由土壤水分张力计和阀门的基本工作原理可知，它们均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﹑自动开关的功能，是一种节能﹑低成本﹑高自动化的节水设备。

3.2 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：

3.2.1 确定弹簧的压缩量

在阀门设计时，压缩弹簧的主要参数包含弹簧丝的直径﹑弹簧圈的外径﹑弹簧圈的内径﹑弹簧圈的中径﹑弹簧的节间距﹑弹簧的螺旋升角。另外，弹簧的旋转方向可以选择左侧旋转也可以选择右侧旋转，如果没有规定出相应的设计要求，一般选用右侧旋转。在压缩弹簧不受力的状态下，弹簧圈之间必须有适当的间距，保证弹簧在外界压力的作用下产生变形。在设计过程中还需要考虑弹簧的极限载荷，因此弹簧圈之间必须保留一定的间距。弹簧的两个断面圈需要与邻圈贴合，保证断面只发挥支撑作用，而不会参与形变。

3.2.2 设计方法

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～°，由此可知，ainα≈ 0；cos≈1，则截面上的应力可近似取：。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)弹簧的稳定性计算。计算弹簧稳定性的过程中，弹簧上的载荷较大或者弹簧的圈数较多时，弹簧将会出现一定程度的侧向弯曲，弹簧的稳定性将会受到影响。为了提高弹簧的稳定性，弹簧两端为固定状态时，弹簧的长细比在5.3 以下，如果弹簧只有一端固定，另一端为自由状态时，弹簧的长细比在3.7 以下，如果弹簧两端均为自由状态时，弹簧的长细比在2.6 以下。