机械自动控制阀门的设计及控制原理分析

陈飞龙

摘 要：阀门在管道系统或相关设备中应用较为广泛，其在导流、节流、分流及控制方面占据优势，这种控制阀门类型有多种，在阀门发展研究中，设计人员将先进的控制技术及控制理念应用其中，使阀门自动化控制力度更强，这种自动控制阀门最终会代替有源控制阀门，针对这种阀门设计，设计人员需要了解自动控制阀门内涵和作用原理，然后结合控制原理，保证设计质量。

关键词：机械自动控制阀门;设计;控制原理

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

自动控制阀门可以对流动介质的流入流出量进行控制，使其满足管道运输要求，满足机械生产需求。在阀门自动化控制研究中，出现了一种纯自动控制阀门，该阀门作用优势更加显著，甚至不需要传感设备或外部能量的帮助。其属于无源阀门，在阀门应用中，设计人员应基于阀门作用原理，研究阀门自动调节作用。如此才能设计出有益机械生产水平提升的阀门。本文主要针对机械自动控制阀门的设计及应用原理进行分析。

1 机械自动化控制阀门的设计

机械自动化控制阀门可以应用在农业灌溉区域，以Irristat阀门为基础，设计相关的纯机械自动化控制阀门，还需要掌握阀门控制作用原理。在设计中，农业中的土壤水分张力变化情况会成为阀门调节控制的判断依据。水分平衡可以使阀门实现自动化控制[1]。其阀门结构如图1所示：

在阀门控制结构中，控制单元属于核心部分，其需要作用于缓冲弹簧和复位弹簧，来实现阀门开启关闭控制。进出水口则是控制单元控制作用的表现点。在正式运行中，如果土壤水分过少，控制单元需要下达指令，使复位弹簧迅速复位，推动阀芯，使其远离进水口，保证阀门的入水情况，使土壤灌溉要求得到满足。如果土壤水分过多，缓冲弹簧会接收相关指令，正式启动，推动阀芯，使进水口与阀芯重叠在一起，如此管道中的水便不能流出口。

2 机械自动化控制阀门的控制原理及控制单元设计

2.1 控制原理

弹簧推动阀芯，使进水口被堵塞、开启，从而完成阀门操控。而弹簧主要将土壤水分含量作为操作依据。弹簧的操作过程便是阀门自动控制过程，在控制单元中，含有湿敏材料，该材料会直接探测土壤水分含量，含量不同，材料表现也不同，当水含量过多时，湿敏材料在吸水后，体积会变大，这会占用弹簧面积，对弹簧造成挤压，所以弹簧会作用于阀芯上，使其启动[2]。阀芯运行过程中会形成锥形面，该面在进出水口控制中发挥了重要作用。当进水口被堵塞后，阀门会自行关闭。缓冲弹簧可对阀门阀芯起到保护作用，使其不会受到膨胀湿敏材料的破坏。

2.2 自动控制单元设计

两种弹簧在阀门自动化控制中发挥了主要作用，所以要将其作为核心元件进行重点设计，使缓冲弹簧发挥缓冲保护和关闭阀门作用，使复位弹簧发挥开启作用。在自动控制单元具体设计中，需要完成以下两方面设计工作。其一，参数的设定。弹簧这种控制元件有自己的性能参数，只有参数合格合理，弹簧才会发挥作用，使阀门实现自动控制。针对缓冲弹簧和复位弹簧，设计人员需要合理确定弹簧参数，使其满足控制作用需求[3]。在设计中，主要对弹簧的内外尺寸、弹簧丝直径及螺旋升角进行设计。弹簧在应用中，不仅会发生压缩拉伸，还会出现旋转，所以需要确定旋转角度，针对阀门自动化控制要求，还要确定弹簧的旋转方向。弹簧在发挥作用时，其本身会接收相关荷载，如果荷载过大，会对弹簧间距造成影响，设计人员还应设计极限荷载，使其不会影响弹簧圈间距。

其二，设计方法。在阀门自动化控制设计中，若要保证阀门一直有效，则需要使控制单元中的弹簧一直处于安全可靠状态。弹簧的稳定性主要体现在弹簧参数上，设计人员需要控制弹簧参数，需要使弹簧更加稳定，如此弹簧才能满足阀门需求。在可靠性设计中，应对弹簧的性能参数进行设计，使相关的刚度和强度等得到保证，如此其在承受荷载时才不会出现失效问题。在性能参数设计中，设计人员应确定其计算方法和设计方法。在弹簧刚度设计中，需要对刚度参数进行计算。在计算前，应创建稳定条件，如使弹簧材料及弹簧丝保持不变，对弹簧刚度进行研究，发现该参数与弹簧圈数有直接关系，两者呈反相关关系。在实际应用中，设计人员应根据阀门自动控制要求，确定弹簧的变形量，该参数会决定弹簧圈数，如此弹簧刚度也可以被计算出来。弹簧变形量需要满足阀门自动控制要求，而弹簧刚度则要满足变形量要求。在弹簧强度计算中，需要确定弹簧丝的生角，需要使其正弦值和余弦值接近零和一。根据这些参数，可计算出弹簧的截面应力。该应力近似值计算中，需要涉及到剪应力、弹簧丝直径、弹簧中径等，弹簧中径需要与弹簧丝作比值，该比值参数大小直接关系到弹簧的稳定可靠性，设计人员还要控制该比值，使其不会影响弹簧丝卷绕过程。在弹簧稳定性计算中，需要通过控制该参数来调控侧向弯曲情况[4]。当弹簧稳定性得到保证后，即使弹簧所受压力很大，其也不会影响弹簧使用效果。

3 结语

机械自动化控制阀门作用优势主要来自控制单元，设计人员要重点设计该单元，使其自动调节能力和控制能力得到保证。自动控制单元应能及时探索到作用对象的运行情况，及时根据其运行需求，作出有效调控，使作用对象处于正常运行状态。该种阀门可作用于不同的领域，设计人员还要结合不同行业作用需求，设计合理的自动控制阀门和控制单元。

参考文献：

[1]徐战卫.纯机械自动控制阀门的设计及控制原理分析[J].世界有色金属，2018（15）：227-228.

[2]张定三.纯机械自动控制阀门的设计及控制原理探讨[J].决策探索（中），2017（10）：69-70.

[3]寇正.纯机械自动控制阀门的設计及控制原理分析[J].内蒙古科技与经济，2016（15）：82-83.

[4]方世明.纯机械自动控制阀门的设计及控制原理分析[J].建筑工程技术与设计，2017（13）：56-57.