孫東升

（鹽城師范學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

1 閥門概述

閥門是流體系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分之一，其主要作用是控制流體的流動方向、壓力和流量。簡單來講，閥門就是管路流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有導(dǎo)流、節(jié)流、分流、溢流卸壓、截止等功能。目前，應(yīng)用于流體控制的閥門種類非常多，既有結(jié)構(gòu)比較簡單的截止閥，也有復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)中所用的閥門。通常情況下，能夠被閥門控制的介質(zhì)基本上都具備流體的性質(zhì)，如水、蒸汽、油、泥漿、液態(tài)金屬、腐蝕性介質(zhì)、放射性流體等。閥門的控制方式也相對較多，如最常見的手動控制、電動控制、電磁控制、液動控制、氣動控制。同時，也可以在壓力、溫度或其他傳感信號的作用下，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的要求自行動作。此外，還有一些不依賴傳感信號也能進(jìn)行簡單開、關(guān)的閥門。按照閥門的作用以及用途的不同，大體上可將其分為：（1）截斷類閥門。如截止閥、球閥、閘閥等，最主要的作用是接通或是截斷管路中流動的介質(zhì)。（2）真空類閥門。如真空球閥、真空擋板閥、真空充氣閥等，基本上都是在真空系統(tǒng)中應(yīng)用，最主要的作用是改變氣流的流動方向，調(diào)節(jié)氣流量的大小，連通或是切斷管路的真空系統(tǒng)元件等。（3）特殊類閥門。這類閥門大多數(shù)都是一些用途比較特殊的閥門，如排氣閥、清管閥、排污閥等，其中排氣閥是管道系統(tǒng)中的重要組成部分，并被廣泛應(yīng)用于給排水、鍋爐、空調(diào)、石油天然氣等管道中。

2 純機械無源控制閥門的研究現(xiàn)狀

目前，對自動控制閥門的研究一般都是基于有源控制，與之相關(guān)的文獻(xiàn)也相對較多，但是基于純機械的自動控制閥門的研究卻較少。所謂純機械自動控制閥門實質(zhì)上就是無源控制閥門，即不需要外部供應(yīng)能量實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的閥門。

20世紀(jì)80年代，美國華盛頓州立大學(xué)的L.Ornstein教授設(shè)計了一種無源控制閥門，該閥門當(dāng)時被命名為Irristat閥門。此閥門主要是應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉中，原理為：當(dāng)土壤中的水分大于預(yù)定值時，水分便會經(jīng)由親水物質(zhì)進(jìn)入到閥門內(nèi)部，此時閥門內(nèi)部的凝膠遇水之后便會發(fā)生膨脹，將活塞下壓，這樣水管的截面積就會減小，從而達(dá)到控制灌溉用水量的目的；當(dāng)土壤含水量降低時，凝膠中的水分便會重新進(jìn)入到土壤內(nèi)，此時凝膠的體積會有所減小，活塞便會上移，水管的截面積增大，水流量也會隨之增大。這種閥門的開啟壓力為150 kPa左右。自其設(shè)計出來后，經(jīng)過大量的試驗論證，其在節(jié)水灌溉方面具有良好的效果。該閥門的優(yōu)點是能夠精確控制水量，有效減少水資源的浪費，且能節(jié)省設(shè)備成本，實現(xiàn)無源自動控制。但由于種種原因，該閥門并沒有獲得推廣使用。為此，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上設(shè)計一種新型的自動控制節(jié)水閥門，下面就此展開詳細(xì)論述。

3 基于機械構(gòu)建的自動控制閥門設(shè)計及控制研究

3.1 設(shè)計思路

本文所提出的無源控制節(jié)水閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計以Irristat閥門和土壤水分張力計作為基礎(chǔ)。由土壤水分張力計和Irristat閥門的基本工作原理可知，它們?nèi)际抢盟值钠胶庠韺喔冗M(jìn)行控制，其中，張力計主要是憑借真空壓力表的讀數(shù)對土壤墑情進(jìn)行監(jiān)測，并以此為依據(jù)指導(dǎo)灌溉。從本質(zhì)上講，張力計的作用與土壤溫度傳感器幾乎相同，而Irristat閥門是通過特殊材料的吸水膨脹與失水收縮來對土壤墑情進(jìn)行監(jiān)測，從而實現(xiàn)自動灌溉的目的。這種閥門本身兼具傳感器、自動開關(guān)以及滴灌的功能，是一種節(jié)能、低成本、高自動化的節(jié)水設(shè)備。其最大特點是不需要計算機和傳感器，閥門的自動控制全部是通過機械操控來實現(xiàn)的。

3.2 自動控制閥門的結(jié)構(gòu)

自動控制閥門的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動控制閥門的結(jié)構(gòu)簡圖

由圖1可知，彈簧1可以推動閥芯向前移動，直至閥芯端部的錐形面完全封住進(jìn)水口，灌溉便會停止；在彈簧2的作用下閥芯會發(fā)生移動，此時原本封住進(jìn)水口的錐形面會向后退，在這一過程中，出水口便會逐步打開，從而恢復(fù)灌溉。

3.3 自動控制單元設(shè)計要點

無源控制閥門主要包括復(fù)位彈簧、緩沖彈簧2個圓柱螺旋壓縮彈簧。其工作原理為：在增加土壤含水率的情況下，控制元件中與土壤接觸的濕敏材料會在土壤中吸入水分、產(chǎn)生膨脹，在材料膨脹的作用下，推動緩沖彈簧移動，緩沖彈簧又會推動復(fù)位彈簧和閥芯運動，一直到閥芯的錐面將進(jìn)水口堵住，便自動停止灌溉。緩沖彈簧在無源控制閥門工作過程中，能在濕敏材料膨脹量大于閥芯堵塞進(jìn)水口移動量時起到重要的緩沖作用，有效避免閥芯錐形頭受過大壓力而損壞。濕敏材料的水分會隨著灌溉后土壤水分的蒸發(fā)而減少，在水分不斷減少的情況下，其體積逐步收縮回原來狀態(tài)，此時復(fù)位彈簧可促使閥芯向下移動，使錐形頭開啟，進(jìn)行再次灌溉。由于緩沖彈簧起緩沖保護(hù)的作用，復(fù)位彈簧起控制閥門開啟的作用，所以下面根據(jù)以往的試驗數(shù)據(jù)設(shè)計復(fù)位彈簧、緩沖彈簧，并對其采用相同的參數(shù)。在該閥門中，彈簧的設(shè)計是重點，下面對其主要參數(shù)和設(shè)計方法進(jìn)行論述：

（1）壓縮彈簧參數(shù)的確定。在本次設(shè)計中，壓縮彈簧的主要參數(shù)包括：彈簧絲的直徑d，彈簧圈的外徑D2、內(nèi)徑D1、中徑D，彈簧的節(jié)間距t以及螺旋升角α。彈簧的旋轉(zhuǎn)方向既可以是左側(cè)旋轉(zhuǎn)也可以是右側(cè)旋轉(zhuǎn)。若沒有特殊要求，通常應(yīng)采用右旋轉(zhuǎn)。在不受力的情況下，彈簧圈之間應(yīng)當(dāng)由適當(dāng)?shù)拈g距δ，這樣當(dāng)彈簧受到來自外界的壓力時，便會產(chǎn)生變形。此外，在設(shè)計的過程中還應(yīng)考慮在極限載荷的作用下，彈簧圈之間應(yīng)保留一定的間距δ1。彈簧的2個端面圈應(yīng)當(dāng)與鄰圈并緊，這樣端面便只能起支撐作用，而不會參與變形。

（2）設(shè)計方法。對壓縮彈簧進(jìn)行設(shè)計，最終目的是要確定出能夠滿足閥門使用要求的彈簧尺寸和圈數(shù)，并且還應(yīng)使設(shè)計出來的彈簧穩(wěn)定可靠。為此，應(yīng)當(dāng)對彈簧的強度、剛度和穩(wěn)定性分別進(jìn)行計算。

1）彈簧強度的計算。因為本次設(shè)計中的彈簧絲具有升角α，它的取值一般為5°～9°，由此可知，sinα≈0；cosα≈1，則截面上的應(yīng)力可近似?。海?＋2c）。其中，F(xiàn) 為剪力；C＝D／d，即彈簧指數(shù)，也稱旋轉(zhuǎn)比。為了確保彈簧自身的穩(wěn)定性，C值不宜過大；但是為了防止卷繞時彈簧絲彎曲，C值也不可過小。在本次設(shè)計中，C值的范圍可取4～16。

2）彈簧剛度的計算。對壓縮彈簧的剛度進(jìn)行計算的最終目的是為了求出滿足變形量要求的彈簧圈數(shù)。由材料力學(xué)理論可知，當(dāng)彈簧絲的直徑相等、材質(zhì)相同時，彈簧本身的圈數(shù)越少，其剛度就越大；反之，剛度就越小。

3）彈簧的穩(wěn)定性計算。通常情況下，作用在壓縮彈簧上的載荷過大或彈簧本身的圈數(shù)較多，即彈簧的高徑比超限時，便會導(dǎo)致彈簧出現(xiàn)過大的側(cè)向彎曲，這樣其穩(wěn)定性便會大幅降低。因此，為了進(jìn)一步確保壓縮彈簧的穩(wěn)定性，在彈簧兩端為固定狀態(tài)時，可取壓縮彈簧的長細(xì)比b≤5.3；如果彈簧只有一端固定，而另一端為自由狀態(tài)時，則可取b≤3.7；當(dāng)彈簧兩端全部為自由狀態(tài)時，可取b≤2.6。

4 結(jié)語

本文從機械構(gòu)建的角度設(shè)計了一種無源控制閥門，其現(xiàn)已在國內(nèi)部分節(jié)水灌溉工程中獲得了應(yīng)用，起到了一定的節(jié)水、節(jié)能效果。由于該閥門不需要配置計算機、傳感器等設(shè)備來進(jìn)行控制，故整體投資成本大幅降低。在未來一段時期，應(yīng)重點加大對延長該閥門使用壽命方面的研究力度，這樣才能進(jìn)一步推動其大范圍推廣應(yīng)用。

［1］裘葉琴.淺析閥門設(shè)計領(lǐng)域中的知識構(gòu)成問題［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010（22）

［2］金維增.低溫閥門閥蓋頸部溫度場分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計［D］.蘭州理工大學(xué)，2012