薛學(xué)良

摘 要：閥門是機(jī)械正常運(yùn)行中的一個(gè)重要組成裝置，同時(shí)作為流體系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，對(duì)流體的控制發(fā)揮著重要的作用，如控制流體的流向、壓力以及流量。純機(jī)械自動(dòng)控制閥門相較于其它的控制閥門具有明顯優(yōu)勢(shì)，如自動(dòng)化程度高，成本較低，使用靈活方便，但是目前對(duì)純機(jī)械自動(dòng)控制閥門設(shè)計(jì)和控制原理的研究分析還存在諸多不足，市場(chǎng)上有的純機(jī)械自動(dòng)控制閥門大部分還不夠成熟?；诖?，本文基于純機(jī)械自動(dòng)控制閥門，分析了其設(shè)計(jì)和控制原理，以期為其研究和使用提供參考。

關(guān)鍵詞：純機(jī)械;自動(dòng)控制閥門;設(shè)計(jì)及控制原理

目前對(duì)于自動(dòng)控制閥門的研究大多集中于有源控制，而無源控制其實(shí)才是能夠進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，應(yīng)該需要加強(qiáng)研究的。無源控制閥門就是純機(jī)械自動(dòng)控制閥門，它不僅具有一般自動(dòng)控制閥門的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，能夠有效控制流體介質(zhì)的流動(dòng)方向和流量，滿足機(jī)械生產(chǎn)和管道運(yùn)輸?shù)囊?，還具有較自動(dòng)控制閥門更為顯著的優(yōu)勢(shì)，如在自動(dòng)調(diào)節(jié)方面自動(dòng)化程度更高，在自動(dòng)控制的過程中不需要借助外部的能量或是任何傳感設(shè)備的幫助，在應(yīng)用方面更加靈活方便其節(jié)能效果俱佳?；诖耍瑢?duì)于閥門的設(shè)計(jì)，需要在閥門作用原理的基礎(chǔ)上，提高其自動(dòng)調(diào)節(jié)水平，本文主要是對(duì)純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的設(shè)計(jì)及控制原理進(jìn)行了有效的分析。

1 純機(jī)械自動(dòng)控制閥門概述

就本質(zhì)而言純機(jī)械自動(dòng)控制閥門屬于無源控制閥門，在自動(dòng)控制調(diào)節(jié)方面可以不用借助外部能量來實(shí)現(xiàn)在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始了對(duì)純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的研究，其一直較為廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉中，農(nóng)業(yè)灌溉水量的控制是通過純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)的，其控制原理是當(dāng)灌溉使得土壤中的水分達(dá)到一個(gè)限定值時(shí)，水分就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到閥門中，閥門的內(nèi)部會(huì)由于水分的進(jìn)入而產(chǎn)生的凝膠膨脹，從而下壓到活塞，使得出水水管的截面面積減小，從而達(dá)到控制灌溉水量的目的。同時(shí)當(dāng)土壤中含有的水分值低于了設(shè)定的需要量，閥門中的水就會(huì)回流到土壤中，閥門內(nèi)部的壓力變小情況下使得活塞下移，從而使得水流截面面積變大，水流量變大，這樣一來就實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌溉水量的有效控制。

2 純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的設(shè)計(jì)分析

本文介紹一種可以控制生產(chǎn)用水的純機(jī)械自動(dòng)控制閥門，它的設(shè)計(jì)原理為土壤水分張力。水分平衡的原理有助于閥門自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，通過真空壓力表和張力計(jì)的應(yīng)用能夠有效監(jiān)測(cè)出土壤的水分情況，基于監(jiān)測(cè)結(jié)果來促進(jìn)閥門控制的自動(dòng)化。在水量的自動(dòng)化控制過程中，張力計(jì)起著溫度傳感器的作用，通過閥門內(nèi)部的凝膠膨脹和失水收縮狀態(tài)可以判斷出土壤中水分的具體情況，是高于預(yù)估值還是低于預(yù)估值，在此基礎(chǔ)上通過純機(jī)械自動(dòng)控制閥門能夠有效控制灌溉出水水流量，提高灌溉水量控制的自動(dòng)化程度，在此過程中不需要借助任何外部的能量和傳感器，完全是一種無源自動(dòng)控制閥門。

在結(jié)構(gòu)上純機(jī)械自動(dòng)控制閥門主要包括四個(gè)部分，即彈簧、控制元件、進(jìn)水口和出水口，其中彈簧包括緩沖彈簧和復(fù)位彈簧。通過緩沖彈簧能夠使閥芯移動(dòng)至封堵進(jìn)水口的狀態(tài)，從而達(dá)到關(guān)閉閥門，停止灌溉的目的。通過復(fù)位彈簧則能夠使閥芯反向移動(dòng)，閥芯錐形面后移而達(dá)到開放閥門，恢復(fù)灌溉的目的。

3 純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的控制原理分析及控制單元設(shè)計(jì)

3.1 控制原理分析

純機(jī)械自動(dòng)控制閥門對(duì)水量的控制主要是通過閥門中的一種濕敏材料來實(shí)現(xiàn)的，它是一種自動(dòng)控制元件材料，這種材料對(duì)水極其敏感，當(dāng)土壤中的水分含量增多超過預(yù)估值時(shí)，濕敏材料與土壤的直接接觸就能夠發(fā)揮作用，吸收土壤中的水分從而使其自身產(chǎn)生膨脹，這就會(huì)對(duì)緩沖彈簧造成一種壓力，從而推動(dòng)復(fù)位彈簧和閥芯產(chǎn)生位移，閥芯經(jīng)過移動(dòng)使其錐形截面堵住進(jìn)水口，從而使閥門自動(dòng)關(guān)閉而停止灌溉。但需要注意的是濕敏材料吸水而產(chǎn)生黨的膨脹程度應(yīng)當(dāng)加以控制，若是濕敏材料的膨脹過于嚴(yán)重，則很可能使閥芯受到損壞，緩沖彈簧的存在就會(huì)在閥芯遇到巨大壓力時(shí)發(fā)揮一個(gè)緩沖作用，從而達(dá)到保護(hù)閥芯的目的。

3.2 控制單元設(shè)計(jì)分析

純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的核心構(gòu)成部分在于彈簧，緩沖彈簧能夠?qū)﹂y芯發(fā)揮緩沖保護(hù)作用，復(fù)位彈簧則能夠開啟閥門，這就需要對(duì)兩種彈簧的設(shè)計(jì)和各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

首先對(duì)于彈簧的參數(shù)設(shè)定，不管是緩沖還是復(fù)位彈簧所設(shè)定的參數(shù)是相同的的，都有彈簧的內(nèi)外徑、中徑、節(jié)間距及彈簧絲直徑等。就旋轉(zhuǎn)方向而言，彈簧的旋轉(zhuǎn)方向多為向右。彈簧在不同壓力情況下的狀態(tài)是不同的，當(dāng)在沒有壓力的情況下，彈簧圈之間是存在一定間距的，當(dāng)彈簧受到壓力，則會(huì)收縮變形?；诖?，在彈簧設(shè)計(jì)的過程中需要考慮到彈簧的荷載力度，在極限荷載作用下，彈簧圈應(yīng)當(dāng)保持一個(gè)穩(wěn)定的間距值。

其次，對(duì)于彈簧的設(shè)計(jì)方法，在彈簧設(shè)計(jì)過程中一方面要確保彈簧的穩(wěn)定性和可靠性，這就需要精確地計(jì)算中彈簧的強(qiáng)度和剛度，另一方面要使設(shè)計(jì)出的彈簧能夠滿足閥門使用的要求，達(dá)到自動(dòng)控制的目的。一是彈簧剛度的計(jì)算，這需要根據(jù)閥門在正常使用情況下彈簧的變形程度的要求來計(jì)算，從而確定彈簧的參數(shù)。在彈簧的制作材料和直徑大小一致的情況下，彈簧的圈數(shù)越大，剛度就越小，反之，剛度就越大。二是彈簧穩(wěn)定性的計(jì)算，彈簧的穩(wěn)定性能主要是受彈簧圈數(shù)大小的影響，若是彈簧的圈數(shù)過多，則會(huì)使得其在承受壓力大的情況下出現(xiàn)側(cè)向彎曲現(xiàn)象，因此彈簧的高徑比不能超過上限。為了確保彈簧的穩(wěn)定性能，在設(shè)計(jì)中需要考慮彈簧兩端的不同狀況，若是彈簧兩端都處于固定狀態(tài)，則彈簧的長(zhǎng)細(xì)比值應(yīng)當(dāng)?shù)陀?.3，若是彈簧兩端不是同時(shí)處于固定或是不固定狀態(tài)，長(zhǎng)細(xì)比值則應(yīng)當(dāng)?shù)陀?.7，若是兩端都處于非固定狀態(tài)，則彈簧的長(zhǎng)細(xì)比值應(yīng)當(dāng)?shù)陀?.6。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的研究分析對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用發(fā)揮著重要的作用。本文即是基于純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的概述，分析了其包括構(gòu)成部分在內(nèi)的設(shè)計(jì)，并研究分析了其控制原理和控制單元的設(shè)計(jì)，以期推動(dòng)純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的生產(chǎn)和應(yīng)用發(fā)展。

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