談純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的設(shè)計(jì)及控制原理

袁文鋒

摘 要：目前對(duì)自動(dòng)閥門的研究大多數(shù)是有源控制，事實(shí)上無源控制的能夠進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，是一種純機(jī)械自動(dòng)控制的閥門，它的應(yīng)用和操作靈活、簡單且方便，所以，加大對(duì)純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的研究具有重要意義，基于此，本文對(duì)純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的設(shè)計(jì)及控制原理進(jìn)行了分析。

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

閥門是流體系統(tǒng)中的重要組成部門，閥門的應(yīng)用能夠?qū)α黧w流動(dòng)的流量、方向以及壓力等進(jìn)行控制。就目前來看，對(duì)純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的相關(guān)研究較少，市場上成熟的純機(jī)械自動(dòng)控制閥門也相對(duì)較少，而純機(jī)械自動(dòng)控制閥門有著使用方便、自動(dòng)化程度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1.自動(dòng)控制閥門的概述

目前，我國常見的機(jī)械設(shè)備加工中對(duì)于自動(dòng)控制閥門的應(yīng)用較為廣泛，其能夠在機(jī)械加工中起著非常重要的控制作用。因?yàn)樵跈C(jī)械設(shè)備加工過程中對(duì)于一些流體速度的控制非常重要，而通過自動(dòng)閥門進(jìn)行控制，能夠有效地對(duì)加工過程中的流速及壓力進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)分析，進(jìn)一步使我國機(jī)械加工技術(shù)得到有效的提升，從而增強(qiáng)機(jī)械加工的穩(wěn)定性。機(jī)械構(gòu)建中自動(dòng)控制閥門屬于一種能夠自我進(jìn)行調(diào)節(jié)的重要零件，通過將大型機(jī)械設(shè)備中的流體進(jìn)行相應(yīng)靈活的導(dǎo)流、節(jié)流、分流等控制，從而使機(jī)械加工中的液體得到很好的控制使用，從而增加機(jī)械加工的整體效率。例如，在現(xiàn)代的機(jī)械加工過程中水蒸氣、天然氣、液體的各種金屬等資源是加工中不可缺少的一部分。根據(jù)我國現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的閥門形式能夠大致分為以下 3 種：截?cái)嘈蚤y門、真空類閥門以及特殊類閥門。其中，將截?cái)囝愰y門應(yīng)用于機(jī)械生產(chǎn)中進(jìn)行控制接通與斷開。真空類閥門則主要廣泛應(yīng)用在液體控制加工中。對(duì)于特殊閥門主要應(yīng)用于較為特殊的環(huán)境中，其中包括了例如單閥門控制下的雙向管道以及污水處理等各種特殊環(huán)境，這是目前機(jī)械加工中一種綜合控制能力較強(qiáng)的控制系統(tǒng)形式。通過對(duì)于上述機(jī)械自動(dòng)控制閥門應(yīng)用過程中的一些具體研究，為了能夠使今后閥門加工控制技術(shù)更加完善，從而推動(dòng)我國機(jī)械加工技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展。

2.純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的設(shè)計(jì)分析

本文主要是建立在 Irrist at 閥門的基礎(chǔ)之上，其設(shè)計(jì)原理就是土壤水分張力。Irrist at 閥門的自動(dòng)控制。實(shí)質(zhì)上就是運(yùn)用水分平衡原理來實(shí)施，運(yùn)用真空壓力表的讀書，張力計(jì)可以實(shí)時(shí)化監(jiān)測土壤的水分情況，監(jiān)測結(jié)果來達(dá)到對(duì)于閥門的自動(dòng)化控制。在整個(gè)控制階段之中，張力計(jì)就是一個(gè)土壤溫度的傳感器，Irrist at 閥門利用的是內(nèi)部凝膠吸水膨脹和失水收縮來進(jìn)行土壤水分情況的判斷，從而針對(duì)閥門實(shí)施水流量的自動(dòng)化控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)灌溉的自動(dòng)化，其并不需要傳感器與計(jì)算機(jī)，其隸屬于無源自動(dòng)控制閥門，利用純機(jī)械來進(jìn)行閥門的自動(dòng)化控制。本文提出的純機(jī)械自動(dòng)控制閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 1 所示：

閥門結(jié)構(gòu)，主要涵蓋兩個(gè)出水口、進(jìn)水口、兩個(gè)彈簧（一個(gè)緩沖彈簧即彈簧，一個(gè)復(fù)位彈簧即彈簧以及控制元件構(gòu)建而成，運(yùn)用彈簧可以促進(jìn)閥芯的移動(dòng)，在閥芯錐形面將進(jìn)水口封堵，相應(yīng)的閥門就予以關(guān)閉，停止灌溉，利用閥門 2 可以促進(jìn)閥芯進(jìn)行反方向移動(dòng)，封住進(jìn)水口的閥芯錐形面會(huì)慢慢后退，從而達(dá)到閥門入水口的逐漸開啟，恢復(fù)灌溉。

3.純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的控制原理

3.1 純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的控制原理分析

對(duì)純機(jī)械自動(dòng)控制閥門的控制原理進(jìn)行分析有利于了解閥門的操作，對(duì)閥門的應(yīng)用和設(shè)計(jì)都具有重要意義。純機(jī)械自動(dòng)控制閥門中的自動(dòng)控制元件材料有一種叫濕敏材料，濕敏材料對(duì)水是比較敏感的，也就是如果土壤中的含水量特別大，水分還在增多的過程中，此時(shí)濕敏材料會(huì)吸收土壤中的水分，產(chǎn)生膨脹，進(jìn)而對(duì)彈簧的緩沖形成一種壓力，這時(shí)緩沖彈簧會(huì)使復(fù)位彈簧發(fā)生移動(dòng)，閥芯也會(huì)因此發(fā)生運(yùn)動(dòng)，閥芯在運(yùn)動(dòng)的過程中錐形面會(huì)把進(jìn)水口封住，從而使閥門關(guān)閉，放水結(jié)束，灌溉也在此時(shí)停止。

3.2 自動(dòng)控制單元設(shè)計(jì)分析

通過上文中的分析可知，緩沖彈簧主要起到對(duì)閥芯的緩沖保護(hù)作用，復(fù)位彈簧主要起到開啟閥門的作用，閥門自動(dòng)化控制的核心為彈簧，下面對(duì)兩種彈簧的參數(shù)設(shè)定和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析：彈簧參數(shù)設(shè)定兩種彈簧采用相同的參數(shù)，主要包括彈簧的內(nèi)徑、外徑、中徑、節(jié)間距、螺旋升角以及彈簧絲的直徑。對(duì)于彈簧的旋轉(zhuǎn)方向來說，如果沒有特殊要求，一般選擇右側(cè)旋轉(zhuǎn)。彈簧在不受壓力的情況下，彈簧圈之間的間距應(yīng)當(dāng)為一定值，在受到壓力的時(shí)候，彈簧會(huì)發(fā)生收縮變形。在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)當(dāng)考慮極限荷載的情況，應(yīng)當(dāng)保證彈簧圈之間在極限荷載作用下一定的間距。

3.3 設(shè)計(jì)方法

彈簧的設(shè)計(jì)，一方面彈簧的設(shè)計(jì)要保證能和閥門的正常使用相契合，另一方面彈簧本身也要具有一定的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。①彈簧剛度計(jì)算。彈簧的剛度主要是針對(duì)彈簧的變形量來確定的，即閥門在正常工作的過程中彈簧應(yīng)該具備的最大程度的變形量，從而確定最終彈簧的參數(shù)，一般來說，如果制造彈簧的材料相同，并且彈簧的直徑大小也相同，如果增加彈簧的圈數(shù)彈簧的剛度會(huì)變小，如果減少彈簧的圈數(shù)，彈簧的剛度會(huì)變大。②彈簧穩(wěn)定性計(jì)算。彈簧不穩(wěn)定的表現(xiàn)就是出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象，一般影響彈簧穩(wěn)定性大小的是彈簧的圈數(shù)，如果彈簧的圈數(shù)過多，那么彈簧在承受的壓力較大時(shí)容易出現(xiàn)側(cè)向彎曲，如果彈簧兩端都在固定的情況下，彈簧的長細(xì)比值應(yīng)該在5.3一下，如果彈簧兩端都在自由的狀態(tài)下，彈簧的長細(xì)比值應(yīng)該小于2.6，如果彈簧一段固定，另外一端是在自由狀態(tài)下，那么彈簧的長細(xì)比值應(yīng)該在3.7以下，控制好彈簧的長細(xì)比值對(duì)彈簧的穩(wěn)定性具有重要作用。

結(jié)語

總之，對(duì)純機(jī)械自動(dòng)閥門的研究具有重要意義，本文主要從自動(dòng)閥門的概念入手，逐步對(duì)純機(jī)械自動(dòng)化閥門的零件設(shè)計(jì)以及控制原理進(jìn)行深入研究，希望可以為純機(jī)械自動(dòng)閥門的應(yīng)用提供參考。

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