机械自动控制阀门的设计及控制原理分析

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：

图 1 纯机械自动化控制阀门结构图

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。