纯机械自动控制阀门的设计及控制原理分析

纯机械自动控制阀门的设计及控制原理分析作者：张宇涵

来源：《科学与信息化》2019年第03期

摘要近年来，我国机械自动化技术越来越完善。阀门是流体系统中的重要组成部门，阀门的应用能够对流体流动的流量、方向以及压力等进行控制。就目前来看，对纯机械自动控制阀门的相关研究较少，市场上成熟的纯机械自动控制阀门也相对较少，而纯机械自动控制阀门有着使用方便、自动化程度高、成本低等优点。基于以上，本文从纯机械自动控制阀门概述入手，提出了一种新型纯机械自动控制阀门，并探讨了其设计方案和控制原理，旨在为纯机械自动控制阀门的设计和研发实践提供参考。

关键词纯机械；自动控制；阀门；设计

引言

目前对自动阀门的研究大多数是有源控制，事实上无源控制的能够进行自动调节，是一种纯机械自动控制的阀门，它的应用和操作灵活、简单且方便，所以，加大对纯机械自动控制阀门的研究具有重要意义，基于此，本文对纯机械自动控制阀门的设计及控制原理进行主要分析。

1 纯机械自动控制阀门的设计

本文以Irristat阀门为基础，以土壤水分张力为主要设计原理。Irristat阀门的自动控制主要是通过水分平衡原理来实现的，借助真空压力表的读数，张力计能够对土壤水分情况进行监测，以监测结果为基础来实现对阀门的自动化控制。在整个控制过程中，张力计相当于一个土壤温度的传感器，Irristat阀门通过内部凝胶吸水膨胀及失水收缩来判断土壤中水分情况，从而通过阀门来实现对水流量的自动化控制，实现灌溉自动化，其不需要计算机和传感器，属于一种无源自动控制阀门，通过纯机械来实现阀门的自动化控制。本文提出的纯机械自动控制阀门结构设计如图所示：阀门结构主要包括控制元件、两个弹簧（一个缓冲弹簧即弹簧1，一个复位弹簧即弹簧2）、进水口以及两个出水口组成，通过弹簧1能够推动阀芯移动，当阀芯锥形面封堵进水口的时候，则阀门关闭，灌溉停止，通过阀门2可以推动阀芯反向移动，封住进水口的阀芯锥形面会慢慢后退，从而实现阀门入水口的逐渐开启，灌溉恢复[1]。

2 纯机械自动控制阀门的控制原理

2.1 纯机械自动控制阀门的控制原理分析

对纯机械自动控制阀门的控制原理进行分析有利于了解阀门的操作，对阀门的应用和设计都具有重要意义。纯机械自动控制阀门中的自动控制元件材料有一种叫湿敏材料，湿敏材料对水是比较敏感的，也就是如果土壤中的含水量特别大，水分还在增多的过程中，此时湿敏材料

会吸收土壤中的水分，产生膨胀，进而对弹簧的缓冲形成一种压力，这时缓冲弹簧会使复位弹簧发生移动，阀芯也会因此发生运动，阀芯在运动的过程中锥形面会把进水口封住，从而使阀门关闭，放水结束，灌溉也在此时停止。

2.2 自动控制单元设计分析

通过上文中的分析可知，缓冲弹簧主要起到对阀芯的缓冲保护作用，复位弹簧主要起到开启阀门的作用，阀门自动化控制的核心为弹簧，下面对两种弹簧的参数设定和设计方法进行分析：1.弹簧参数设定两种弹簧采用相同的参数，主要包括弹簧的内径、外径、中径、节间距、螺旋升角以及弹簧丝的直径。对于弹簧的旋转方向来说，如果没有特殊要求，一般选择右侧旋转。弹簧在不受压力的情况下，弹簧圈之间的间距应当为一定值，在受到压力的时候，弹簧会发生收缩变形。在设计的过程中应当考虑极限荷载的情况，应当保证弹簧圈之间在极限荷载作用下一定的间距。

2.3 设计方法

弹簧的设计，一方面弹簧的设计要保证能和阀门的正常使用相契合，另一方面弹簧本身也要具有一定的稳定性和强度。①弹簧刚度计算。弹簧的刚度主要是针对弹簧的变形量来确定的，即阀门在正常工作的过程中弹簧应该具备的最大程度的变形量，从而确定最终弹簧的参数，一般来说，如果制造弹簧的材料相同，并且弹簧的直径大小也相同，如果增加弹簧的圈数弹簧的刚度会变小，如果减少弹簧的圈数，弹簧的刚度会变大。②弹簧稳定性计算。弹簧不稳定的表现就是出现弯曲的现象，一般影响弹簧稳定性大小的是弹簧的圈数，如果弹簧的圈数过多，那么弹簧在承受的压力较大时容易出现侧向弯曲，如果弹簧两端都在固定的情况下，弹簧的长细比值应该在5.3一下，如果弹簧两端都在自由的状态下，弹簧的长细比值应该小于

2.6，如果弹簧一段固定，另外一端是在自由状态下，那么弹簧的长细比值应该在

3.7以下，控制好弹簧的长细比值对弹簧的稳定性具有重要作用[2]。

3 机械构建的自动控制阀门探究

3.1 基本设计理念

随着现代社会的不断发展，对于机械构建创新与融合是社会发展的一种趋势。对于现代机械构建中为了能够实现机械加工的良好适应性，还能够增加机械加工的实用性，从而有效地保证了机械构建过程中的液体与气体的稳定使用。首先在进行机械构建的自动控制阀门设计过程中，为了能够满足现代机械加工系统的使用性能，必须要结合自动化的运用，从而有效地达到自动调节资源的作用，达到能够节约与精准控制的作用。例如在抽水机器中广泛应用的控制阀门，不仅能够自动控制水流，还能够达到节约水资源的作用，因此，应灵活地掌控阀门的操作。另外，在机械构建中采用自动化阀门，其能够增加现代机械加工的科技程度，促进机械加工企业的水平不断提升。

3.2 阀门设计要点的着重探索

机械自动化趋势的不断发展，自动控制阀门在其中起着非常重要的作用，为了能够使自动控制阀门自身的作用得到很好的发挥，必须要在自动控制化控制系统中很好地进行设计，不断地做好相关自动化技术的应用技术控制，其中对于自动控制阀门中相关弹簧、缓冲弹簧等的设计，结合自动控制阀门的应用位置，进行弹簧自身相关数据结果的设计，从而满足使用中的各种要求。例如，将阀门设计为左侧关闭，右侧打开，这时当自动控制阀门实际进行使用时，能够及时地将各种资源进行合理的分配，从而更好地实现自动化控制，达到资源的合理化分配。

4 结束语

综上所述，本文以前人研究理论为基础，设计了一种用于灌溉的纯机械自动控制阀门，并探讨了其具体的自动控制原理和设计方案，旨在为相关纯机械自动控制阀门的设计和开发提供参考。本文的研究也存在着一定的不足之处，在未来的研究中，应当着重对延长阀门寿命方面进行研究，以此来进一步推进纯机械自动控制阀门的应用和发展。

参考文献

[1] 孙东升.基于机械自动构建的自动控制阀门研究[J].机电信息，2014，

（12）：106-107.

[2] 李海清.计量控制阀[P].中国专利：CN201723816U，2011-01-26.