1.趙小蘭 2.張雨涵

1.丹佛斯(鞍山)控制閥有限公司 2.沈陽普越實業(yè)有限公司

機械構(gòu)建的自動控制閥門的論述

1.趙小蘭 2.張雨涵

1.丹佛斯(鞍山)控制閥有限公司 2.沈陽普越實業(yè)有限公司

自動控制閥門是一種可支持自動控制的閥門裝置，其最大的特點是閥門操作控制動作可以通過自動化方式實現(xiàn)，極大地節(jié)約了人工操作下的浪費問題，具有控制效果先進、可靠的優(yōu)勢。首先對自動控制閥門的應(yīng)用優(yōu)勢與現(xiàn)狀進行分析，然后分析了一種應(yīng)用純機械部件設(shè)計行程的自動控制閥門開發(fā)方案，并對自動控制閥門關(guān)鍵部位的設(shè)計要點以及閥門自動控制功能的實現(xiàn)原理進行分析。

機械構(gòu)建；自動控制閥門

自動控制閥門是一類無需人為操作即能夠?qū)崿F(xiàn)對液體﹑氣體的流入和流出量進行控制的閥門裝置。相較于傳統(tǒng)的手動控制閥門而言，自動控制閥門的特點在于：(1)閥門安裝工藝簡單，使用方便；(2)閥門運行期間電能消耗低，安全節(jié)能；(3)閥門裝置生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，生產(chǎn)材料市場供給充足；(4)無需人為操作控制，節(jié)約了人力資源；(5)技術(shù)先進，工藝可靠程度高。

1 自動控制閥門的概況

自動控制閥門是一種無需人為操控即可實現(xiàn)控制液體(或氣體)流出﹑流入量的閥門。從自動控制閥門發(fā)展情況來看，自動控制閥門具有如下特點[1]：①節(jié)約用水；②安裝簡單，使用方便；③省電；④使用壽命長；⑤生產(chǎn)工藝簡單，成本低，生產(chǎn)材料市場供給充足；⑥不需人工操作；⑦技術(shù)先進。由此觀之，現(xiàn)有的自動控制閥門均用到微電子線路以及諸如紅外感應(yīng)技術(shù)等。這些技術(shù)相對成本較高，對于一些投資較小的工廠來說不太適用。經(jīng)查詢資料，有關(guān)自動控制閥門的設(shè)計專利很多，原理及應(yīng)用場合各異。筆者設(shè)計了一種新型的純機械自動控制閥門，來降低大規(guī)模生產(chǎn)及使用的成本，同時達到簡單實用的目的。

2 純機械無源控制閥門的研究現(xiàn)狀

當今自動控制領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂崎y門的研究一般都以有源控制為基礎(chǔ)，與有源控制閥門相關(guān)的技術(shù)資料也較多，但是在純機械無源控制閥門的研究方面表現(xiàn)出明顯的不足，研究工作也較少。純機械無源控制閥門與有源控制閥門有著本質(zhì)的區(qū)別，在控制系統(tǒng)中可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，同時不需要外部為其供應(yīng)能量[1]。上世紀80 年代，美國華盛頓大學(xué)有研究學(xué)者研究出無源控制閥門，這種無源控制閥門被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的節(jié)水灌溉中，應(yīng)用原理如下：當土壤中水含量比設(shè)定值大時，水分會經(jīng)過親水物質(zhì)進入到閥門中，閥門內(nèi)部存在凝膠，凝膠與水反應(yīng)后會逐漸膨脹，活塞下壓，水的流通管路的截面積減小，農(nóng)田中灌溉量就會相應(yīng)減??； 如果土壤中的水量比設(shè)定值小，凝膠中的水分會進入到土壤中，凝膠失水收縮，體積減小，活塞上移，水管的截面積增大，水流量也會相應(yīng)增大。需要注意的是，為避免閥門頻繁啟閉，影響閥門壽命，閥門的設(shè)定值建議設(shè)定為一個范圍。自動控制閥門被應(yīng)用農(nóng)田灌溉后，獲得了良好的節(jié)水效果。在該閥門應(yīng)用的過程中，可以精確地控制水量，避免水資源浪費。

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)計以閥門和土壤水分張力計作為基礎(chǔ)。由土壤水分張力計和閥門的基本工作原理可知，它們均是利用水分的平衡原理對灌溉進行控制，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)的功能，是一種節(jié)能﹑低成本﹑高自動化的節(jié)水設(shè)備。

3.2 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，進行再次灌溉。由于緩沖彈簧起緩沖保護的作用，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)計方法進行論述：

3.2.1 確定彈簧的壓縮量

在閥門設(shè)計時，壓縮彈簧的主要參數(shù)包含彈簧絲的直徑﹑彈簧圈的外徑﹑彈簧圈的內(nèi)徑﹑彈簧圈的中徑﹑彈簧的節(jié)間距﹑彈簧的螺旋升角。另外，彈簧的旋轉(zhuǎn)方向可以選擇左側(cè)旋轉(zhuǎn)也可以選擇右側(cè)旋轉(zhuǎn)，如果沒有規(guī)定出相應(yīng)的設(shè)計要求，一般選用右側(cè)旋轉(zhuǎn)。在壓縮彈簧不受力的狀態(tài)下，彈簧圈之間必須有適當?shù)拈g距，保證彈簧在外界壓力的作用下產(chǎn)生變形。在設(shè)計過程中還需要考慮彈簧的極限載荷，因此彈簧圈之間必須保留一定的間距。彈簧的兩個斷面圈需要與鄰圈貼合，保證斷面只發(fā)揮支撐作用，而不會參與形變。

3.2.2 設(shè)計方法

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～°，由此可知，ainα≈ 0；cos≈1，則截面上的應(yīng)力可近似取：。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)彈簧的穩(wěn)定性計算。計算彈簧穩(wěn)定性的過程中，彈簧上的載荷較大或者彈簧的圈數(shù)較多時，彈簧 將會出現(xiàn)一定程度的側(cè)向彎曲，彈簧的穩(wěn)定性將會受到影響。為了提高彈簧的穩(wěn)定性，彈簧兩端為固定狀態(tài)時，彈簧的長細比在5.3 以下，如果彈簧只有一端固定，另一端為自由狀態(tài)時，彈簧的長細比在3.7 以下，如果彈簧兩端均為自由狀態(tài)時，彈簧的長細比在2.6 以下。

結(jié)語

該設(shè)計的自動控制閥門由純機械部件構(gòu)成，設(shè)計及控制原理較為簡單。但僅為理論設(shè)計，并未經(jīng)實踐驗證，希望廣大同行提出寶貴意見。

[1] 于蒙，鄒志云，趙丹丹，鄧德茹，陳立廣.基于PLC和觸摸屏的自動閥門測試控制系統(tǒng)設(shè)計[J].石油化工自動化，2013，03：38-40+47.

[2] 焦健.礦用救生艙自動控制閥門裝置設(shè)計研究[J].中國應(yīng)急救援，2011，04：49-50.