機(jī)械構(gòu)建的自動(dòng)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(shí)業(yè)有限公司

機(jī)械構(gòu)建的自動(dòng)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(shí)業(yè)有限公司

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

機(jī)械構(gòu)建；自動(dòng)控制閥門

自動(dòng)控制閥門是一類無需人為操作即能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液體﹑氣體的流入和流出量進(jìn)行控制的閥門裝置。相較于傳統(tǒng)的手動(dòng)控制閥門而言，自動(dòng)控制閥門的特點(diǎn)在于：(1)閥門安裝工藝簡(jiǎn)單，使用方便；(2)閥門運(yùn)行期間電能消耗低，安全節(jié)能；(3)閥門裝置生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，生產(chǎn)材料市場(chǎng)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(jìn)，工藝可靠程度高。

1 自動(dòng)控制閥門的概況

自動(dòng)控制閥門是一種無需人為操控即可實(shí)現(xiàn)控制液體(或氣體)流出﹑流入量的閥門。從自動(dòng)控制閥門發(fā)展情況來看，自動(dòng)控制閥門具有如下特點(diǎn)[1]：①節(jié)約用水；②安裝簡(jiǎn)單，使用方便；③省電；④使用壽命長(zhǎng)；⑤生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低，生產(chǎn)材料市場(chǎng)供給充足；⑥不需人工操作；⑦技術(shù)先進(jìn)。由此觀之，現(xiàn)有的自動(dòng)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(duì)成本較高，對(duì)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(dòng)控制閥門的設(shè)計(jì)專利很多，原理及應(yīng)用場(chǎng)合各異。筆者設(shè)計(jì)了一種新型的純機(jī)械自動(dòng)控制閥門，來降低大規(guī)模生產(chǎn)及使用的成本，同時(shí)達(dá)到簡(jiǎn)單實(shí)用的目的。

2 純機(jī)械無源控制閥門的研究現(xiàn)狀

當(dāng)今自動(dòng)控制領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)控制閥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(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，同時(shí)不需要外部為其供應(yīng)能量[1]。上世紀(jì)80 年代，美國(guó)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(dāng)土壤中水含量比設(shè)定值大時(shí)，水分會(huì)經(jīng)過親水物質(zhì)進(jìn)入到閥門中，閥門內(nèi)部存在凝膠，凝膠與水反應(yīng)后會(huì)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(huì)相應(yīng)減小； 如果土壤中的水量比設(shè)定值小，凝膠中的水分會(huì)進(jìn)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(huì)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(gè)范圍。自動(dòng)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(fèi)。

3 基于機(jī)械構(gòu)建的自動(dòng)控制閥門設(shè)計(jì)及控制研究

3.1 設(shè)計(jì)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(jì)以閥門和土壤水分張力計(jì)作為基礎(chǔ)。由土壤水分張力計(jì)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(duì)灌溉進(jìn)行控制，其中，張力計(jì)主要是憑借真空壓力表的讀數(shù)對(duì)土壤墑情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并以此為依據(jù)指導(dǎo)灌溉。從本質(zhì)上講，張力計(jì)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(duì)土壤墑情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉的目的。這種閥門本身兼具傳感器﹑自動(dòng)開關(guān)的功能，是一種節(jié)能﹑低成本﹑高自動(dòng)化的節(jié)水設(shè)備。

3.2 自動(dòng)控制單元設(shè)計(jì)要點(diǎn)

無源控制閥門主要包括復(fù)位彈簧﹑緩沖彈簧2個(gè)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(huì)在土壤中吸入水分﹑產(chǎn)生膨脹，在材料膨脹的作用下，推動(dòng)緩沖彈簧移動(dòng)，緩沖彈簧又會(huì)推動(dòng)復(fù)位彈簧和閥芯運(yùn)動(dòng)，一直到閥芯的錐面將進(jìn)水口堵住，便自動(dòng)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(jìn)水口移動(dòng)量時(shí)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(huì)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(shí)復(fù)位彈簧可促使閥芯向下移動(dòng)，使錐形頭開啟，進(jìn)行再次灌溉。由于緩沖彈簧起緩沖保護(hù)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(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)復(fù)位彈簧﹑緩沖彈簧，并對(duì)其采用相同的參數(shù)。在該閥門中，彈簧的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，下面對(duì)其主要參數(shù)和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行論述：

3.2.1 確定彈簧的壓縮量

在閥門設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)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(dāng)?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(jì)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(gè)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(huì)參與形變。

3.2.2 設(shè)計(jì)方法

1)彈簧強(qiáng)度的計(jì)算。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)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?。骸Ｆ渲?，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(shí)彈簧絲彎曲，C 值也不可過小。在本次設(shè)計(jì)中，C值的范圍可取4～16。

2)彈簧的穩(wěn)定性計(jì)算。計(jì)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(shí)，彈簧 將會(huì)出現(xiàn)一定程度的側(cè)向彎曲，彈簧的穩(wěn)定性將會(huì)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(shí)，彈簧的長(zhǎng)細(xì)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(shí)，彈簧的長(zhǎng)細(xì)比在3.7 以下，如果彈簧兩端均為自由狀態(tài)時(shí)，彈簧的長(zhǎng)細(xì)比在2.6 以下。

結(jié)語

該設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制閥門由純機(jī)械部件構(gòu)成，設(shè)計(jì)及控制原理較為簡(jiǎn)單。但僅為理論設(shè)計(jì)，并未經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)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(dòng)閥門測(cè)試控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石油化工自動(dòng)化，2013，03：38-40+47.

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