機(jī)械自動(dòng)控制閥門的設(shè)計(jì)及控制原理分析

陳飛龍

摘 要：閥門在管道系統(tǒng)或相關(guān)設(shè)備中應(yīng)用較為廣泛，其在導(dǎo)流、節(jié)流、分流及控制方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)，這種控制閥門類型有多種，在閥門發(fā)展研究中，設(shè)計(jì)人員將先進(jìn)的控制技術(shù)及控制理念應(yīng)用其中，使閥門自動(dòng)化控制力度更強(qiáng)，這種自動(dòng)控制閥門最終會(huì)代替有源控制閥門，針對(duì)這種閥門設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要了解自動(dòng)控制閥門內(nèi)涵和作用原理，然后結(jié)合控制原理，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。

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

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.008

自動(dòng)控制閥門可以對(duì)流動(dòng)介質(zhì)的流入流出量進(jìn)行控制，使其滿足管道運(yùn)輸要求，滿足機(jī)械生產(chǎn)需求。在閥門自動(dòng)化控制研究中，出現(xiàn)了一種純自動(dòng)控制閥門，該閥門作用優(yōu)勢(shì)更加顯著，甚至不需要傳感設(shè)備或外部能量的幫助。其屬于無源閥門，在閥門應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)基于閥門作用原理，研究閥門自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。如此才能設(shè)計(jì)出有益機(jī)械生產(chǎn)水平提升的閥門。本文主要針對(duì)機(jī)械自動(dòng)控制閥門的設(shè)計(jì)及應(yīng)用原理進(jìn)行分析。

1 機(jī)械自動(dòng)化控制閥門的設(shè)計(jì)

機(jī)械自動(dòng)化控制閥門可以應(yīng)用在農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域，以Irristat閥門為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)相關(guān)的純機(jī)械自動(dòng)化控制閥門，還需要掌握閥門控制作用原理。在設(shè)計(jì)中，農(nóng)業(yè)中的土壤水分張力變化情況會(huì)成為閥門調(diào)節(jié)控制的判斷依據(jù)。水分平衡可以使閥門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制[1]。其閥門結(jié)構(gòu)如圖1所示：

在閥門控制結(jié)構(gòu)中，控制單元屬于核心部分，其需要作用于緩沖彈簧和復(fù)位彈簧，來實(shí)現(xiàn)閥門開啟關(guān)閉控制。進(jìn)出水口則是控制單元控制作用的表現(xiàn)點(diǎn)。在正式運(yùn)行中，如果土壤水分過少，控制單元需要下達(dá)指令，使復(fù)位彈簧迅速復(fù)位，推動(dòng)閥芯，使其遠(yuǎn)離進(jìn)水口，保證閥門的入水情況，使土壤灌溉要求得到滿足。如果土壤水分過多，緩沖彈簧會(huì)接收相關(guān)指令，正式啟動(dòng)，推動(dòng)閥芯，使進(jìn)水口與閥芯重疊在一起，如此管道中的水便不能流出口。

2 機(jī)械自動(dòng)化控制閥門的控制原理及控制單元設(shè)計(jì)

2.1 控制原理

彈簧推動(dòng)閥芯，使進(jìn)水口被堵塞、開啟，從而完成閥門操控。而彈簧主要將土壤水分含量作為操作依據(jù)。彈簧的操作過程便是閥門自動(dòng)控制過程，在控制單元中，含有濕敏材料，該材料會(huì)直接探測(cè)土壤水分含量，含量不同，材料表現(xiàn)也不同，當(dāng)水含量過多時(shí)，濕敏材料在吸水后，體積會(huì)變大，這會(huì)占用彈簧面積，對(duì)彈簧造成擠壓，所以彈簧會(huì)作用于閥芯上，使其啟動(dòng)[2]。閥芯運(yùn)行過程中會(huì)形成錐形面，該面在進(jìn)出水口控制中發(fā)揮了重要作用。當(dāng)進(jìn)水口被堵塞后，閥門會(huì)自行關(guān)閉。緩沖彈簧可對(duì)閥門閥芯起到保護(hù)作用，使其不會(huì)受到膨脹濕敏材料的破壞。

2.2 自動(dòng)控制單元設(shè)計(jì)

兩種彈簧在閥門自動(dòng)化控制中發(fā)揮了主要作用，所以要將其作為核心元件進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，使緩沖彈簧發(fā)揮緩沖保護(hù)和關(guān)閉閥門作用，使復(fù)位彈簧發(fā)揮開啟作用。在自動(dòng)控制單元具體設(shè)計(jì)中，需要完成以下兩方面設(shè)計(jì)工作。其一，參數(shù)的設(shè)定。彈簧這種控制元件有自己的性能參數(shù)，只有參數(shù)合格合理，彈簧才會(huì)發(fā)揮作用，使閥門實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。針對(duì)緩沖彈簧和復(fù)位彈簧，設(shè)計(jì)人員需要合理確定彈簧參數(shù)，使其滿足控制作用需求[3]。在設(shè)計(jì)中，主要對(duì)彈簧的內(nèi)外尺寸、彈簧絲直徑及螺旋升角進(jìn)行設(shè)計(jì)。彈簧在應(yīng)用中，不僅會(huì)發(fā)生壓縮拉伸，還會(huì)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，所以需要確定旋轉(zhuǎn)角度，針對(duì)閥門自動(dòng)化控制要求，還要確定彈簧的旋轉(zhuǎn)方向。彈簧在發(fā)揮作用時(shí)，其本身會(huì)接收相關(guān)荷載，如果荷載過大，會(huì)對(duì)彈簧間距造成影響，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)設(shè)計(jì)極限荷載，使其不會(huì)影響彈簧圈間距。

其二，設(shè)計(jì)方法。在閥門自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)中，若要保證閥門一直有效，則需要使控制單元中的彈簧一直處于安全可靠狀態(tài)。彈簧的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在彈簧參數(shù)上，設(shè)計(jì)人員需要控制彈簧參數(shù)，需要使彈簧更加穩(wěn)定，如此彈簧才能滿足閥門需求。在可靠性設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)彈簧的性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使相關(guān)的剛度和強(qiáng)度等得到保證，如此其在承受荷載時(shí)才不會(huì)出現(xiàn)失效問題。在性能參數(shù)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確定其計(jì)算方法和設(shè)計(jì)方法。在彈簧剛度設(shè)計(jì)中，需要對(duì)剛度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算前，應(yīng)創(chuàng)建穩(wěn)定條件，如使彈簧材料及彈簧絲保持不變，對(duì)彈簧剛度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該參數(shù)與彈簧圈數(shù)有直接關(guān)系，兩者呈反相關(guān)關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)閥門自動(dòng)控制要求，確定彈簧的變形量，該參數(shù)會(huì)決定彈簧圈數(shù)，如此彈簧剛度也可以被計(jì)算出來。彈簧變形量需要滿足閥門自動(dòng)控制要求，而彈簧剛度則要滿足變形量要求。在彈簧強(qiáng)度計(jì)算中，需要確定彈簧絲的生角，需要使其正弦值和余弦值接近零和一。根據(jù)這些參數(shù)，可計(jì)算出彈簧的截面應(yīng)力。該應(yīng)力近似值計(jì)算中，需要涉及到剪應(yīng)力、彈簧絲直徑、彈簧中徑等，彈簧中徑需要與彈簧絲作比值，該比值參數(shù)大小直接關(guān)系到彈簧的穩(wěn)定可靠性，設(shè)計(jì)人員還要控制該比值，使其不會(huì)影響彈簧絲卷繞過程。在彈簧穩(wěn)定性計(jì)算中，需要通過控制該參數(shù)來調(diào)控側(cè)向彎曲情況[4]。當(dāng)彈簧穩(wěn)定性得到保證后，即使彈簧所受壓力很大，其也不會(huì)影響彈簧使用效果。

3 結(jié)語

機(jī)械自動(dòng)化控制閥門作用優(yōu)勢(shì)主要來自控制單元，設(shè)計(jì)人員要重點(diǎn)設(shè)計(jì)該單元，使其自動(dòng)調(diào)節(jié)能力和控制能力得到保證。自動(dòng)控制單元應(yīng)能及時(shí)探索到作用對(duì)象的運(yùn)行情況，及時(shí)根據(jù)其運(yùn)行需求，作出有效調(diào)控，使作用對(duì)象處于正常運(yùn)行狀態(tài)。該種閥門可作用于不同的領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員還要結(jié)合不同行業(yè)作用需求，設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)控制閥門和控制單元。

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