機械自動控制閥門的設計及控制原理分析

楊雷

摘 要：機械自動化控制閥門作用優(yōu)勢主要來自控制單元，設計人員要重點設計該單元，使其自動調節(jié)能力和控制能力得到保證。針對這種閥門設計，設計人員需要了解自動控制閥門內涵和作用原理，然后結合控制原理，保證設計質量。因此，本文針對機械自動控制閥門的設計及控制原理進行簡單的分析。

關鍵詞：機械自動控制閥門；設計；控制原理；

自動控制閥門可以對流動介質的流入流出量進行控制，使其滿足管道運輸要求，滿足機械生產(chǎn)需求。閥門自動化控制能夠進行自動調節(jié)，它的應用和操作靈活、簡單且方便，所以，加大對純機械自動控制閥門的研究具有重要意義，基于此，本文對機械自動控制閥門的設計及控制原理進行主要分析。

1自動控制系統(tǒng)中的閥門概述

目前，我國常見的機械設備加工中對于自動控制閥門的應用較為廣泛，其能夠在機械加工中起著非常重要的控制作用。因為在機械設備加工過程中對于一些流體速度的控制非常重要，而通過自動閥門進行控制，能夠有效地對加工過程中的流速及壓力進行很好的調節(jié)分析，進一步使我國機械加工技術得到有效的提升，從而增強機械加工的穩(wěn)定性。機械構建中自動控制閥門屬于一種能夠自我進行調節(jié)的重要零件，通過將大型機械設備中的流體進行相應靈活的導流、節(jié)流、分流等控制，從而使機械加工中的液體得到很好的控制使用，從而增加機械加工的整體效率。例如，在現(xiàn)代的機械加工過程中水蒸氣、天然氣、液體的各種金屬等資源是加工中不可缺少的一部分。根據(jù)我國現(xiàn)階段廣泛應用的閥門形式能夠大致分為以下3種：截斷性閥門、真空類閥門以及特殊類閥門。其中，將截斷類閥門應用于機械生產(chǎn)中進行控制接通與斷開。真空類閥門則主要廣泛應用在液體控制加工中。對于特殊閥門主要應用于較為特殊的環(huán)境中，其中包括了例如單閥門控制下的雙向管道以及污水處理等各種特殊環(huán)境，這是目前機械加工中一種綜合控制能力較強的控制系統(tǒng)形式。通過對于上述機械自動控制閥門應用過程中的一些具體研究，為了能夠使今后閥門加工控制技術更加完善，從而推動我國機械加工技術的不斷進步與發(fā)展。

2機械自動化控制閥門的控制原理

當裝置是在計時將要開始的情況下，這是會有一根彈簧用于折板和折現(xiàn)之間進行固定壓縮的，從而使閘門被折現(xiàn)銷控制住，然后如果需要進行放水。在半圓環(huán)到達最高的時候，管體會被閘門下方的粗長方體桿頂住，這時壓縮彈簧會對折線形銷進行加壓，這時折線形銷會進入到粗細長方形桿之間的臺階型槽內，然后計時就可以正式開始，計時開始的標志是會出現(xiàn)一聲響，然后閘門被卡住并且保證不會掉落，閥門被關閉，計時也就正式開始了。計時開始之后水流的速度還是比較快的，水管前段也會被水快速填滿，這時候可以水對管的壓力看做每一處都是相等的，而水管和連通器是連接在一起的。為了使計時更加準確，可以設置3個變量，保證計時器到細管后端的運動時間為5分鐘，當計時器達到最后端時，高磁性磁鐵在壓力之下發(fā)生移動，此時計時停止，閘門被釋放，放水也在此時結束。細管中的水也會被慢慢排出，計時器回到原來的位置，方便下一次的計時。

3機械自動化控制閥門控制單元設計

3.1自動控制單元設計要點

無源控制閥門主要包括復位彈簧、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)設計復位彈簧、緩沖彈簧，并對其采用相同的參數(shù)。

3.2確定彈簧的壓縮量

在閥門設計時，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，彈簧的旋轉方向可以選擇左側旋轉也可以選擇右側旋轉，如果沒有規(guī)定出相應的設計要求，一般選用右側旋轉。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。

3.3制定設計方案

壓縮彈簧的設計過程中，需要結合閥門的使用要求，確定出彈簧的尺寸和圈數(shù)，保證設計出的彈簧穩(wěn)定可靠，彈簧設計過程中的重點參數(shù)有強度、剛度和穩(wěn)定性三個。計算彈簧強度的過程中，

將彈簧絲的升角設為α，取值為5°-9°，

sinα≈0，cosα≈1，

彈簧截面上的應力可以近似計算為 ，

其中F表示剪力，c表示彈簧指數(shù)，也叫旋轉比，其值為D/d。

為提高彈簧本身的可靠性，c需要合理取值，因為取值過大將影響彈簧的穩(wěn)定性，取值過小將導致彈簧繞卷時彎曲。一般在閥門設計中將c值定為4-16。計算彈簧強度的過程中，重點需要結合彈簧的變形量求出彈簧的圈數(shù)，結合相關材料力學原理，在彈簧絲直徑和材質相同的情況下，彈簧本身的圈數(shù)越小，剛度越大，圈數(shù)越大，剛度越小。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。

總結：自動閥門控制能夠有效地提高現(xiàn)代資源的綜合使用率，對于優(yōu)化機械加工有著非常重要的作用，該閥門控制部分不需要應用計算機和傳感器，設備成本低廉，具有較大的技術優(yōu)勢。

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