董涛
摘要:随着我国经济建设的不断发展和工业自动化进程的不断加快,在国内的一线企业中自动控制系统被越来越多的应用到企业的生产过程中,在这些自动控制系统中,自动控制阀门是企业应用比较多的一种,本文从自动控制理论出发,结合自动控制阀门研发与应用中的实际,对自动阀门进行深入的研究和探讨。
关键词:阀门;自动化;控制
前言
近些年自动控制领域在经济快速发展的推动下取得了较大的发展,但是这种经济发展驱动的进步缺乏自身的内部动力,导致自动阀门技术发展和自动控制阀门发展的未来趋势有很大的差异,本文将对阀门控制的自动化进行深入的分析,以实现了解当下展望未来的目标。
1.阀门的重要作用及应用现状
所有涉及流体使用和加工的生产企业都离不开阀门,阀门在流体系统控制中的作用是不言而喻的,在当下的一线企业,阀门起到的作用主要是控制流体流动的方向、压力和流量,简单来讲流体系统本身只是一种管道系统,系统中的流体在管道中顺应了最简单的重力和压力的趋动而运动,阀门在流体系统中的参与彻底改变了这一现状,基本上实现了在流体系统中流体运动全过程的监视与控制,在流体系统运行中起到了导流、节流、分流、溢流泄压和截流等重要作用。
目前在市场中流通的阀门种类繁多,质量和技术含量参差不齐,既有结构比较简单的截止阀也有内部结构极为复杂的自动控制阀门,简单的截止阀一般都用在相对比较小的企业和家庭取暖工程中,复杂的自动控制阀门是当下大型流体利用企业最重要的一种节点控制系统,也是大型流体企业整个流体监视控制系统中的重要组成部分,是阀门生产和研发领域面对未来,参与社会化大生产的重要产品,未来的自动控制阀门很可能实现与电子感应和数字化信息系统的结合,将在流体应用企业中成为流体系统运行工作监控网络的重要神经元似的节点。通常情况下,能够被阀门控制的介质都是拥有流体性质的物质,比如水、蒸汽、油、泥浆、液态金属、腐蚀性介质、放射性流体等。阀门作用的实现方式也有很多种,最简单的手动控制、相对高水平的电动控制、结合具体情况的电磁控制和可靠性比较高的液压控制,这些不同的控制方式就是为了应对实际使用情况对阀门的不同要求,可以在压力、温度或者其他种类的传感信号作用下,根据预先设定的判断原则,做出相应的技术动作[1]。
按照阀门的作用以及用途的不同,大体上可以将阀门分为几类:
(1)截断类阀门。这一类中有截止阀、球阀、闸阀等,最主要的作用是实现流体在管道中的接通或者截断。
(2)真空类阀门。如真空球阀、真空挡板阀和真空充气阀,这一类的阀门主要应用在高温蒸汽等气体和易蒸发液体领域,最主要的作用是改变气流的流动方向,调节气流量的大小、连接或者是切断管路的真空系统元件等。
(3)特殊类阀门。这一类阀门多数都是应用在一些特殊领域,并且针对应用的领域拥有一些特殊的设置和功能。比如排气阀、清管阀和排污阀,这其中排气阀是很多重要的大型设备中必须有的重要阀门,被广泛的应用到给排水、锅炉、石油天然气管道中。
2.关于无源自动控制阀门的研究
目前,在阀门生产领域传统的截断式阀门市场已经基本饱和,阀门生产企业的主要目光都集中到自动控制阀门的研究和开发中来,但是当下对自动控制阀门的研究大部分都集中在有源控制领域,基于纯机械自动控制阀门的研究却相对较少。所谓的纯机械自动控制阀门实质上就是无源控制阀门,即不需要外部提供能量只依靠自身的能量就能实现对流体的管控的阀门[2]。
上世纪八十年代,无源自动控制阀门第一次在美国被研制出来并应用于农田灌溉领域,这一无源自动控制阀门的工作原理是:通过抽水机的不停工作在田地中进行灌溉作业,与此同时在田地的浅层地表埋设许多土壤湿度传感器,这些传感器都与灌溉系统下游的灌溉直流相连接,水被灌溉进入到田地后会逐渐渗入浅层地下的传感器中,一旦水分含量大于预定值时,水分便会经由亲水物质进入到阀门内部,阀门内部的凝胶遇水之后会产生膨胀,将连接的活塞下压,这样与传感器相连接的的灌溉支流的管道横截面就会下降,灌溉水量就会不断下降直到完全被截止。一旦土壤中出现旱情,控制阀门中凝胶的水分蒸发,凝胶体积缩小与控制阀门相连接的支流阀门被打开,重新开始灌溉。这一设计一经公布在自动控制领域和阀门生产领域引起了巨大的反响,在经历了各行各业的反复验证之后,该技术被正式承认是无源控制阀门技术的最早发明应用,在实践中该阀门的优点是显而易见的,能够精确的控制水量,有效的减少水资源的浪费而且用很低的设备成本就实现了水量的无源自动控制。但是由于种种原因这一设计并没有得到广泛应用,本文在这一设计理念基础上结合最新技术进行了重新的设计[3]。
3.关于无源自动控制阀门设计
3.1设计思路
本文在旧的节水阀门设计理念基础上,结合了最新的土壤水分张力计作为控制元件,与旧的节水阀门一样一旦张力计感受到土壤中的水分超过预定值就会产生膨胀,推动阀芯截断灌溉水流,土壤中的水分有所下降张力计又会产生收缩,这时阀芯在弹簧的作用下又慢慢减轻对水流的压力,对田地的灌溉就又开始了。其特点是土壤水分张力计相比于旧控制阀中的凝胶更加敏感,对土壤中的水分监控更加充分,产生的形变对阀门的作用力也更加稳定[4]。
3.2设计结构
由图1可知,弹簧1在土壤水分张力计的推动下进而推动阀芯向前,截断水流向下游支流的流动,在土壤干旱时控制元件会收缩,阀芯会在弹簧2的作用下逐渐向后,阀芯退后后水流就会经由阀口向下游支流流去,灌溉干旱的农田。
4.结论
随着我国经济的快速发展,一线企业对自动控制系统的需求不断增加,尤其是其中的不依靠任何外来能量的无源自动控制阀门,将会在流体应用企业大展身手。
参考资料:
[1]片锦香. 热轧带钢层流冷却过程建模与控制方法研究[D].东北大学,2010.
[2]徐震. 高压通海阀结构设计及参数优化研究[D].哈尔滨工程大学,2013.
[3]刘静. 利用湿敏材料控制节水阀门的研究[D].北京林业大学,2007.
[4]田冠亚. 生物医药微小流量计量标准装置的研究[D].中国计量学院,2012.