纯机械自动控制阀门的设计及控制原理分析

徐战卫

（黑龙江省大庆石油化工机械厂有限公司，黑龙江 大庆 163000）

目前对自动阀门的研究大多数是有源控制，事实上无源控制的能够进行自动调节，是一种纯机械自动控制的阀门，它的应用和操作灵活、简单且方便，所以，加大对纯机械自动控制阀门的研究具有重要意义，基于此，本文对纯机械自动控制阀门的设计及控制原理进行主要分析。

1 自动控制阀门的简单概述

自动控制阀门简单来说就是不需要人进行控制，可以自动实现对流体的控制，包括流体的量和流体的方向等，对自动控制阀门进行分析，需要了解它的特点，主要包括：自动控制操作简单，灵活方便并且便于使用；使用周期长，不易被损坏，在一定程度上降低企业对机械的投入成本，自动化的机械控制是一种先进的生产工艺，采用了先进的技术。自动控制阀门对有需要的大企业来说是非常值得应用的，目前对它的普遍应用主要是微电子路，对于这一技术来说投入成本较多，所以一些小的企业如果资金较少还是不建议使用的，关于自动控制阀门的设计目前还是比较广泛的，并且对它的应用也各不相同，但是纯机械自动阀门生产成本较低，并且应用效率高，是一种实用的装置。通过对纯机械自动阀门的应用实现对水量的控制，原理就是土壤中的水分达到预定值，此时水分会进入阀门，阀门因为水分的进入会凝胶膨胀，下压活塞之后实现对水管截面积的减小，然后一段时间之后土壤中的水分会小于预定值，阀门中的水分会重新释放到土壤中，阀门内压力减小，活塞上移，水流量变大，这就是阀门的自动控制。

2 纯机械自动控制阀门的零件设计

2.1 阀门的设计

首先介绍一种用于控制生产用水的纯机械自动控制阀门，该种设计的出水时间是5分钟，5分钟之后阀门会自动关闭，如果需要再次使用，则需要人为操作即可。管道的出水口处设置一个细长管形连通器，同时，在空腔中有一个固定关闭阀门的细长方形槽，下端有一个连接阀门和计时装置的圆柱形孔，每一个装置都有独特的作用，并且在阀门的安装中缺一不可。

2.2 阀门和时间控制装置

阀门是由五个部分组成的，这五个部分是通过焊接连在一起，其中有两个方杆为宽方杆和细方杆，宽方杆和细方杆的作用是卡住计时时用的销，另外几个组成部分是手柄、阀门、细杆，其中细杆、宽方杆和细方杆都起到链接的作用。

2.3 工作原理

当装置是在计时将要开始的情况下，这是会有一根弹簧用于折板和折现之间进行固定压缩的，从而使闸门被折现销控制住，然后如果需要进行放水。在半圆环到达最高的时候，管体会被闸门下方的粗长方体杆顶住，这时压缩弹簧会对折线形销进行加压，这时折线形销会进入到粗细长方形杆之间的台阶型槽内，然后计时就可以正式开始，计时开始的标志是会出现一声响，然后闸门被卡住并且保证不会掉落，阀门被关闭，计时也就正式开始了。

计时开始之后水流的速度还是比较快的，水管前段也会被水快速填满，这时候可以水对管壁的压力看做每一处都是相等的，而水管和连通器是连接在一起的。

为了使计时更加准确，可以设置3个变量，保证计时器到细管后端的运动时间为5分钟，当计时器达到最后端时，高磁性磁铁在压力之下发生移动，此时计时停止，闸门被释放，放水也在此时结束。细管中的水也会被慢慢排出，计时器回到原来的位置，方便下一次的计时。

3 纯机械自动控制阀门的控制原理和控制单元设计

3.1 纯机械自动控制阀门的控制原理分析

对纯机械自动控制阀门的控制原理进行分析有利于了解阀门的操作，对阀门的应用和设计都具有重要意义。纯机械自动控制阀门中的自动控制元件材料有一种叫湿敏材料，湿敏材料对水是比较敏感的，也就是如果土壤中的含水量特别大，水分还在增多的过程中，此时湿敏材料会吸收土壤中的水分，产生膨胀，进而对弹簧的缓冲形成一种压力，这时缓冲弹簧会使复位弹簧发生移动，阀芯也会因此发生运动，阀芯在运动的过程中锥形面会把进水口封住，从而使阀门关闭，放水结束，灌溉也在此时停止。湿敏材料在吸收水分之后会变得比较膨胀，对膨胀量的大小要注意控制，因为如果湿敏材料的膨胀量过大会对阀芯造成损坏，当阀芯承受的压力较大时，缓冲弹簧会对压力进行一定程度上的缓冲，减小阀芯的压力，保护阀芯不受损坏。

3.2 控制单元设计分析

通过上述分析可以知道缓冲弹簧可以保护阀芯，使阀芯受到的压力减到最小，而复位弹簧主要是开启阀门，接下来本文主要对弹簧的相关参数和设计方法进行分析。

3.2.1 弹簧参数设定

缓冲弹簧和复位弹簧的参数选择都是一样的，参数设定的范围包括弹簧的内径、外径、中径还有节间距等，一般弹簧的旋转方向是向右旋转，当弹簧没有受到外界压力时，弹簧圈之间的间距是一定的，当弹簧受到压力时会发生变形，但是，在弹簧的设计过程中一定要注意它的荷载程度，在极限荷载的情况下弹簧间间距的范围。

3.2.2 设计方法

弹簧的设计，一方面弹簧的设计要保证能和阀门的正常使用相契合，另一方面弹簧本身也要具有一定的稳定性和强度。

（1）弹簧刚度计算。弹簧的刚度主要是针对弹簧的变形量来确定的，即阀门在正常工作的过程中弹簧应该具备的最大程度的变形量，从而确定最终弹簧的参数，一般来说，如果制造弹簧的材料相同，并且弹簧的直径大小也相同，如果增加弹簧的圈数弹簧的刚度会变小，如果减少弹簧的圈数，弹簧的刚度会变大。

（2）弹簧稳定性计算。弹簧不稳定的表现就是出现弯曲的现象，一般影响弹簧稳定性大小的是弹簧的圈数，如果弹簧的圈数过多，那么弹簧在承受的压力较大时容易出现侧向弯曲，如果弹簧两端都在固定的情况下，弹簧的长细比值应该在5.3一下，如果弹簧两端都在自由的状态下，弹簧的长细比值应该小于2.6，如果弹簧一段固定，另外一端是在自由状态下，那么弹簧的长细比值应该在3.7以下，控制好弹簧的长细比值对弹簧的稳定性具有重要作用。

4 结语

综上所述，对纯机械自动阀门的研究具有重要意义，本文主要从自动阀门的概念入手，逐步对纯机械自动化阀门的零件设计以及控制原理进行深入研究，希望可以为纯机械自动阀门的应用提供参考。