机械自动控制阀门的设计及控制原理分析

杨雷

摘 要：机械自动化控制阀门作用优势主要来自控制单元，设计人员要重点设计该单元，使其自动调节能力和控制能力得到保证。针对这种阀门设计，设计人员需要了解自动控制阀门内涵和作用原理，然后结合控制原理，保证设计质量。因此，本文针对机械自动控制阀门的设计及控制原理进行简单的分析。

关键词：机械自动控制阀门；设计；控制原理；

自动控制阀门可以对流动介质的流入流出量进行控制，使其满足管道运输要求，满足机械生产需求。阀门自动化控制能够进行自动调节，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自动控制系统中的阀门概述

目前，我国常见的机械设备加工中对于自动控制阀门的应用较为广泛，其能够在机械加工中起着非常重要的控制作用。因为在机械设备加工过程中对于一些流体速度的控制非常重要，而通过自动阀门进行控制，能够有效地对加工过程中的流速及压力进行很好的调节分析，进一步使我国机械加工技术得到有效的提升，从而增强机械加工的稳定性。机械构建中自动控制阀门属于一种能够自我进行调节的重要零件，通过将大型机械设备中的流体进行相应灵活的导流、节流、分流等控制，从而使机械加工中的液体得到很好的控制使用，从而增加机械加工的整体效率。例如，在现代的机械加工过程中水蒸气、天然气、液体的各种金属等资源是加工中不可缺少的一部分。根据我国现阶段广泛应用的阀门形式能够大致分为以下3种：截断性阀门、真空类阀门以及特殊类阀门。其中，将截断类阀门应用于机械生产中进行控制接通与断开。真空类阀门则主要广泛应用在液体控制加工中。对于特殊阀门主要应用于较为特殊的环境中，其中包括了例如单阀门控制下的双向管道以及污水处理等各种特殊环境，这是目前机械加工中一种综合控制能力较强的控制系统形式。通过对于上述机械自动控制阀门应用过程中的一些具体研究，为了能够使今后阀门加工控制技术更加完善，从而推动我国机械加工技术的不断进步与发展。

2机械自动化控制阀门的控制原理

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机械自动化控制阀门控制单元设计

3.1自动控制单元设计要点

无源控制阀门主要包括复位弹簧、缓冲弹簧2个圆柱螺旋压缩弹簧。其工作原理为：在增加土壤含水率的情况下，控制元件中与土壤接触的湿敏材料会在土壤中吸入水分、产生膨胀，在材料膨胀的作用下，推动缓冲弹簧移动，缓冲弹簧又会推动复位弹簧和阀芯运动，一直到阀芯的锥面将进水口堵住，便自动停止灌溉。缓冲弹簧在无源控制阀门工作过程中，能在湿敏材料膨胀量大于阀芯堵塞进水口移动量时起到重要的缓冲作用，有效避免阀芯锥形头受过大压力而损坏。湿敏材料的水分会随着灌溉后土壤水分的蒸发而减少，在水分不断减少的情况下，其体积逐步收缩回原来状态，此时复位弹簧可促使阀芯向下移动，使锥形头开启，进行再次灌溉。由于缓冲弹簧起缓冲保护的作用，复位弹簧起控制阀门开启的作用，所以下面根据以往的试验数据设计复位弹簧、缓冲弹簧，并对其采用相同的参数。

3.2确定弹簧的压缩量

在阀门设计时，压缩弹簧的主要参数包含弹簧丝的直径、弹簧圈的外径、弹簧圈的内径、弹簧圈的中径、弹簧的节间距、弹簧的螺旋升角。另外，弹簧的旋转方向可以选择左侧旋转也可以选择右侧旋转，如果没有规定出相应的设计要求，一般选用右侧旋转。在压缩弹簧不受力的状态下，弹簧圈之间必须有适当的间距，保证弹簧在外界压力的作用下产生变形。在设计过程中还需要考虑弹簧的极限载荷，因此弹簧圈之间必须保留一定的间距。弹簧的两个断面圈需要与邻圈贴合，保证断面只发挥支撑作用，而不会参与形变。

3.3制定设计方案

压缩弹簧的设计过程中，需要结合阀门的使用要求，确定出弹簧的尺寸和圈数，保证设计出的弹簧稳定可靠，弹簧设计过程中的重点参数有强度、刚度和稳定性三个。计算弹簧强度的过程中，

将弹簧丝的升角设为α，取值为5°-9°，

sinα≈0，cosα≈1，

弹簧截面上的应力可以近似计算为 ，

其中F表示剪力，c表示弹簧指数，也叫旋转比，其值为D/d。

为提高弹簧本身的可靠性，c需要合理取值，因为取值过大将影响弹簧的稳定性，取值过小将导致弹簧绕卷时弯曲。一般在阀门设计中将c值定为4-16。计算弹簧强度的过程中，重点需要结合弹簧的变形量求出弹簧的圈数，结合相关材料力学原理，在弹簧丝直径和材质相同的情况下，弹簧本身的圈数越小，刚度越大，圈数越大，刚度越小。计算弹簧稳定性的过程中，弹簧上的载荷较大或者弹簧的圈数较多时，弹簧将会出现一定程度的侧向弯曲，弹簧的稳定性将会受到影响。为了提高弹簧的稳定性，弹簧两端为固定状态时，弹簧的长细比在5.3以下，如果弹簧只有一端固定，另一端为自由状态时，弹簧的长细比在3.7以下，如果弹簧两端均为自由状态时，弹簧的长细比在2.6以下。

总结：自动阀门控制能够有效地提高现代资源的综合使用率，对于优化机械加工有着非常重要的作用，该阀门控制部分不需要应用计算机和传感器，设备成本低廉，具有較大的技术优势。

参考文献：

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