摘要：随着科学技术水平的不断提升，我国机械自动化控制的技术随之不断提高，为自动控制阀门的设计创造了有利条件，有助于推动我国阀门自动化控制取代传统的有源控制，在很大程度上开拓了机械自动控制阀门市场。本文主要对机械自动控制阀门的设计进行分析，并且探讨机械自动控制阀门的控制原理，致力于推动我国机械自动控制领域的发展。
关键词：机械；自动控制；阀门
引言：阀门作为管道系统设计过程中的重要组成部分，在实际应用中导流、节流、分流作用明显，可以对流体流动的流量以及方向、压力多方面因素进行控制。在科学技术水平不断提升的情况下，阀门的种类发生了很大的变化，其控制自动化力度得到逐渐强化。目前，自动控制阀门已经得到推广，但大多数属于有源控制，对于无源控制的机械自动控制阀门的研究相对较少。对此，机械自动控制阀门的设计以及控制原理的探讨呈现出必要性。
1 机械自动控制阀门概述
自上个世纪80年代，纯机械控制阀门的研究出现在人们的视野中，那是一种无源控制阀门，被命名为Irristat阀门。是由美国华盛顿州立大学的L.Ornstein教授设计的[1]。此设计被应用到了农业灌溉中，在节约水资源方面发挥了显著作用。正如Irristat阀门一样，机械自动控制阀门不需要人进行控制，可以真正的实现无源控制，能够自动控制流体的量和方向等。机械自动控制阀门具备操作简单、使用的周期长以及节省企业投入成本等特点，对于维护企业效益、推动企业的持续发展具有积极作用。在Irristat阀门设计背景下进行机械自动控制阀门的设计，有助于实现阀门的无源自动控制，实现对水流量的自动掌控。
2 机械自动控制阀门的设计
2.1 阀门的设计
机械自动化控制阀门在农业灌溉区域的应用价值较高，在Irristat阀门设计理念的带动下进行相关机械自动化控制阀门的设计，设计人员需要充分考虑到实际应用，设计出有益于生产水平提升的机械阀门[2]。在实际的机械自动控制阀门设计中离不开自动控制元件材料，对于控水阀门而言，原件材料通常采用湿敏材料。这种湿敏材料对水比较敏感，在土壤中的水分含量很大的情况下，湿敏材料会发生膨胀，进而对控制阀门中的弹簧产生缓冲压力，促使阀门工作。将实现对灌溉水流量以及水流方向的控制。
2.2 阀门工作原理
机械自动化控制阀门主要包括控制元件、一个缓冲弹簧(弹簧1)、一个复位弹簧(弹簧2)以及一个进水口和两个出水口构成。结构如图1所示:
图1 机械自动化控制阀门结构示意图
在阀门运行过程中，弹簧1能够将阀芯推动，直到阀芯锥型面堵住进水口的时候，阀门会在第一时间关闭，灌溉也会随之停止。而弹簧2则会反向推动阀芯，使阀芯逐渐运动，当封住进水口的发现锥形面后退到一定程度的情况下，阀门入水口逐渐开启，进而恢复了灌溉工作。由于阀门工作过程中涉及到结构中的多个元件，因此相关设计人员在进行机械自动化控制阀门设计时，应该致力于保证控制阀门各相关零部件的质量，以便于强化机械自动化控制阀门的使用效力，在提升机械自动化控制阀门使用寿命的基础上为企业经济效益的保障发挥积极作用。除此之外，在阀门控制结构中，控制单元属于核心部分，对于缓冲弹簧和复位弹簧作用的发挥都有着直接影响。
3 机械自动控制阀门的控制原理及控制单元设计
3.1 机械自动控制阀门的控制原理
应用于农业灌溉的机械自动控制阀门的控制原理是:阀门的自动控制元件中含有湿敏材料，湿敏材料直接与土壤相接触，当土壤中水分含量较多而且持续增加时，湿敏材料会产生吸水膨胀现象，进而会对缓冲弹簧产生压力作用。反正弹簧在受压下会逐渐移动，产生的力会推动复位弹簧和阀芯运动。阀芯在运动的过程中，其锥形面会逐渐封住进水口，以此实现阀门的自动关闭，灌溉操作停止。在阀门发挥作用时，缓冲弹簧不仅能够起到转移力的作用，还能大大减少阀芯所受到的压力，最大程度的保护阀芯，以此在维持自动控制阀门内部受力平衡的基础上实现高效能的自动控制。
3.2 控制单元设计分析
3.2.1 弹簧参数设定
上文中已经提到机械自动化控制阀门中的各个部件都发挥着重要作用，在采用湿敏材料作为控制元件材料的基础上，相关设计人员还应该对弹簧的参数进行设定，保证碗冲弹簧和复位弹簧参数选择的正确性，为自动化控制阀门的实际应用创造有利条件。而弹簧参数的设定对于缓冲弹簧和复位弹簧而言没有太大区别，其参数设定范围包括弹簧的内径，外径，中径，还有节间距等，值得注意的是，机械自动化控制阀门中弹簧会受到力的作用发生形变，会对弹簧间距产生影响，因此在实际参数设计中应该充分考虑到弹簧的荷载程度和强度，以便于在设计合理的情况下保证两个弹簧之间以及与各部件之间力传递的稳定性。
3.2.2 弹簧设计方法
弹簧的设计主要依据弹簧的刚度要求以及弹簧的稳定性要求，弹簧的刚度主要取决于弹簧的变形量，设计人员应该明确阀门在正常工作过程中弹簧应该具备的最大程度的变形量，根据变形量确定弹簧的参数。通常情况下，在弹簧制造材料相同时，减少弹簧的圈数会是弹簧的刚度变大。与此同时，弹簧的圈数还会影响弹簧的稳定性，在弹簧圈数过多的情况下，受力较大时容易出现侧向弯曲，不利于保证弹簧的作用发挥。在对弹簧稳定性进行计算时，设计人员应该控制好长细比值，如果弹簧两端都固定，长细比值应该控制在5.3，从而通过稳定性的提高保证机械自动化阀门的质量。
结论：总而言之，机械自动化控制阀门的自动化效果主要取决于内部的控制单元设计，因此相关人员在进行控制单元设计过程中一定要秉承先进设计理念，对控制单元的设计加以重视，以此强化阀门自动调节功能，保证阀门的自动控制能力。除此之外，设计人员应该根据不同行业的需求设计出有针对性的机械自动控制阀门，在满足设计需求的基础上提升自动控制阀门合理性。
参考文献：
[1]陈飞龙.机械自动控制阀门的设计及控制原理分析[J].山东工业技术,2019(16):9.
[2]徐战卫.纯机械自动控制阀门的设计及控制原理分析[J].世界有色金属,2018(15):227-228.
第一作者 孙启 辽宁工业大学 121001
第二作者 刘晏 辽宁工业大学 121001
第三作者 白志平 辽宁工业大学 121001
论文作者:孙启,刘晏,白志平
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/9/11
标签：阀门论文; 弹簧论文; 自动控制论文; 机械论文; 自动化控制论文; 无源论文; 材料论文; 《基层建设》2019年第16期论文;