摘要：通常来讲，在流体系统当中，阀门无疑是其中最不可或缺的关键部分。其中，对于阀门而言，其可以对流体流动的流量、方向以及压力等参数予以控制，所以其在流体系统中有着关键作用。然而，在对机械构建的自动控制阀门进行市场调研后发现，对此进行相关的研究以及市场中性能完备的此类产品相对较少，但是由于机械构建的自动控制阀门有着较高的自动化程度、使用方便以及成本低等优势，所以对机械构建的自动控制阀门进行积极的研究是有着重要意义的。
关键词：机械构建；自动控制阀门；探讨
引言：目前，在研究自动控制阀门方面，研究的主要领域多在于有源控制方面的研究，但是在无源控制方面的研究则相对较少。其中，对于无源控制阀门而言，其主要指的是阀门的自动控制调节不需要外部提供能量便可实现，同时无源控制阀门也可称之为机械构建的自动控制阀门，并且其具有程度较高的自动化程度、节能、操作方便以及制备工艺简单等优势。因此，加大对机械构建的自动控制阀门的研究力度是有很有必要的，并且对于推动我国阀门设计水平的提升有重要的现实意义。
一、阀门的基本概述
对于流体系统而言，阀门由于可以对系统中流体流动方向、压力、流量等参数加以控制，所以阀门在其中有着极为关键的作用。通常来讲，在管路流体输送系统中，阀门是其中重要的控制部件，并且具有节流、导流、分流、溢流泄压以及截止等功能。现阶段，在市场当中，用于流体控制的阀门具有较多种类，既有存在复杂控制系统的阀门，同时也有结构相对简单的截止阀。对于阀门来讲，其通常可对水、整齐、放射性流体等物质进行控制，同时阀门存在较多的控制方式，例如，手动、电磁以及气动控制等。另外，阀门也可通过传感信号的作用，例如，压力、温度等予以在动作方面进行控制。此外，还有一些不依赖传感信号也能进行简单开、关的阀门。按照阀门的作用以及用途的不同，大体上可将其分为：（1）截断类阀门。如截止阀、球阀、闸阀等，最主要的作用是接通或是截断管路中流动的介质。（2）真空类阀门。如真空球阀、真空挡板阀、真空充气阀等，基本上都是在真空系统中应用，最主要的作用是改变气流的流动方向，调节气流量的大小，连通或是切断管路的真空系统元件等。（3）特殊类阀门。这类阀门大多数都是一些用途比较特殊的阀门，如排气阀、清管阀、排污阀等，其中排气阀是管道系统中的重要组成部分，并被广泛应用于给排水、锅炉、空调、石油天然气等管道中。
二、机械构建的自动控制阀门设计
本文以机械构建的自动控制阀门为基础，以土壤水分张力为主要设计原理。机械构建的自动控制阀门的控制主要是通过水分平衡原理来实现的，借助真空压力表的读数，张力计能够对土壤水分情况进行监测，以监测结果为基础来实现对阀门的自动化控制。在整个控制过程中，张力计相当于一个土壤温度的传感器，机械构建的自动控制阀门通过内部凝胶吸水膨胀及失水收缩来判断土壤中水分情况，从而通过阀门来实现对水流量的自动化控制，实现灌溉自动化，其不需要计算机和传感器，属于一种无源自动控制阀门，通过机械构建来实现阀门的自动化控制。本文提出的机械构建自动控制阀门结构设计如图所示：阀门结构主要包括控制元件、两个弹簧（一个缓冲弹簧即弹簧1，一个复位弹簧即弹簧2）、进水口以及两个出水口组成，通过弹簧1能够推动阀芯移动，当阀芯锥形面封堵进水口的时候，则阀门关闭，灌溉停止，通过阀门2可以推动阀芯反向移动，封住进水口的阀芯锥形面会慢慢后退，从而实现阀门入水口的逐渐开启，灌溉恢复。
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图１自动控制阀门的结构简图
三、机械构建自动控制阀门的控制原理及控制单元设计
1、机械构建自动控制阀门的控制原理分析
机械构建自动控制阀门的控制原理如下：阀门自动控制元件中存在湿敏材料，湿敏材料与土壤直接接触，当土壤中水分含量增多的时候，湿敏材料产生吸水膨胀作用，从而给缓冲弹簧施加压力，缓冲弹簧在压力的作用下会移动并推动复位弹簧和阀芯进行运动，阀芯运动的过程中其锥形面会逐渐封住进水口，实现阀门的自动关闭，灌溉停止。当湿敏材料吸水膨胀的时候，如果其膨胀量比阀芯封堵进水口的移动量大，则很可能导致阀芯锥形头受到较大压力，甚至损坏阀芯，而缓冲弹簧则能够起到良好的缓冲作用，避免阀芯锥形头受到较大压力，实现对阀芯锥形头的保护。
2、自动控制单元设计分析
通过上文中的分析可知，缓冲弹簧主要起到对阀芯的缓冲保护作用，复位弹簧主要起到开启阀门的作用，阀门自动化控制的核心为弹簧，下面对两种弹簧的参数设定和设计方法进行分析：
2.1 弹簧参数设定
两种弹簧采用相同的参数，主要包括弹簧的内径、外径、中径、节间距、螺旋升角以及弹簧丝的直径。对于弹簧的旋转方向来说，如果没有特殊要求，一般选择右侧旋转。弹簧在不受压力的情况下，弹簧圈之间的间距应当为一定值，在受到压力的时候，弹簧会发生收缩变形。在设计的过程中应当考虑极限荷载的情况，应当保证弹簧圈之间在极限荷载作用下一定的间距。
2.2 设计方法
在对弹簧进行设计的过程中，要保证其能够满足阀门正常使用的尺寸要求和圈数要求，同时要保证弹簧的稳定性和可靠性，这就涉及到弹簧刚度、稳定性以及强度的计算和确定。（1）弹簧刚度计算弹簧刚度需要满足阀门正常工作对弹簧变形量的要求，从而计算出弹簧的具体参数，在弹簧丝直径、弹簧材质相同的时候，增加弹簧的圈数，弹簧的刚度会变小，减少弹簧的圈数，弹簧的刚度会变大。
2.2.1 弹簧强度计算
在本机械构建自动控制阀门设计中，所采用弹簧丝的升角在5度到9度之间，将升角设为a，则可以求出，a的正弦值约等于0，a的余弦值约等于1，以此可以求出弹簧截面应力的近似值：在上式中，F代表剪力，c代表弹簧中径与弹簧丝直径的比值，即弹簧指数，d代表弹簧丝的直径，c值过大，则可能会对弹簧的稳定性带来不良影响，c值过小，则可能导致在卷绕的过程中弹簧丝出现弯曲，因此c值不宜过大也不宜过小，在本设计中c的取值范围为4-16。
2.2.2 弹簧稳定性计算
弹簧侧向弯曲是弹簧不稳定的具体体现，弹簧本身的圈数较多，同时受到的压力较大的时候，会影响其稳定性，出现侧向弯曲，即如果弹簧的高径比超过上限，则会出现侧向弯曲。为了保证机械构建自动控制阀门中弹簧的稳定性，在弹簧两端的不同状态需要取不同的长细比值，如果弹簧两端都处于固定状态，则弹簧长细比的取值应当小于5.3，如果弹簧一端处于固定状态，另一端处于自由状态，则弹簧的长细比应当小于3.7，如果弹簧两端都处于自由状态，则弹簧的长细比应当小于2.6。
结语：本文以相关研究理论为出发点，以此来对可用于灌溉领域的机械构建的自动控制阀门予以设计，并对其中的设计方案以及自动控制原理进行了深入的探讨，以便对今后开发以及设计机械构建的自动控制阀门起到有效的借鉴与参考作用。另外，对于本文而言，其中难免存在一些需要完善的地方，但是在今后的研究过程中，需要对提升机械构建的自动控制阀门的使用年限方面加以着重的关注，有助于促进机械构建的自动控制阀门未来应用领域的扩展以及发展速度的提升。
参考文献：
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论文作者:刘思娇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/9
标签：弹簧论文; 阀门论文; 自动控制论文; 机械论文; 作用论文; 流体论文; 无源论文; 《建筑学研究前沿》2018年第17期论文;