关键词：纯机械；自动控制阀门；设计原理；控制原理
前言：
在自动控制阀门当中，大部分研究都侧重于其有源控制当中，对于无源控制的研究比较少，无源控制指的是不借助任何外部能量来完成阀门的自动控制和调节工作，因此这种阀门也本称之为纯机械自动控制阀门，其自动化程度比较高，节能效果也比较好，其设备的应用工艺也比较简单，本文主要分析在纯机械自动控制阀门当中，具体的设计原理和控制原理。
1、纯机械自动控制阀门
从纯机械自动控制阀门本身上分析，指的是一种不需要外部能量就能完成自动控制交接工作的阀门，属于一种无缘控制阀门。在纯机械控制阀门当中，最早出现在上世纪八十年代，这种阀门最初在农业节水灌溉当中进行应用。当土壤当中水分含量达到预定值之后，水分就会进入到阀门当中，导致其内部凝胶迅速膨胀，进而对活塞进行下压，减少了水管的截面积，能够更好的视线水量控制。而一旦土壤当中的水量低到一定量时，阀门当中的水分就会渐渐送回到土壤当中，活塞失去压力之后就会出现上移运动，从而增加了水流量，完成了水流的自动控制。
2、纯机械自动控制阀门设计
2.1阀门设计
对于纯机械自动控制阀门而言，其主要应用在对生产用水的控制当中，以图1中阀门为例，其出手时间一般都在5min左右，超过5min之后则会触动阀门，从而自动切断出水阀门，如果要再次应用则需要进行人为操作。
图1
对于阀门管件而言，其进水端一般会设置一个立方体空腔装置，一旦阀门自动关闭并切断水流后，该装置也会随之关闭。对于立方体空腔的下前端需要利用一块折板来进行焊接，从而对传动销进行固定。在出水口附近还需要采用一个细长管型连通器进行焊接。并且在空腔上还会涉及一个长方形的槽孔，其主要的目的是用来关闭阀门，并且在下端还会有一个圆柱形孔，其主要是用于阀门装置和计时装置的连接。
2.2时间控制装置
对于纯机械自动控制阀门而言，主要是通过五个部分来焊接而形成，分别为手柄、阀门、连接杆、细方杆、宽方杆等，其中宽方杆和细方杆都有用来卡住计时的销。这种传动销属于一种折线形，主要材料为贴，在其前端和管件上的折线形板孔相连接，其计时器为圆柱空腔，并且在前端装有高磁性磁铁，主要用来吸引折线形销，并且在下方的细长管连通器内部运动。
2.3阀门工作原理
从纯机械自动控制阀门整体装配上看，在折板和折线销之间有一根压缩弹簧来进行固定，从而让折线销能够更好的顶住阀门。而一旦需要让阀门进行计时防水时，则可以将阀门上的半圆环提起，然后让阀门能够更好的进行防水工作，当起抬到最高处的时候，阀门下端的粗长方体杆能够顶部管体，而折线形销会由于弹簧的压力而陷入到粗细长方形杆之间的台阶型槽孔内，此时会卡住阀门让其不会掉落，以避免阀门自动关闭，而计时也随之开始。
而由于水流比较快，在水管前端已经充满了水分，因此会在一定范围内让管壁内的压力保持相等，并且让其瞬间能够充满连通器。并且由于水管和连通器两端相连，并且不同联通口的面积也会保持相等，因此对于连通器习惯当中的水流静止而言，可以忽略由于海拔而造成的不同水压偏差，并且不会对计时造成影响。
另外当细管内部出现充水的时候，计时器也会同时受到浮力，再加上自身重力的影响，管壁内部也会产生较大的摩擦阻力。这三种力的影响下对计时器运动时间控制在5min左右，并且让其变量能够更为准确。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
而一旦计时器上升到一定程度时，计时器上的磁铁就会对折线销进行吸引，从而让弹簧压力出现位移，并且进一步释放闸门，从而完成计时，停止放水工作。并且在此之后，习惯内的水也有慢慢从下端的通孔当中排出，从而使得计时器落到最下方的位置，准备完成下一步计时工作[1]。
2.4弹簧压力的控制
在纯机械自动控制阀门当中，缓冲弹簧起到的作用主要是对阀芯进行缓冲保护，而复位弹簧所起到的作用则主要是开启阀门。以阀门自动化控制为核心，对以下两种参数设定和设计进行分析。
其一对弹簧的参数进行设定，对于两种弹簧而言需要采取相同的参数，其中包含有内径参数、外径参数、中径参数、节间距参数、螺旋升角参数等。而在弹簧旋转方向的确定过程中，如果没有特殊的要求，则需要选择右侧旋转的方式，当弹簧不受压力后需要将弹簧圈之间的间距设置为相应的值，在收到压力之后弹簧之间也会出现收缩变形，因此在对弹簧进行设计的过程中需要考虑到极限荷载的情况，保证弹簧圈之间保持到一定的间距[2]。
另外在弹簧的设计过程当中，为保证能够满足阀门正常使用时尺寸和参数上的要求，需要保证弹簧的稳定性和可靠性。而这一点则需要以弹簧的刚度、稳定、强度等方面的计算来进行确定。
基于弹簧刚度计算而言，为了满足阀门的正常工作，需要对弹簧变形量设置相应的要求，然后计算出弹簧的具体参数。另外对于弹簧丝直径和弹簧材质相同的情况下，则需要适当的增加弹簧的圈数，让弹簧的刚度适当变小，以此来减少弹簧的圈数，进而增强弹簧的刚度[3]。
从弹簧稳定性计算上分析，弹簧本身如果出现侧向弯曲，则是弹簧不稳定的重要表现。如果弹簧本身的圈数比较多，同时所承受的压力也比较大时容易影响其稳定性。而当弹簧出现侧向弯曲后，为了保证纯机械自动控制阀门稳定性，需要在弹簧两端选取不同的长细比值，而如果弹簧两端都属于固定状态，则需要将弹簧长细比值取最小值，约为5.3.而如果弹簧的一端处于固定状态，另一端则会处于自由状态，因此弹簧的长细比应当控制在3.7以下，而如果弹簧两端都处于自由状态，则需要将弹簧的长细比控制在2.6以下[4]。
3、自动化控制设计
为了进一步延长阀门的使用寿命，需要让弹簧的控制装置的安全性和可靠性得意控制。对于弹簧的参数而言，是影响弹簧稳定性的主要因素，因此需要相关人员加强对弹簧参数的研究，进而提升弹簧的整体稳定性，只有这样的弹簧才能符合阀门的应用标准。另外要想让弹簧的强度和刚度更加可靠，则需要进一步加大弹簧性能和参数的研究，进而降低出现故障的概率。对于性能参数的设计而言，是设计人员必须进行的一项内容[5]。
在设计是需要尽量控制好阀门自动化控制的标准，以此来确定弹簧变形的大小，以弹簧的圈数来作为设计标准，另外对于弹簧的刚度设计而言也可以一次作为标准，弹簧变形的大小直接对阀门自动控制性有着直接性影响，因此需要控制好弹簧的刚度和弹簧的变形性[6]。
4、结语：
在纯机械自动控制阀门当中，控制系统的影响比较大，会直接影响了阀门的应用效果，因此相关设计人员需要加大对控制系统的管理力度，一次来实现机械自动控制阀门的整体运行效果，并且根据不同阀门的作用和范围，凸显阀门的各项优势。
参考文献：
[1]付豹,李姗姗,张启勇, 等.周期性大扰动对超导核聚变低温系统氦透平膨胀机的影响分析[J].低温工程,2019,(1):41-45.
[2]张利国,马金山,齐金涛, 等.精细控压钻井自动控制阀门电动执行器[J].科学与财富,2019,(27):249.
[3]夏许超.一种电液控制蝶形阀门自动组装机及其组装技术研究[J].中国新技术新产品,2019,(20):9-10.
[4]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.
[5]蒋爱国.基于PLC的海上钻井平台阀门自动智能控制系统设计[J].科技广场,2017,(12):71-73.
[6]谭勇,薛敬凯,何子昂, 等.基于自动脉冲TIG焊的核级阀门管道焊接工艺[J].电焊机,2017,47(8):109-113.
论文作者:孙健1, 姜铭2, 郎宇锋3
论文发表刊物:工程管理前沿》2020年2月第4 期
论文发表时间:2020/4/30