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。在阀门自动化控制研究中, 出现了一种纯自动控制阀门, 该阀门作用优势更加显著, 甚至不需要传感设备或外部能量的帮助。其属于无源阀门, 在阀门应用中, 设计人员应基于阀门作用原理, 研究阀门自动调节作用。如此才能设计出有益机械生产水平提升的阀门。本文主要针对机械自动控制阀门的设计及应用原理进行分析。

机械自动化控制阀门可以应用在农业灌溉区域, 以Irristat阀门为基础, 设计相关的纯机械自动化控制阀门, 还需要掌握阀门控制作用原理。在设计中, 农业中的土壤水分张力变化情况会成为阀门调节控制的判断依据。水分平衡可以使阀门实现自动化控制^[1]。其阀门结构如图1所示:

弹簧推动阀芯, 使进水口被堵塞、开启, 从而完成阀门操控。而弹簧主要将土壤水分含量作为操作依据。弹簧的操作过程便是阀门自动控制过程, 在控制单元中, 含有湿敏材料, 该材料会直接探测土壤水分含量, 含量不同, 材料表现也不同, 当水含量过多时, 湿敏材料在吸水后, 体积会变大, 这会占用弹簧面积, 对弹簧造成挤压, 所以弹簧会作用于阀芯上, 使其启动^[2]。阀芯运行过程中会形成锥形面, 该面在进出水口控制中发挥了重要作用。当进水口被堵塞后, 阀门会自行关闭。缓冲弹簧可对阀门阀芯起到保护作用, 使其不会受到膨胀湿敏材料的破坏。

两种弹簧在阀门自动化控制中发挥了主要作用, 所以要将其作为核心元件进行重点设计, 使缓冲弹簧发挥缓冲保护和关闭阀门作用, 使复位弹簧发挥开启作用。在自动控制单元具体设计中, 需要完成以下两方面设计工作。其一, 参数的设定。弹簧这种控制元件有自己的性能参数, 只有参数合格合理, 弹簧才会发挥作用, 使阀门实现自动控制。针对缓冲弹簧和复位弹簧, 设计人员需要合理确定弹簧参数, 使其满足控制作用需求^[3]。在设计中, 主要对弹簧的内外尺寸、弹簧丝直径及螺旋升角进行设计。弹簧在应用中, 不仅会发生压缩拉伸, 还会出现旋转, 所以需要确定旋转角度, 针对阀门自动化控制要求, 还要确定弹簧的旋转方向。弹簧在发挥作用时, 其本身会接收相关荷载, 如果荷载过大, 会对弹簧间距造成影响, 设计人员还应设计极限荷载, 使其不会影响弹簧圈间距。

其二, 设计方法。在阀门自动化控制设计中, 若要保证阀门一直有效, 则需要使控制单元中的弹簧一直处于安全可靠状态。弹簧的稳定性主要体现在弹簧参数上, 设计人员需要控制弹簧参数, 需要使弹簧更加稳定, 如此弹簧才能满足阀门需求。在可靠性设计中, 应对弹簧的性能参数进行设计, 使相关的刚度和强度等得到保证, 如此其在承受荷载时才不会出现失效问题。在性能参数设计中, 设计人员应确定其计算方法和设计方法。在弹簧刚度设计中, 需要对刚度参数进行计算。在计算前, 应创建稳定条件, 如使弹簧材料及弹簧丝保持不变, 对弹簧刚度进行研究, 发现该参数与弹簧圈数有直接关系, 两者呈反相关关系。在实际应用中, 设计人员应根据阀门自动控制要求, 确定弹簧的变形量, 该参数会决定弹簧圈数, 如此弹簧刚度也可以被计算出来。弹簧变形量需要满足阀门自动控制要求, 而弹簧刚度则要满足变形量要求。在弹簧强度计算中, 需要确定弹簧丝的生角, 需要使其正弦值和余弦值接近零和一。根据这些参数, 可计算出弹簧的截面应力。该应力近似值计算中, 需要涉及到剪应力、弹簧丝直径、弹簧中径等, 弹簧中径需要与弹簧丝作比值, 该比值参数大小直接关系到弹簧的稳定可靠性, 设计人员还要控制该比值, 使其不会影响弹簧丝卷绕过程。在弹簧稳定性计算中, 需要通过控制该参数来调控侧向弯曲情况^[4]。当弹簧稳定性得到保证后, 即使弹簧所受压力很大, 其也不会影响弹簧使用效果。

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。自动控制单元应能及时探索到作用对象的运行情况, 及时根据其运行需求, 作出有效调控, 使作用对象处于正常运行状态。该种阀门可作用于不同的领域, 设计人员还要结合不同行业作用需求, 设计合理的自动控制阀门和控制单元。