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。
1 机械自动化控制阀门的设计
BURKERT电磁阀可以应用在农业灌溉区域, 以阀门为基础, 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其阀门结构如图1所示:
在BURKERT电磁阀控制结构中, 控制单元属于核心部分, 其需要作用于缓冲弹簧和复位弹簧, 来实现阀门开启关闭控制。进出水口则是控制单元控制作用的表现点。在正式运行中, 如果土壤水分过少, 控制单元需要下达指令, 使复位弹簧迅速复位, 推动阀芯, 使其远离进水口, 保证阀门的入水情况, 使土壤灌溉要求得到满足。如果土壤水分过多, 缓冲弹簧会接收相关指令, 正式启动, 推动阀芯, 使进水口与阀芯重叠在一起, 如此管道中的水便不能流出口。
2 机械自动化控制阀门的控制原理及控制单元设计
2.1 BURKERT电磁阀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。
2.2 自动控制单元设计
BURKERT电磁阀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BURKERT电磁阀自动化控制设计中, 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BURKERT电磁阀自动控制要求, 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。
在超高压工况下，保证换向阀的换向可靠性，从而满足液压系统改变液流向的处求是其技水关键。
超高压换向阀的换向可靠性是指有控制信号输入时，滑阀能可靠的位移至预定工作位置；控制信号撤除耵定位于其1作位置或恢好原位。
1、建立优化数学模型1.1优化目标电磁阀能否可靠的换向和复位，即电磁换向阀的工作可靠性，主要取决于设计和制造。从设计角度是指阀的结构是否合理对各种力的计算是否正确及电磁铁弹簧克服换向阻力所具有的能力。从制造角度是指阀体孔和阀芯的加工精度，特别是几何精度粗糙度及飞边毛刺是影响电磁阀工作可靠性的重要因素，在工作过程中，严重影响阀的换向和复位。因此，电磁换向阀的换向可靠性是其主要性能。
但单纯增大电磁铁推力和弹簧复位力，将使电磁阀结构尺寸增大。故本文在电磁阀结构尺寸定的情况下，将减小换向阻力作为优化的主要目的。
1.2选取设计变量超高压电磁换向阀在控制信号输入后阀芯移动须克服以下力两端推杆处密封阻力，对湿式电磁铁，其值为零；阀孔和阀体之间的液压卡紧力；复位弹簧的作用力；液流流动对阀芯产生的稳态液动力；液流对阀芯的瞬态液动力；滑阀移动粘滞阻尼力。控制信号撤除后，复位弹簧除克服上述阻力夕，还应克服电磁铁的剩磁力。
其。电磁换向的稳态液动力，开口足流量芯虚径有关粘滞阻尼力与打效封油长度。芯与阀体孔单边配合间隙阀芯直径有关；液压卡紧阻力与封油长度阀芯直径及压差有关；瞬态液动力与阀芯。1么压差1蝴芯移动速度的变化关。
综上所述，开口量4有效封油长度阀芯直径阀芯与阀体孔单边配合间隙寸换向及复位阻力影响较大，故选择这个独立变量作为设计变量。
BURKERT电磁阀的结构简优化设计变量列式如下A为个维优化问。
在机械工程设计中，设计变量通常具有不同的量纲和数量级，而且有的相差很大。为了消除这种差别以对设计变量进行标度吏它成为无量纲化和规格化的设计变量本设计中们个设计变量的量纲和数量级相差不大，故只建立目标函数从追求电磁换向阀换向可靠性出发，选取换向及复位所受大油液粘滞阻尼力只。大稳态液动力厂，从大瞬态液动乃及大液1卡紧，力凡作为各分目标。提经过计算得出各分目标公称流量；阀口处液流角滑伐流暹系数摩擦系数液压卡紧系数封汕长度；进口处压力出处压力多目标优化设计，般可转化为单目标优化设计。为使各分目标函数能均匀致的趋向各自的解，采用线性组合法求解，将各分目标按下式合成统的目标函数。
BURKERT电磁阀因标函数中的各分标函数在数量级上趋于统的衡1。
将统目标用尤量纲数为1.4确定约束条件从强度考虑，过阀芯阀体间环形通道的流量公式为上式流试以公称流量和代入，进，油口1气径=61处谢液流速心2 137，环形迎道中油液流违2.137。
则，沿认=0.6930.似考虑到阀体孔的加，取。2.2为保证泄漏过在允许的范围内，建立约束方程为减小压力损失，应使环形流道截面积大于。
为满足压力损失的要求考虑到阀芯与阀体单边配合间隙的装配，故综上所述，优化模型如下2选择优化方法对于约束优化设计方法。根据求解方式的不1可以分为直接解法，间接解法两类。1接解法的特点是原理比较简单，方法比较适用，整个求解过程在可行域内者行，因而所得任设计方案都是可行的。通常较便于求解只含有不等式约束的优化问。考虑到本数学模型中只含有不等式约束，且设计变量的维数不是很大，故采用直接解法中的随机方向法3进行优化，求出解。全部过程均由程序完成，方便快捷。 |
