Page 249 - 机械技术运用及理论研究

第八章 机械密封系统与阀门设计的思考 237

下一次的计时。

二、机械自动化控制阀门控制单元设计

（一）自动控制单元设计要点

无源控制阀门主要包括复位弹簧、缓冲弹簧两个圆柱螺旋压缩弹簧。其工作
原理为：在增加土壤含水率的情况下，控制元件中与土壤接触的湿敏材料会在土
壤中吸入水分、产生膨胀，在材料膨胀的作用下，推动缓冲弹簧移动，缓冲弹簧
又会推动复位弹簧和阀芯运动，一直到阀芯的锥面将进水口堵住，便自动停止灌
溉。缓冲弹簧在无源控制阀门工作过程中，能在湿敏材料膨胀量大于阀芯堵塞进

水口移动量时起到重要的缓冲作用，有效避免阀芯锥形头受过大压力而损坏。湿
敏材料的水分会随着灌溉后土壤水分的蒸发而减少，在水分不断减少的情况下，
其体积逐步收缩回原来状态，此时复位弹簧可促使阀芯向下移动，使锥形头开启，

进行再次灌溉。
（二）确定弹簧的压缩量
在阀门设计时，压缩弹簧的主要参数包含弹簧丝的直径、弹簧圈的外径、弹
簧圈的内径、弹簧圈的中径、弹簧的节间距、弹簧的螺旋升角。另外，弹簧的旋

转方向可以选择左侧旋转也可以选择右侧旋转，如果没有规定出相应的设计要求，
一般选用右侧旋转。在压缩弹簧不受力的状态下，弹簧圈之间必须有适当的间距，
保证弹簧在外界压力的作用下产生变形。在设计过程中还需要考虑弹簧的极限载
荷，因此弹簧圈之间必须保留一定的间距。弹簧的两个断面圈需要与邻圈贴合，

保证断面只发挥支撑作用，而不会参与形变。
（三）制定设计方案
压缩弹簧的设计过程中，需要结合阀门的使用要求，确定出弹簧的尺寸和圈
数，保证设计出的弹簧稳定可靠，弹簧设计过程中的重点参数有强度、刚度和稳

定性三个。计算弹簧强度的过程中，重点需要结合弹簧的变形量求出弹簧的圈数，
结合相关材料力学原理，在弹簧丝直径和材质相同的情况下，弹簧本身的圈数越
小，刚度越大，圈数越大，刚度越小。计算弹簧稳定性的过程中，弹簧上的载荷
较大或者弹簧的圈数较多时，弹簧将会出现一定程度的侧向弯曲，弹簧的稳定性

将会受到影响。为了提高弹簧的稳定性，弹簧两端为固定状态时，弹簧的长细比
在 5.3 以下，如果弹簧只有一端固定，另一端为自由状态时，弹簧的长细比在 3.7