1 引言

     溫度控制閥是一種不需要外接能源，而由熱敏元件吸收調(diào)節(jié)對象的能量并將之轉(zhuǎn)換為機械能，按照一定的調(diào)節(jié)規(guī)律工作的自動溫度控制器。由于其良好的感溫性能，能在較低的感應滯后量條件下，按照設定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行單向或多向工作，滿足閥門單向調(diào)節(jié)及多向分流的工況，已在熱電、核電、鋼鐵、石化等行業(yè)廣泛的使用，可以替代溫度控制中的電動、液壓、氣動和磁力調(diào)節(jié)閥門。

     在自力式溫度控制閥門中，一類是直接依靠熱敏元件內(nèi)感溫材料的膨脹力驅(qū)動閥門開啟，特點是結構簡單，但是，調(diào)節(jié)閥關閉力受調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力影響較大，閥位隨壓力波動而有所波動，溫度控制精度受到限制。另一類則是應用熱敏元件控制一個指揮器，并由指揮器操作調(diào)節(jié)閥工作。此類自力式溫度控制閥的工作動力不僅是熱敏元件吸收的動能，還有調(diào)節(jié)介質(zhì)的動能。熱敏元件僅控制一個指揮器的輸出信號，負載較小，元件使用壽命長，但對調(diào)節(jié)介質(zhì)要求較高。在調(diào)節(jié)介質(zhì)純凈的環(huán)境中，使用此類閥門可有效地提高控溫精度。

     自力式溫度控制閥調(diào)節(jié)機構的核心組件為熱敏元件和調(diào)節(jié)彈簧，在濟南煉油廠，科研人員選用Ti-Ni系形狀記憶合金作為熱敏元件，并對調(diào)節(jié)彈簧進行了優(yōu)化設計，開發(fā)了一種新型的溫控調(diào)節(jié)閥門，目前已經(jīng)應用在動力、催化、聚丙烯等車間，替代同類型的國外進口產(chǎn)品，達到水平。

      2 熱敏元件的設計

     形狀記憶合金具有感溫和驅(qū)動兩種功能，是一種性能優(yōu)良的熱敏材料。溫度變化時，合金元件產(chǎn)生動作的來源是基于合金中發(fā)生的母相與馬氏體之間的正、逆轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變是一種無擴散的切變過程，并且在轉(zhuǎn)變時，兩相始終保持共格關系，即熱彈性馬氏體。它具有單程和雙程記憶效應。

     目前發(fā)現(xiàn)具有記憶效應的合金已有數(shù)十種之多，可投入使用的主要是Ni-Ti及銅基合金兩大類，其主要性能^（1）見下表。

     從上表可以看出，Ni-Ti合金性能明顯優(yōu)于CuZ-nA1合金，在溫度控制閥中，熱敏元件承受大載荷，故選用Ni-Ti合金作為感溫材料。根據(jù)溫度控制閥的工況要求，熱敏元件熱滯后量小于1℃。

      3 調(diào)節(jié)機構的彈簧優(yōu)化設計

     調(diào)節(jié)彈簧是自力式溫度控制閥門中的重要組件，其性能的優(yōu)劣直接影響到閥瓣的提升和回位，由于受到交變載荷的作用，其性能參數(shù)的設計就顯得更為重要。本文對自力式溫度控制閥門中的彈簧進行了優(yōu)化設計。

     彈簧的優(yōu)化設計可采用解析數(shù)值、幾何規(guī)劃、單調(diào)分析、隨機約束和線性規(guī)劃的方法。由于線性規(guī)劃法^（2）簡單、快速而且數(shù)值解穩(wěn)定，具有*優(yōu)解的特性，因此，本文采用線性規(guī)劃的方法進行彈簧的優(yōu)化設計。

     以彈簧鋼絲直徑d，中徑D和工作圈數(shù)n為設計變量，以彈簧重量*輕為目標函數(shù)，其強度和剛度、旋繞比C、設計變量的上下界為自然的約束，其數(shù)學模型如下：

      設計變量

     X=[x₁,x₂,x₃]⁷=[Ind,InD,Inn]⁷

      極小化目標函數(shù)

      強制約束條件

      （1）強度：

      （2）剛度：

      （3）旋繞比：

      自然約束條件

      在本結構中，調(diào)節(jié)彈簧材料為50CrVA鋼絲，許用剪應力[τ]=396.9MPa，切變模量G=78.4GPa，彈簧的剛度為k=4300N/m，重度ρ=7.6×10⁴N/m³，旋繞比C≤12，閥瓣要求開度時彈簧變形=21mm，F(xiàn)=260N，優(yōu)化結果經(jīng)圓整后為：

      d=3mm D=18mm n=8mm

      4 結論

     本文所介紹的自力式溫度控制閥選用Ni-Ti合金作為感溫元件，對調(diào)節(jié)機構的彈簧進行了優(yōu)化設計，完全滿足了實際工況的需要，通過實際運行，證明該溫度控制閥設計的合理性，可以替代同類進口產(chǎn)品，降低生產(chǎn)成本。

      參考文獻

      [1] 程飴萱 陳繼勤 李銘棠形狀記憶合金與熱雙金屬片特性的比較.機構設計與制造工程.1994（3）：32~36
      [2] 關春來圓柱螺旋彈簧優(yōu)化設計的一種算法洛陽工學院學報 1991（12）：41~44