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(jī)械能，按照一定的調(diào)節(jié)規(guī)律工作的自動(dòng)溫度控制器。由于其良好的感溫性能，能在較低的感應(yīng)滯后量條件下，按照設(shè)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)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(dòng)、液壓、氣動(dòng)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(dòng)閥門開啟，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但是，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉力受調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力影響較大，閥位隨壓力波動(dòng)而有所波動(dòng)，溫度控制精度受到限制。另一類則是應(yīng)用熱敏元件控制一個(gè)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(dòng)力不僅是熱敏元件吸收的動(dòng)能，還有調(diào)節(jié)介質(zhì)的動(dòng)能。熱敏元件僅控制一個(gè)指揮器的輸出信號，負(fù)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(jī)構(gòu)的核心組件為熱敏元件和調(diào)節(jié)彈簧，在濟(jì)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(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，開發(fā)了一種新型的溫控調(diào)節(jié)閥門，目前已經(jīng)應(yīng)用在動(dòng)力、催化、聚丙烯等車間，替代同類型的國外進(jìn)口產(chǎn)品，達(dá)到水平。

      2 熱敏元件的設(shè)計(jì)

      形狀記憶合金具有感溫和驅(qū)動(dòng)兩種功能，是一種性能優(yōu)良的熱敏材料。溫度變化時(shí)，合金元件產(chǎn)生動(dòng)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(kuò)散的切變過程，并且在轉(zhuǎn)變時(shí)，兩相始終保持共格關(guān)系，即熱彈性馬氏體。它具有單程和雙程記憶效應(yīng)。

      目前發(fā)現(xiàn)具有記憶效應(yīng)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(jī)構(gòu)的彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)

      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(shè)計(jì)就顯得更為重要。本文對自力式溫度控制閥門中的彈簧進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

      彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)可采用解析數(shù)值、幾何規(guī)劃、單調(diào)分析、隨機(jī)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(jìn)行彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

      以彈簧鋼絲直徑d，中徑D和工作圈數(shù)n為設(shè)計(jì)變量，以彈簧重量*輕為目標(biāo)函數(shù)，其強(qiáng)度和剛度、旋繞比C、設(shè)計(jì)變量的上下界為自然的約束，其數(shù)學(xué)模型如下：

      設(shè)計(jì)變量

      X=[x₁,x₂,x₃]⁷=[Ind,InD,Inn]⁷

      極小化目標(biāo)函數(shù)

      強(qiáng)制約束條件

      （1）強(qiáng)度：

      （2）剛度：

      （3）旋繞比：

      自然約束條件

      在本結(jié)構(gòu)中，調(diào)節(jié)彈簧材料為50CrVA鋼絲，許用剪應(yīng)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(shí)彈簧變形=21mm，F(xiàn)=260N，優(yōu)化結(jié)果經(jīng)圓整后為：

      d=3mm D=18mm  n=8mm

      4 結(jié)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(jī)構(gòu)的彈簧進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，完全滿足了實(shí)際工況的需要，通過實(shí)際運(yùn)行，證明該溫度控制閥設(shè)計(jì)的合理性，可以替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，降低生產(chǎn)成本。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司