自力式溫度控制閥的研制

1、自力式溫度控制閥的研制   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(shè)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

2、點是結(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(gòu)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(shè)計，開

3、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，達到國際先進水平。      2 熱敏元件的設(shè)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(guān)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

4、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。名稱Ni-Ti合金CuZnA1合金  密度(g/cm3)6.46.57.78.0  電阻(10-6cm，與溫度有關(guān))50110911  抗拉強度(N/m2)8001000400700  延伸率，%40501015  形狀恢復率，%    單程684  雙程412  恢復應力(N/m2)max300350   

5、;   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(gòu)的彈簧優(yōu)化設(shè)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(shè)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(shè)計。    

6、60; 彈簧的優(yōu)化設(shè)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，具有最優(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(shè)計。      以彈簧鋼絲直徑d，中徑D和工作圈數(shù)n為設(shè)計變量，以彈簧重量最輕為目標函數(shù)，其強度和剛度、旋繞比C、設(shè)計變量的上下界為自然的約束，其數(shù)學模型如下：      設(shè)計變量      X=x1,x2,x37=Ind,InD,Inn7 

7、60;    極小化目標函數(shù)            強制約束條件      (1)強度：            (2)剛度：            (3)旋繞比：     

8、;       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，許用剪應力=396.9MPa，切變模量G=78.4GPa，彈簧的剛度為k=4300N/m，重度=7.6×104N/m3，旋繞比C12，閥瓣要求最大開度時彈簧變形=21mm，最大F=260N，優(yōu)化結(jié)果經(jīng)圓整后為：      d=3mm D=18mm  n=8mm      4 結(jié)論