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節對象的能量并將之轉換為機械能，按照一定的調節規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，按照設定的調節規律進行單向或多向工作，滿足閥門單向調節及多向分流的工況，已在熱電、核電、鋼鐵、石化等行業廣泛的使用，可以替代溫度控制中的電動、液壓、氣動和磁力調節閥門。

     在自力式溫度控制閥門中，一類是直接依靠熱敏元件內感溫材料的膨脹力驅動閥門開啟，特點是結構簡單，但是，調節閥關閉力受調節介質的壓力影響較大，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，并由指揮器操作調節閥工作。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，還有調節介質的動能。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，但對調節介質要求較高。在調節介質純凈的環境中，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節機構的核心組件為熱敏元件和調節彈簧，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，并對調節彈簧進行了優化設計，開發了一種新型的溫控調節閥門，目前已經應用在動力、催化、聚丙烯等車間，替代同類型的國外進口產品，達到水平。

      2 熱敏元件的設計

     形狀記憶合金具有感溫和驅動兩種功能，是一種性能優良的熱敏材料。溫度變化時，合金元件產生動作的來源是基于合金中發生的母相與馬氏體之間的正、逆轉變，這種轉變是一種無擴散的切變過程，并且在轉變時，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。

     目前發現具有記憶效應的合金已有數十種之多，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。根據溫度控制閥的工況要求，熱敏元件熱滯后量小于1℃。

      3 調節機構的彈簧優化設計

     調節彈簧是自力式溫度控制閥門中的重要組件，其性能的優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化設計。

     彈簧的優化設計可采用解析數值、幾何規劃、單調分析、隨機約束和線性規劃的方法。由于線性規劃法^（2）簡單、快速而且數值解穩定，具有*優解的特性，因此，本文采用線性規劃的方法進行彈簧的優化設計。

     以彈簧鋼絲直徑d，中徑D和工作圈數n為設計變量，以彈簧重量*輕為目標函數，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

      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，調節彈簧材料為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=260N，優化結果經圓整后為：

      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，對調節機構的彈簧進行了優化設計，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品，降低生產成本。

      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化設計的一種算法洛陽工學院學報 1991（12）：41~44