点击这里给我发消息
您现在的位置:首页 > 新闻中心 > 最新新闻
最新新闻
自力式温度调节阀记忆合金弹簧的优化设计
2013-11-21 9:35:07
   0 前言

    我国经济快速增长,虽然各项建设取得巨大成就,但也付出了巨大的代价,经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐。温室气体排放引起全球气候变暖的问题,日益突出,备受国际社会广泛关注。进一步加强节能减排工作,也是应对全球气候变化的迫切需要,是我们应该承担的责任。尤其到冬天,大气承受着由供暖引起的不可忽视巨大压力。

    温度调节阀作为供热系统室温调控的部件,既是一种高效的建筑节能产品,也是实施热计量必不可少的环节。温度调节阀的使用解决了热能的浪费问题,为终端用户提供了有效的节能手段。它是无需外加能量即可工作的比例式调节控制阀,它通过改变采暖热水流量来调节、控制室内温度,是一种经济节能产品,它还能大大提高居室舒适度。目前市场上有一种较为成熟的温度调节阀产品能够实现自动启停阀门的装置,它采用液体温包传递温度给热敏元件——记忆合金弹簧,利用合金弹簧对温度的感应特点控制封堵阀门开闭。但实际应用时,合金弹簧特性线为非线性,当温度降到一定程度时,合金弹簧支撑力过大,阀门不能及时开启,造成调控失效。

    为此,本课题组研制了机械式热力管网节能自动启停装置,即自力式温度调节阀,在原温度调节阀产品基础上进行原理性改进。本文作者采用目前最先进的非线性规划计算方法——序列二次规划法对本课题组研制的自力式温度调节阀中的记忆合金弹簧进行优化设计,以寻找合理的记忆合金弹簧组设计参数,为自力式温度调节阀产品设计提供参考。

    1 温度调节阀的构造及工作原理

    1.1 温度调节阀的构造

    本课题组研制的温度调节阀从结构图可以看到装置外部的零件,依次是外壳、下端连接件、八角连接螺母、底阀连接件,它们确定了装置的外形,对里面的零件起到了固定、连接、支持的作用。紧固件确定并调整内部零件的位置,它结构稳定的配合了其它零件。内部其它零件由上依次是温包,Ti—Ni记忆合金弹簧组,隔热橡胶棒,塑料阀,磁力耦合结构,支撑弹簧及支撑弹簧套,其中隔热橡胶棒,塑料阀在装置中间隔绝上下热量的流动,提高了装置的温控精度。下面是温度调节阀的结构图(如图1)。

    1.2 温度调节阀的工作原理

    该温度调节阀利用阀的感温原件来控制阀门开度,其工作过程如下:

    当室内温度升高时,感温材料膨胀,压缩弹簧,从而带动阀杆,使阀口关小,散热器的进水量因此减小,使得对室内的散热量减少,从而降低室温;反之,阀杆弹回,阀口开大,进水量增大,供给室内的热量增加,升高室内温度。

    当房间有其它辅助热源时(如白天的太阳光,及其它发热体等),阀门自动关小使散热器的进水量减小,最终达到节约能源的目的,它还能大大提高居室舒适度。

装置结构图

图1 装置结构图

    2 数学模型的建立

    本文利用Matlab软件开发了基于序列二次规划法的优化设计程序,用于解决自力式温度调节阀中记忆合金弹簧优化设计问题。运用Matlab软件进行机械优化设计的基本步骤如下:

    首先根据所提出的最优化问题,建立数学模型,确定变量,列出约束条件和目标函数;其次对所建立的模型进行具体分析和研究,选择合适的最优化求解方法;最后,根据最优化方法的算法,列出程序框图,选择优化函数和编写程序,由计算机求出最优解。

    2.1 已知参数

    自力式温度调节阀的整体结构是由其核心部件——记忆合金弹簧的尺寸决定的。该记忆合金弹簧受压较大,尺寸又受安装条件限制,故目标要求为记忆合金弹簧的质量最小。其中弹簧材料为Ti-50.8Ni记忆合金,最大工作载荷Pmax为95N,最小工作载荷为60N,弹簧寿命为104h,弹簧直径d的取值范围为1~4mm,中径D2的取值范围为10~30mm,工作圈数n不应小于4.5圈,弹簧旋绕比C不应小于4,弹簧一端固定,一段自由,弹簧变形量不小于10mm。

    2.2 设计变量的选取

    以弹簧直径d,中径D2及有效工作圈数n作为优化设计变量,则设计变量为:

    x=[x1,x2,x3]=[D2,n,d]

    2.3 目标函数的建立

    该优化问题以记忆合金弹簧的质量最小作为目标函数,则目标函数为

    目标函数的建立

    其中:

    n–有效工作圈数;

    –死圈数,常取1.5~2.5,此处取2;

    –弹簧材料的密度;

    d–弹簧直径;

    D2–弹簧中径。

    经整理简化,目标函数为

    经整理简化,目标函数

    2.3.1 约束条件的建立

    弹簧强度条件:

    

    弹簧刚度条件:

    弹簧刚度条件

    弹簧稳定性条件:

    弹簧稳定性条件

    弹簧不发生共振的要求:

    弹簧不发生共振的要求

    弹簧旋绕比限制:

    弹簧旋绕比限制

    各设计变量应满足的边界及自然条件:

    各设计变量应满足的边界及自然条件

    2.4 数学模型的建立

    经过上面的分析步骤,将上述问题可抽象到如下的数学模型:

   数学模型的建立

    4 编程

    4.1 M文件myfun.m

    M文件myfun.m

    4.2 非线性约束M文件mycon.m

    非线性约束M文件mycon.m

    4.3 求解主文件main.m

    format long

    求解主文件main.m

    4.4 运算结果

    x=1.6564

    4.5000

    16.1141

    fval=

    0.0055

    由程序运算结果,考虑实际工况,取弹簧直径1.6mm,工作圈数5,中经16mm。带入质量公式后得到最小质量基本等于0.0055kg。

    3 结论

    本课题组研制了机械式热力管网节能自动启停装置,即自力式温度调节阀,在原温度调节阀产品基础上进行原理性改进,其中对记忆合金弹簧进行了优化设计。本文采用目前最先进的非线性规划计算方法——序列二次规划法对本课题组研制的机械式热力管网节能自动启停装置即自力式温度调节阀中的记忆合金弹簧进行优化设计,利用Matlab软件开发了基于序列二次规划法的优化设计程序,该程序尤其用于解决自力式温度调节阀中记忆合金弹簧优化设计问题。通过优化设计寻找合理的记忆合金弹簧组设计参数,使之能够极好的达到装置的设计要求,为自力式温度调节阀产品设计提供参考。

 瓦特斯作为世界控制阀的重要供应商,在控制阀领域吸纳创新,致力于高品质控制阀的研发和生产,为客户提供全方位的工业管路控制方案,产品广泛应用于石油、化工、电力、冶金、食品、医药、城建、机械配套等行业。
        瓦特斯产品涵盖电动/气动调节阀系列、自力式调节阀系列、0型/V型调节球阀系列,调节蝶阀系列及美标阀门系列等品种,严格按照UNI/ASME/ASTM/API/BS/DIN/GB等标准十产制造,尺寸从1/8”到56”(DN3-DN1400),压力从CLASS150到CLASS2500(PN16-PN420),可以提供碳钢、合金钢、不锈钢、超级双相不锈钢以及特殊合金如MONEL等材料,产品使用温度从-196℃到650℃。
        瓦特斯位于上海黄渡工业园区,所属上海远高阀业集团;拥有四个生产基地,工厂总占地面积82800甲方米,员工380人,其中中高级技术人员52人:拥有齐备的检测设施,通过国际质量体系认证IS09001:2008、国家压力管道安全制造许可TS认证、CE认证、API认证、德国莱茵防火认证等,有效的对产品质量始终处在内部和外部的监督和控制中,从而保证了公司的质量管理体系不断更新,保证公司的高标准得以持久的维持和改进。
        瓦特斯不仅仅为客户提供性能可靠的产品,更注重于提供高效、快速的服务,为此,我们成立了客户关怀中心(4008-200-182),确保我们的客户可在全国范围内及时获得专业的服务,瓦特斯坚信能成为您安心的保障。
        为客户负责,为社会负责,是瓦特斯员工不懈的追求!