温控阀记忆合金弹簧的优化设计

温控阀记忆合金弹簧的优化设计
我国经济快速增长，固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利。

温室气体排放引起全球天气变暖的题目，日益凸起，备受国际社会广泛关注。

进一步加强节能减排工作，也是应对全球天气变化的迫切需要，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。

温控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。

温控阀的使用解决了热能的铺张题目，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，它还能大大进步居室恬静度。

目前市场上有一种较为成熟的温控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，即自力式温控阀，在原温控阀产品基础长进行原理性改进。

本文作者采用目前最提高前辈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控阀中的记
忆合金弹簧进行优化设计，以寻找公道的记忆合金弹簧组设计参数，为自力式温控阀产品设计提供参考。

1温控阀的构造及工作原理
1.1温控阀的构造
本课题组研制的温控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，它们确定了装置的形状，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，它结构不乱的配合了其它零件。

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，塑料阀在装置中距离绝上下热量的活动，进步了装置的温控精度。

下面是温控阀的结构图（如图1）。

1.2温控阀的工作原理
该温控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，供应室内的热量增加，升高室内温度。

当房间有其它辅助热源时（如白天的太阳光，及其它发烧体等），阀门自动关小使散热器的进水量减小，终极达到
节约能源的目的，它还能大大进步居室恬静度。

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，用于解决自力式温控阀中记忆合金弹簧优化设计题目。

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题目，建立数学模型，确定变量，列出约束前提和目标函数；其次对所建立的模型进行详细分析和研究，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
自力式温控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，尺寸又受安装前提限制，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
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
2.3.1约束条件的建立
弹簧强度条件：
弹簧刚度条件：
弹簧稳定性条件：
弹簧不发生共振的要求：
弹簧旋绕比限制：
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：
4编程
4.1 M文件myfun.m
4.2非线性约束M文件mycon.m
4.3求解主文件main.m
format long
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即是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，即自力式温控阀，在原温控阀产品基础长进行原理性改进，其中对记忆合金弹簧进行了优化设计。

本文采用目前最提高前辈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控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控阀中记忆合金弹簧优化设计题目。

通过优化设计寻找公道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，为自力式温控阀产品设计提供参考。