自动温控阀形状记忆合金弹簧
自力式温控阀弹簧组的分析设计
维普资讯
５ ２
甘 肃 科 学 学 报
２０ ０ ６年
第 ３期
收 稿 日期 ０ ５ Ｏ — ２ ２０一 ９ １
图 １ 温 控 阀基 本 结 构 ．阀座 ；．弹 簧 组 ； ． 温 包 ． ２ ３ ４ ５ ６感
基 金 项 目 ： 江 省 科 技 开 发 基 金 （０ ３ ３ １ ） 浙 ２ ０ ０ １ ４
郭 显升 ，杜 兆 年 ，范宗 良 ，杜 鹃
（． １ 兰州 理 工 大 学 石 油 化 工 学 院 ， 肃 兰 州 ７ ０ ５ ；． 国电 子 工 程设 计 研 究 院 ， 京 甘 ３００２ 中 北 １０ ４ ） ０ ８０
摘 要 ： 在 自力式 温控 阀 中， 用 圆柱压 缩螺 旋组合 弹簧 作为调 节弹 簧起 着调 节控 制的 作用． 采 通过 分析 该 组合 弹簧 的作 用进 而进行设 计 ， 对有 关产 品 的开发 具有 实际意 义． 关 键词 ： 自力 式温控 阀 ； 合 弹簧 ； 组 圆柱压 缩 螺旋 弹簧
过 程 ． 引
１ 工作 原 理
热 流体 进入 阀 内 ， 使感 温介质 受 热膨胀 ， 生的 产
膨 胀 力 传 递 到 阀杆 ， 动 调 节 筒运 动 ． 节 筒 开 启 带 调
后 ， 流体进 入 阀 内并 与热 流体混 合 ， 冷 直到冷 热 流体
流量 比例 满 足 出 口预定 的温 度要 求［． ３ ］ 感 温介 质受 热产 生的膨 胀力 与温 度 的关 系 如图 ２所 示． 当感 温 包 在被 测温 度低 于 某一 量 值 ｔ（ 定 。设 值， 对应 弹 簧预 调量 Ｘ。时 ， ） 膨胀力 Ａ 为 阀杆截 ｐ（
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：
Ｔｈ ｓ ｌ— ｅ ａ ｅ ｈ ｒ ｅ ｅ ｆｏｐ ｒ ｔ ｄ ｔ ｅ ｍｏｖ ｌ ｅ ｉ ｅ ｕｌ ｔ ｄ ａ ｄ ｃ ｎｔｏｌｅ ｈｅ ｃ ｍ ｐ ｓｔ ｐ ｉ ｇ ｗｈｉｈ ｉ ａ ｖ ｓ ｒ ｇ ａ ｅ ｎ ｏ ｒ ｌｄ ｂｙ ｔ ｏ ｏ ｉｅ ｓ ｒｎ ｃ ｓ
一种由形状记忆合金驱动的温度控制阀及其方法
一种由形状记忆合金驱动的温度控制阀及其方法正文：
一种由形状记忆合金驱动的温度控制阀及其方法是一种新型的温度
控制技术，它利用形状记忆合金作为驱动元件，实现对流体温度的精确控制。
形状记忆合金具有形状记忆效应和超弹性特性，能够在温度变化的刺激下发生可逆的相变，从而改变其形状和性能。
这种温度控制阀的设计基于形状记忆合金的特性。
它由一个形状记忆合金驱动装置和一个控制阀组成。
形状记忆合金驱动装置包括一个形状记忆合金丝或片，它被固定在一个支架上，并与温度传感器连接。
在不同的温度范围内，形状记忆合金会经历相变，从而改变其形状。
当温度达到设定值时，形状记忆合金会发生相变，并通过机械传动装置控制阀的开启度来调节流体的通量。
这种温度控制阀的工作原理是通过改变形状记忆合金的形状来实现
温度控制。
当温度低于设定值时，形状记忆合金处于一种较低温度下的形状，阀门关闭，阻断了流体的通路。
当温度升高超过设定值时，形状记忆合金发生相变，转变为高温下的形状，阀门打开，允许流体通过。
通过不断调节形状记忆合金的相变温度，可以实现对流体温度的精确控制。
这种温度控制阀还可以配备一个反馈控制系统，通过监测流体的温度和压力来实时调整形状记忆合金的相变温度，从而实现更加精确的温度控制。
此外，该温度控制阀还可以与其他自动控制系统集成，以实现更复杂的温度控制功能。
总之，一种由形状记忆合金驱动的温度控制阀及其方法是一种创新的温度控制技术，具有精确控制、高效能耗和可靠性等优点。
它可以广泛应用于工业生产、建筑领域和家庭生活中，为各种流体系统的温度控制提供了一种新的解决方案。
弹簧式温控闭窗器 关闭方法 -回复
弹簧式温控闭窗器关闭方法-回复弹簧式温控闭窗器是一种常用于温室、大棚和室内窗户的自动关闭装置。
它通过利用弹簧的回缩力和温度的变化来判断何时关闭窗户，从而在保持室内适宜温度的同时，节约能源。
在本文中，我们将详细介绍弹簧式温控闭窗器的关闭方法，包括如何根据需要进行相关设置，以及可能出现的一些问题和解决方案。
首先，弹簧式温控闭窗器的关闭方法需要根据实际情况进行适当设置。
一般来说，它会有一个温度范围设定，当室内温度超过设定范围时，弹簧开始发力，逐渐将窗户关闭。
因此，在使用弹簧式温控闭窗器之前，我们需要先确定室内温度的设定值。
其次，根据弹簧式温控闭窗器的具体型号和品牌，关闭方法可能会有所不同。
一种常见的方式是通过调节弹簧张力来实现自动关闭窗户的功能。
具体而言，我们可以根据室内温度需求和窗户的大小、重量等因素来调整弹簧的张力。
如果温度设定值较低，我们可以适当增加张力，以确保窗户能够及时关闭。
相反，如果温度设定值较高，我们可以减小张力以保证窗户能够打开。
此外，一些弹簧式温控闭窗器还可以设置窗户关闭的速度。
通过调整调节阀来改变控制气流的速度，可以使窗户关闭得更快或更慢。
这样可以根据实际需求来调整窗户关闭的时间，以便达到更好的温度控制效果。
然而，尽管弹簧式温控闭窗器有很多优点，但在实际使用中，可能会遇到一些问题。
下面将列举出一些可能出现的问题以及解决方案。
首先，如果弹簧张力设置不当，可能会导致窗户关闭过早或过晚。
为了避免这种情况发生，我们应该根据实际情况和需求来调整张力，确保窗户在适当的时间内关闭。
其次，弹簧式温控闭窗器在温度变化较大的环境下可能会出现工作不稳定的情况。
这是由于温差过大导致弹簧伸缩过程中产生不均衡力。
在这种情况下，我们可以考虑增加弹簧数量或使用更大张力的弹簧来提高稳定性。
此外，弹簧式温控闭窗器在高温环境下可能会受到损坏或失效。
因此，在选择和安装时，我们应该注意选择耐高温材料制造的闭窗器，并避免暴露在高温环境中。
柱状晶CuAlNi形状记忆合金温控器
柱 状 晶 Ｃ Ａ Ｎ 形 状 记 忆 合 金 温 控 器 ｕ １ｉ
郑侠君 ， 邓孝城 ， 蔡莲淑 ， 余业球
（ 东 工 业 大 学 材 料 与 能 源 学 院 ， 东 广 州 ５ ００ ） 广 广 １０６
摘 要 ： 柱 状 晶 Ｃ ＡＮ 合金 丝作 为感 温 动 作 元 件 ， 用 ｕ Ｉｉ 制作 手 动 复 位 和 自动 复 位 温 控 器 ， 导 热 材 料 分 别 为 铜 和 铁 ． 其 对
体 的开始温度称为 ， 转变 完成 温度称为 ． 在转
变 过 程 中 ， 形 状也 逐 渐恢 复． 却 时 ， 氏体 转 变 共 冷 奥 为马 氏体 ， 氏 体 转 变 为 马 氏体 的 开 始 温 度 称 为 奥
。 ，
本 试验所 需合 金丝 的初始 形状 为 Ｌ形 ． 常温下 ， 将金属 丝 弯 曲为 Ｌ形 ， 螺丝将 其 固定在夹 具上 ． 用 把
后 只能 恢复 到原 来 的 直线 状 态 ． 常要 求 将 合 金丝 通
工作 时所需 的初 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 形状 固定 下 来 ， 以后 在 变 形 和加
大． 当把变形 后 的马 氏体 加热 ， 随着 温度 升高到 相 变 临界温 度 ， 氏体转 变 为奥 氏体． 马 马氏体转 变为 奥 氏
热 的过 程 中能恢 复 到 这一 形 状 ． 所需 的初 始 形状 把 固定下 来 的过程称 为定 形处理 ．
形 状 记 忆 合金 （ ｈｐ ｍ ｒ ａ ｏ ， Ｍ 是一 ｓａｅｍｅ ｏｙ ｌ ｙ Ｓ Ａ） ｌ 种 特殊 的新 型功能 材料 ， 因其 可 以制 作小 巧玲 珑 、 高
在 加热 时的形 状 恢 复 过程 中 ， 金 丝 产 生动 作 合
驱 动控 制结构 ， 而实现感 温 和控制 ， 从 集感 温和控 制 于一体 ， 实现机 构 的微型 化 、 轻量 化 ．
形状记忆合金
生物医疗
用于医学领域的 TiNi形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面 的要求，即良好的生物相容性。TiNi可与生物体形成稳定的钝化膜。在医学上 TiNi合金主要应用有：
(a)牙齿矫形丝用超弹性 TiNi合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性 TiNi合金丝是最适宜的。 通常牙齿矫形用不锈钢丝 CoCr合金丝，但这些材料有弹性模量高、弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力， 在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 TiNi合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产 生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变（stress-induced martensite）使弹性模量呈现非线型特性，即应变增 大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。
还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它 压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来 的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。
另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射 期间的污染。
分类
形状记忆效应
伪弹性
形状记忆效应
单程记忆效应。形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在 的形状记忆现象称为单程记忆效应。
双程记忆效应。某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
全程记忆效应。加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。
其它
在工程和建筑领域用 TiNi形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥 梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。
记忆合金弹簧的温度范围
记忆合金弹簧的温度范围记忆合金弹簧是一种特殊的弹簧材料，它具有记忆效应，即可以在一定的温度范围内恢复到原始形状。
本文将介绍记忆合金弹簧的温度范围及其应用。
记忆合金弹簧的温度范围通常分为两个阶段：固态阶段和相变阶段。
固态阶段是指记忆合金弹簧在常温下的表现。
在这个温度范围内，记忆合金弹簧会保持其原始形状，不会发生形变。
这是因为记忆合金弹簧的晶格结构在这个温度范围内保持稳定，不发生相变。
常见的固态温度范围为室温到几百摄氏度。
相变阶段是指记忆合金弹簧在高温下的表现。
当温度超过固态阶段的上限时，记忆合金弹簧会发生相变，从固态转变为奥氏体相。
在相变过程中，记忆合金弹簧会发生形变，并且可以记住这种形变。
当温度降低到相变温度以下时，记忆合金弹簧会恢复到原始形状。
相变温度范围通常在几十摄氏度到几百摄氏度之间。
记忆合金弹簧的温度范围对其应用有着重要的影响。
由于其特殊的性质，记忆合金弹簧被广泛应用于许多领域。
在医疗器械领域，记忆合金弹簧被用于制作支架和植入物。
在手术过程中，这些支架和植入物可以被压缩成较小的体积，便于植入，而在体内受到温度变化的影响后，它们可以自动恢复到原始形状，提供必要的支撑和固定。
在航天航空领域，记忆合金弹簧被用于制作航天器和飞机的零部件。
由于航天器和飞机在高温环境中工作，记忆合金弹簧可以在这种环境下保持稳定的性能，不会发生形变或失效。
这使得航天器和飞机能够在极端环境下安全可靠地运行。
在家居用品领域，记忆合金弹簧被用于制作智能家居产品。
例如，记忆合金弹簧可以应用在智能窗帘系统中，使窗帘能够根据温度的变化自动开合，实现智能控制。
此外，记忆合金弹簧还可以应用在智能家居门锁系统中，提供更加安全便捷的开锁方式。
除了上述应用外，记忆合金弹簧还可以用于汽车工业、电子设备等领域。
在汽车工业中，记忆合金弹簧可以用于制作汽车减震器，提供更加舒适的行车体验。
在电子设备领域，记忆合金弹簧可以用于制作手机天线，提供更好的信号接收效果。
第十一章 形状记忆材料
形状回复率η ：
η (%)=(l1-l2)/( l1-l0)×100％
母相态的原始形状（若以长度表示）为l0，马氏体态 时经形变（若为拉伸）为l1，经高温逆相变后为l2
11.1.2
马氏体相变
淬火：将材料快速冷却至一定介质使其发生相
变的过程。
马氏体：是高温奥氏体快速冷却形成的体心立
方或体心四角(正方)相。
图11-8 Ni-Ti-Nb宽滞记忆合金管接头与传统连接的比较
最初管接头所采用的合金为Ni-Ti和Ni-Ti-Fe合金，安装前必须保存在液氮中， 实际应用很不方便。
图11-9 记忆合金同轴电缆紧固圈
图11-10 形状记忆合金紧固铆钉
尾部开口状，紧固前，把铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直，插入被紧固 件的孔中，温度上升产生形状恢复，铆钉尾部叉开实现紧固。
图11-20 应用形状记忆叠层装置的机械夹持器 20层，200V，4ms的脉冲使4mm的陶瓷位移4um，尖 端位移30um
11.4
形状记忆聚合物
• 聚合物形状记忆机理 • 几种主要的形状记忆聚合物 • 形状记忆高聚物的应用
形状记忆高聚物(shape memory polymers，简写SMP)：
（2）飞行器用天线
图11-11 人造卫星天线的示意图
图11-12 形状记忆合金月面天线的自动展开示意图
美国字航局(NASA) 利用Ti-Ni合金加工制成半球状的月面天线，先加以 形状记忆热处理，压成一团，阿波罗运载火箭送上月球表面，小团天线 受太阳照射加热恢复原状，即构成正常运行的半球状天线，
（3）驱动元件
利用记忆合金在加热时形状恢复的同时其恢复力
可对外作功的特性，制成各种驱动元件。
结构简单，灵敏度高，可靠性好。
弹簧式安全阀内部构造
弹簧式安全阀内部构造
弹簧式安全阀是一种具有安全性能的自动调节阀门，它可以防止压力过高或者温度过高而导致装置受损。
这种阀门由内部弹簧所支撑，在压力和温度达到安全值时，弹簧就会被挤压，从而弹簧式安全阀可以自动开启或关闭，保护装置不受损害。
弹簧式安全阀的内部构造由一个用弹簧构成的阀体组成，该阀体由以下部分组成：
1、螺钉弹簧：螺钉弹簧具有牢固的结构，能有效地固定弹簧；
2、弹簧：弹簧具有软性，能够在压力和温度达到安全值时被挤压，从而弹簧式安全阀可以自动开启或关闭；
3、密封圈：当弹簧受挤压时，密封圈能够有效地将压力延伸到管路中，完成自动控制；
4、阀芯：阀芯主要是由塑料或铸铁等制作，能够调节流体的开启和关闭；
5、控制器：该部件可以实现安全阀的自动调节，当压力或温度超出设定值时，可自动打开或关闭；
6、阀盖：阀盖是安全阀的最外层部分，由不锈钢等金属材料制作，能够有效保护安全阀内部的元件。
弹簧式安全阀可以在装置遭受风险时及时自动做出反应，保护装置不受损害，也为设备操作提供安全保障。
由于弹簧式安全阀内部具有复杂的结构，因此安装者必须对其精准安装，确保其工作正常，同时要定期检查和维护，以保障其安全性能。
记忆合金的阀芯的原理
记忆合金的阀芯的原理
记忆合金阀芯的原理基于其独特的形状记忆效应和超弹性性质。
当记忆合金材料受到外部力作用时，会发生形状改变，如拉伸、压缩、弯曲等。
当外部作用力移除后，记忆合金会回复其原始形状。
这种性质使记忆合金材料适用于制造需要形状可控的机械结构。
在阀门中，记忆合金阀芯通过改变其形状，实现阀门的开关控制。
当阀门需要关闭时，对记忆合金阀芯施加特定的电流或热力激活，使其发生形状变化，从而堵住管道；而当阀门需要打开时，再次施加电流或热力，记忆合金阀芯就能够恢复原来的形状，使管道得以畅通。
这种记忆合金阀芯的控制方式相比传统阀门更快速、准确，而且具有更长的使用寿命。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
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收稿日期:2000-05-18作者简介:董元源(1935-),男,江苏无锡人,甘肃工业大学教授. 文章编号:1000-5889(2000)04-0028-06自动温控阀形状记忆合金弹簧设计董元源1,刘永刚1,孙宝辉2(1.甘肃工业大学材料科学与工程学院,甘肃兰州 730050; 2.甘肃省机械科学研究院,甘肃兰州 730030)摘要:在测定P - - 曲线和记忆合金弹簧理论计算公式的基础上,论述了用于自动温度控制阀的T iNi 形状记忆合金主弹簧的设计理论和具体实践,取得了试验研究和设计经验,由于偏置弹簧的作用,记忆合金弹簧的正常工作没有受到非线性特性的明显影响.阀门应用可获得控温精度达±1.5℃以内.关键词:形状记忆合金;自动温控阀;弹簧;设计中图分类号:T G 139.6 文献标识码:A形状记忆合金(SM A)是智能材料之一,它利用热弹性马氏体的特性,恢复高温时的形状和长度(单程记忆)或记忆高、低温时的形状和长度(双程记忆),在温度-形状-应力间存在着非线性的函数关系.这种功能在宇航、机械、电器、日用、医疗、卫生等行业中被广泛应用.近十余年已经形成了“记忆合金应用热”,有的已经获得成功的应用,如卫星天线、空中加油及海底管线接头、汽车排热器、人工心脏起搏器、骨科牙科器械等.但在发动机、太阳能自动泵、电流过载保护器等方面的应用尚未获成功.究其原因:1)马氏体陈化造成记忆衰退,形变率愈大,衰退愈严重.以T iN i 合金为例,形变率为0.1%,记忆寿命可达百万次;形变率达1%时,记忆寿命仅上万次,差2个数量级.铜基合金(如Cu-Zn-Al,Cu-Al-N i)则更差,同样形变率仅几千次,甚至几十次[1].新的Cu-Al-Be-X 系SM A 较好[2～3],达几十万次到几千次.2)相变时有温度、恢复力或形变滞后,即响应速度不匹配.这对要求即时记忆功能的应用,如电器、应急阀等有缺点.3)应力-应变-温度之间的非线性关系,造成目前设计的不精确.4)相变温度、记忆效率不仅受合金成分影响,还受微量元素、制造工艺的影响,使设计有不确定性.这些因素限制着记忆合金的发展和应用的进程.本文针对上述影响因素,就ZDWK -A 型自动温控阀T iNi 系主控弹簧的设计和实践进行探讨.1 形状记忆合金弹簧设计原理[4～6]SMA 在加热和冷却过程,由于热弹性马氏体的协调相变的原因,应力( )与应变( )或载荷(P )与位移( )有下列典型曲线(见图1).有3个原因造成SMA 弹簧设计的复杂化:1) - 或P - 加热和冷却过程都是非线性的;2)弹簧特性与温度有关;3)加热和冷却曲线不重合,第26卷第4期2000年12月甘 肃 工 业 大 学 学 报Jo urnal of G ansu U niv ersit y of T echno lo gy Vo l.26No.4Dec.2000图1 等原子T iN i 合金P - 加热、冷却过程有温度、应变或位移的滞后.由于记忆寿命与记忆衰退有关,应变率愈大,衰退愈严重,寿命愈低.因此,设计形变率通常小于2%.有时要求恢复变形较大,常采用螺形弹簧设计.SMA 螺形弹簧设计,从理论上有下列特性.不同状态下,SM A 弹簧3参数之间有:等温状态: ! ∀max =#nD 3d 4( P)(1)等位移状态:! T =D d 3( P )(2)等负荷状态: ! T =d #nD 2( P )(3)式中,!=PD /d 3,P 为弹簧载荷,D 为弹簧中径,d 为弹簧丝直径, 为弹簧位移,n 为弹簧有效圈数,∀为弹簧切应变,T 为温度.当与偏压弹簧组合一起时:! ∀max =#nD 3d 4K ′(4)式中,K ′=(P 1-P 2)/∃ ,P 1为高温时的载荷,P 2为低温时的载荷;∃ 为位移变化.从物理角度,切应力、切应变和温度之间有函数关系:%=%(∀,T )(5) 从力的平衡出发有:P D 2=∫A %(∀,T )∀d A (6)式中,r 为弹簧半径;A 为簧丝截面积.从几何关系,位移 有: =D 2∫s (2r /d )d s (7)其中,s 为簧丝长度.如果只考虑弹簧只受扭曲力矩,忽略由于螺旋升角较小造成的弯曲力矩和压缩力作用,则剪应力为%=k8P D #d 3(8)式中,k 为应力修正系数,采用Wahl 公式求得:k =4c -14c -4+0.615c (9)其中,c =D /d ,为弹性指数,一般取5～10;位移 =D &2,&为弹簧整个长度#nD 上的扭曲角:&=∫#nD 02r d d s =16PD 2n Gd 4(10)其中,G 为材料切变模数. 所以 3(11)・29・第4期 董元源等:自动温控阀形状记忆合金弹簧设计弹性系数K =P =Gd 38#D 3(12) 和∀的关系可写成: ∀= d #nD 2(13) 这样不论从解析式还是通过测试技术,求得%,∀,T 之间,或P , ,T 之间的关系.设定一些参数后便可设计一组SM A 弹簧参数D ,d ,n .2 试验研究与结果1)自动温控阀ZDWK -A 设计参数的确定.工作温度范围:20～60℃;口径:D g =10mm ;介质压力≥0.1～0.2MPa;流量:3L/min;控温精度:±1.5℃.2)主弹簧材料选用上海钢研所提供的近等原子TiNi 记忆合金丝.其临界温度:T A s =26℃,T A f =65℃,T M s =-3℃.丝径从1.0～3.0mm 供选用.图2 温度自控阀工作示意图3)自动温控阀结构示图意见图2.阀瓣与阀体之间摩擦力是重要的设计参数,并随阀内结构、互配材料、加工精度和光洁度影响而发生很大变化.实测得到几种试样的摩擦力为0.3～0.52N.为了可靠起见,本文采用最大值,即记忆合金的恢复力必须克服摩擦力及背簧压力并使阀瓣移动.阀瓣的惯性力不计,流体阻力因流速不大也不考虑.4)SMA 螺形弹簧及不锈钢背簧特性参数的测试.参数测试装置示意图如图3所示.加入冷热水控制介质温度,由拉压力传感器测定SM A 恢复力或弹性载荷,传感器将电压信号接入高精度数字电压表,显示电压精确值.电压对应的力值,用高精度砝码进行标定,误差为±0.0001图3 测试装置示意图V 及±0.0098N .当传感器顶头位置固定时,弹簧应变固定,改变介质温度(间隔5℃),产生恢复力,其变化即P =f (T ) =const .当介质温度恒定时(20～60℃间任—温度),转动螺杆调节传感器顶头位置,使弹簧压缩,测定不同压缩量的载荷,即恒温下P =f ( )T =const ,调节螺纹每圈升降1.65m m,以圈为单位进行测定.被测弹簧原长设为零.为了吻合得可靠,顶头与弹簧间有预紧力0.09N,此时电压为零.不锈钢背簧的特性以相同法测定,但因其在60℃以内工作,特性与温度无关,故测定温度为室温.5)试验用初始SM A 弹簧和背簧的结构・30・甘肃工业大学学报 第26卷图4 T ma x =60℃及T min =20℃时的P - 关系参数.在经验的基础上确定弹簧的初始参数.SM A 弹簧:D =12mm ,d =2mm ,n =6.5圈,螺纹升角∋=10°;不锈钢背簧:D =13mm ,d = 1.2mm ,n =5.0mm ,∋=10°.初始参数定得与最终设计参数愈接近,迭代次数愈少.6)试验结果和拟合.图4是恒温下测得的最高使用温度60℃和最低使用温度20℃的P -曲线以及背簧特性的叠加.图5是恒应变下的P =f (T ) =const 典型曲线.由于安装和制造误差以及材料和热处理的图5 恒应变时的P -T 典型曲线微小差异,采样数据与理论值有差异,为了正确反映变化趋势,对数据形成的图表在计算机上进行3次样条法拟合,选用常规伸长系数为2,尽量使曲线拟合圆滑,正确反映变化趋势.为了简化,略去许多与设计无关的曲线.背簧在图中的位置其原始长度为零,SM A 弹簧伸长时它被压缩,动作反向,故它的斜率为负值.3 合金螺形弹簧设计1)由图4可知,低温时与背簧交点坐标值为 l =9.1mm ,P l=2.6N;高温时与背簧交点坐标值为 h =7.4m m,P h =3.2N.根据文[7],等原子T iN i SM A 的弹性模量为E l = 2.9×104M Pa,E h =6.2×104M Pa;泊松系数0.3;切变模量G l =0.87GPa,E h =1.86GPa.根据产品寿命要求,对民用温控阀选几千次和上万次循环,相当于2～3a 寿命.选定低温最大应变率∀l ≤0.015,簧内剪应力无论高温、低温都相等,即%l =%h ,∀l G l =∀h G h所以,高温应变率∀h =0.007<0.015.选取弹簧指数c =D /d =6,则W ahl 系数k =1.25,代入剪应力得:%l =∀l G l =0.013×109=k 8P l c #d 2・31・第4期 董元源等:自动温控阀形状记忆合金弹簧设计所以d =8kP l c 0.013×109#=1.95mm,取整数d =2mm. 将已确定的d 代入上述公式可得:D =0.013#d 38kP l=10.6m m,取整D =11m m. 据公式(12),高、低温工作剪应力差∃∀与弹簧工作长度差∃ 有:∃∀=d 2∃ #∃∀D 2,∃∀=∀l -∀h =0.008m m,∃ = l - h = 1.65m m n =d 3∃ #∃∀D 2= 4.06圈 考虑弹簧制造工艺,保证有效圈数4,取n =5.0.2)SMA 螺形弹簧的强度校核.在载荷最大时,簧内剪应力也最大:%max =8P max D 外#d 3k <%p 其中,P max =P h +摩擦力= 3.7N.根据文献[6]数据,等原子T iN i SM A 的许用应力%p 为900M Pa.将D 外=12mm (D =11mm),d =2mm ,k =1.25,P max 代入%max 公式:%max =176.7M Pa %p表明用设计参数制成的螺簧工作可靠,强度安全因素很高.按普通弹簧设计要求[8],D 外/d 应大于3.5,实际上,D 外/d =12/2=6,满足设计要求.由设计参数制成的TiNi SM A 螺簧,装配到16台ZDWK-A 型自动温控阀,经工作试用,工作可靠,控温精度达±(1.0～1.5)℃.4 其它制造因素的影响同一材料但不是一批热处理工艺、不同弹簧绕制条件和制造工艺、不同弹簧条件下测定的P =f (T ) =const 曲线均不重合.其中相变温度和应力波动范围是很重要的影响因素,过大的波动将影响工作可靠性.图5的典型曲线仅表示出8个试验弹簧的相变波动范围和载荷变动范围,经测定,载荷误差在0.2～0.6N 范围内,伸长量差异在0.8～2.6mm 范围内.这种波动随大批量自动化生产将改进.由于背簧的调节平衡作用,SM A 弹簧由于制造工艺上造成的特性差异对质量不产生明显的影响.5 结论1)在测试基础上,结合理论计算,对SM A 螺形弹簧的设计是可靠的,可行的,但不是最优化设计.本设计的自动温控阀控制精度在±1.5℃的范围内.2)由于背簧的作用,同一成分合金,但不同制造工艺造成特性曲线的波动,可以得到调节,对工作影响不明显.参考文献:[1] L eu S S,Hu C T.Ag ing effect o f Cu-Z n-A l SM A containing lo w aluminium [J].M et T r ans,1991,22・32・甘肃工业大学学报 第26卷(1):25.[2] 董元源,王天民,达国祖,等.Cu-A l-Be-X 系新型形状记忆合金[J].机械研究与应用,1990,(1):3[3] D ong Y Y ,W ang T M ,D ar K Z ,et al .SM A and SM L ife of Cu-Al-Be-X system A llo ys [J].M a terialsChar acterizat ion ,1994,33(2):163-168.[4] 杨 杰,吴月华.形状记忆合金及其应用[M ].北京:中国科技大学出版社,1993.[5] 铃木喜九男,杉本教一.Cu-A l-Be 形状记意合金[J].工业材料,1994,31(1):48.[6] 杨大智.形状记忆合金[M ].大连:大连理工大学出版社,1998.59-63.[7] K oji .L kuta ,Hideno ri Shimiz .I nt ellig ent CA D fo r SM A devices using g ener alized mathemat ical mo delo f SM A [A ].A lan R.Pelton,Dar el Hodgso n and T o m Duer ig.Pr oceeding of the F ir st Inter ,Conf,on SM and ST [C].A silom er C A U SA.1994.[8] 徐 灏.机械设计手册:第4册[M ].,北京:机械工业出版社,1991.11-32.Design of shape memory alloy springs used in automatictemperature control valvesDONG Yuan -yuan 1,LIU Yong -gang 1,SUN Bao -hui2(1.College of M aterials Science and Eng ineer ing ,Gansu U niv.of T ech.,L anzhou 730050,China; 2.Gansu M echanical Science Institute,L anzhou 730030,China)Abstract :The desig n theor y of major spring made of shape memo ry alloy TiNi fo r autom at-ic temper ature contr ol v alves and its application to concr ete pr actice are discussed on the ba-sis of P - - curv es determ inatio n and the theoretical com putation for mulae of memory alloy spring ,so that an ex perience in ex perimental inv estig ation and desig n has been obtained .Due to the effect o f the offset spr ing ,the norm al oper ation of m em ory alloy spring is not subjected to remarkable effect fro m the no n-linear ity char acter istics of the spring,so that the accuracy of tem perature control can be limited w ithin the range of ±1.5℃,making the valve successful.Key words :shape m em ory alloy ;automatical temperature contr ol v alves ;spring ;design ・33・第4期 董元源等:自动温控阀形状记忆合金弹簧设计。