自力式溫控閥記憶合金彈簧的優(yōu)化設計

　　溫控閥是安裝在居民家里散熱器前端使室溫恒定地保持在用戶(hù)設定的水平的供暖控制閥門(mén)，是供暖系統流量調節最主 要調節設備。本文采用目前最先進(jìn)的非線(xiàn)性規劃計算方法——序列二次規劃法對自力式溫控閥中的記憶合金彈簧進(jìn)行優(yōu)化設計，以尋找合理的記憶合金彈簧組設計參數，為自力式溫控閥產(chǎn)品設計提供參考。

　　我國經(jīng)濟快速增長(cháng)，雖然各項建設取得巨大成就，但也付出了巨大的代價(jià)，經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳。溫室氣體排放引起全球氣候變暖的問(wèn)題，日益突出，備受?chē)�際社會(huì )廣泛關(guān)注。進(jìn)一步加強節能減排工作，也是應對全球氣候變化的迫切需要，是我們應該承擔的責任。尤其到冬天，大氣承受著(zhù)由供暖引起的不可忽視巨大壓力。

　　溫控閥作為供熱系統室溫調控的部件，既是一種高效的建筑節能產(chǎn)品，也是實(shí)施熱計量必不可少的環(huán)節。溫控閥的使用解決了熱能的浪費問(wèn)題，為終端用戶(hù)提供了有效的節能手段。它是無(wú)需外加能量即可工作的比例式調節控制閥，它通過(guò)改變采暖熱水流量來(lái)調節、控制室內溫度，是一種經(jīng)濟節能產(chǎn)品，它還能大大提高居室舒適度。目前市場(chǎng)上有一種較為成熟的溫控閥產(chǎn)品能夠實(shí)現自動(dòng)啟停閥門(mén)的裝置，它采用液體溫包傳遞溫度給熱敏元件——記憶合金彈簧，利用合金彈簧對溫度的感應特點(diǎn)控制封堵閥門(mén)開(kāi)閉。但實(shí)際應用時(shí)，合金彈簧特性線(xiàn)為非線(xiàn)性，當溫度降到一定程度時(shí)，合金彈簧支撐力過(guò)大，閥門(mén)不能及時(shí)開(kāi)啟，造成調控失效。

　　為此，本課題組研制了機械式熱力管網(wǎng)節能自動(dòng)啟停裝置，即自力式溫控閥，在原溫控閥產(chǎn)品基礎上進(jìn)行原理性改進(jìn)。本文作者采用目前最先進(jìn)的非線(xiàn)性規劃計算方法——序列二次規劃法對本課題組研制的自力式溫控閥中的記憶合金彈簧進(jìn)行優(yōu)化設計，以尋找合理的記憶合金彈簧組設計參數，為自力式溫控閥產(chǎn)品設計提供參考。

1、溫控閥的構造及工作原理

　　1.1、溫控閥的構造

　　本課題組研制的溫控閥從結構圖可以看到裝置外部的零件，依次是外殼、下端連接件、八角連接螺母、底閥連接件，它們確定了裝置的外形，對里面的零件起到了固定、連接、支持的作用。緊固件確定并調整內部零件的位置，它結構穩定的配合了其它零件。內部其它零件由上依次是溫包，Ti—Ni記憶合金彈簧組，隔熱橡膠棒，塑料閥，磁力耦合結構，支撐彈簧及支撐彈簧套，其中隔熱橡膠棒，塑料閥在裝置中間隔絕上下熱量的流動(dòng)，提高了裝置的溫控精度。下面是溫控閥的結構圖(如圖1)。

　　1.2、溫控閥的工作原理

　　該溫控閥利用閥的感溫原件來(lái)控制閥門(mén)開(kāi)度，其工作過(guò)程如下：

　　當室內溫度升高時(shí)，感溫材料膨脹，壓縮彈簧，從而帶動(dòng)閥桿，使閥口關(guān)小，散熱器的進(jìn)水量因此減小，使得對室內的散熱量減少，從而降低室溫;反之，閥桿彈回，閥口開(kāi)大，進(jìn)水量增大，供給室內的熱量增加，升高室內溫度。

　　當房間有其它輔助熱源時(shí)(如白天的太陽(yáng)光，及其它發(fā)熱體等)，閥門(mén)自動(dòng)關(guān)小使散熱器的進(jìn)水量減小，最終達到節約能源的目的，它還能大大提高居室舒適度。

圖1 裝置結構圖

2、數學(xué)模型的建立

　　本文利用Matlab軟件開(kāi)發(fā)了基于序列二次規劃法的優(yōu)化設計程序，用于解決自力式溫控閥中記憶合金彈簧優(yōu)化設計問(wèn)題。運用Matlab軟件進(jìn)行機械優(yōu)化設計的基本步驟如下：

　　首先根據所提出的最優(yōu)化問(wèn)題，建立數學(xué)模型，確定變量，列出約束條件和目標函數;其次對所建立的模型進(jìn)行具體分析和研究，選擇合適的最優(yōu)化求解方法;最后，根據最優(yōu)化方法的算法，列出程序框圖，選擇優(yōu)化函數和編寫(xiě)程序，由計算機求出最優(yōu)解。

　　2.1、已知參數

　　自力式溫控閥的整體結構是由其核心部件——記憶合金彈簧的尺寸決定的。該記憶合金彈簧受壓較大，尺寸又受安裝條件限制，故目標要求為記憶合金彈簧的質(zhì)量最小。其中彈簧材料為T(mén)i-50.8Ni記憶合金，最大工作載荷Pmax為95N，最小工作載荷為60N，彈簧壽命為104h，彈簧直徑d的取值范圍為1~4mm，中徑D2的取值范圍為10~30mm,工作圈數n不應小于4.5圈，彈簧旋繞比C不應小于4，彈簧一端固定，一段自由，彈簧變形量不小于10mm。

　　2.2、設計變量的選取

　　以彈簧直徑d，中徑D2及有效工作圈數n作為優(yōu)化設計變量，則設計變量為：

　　x=[x1，x2，x3]=[D2，n，d]

　　2.3、目標函數的建立

　　該優(yōu)化問(wèn)題以記憶合金彈簧的質(zhì)量最小作為目標函數，則目標函數為

　　其中：

　　n–有效工作圈數;

　　–死圈數，常取1.5~2.5，此處取2;

　　–彈簧材料的密度;

　　d–彈簧直徑;

　　D2–彈簧中徑。

　　經(jīng)整理簡(jiǎn)化，目標函數為

　　2.3.1、約束條件的建立

　　彈簧強度條件：

　　彈簧剛度條件：

　　彈簧穩定性條件：

　　彈簧不發(fā)生共振的要求：

　　彈簧旋繞比限制：

　　各設計變量應滿(mǎn)足的邊界及自然條件：

　　2.4、數學(xué)模型的建立

　　經(jīng)過(guò)上面的分析步驟，將上述問(wèn)題可抽象到如下的數學(xué)模型：

3、編程

　　3.1、M文件myfun.m

　　3.2、非線(xiàn)性約束M文件mycon.m

　　3.3、求解主文件main.m

　　format long

　　3.4、運算結果

　　x=1.6564

　　4.5000

　　16.1141

　　fval=

　　0.0055

　　由程序運算結果，考慮實(shí)際工況，取彈簧直徑1.6mm，工作圈數5，中經(jīng)16mm。帶入質(zhì)量公式后得到最小質(zhì)量基本等于0.0055kg。

4、結論

　　本課題組研制了機械式熱力管網(wǎng)節能自動(dòng)啟停裝置，即自力式溫控閥，在原溫控閥產(chǎn)品基礎上進(jìn)行原理性改進(jìn)，其中對記憶合金彈簧進(jìn)行了優(yōu)化設計。本文采用目前最先進(jìn)的非線(xiàn)性規劃計算方法——序列二次規劃法對本課題組研制的機械式熱力管網(wǎng)節能自動(dòng)啟停裝置即自力式溫控閥中的記憶合金彈簧進(jìn)行優(yōu)化設計，利用Matlab軟件開(kāi)發(fā)了基于序列二次規劃法的優(yōu)化設計程序，該程序尤其用于解決自力式溫控閥中記憶合金彈簧優(yōu)化設計問(wèn)題。通過(guò)優(yōu)化設計尋找合理的記憶合金彈簧組設計參數，使之能夠極好的達到裝置的設計要求，為自力式溫控閥產(chǎn)品設計提供參考。