自力式溫控閥記憶合金彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)
  我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，雖然各項(xiàng)建設(shè)取得巨大成就，但也付出了巨大的代價(jià)，經(jīng)濟(jì)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)?guó)際社會(huì)廣泛關(guān)注。進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)能減排工作，也是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的迫切需要，是我們應(yīng)該承擔(dān)的責(zé)任。尤其到冬天，大氣承受著由供暖引起的不可忽視巨大壓力。
    溫控閥作為供熱系統(tǒng)室溫調(diào)控的部件，既是一種高效的建筑節(jié)能產(chǎn)品，也是實(shí)施熱計(jì)量必不可少的環(huán)節(jié)。溫控閥的使用解決了熱能的浪費(fèi)問(wèn)題，為終端用戶(hù)提供了有效的節(jié)能手段。它是無(wú)需外加能量即可工作的比例式調(diào)節(jié)控制閥，它通過(guò)改變采暖熱水流量來(lái)調(diào)節(jié)、控制室內(nèi)溫度，是一種經(jīng)濟(jì)節(jié)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?qū)崿F(xiàn)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(duì)溫度的感應(yīng)特點(diǎn)控制封堵閥門(mén)開(kāi)閉。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，合金彈簧特性線為非線性，當(dāng)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(diào)控失效。
    為此，本課題組研制了機(jī)械式熱力管網(wǎng)節(jié)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(chǔ)上進(jìn)行原理性改進(jìn)。本文作者采用目前*先進(jìn)的非線性規(guī)劃計(jì)算方法——序列二次規(guī)劃法對(duì)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(shè)計(jì)，以尋找合理的記憶合金彈簧組設(shè)計(jì)參數(shù)，為自力式溫控閥產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。
    1 溫控閥的構(gòu)造及工作原理
    1.1 溫控閥的構(gòu)造
    本課題組研制的溫控閥從結(jié)構(gòu)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(duì)里面的零件起到了固定、連接、支持的作用。緊固件確定并調(diào)整內(nèi)部零件的位置，它結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的配合了其它零件。內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(dāng)室內(nèi)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(duì)室內(nèi)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(nèi)的熱量增加，升高室內(nèi)溫度。
    當(dāng)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，*終達(dá)到節(jié)約能源的目的，它還能大大提高居室舒適度。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖
    2 數(shù)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(guī)劃法的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，用于解決自力式溫控閥中記憶合金彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本步驟如下：
    首先根據(jù)所提出的*優(yōu)化問(wèn)題，建立數(shù)學(xué)模型，確定變量，列出約束條件和目標(biāo)函數(shù)；其次對(duì)所建立的模型進(jìn)行具體分析和研究，選擇合適的*優(yōu)化求解方法；*后，根據(jù)*優(yōu)化方法的算法，列出程序框圖，選擇優(yōu)化函數(shù)和編寫(xiě)程序，由計(jì)算機(jī)求出*優(yōu)解。
    2.1 已知參數(shù)
    自力式溫控閥的整體結(jié)構(gòu)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(biāo)要求為記憶合金彈簧的質(zhì)量*小。其中彈簧材料為T(mén)i-50.8Ni記憶合金，*大工作載荷Pmax為95N，*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(shù)n不應(yīng)小于4.5圈，彈簧旋繞比C不應(yīng)小于4，彈簧一端固定