我國經濟(ji)快速增長，雖(sui)然各(ge)項建(jian)設取(qu)得巨(ju)大成(cheng)就，但也付出了巨(ju)大的(de)(de)代價(jia)，經濟(ji)發(fa)展(zhan)與資源環(huan)境(jing)的(de)(de)矛盾日(ri)趨尖銳。溫室氣體排放引起(qi)全(quan)球氣候變暖的(de)(de)問(wen)題，日(ri)益突出，備受國際社會廣泛關注。進一步加強節能減排工作(zuo)，也是應對全(quan)球氣候變化的(de)(de)迫切需要，是我們應該承擔的(de)(de)責(ze)任。尤其到冬天，大氣承受著由供暖引起(qi)的(de)(de)不可忽視巨(ju)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品，也是實施熱計量必不可少的環節。溫控閥的使用解決了熱能的浪費問題，為終端用戶提供了有效的節能手段。它是無需外加能量即可工作的比例式調節控制閥，它通過改變采暖熱水流量來調節、控制室內溫度，是一種經濟節能產品，它還能大大提高居室舒適度。目前市場上有一種較為成熟的溫控閥產品能夠實現自動啟停閥門的裝置，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控制封堵閥門開閉(bi)。但實際(ji)應用時，合金(jin)(jin)彈簧(huang)特(te)性線為非線性，當溫度降(jiang)到(dao)一(yi)定程度時，合金(jin)(jin)彈簧(huang)支撐(cheng)力過大，閥門不能(neng)及時開啟(qi)，造成調控失效。

    為此(ci)，本(ben)(ben)課題組(zu)研(yan)制(zhi)了機械(xie)式熱力管網節(jie)能自動(dong)啟停裝(zhuang)置，即自力式溫(wen)控(kong)(kong)閥(fa)，在原(yuan)溫(wen)控(kong)(kong)閥(fa)產(chan)品基礎上進(jin)行原(yuan)理性(xing)改(gai)進(jin)。本(ben)(ben)文(wen)作者(zhe)采用(yong)目前最先進(jin)的(de)非(fei)線性(xing)規劃計(ji)算方法——序列二次規劃法對本(ben)(ben)課題組(zu)研(yan)制(zhi)的(de)自力式溫(wen)控(kong)(kong)閥(fa)中的(de)記憶(yi)合金彈簧(huang)進(jin)行優化設計(ji)，以尋(xun)找合理的(de)記憶(yi)合金彈簧(huang)組(zu)設計(ji)參數，為自力式溫(wen)控(kong)(kong)閥(fa)產(chan)品設計(ji)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(zu)研制的(de)(de)溫控閥(fa)從(cong)結構圖(tu)(tu)可(ke)以看到裝(zhuang)置外(wai)部的(de)(de)零(ling)件(jian)，依次是(shi)外(wai)殼、下(xia)端連(lian)(lian)接件(jian)、八(ba)角(jiao)連(lian)(lian)接螺母(mu)、底閥(fa)連(lian)(lian)接件(jian)，它(ta)們(men)確(que)定(ding)(ding)了(le)裝(zhuang)置的(de)(de)外(wai)形，對里(li)面(mian)的(de)(de)零(ling)件(jian)起(qi)到了(le)固(gu)定(ding)(ding)、連(lian)(lian)接、支持的(de)(de)作用。緊固(gu)件(jian)確(que)定(ding)(ding)并調整內部零(ling)件(jian)的(de)(de)位置，它(ta)結構穩定(ding)(ding)的(de)(de)配合了(le)其它(ta)零(ling)件(jian)。內部其它(ta)零(ling)件(jian)由上依次是(shi)溫包，Ti—Ni記(ji)憶合金彈(dan)簧組(zu)，隔熱(re)(re)橡(xiang)膠棒，塑料閥(fa)，磁力耦(ou)合結構，支撐彈(dan)簧及(ji)支撐彈(dan)簧套(tao)，其中(zhong)隔熱(re)(re)橡(xiang)膠棒，塑料閥(fa)在裝(zhuang)置中(zhong)間隔絕上下(xia)熱(re)(re)量的(de)(de)流(liu)動，提高了(le)裝(zhuang)置的(de)(de)溫控精度。下(xia)面(mian)是(shi)溫控閥(fa)的(de)(de)結構圖(tu)(tu)（如圖(tu)(tu)1）。

    1.2 溫控閥的工作原理

    該溫控閥(fa)利用閥(fa)的(de)感溫原件(jian)來控制(zhi)閥(fa)門開度，其工作過程如下(xia)：

    當室(shi)內(nei)(nei)溫度升(sheng)高(gao)時，感溫材料膨脹，壓縮(suo)彈簧，從而帶動(dong)閥(fa)桿，使(shi)(shi)閥(fa)口關小，散熱(re)器的進水(shui)量(liang)因此減(jian)小，使(shi)(shi)得對室(shi)內(nei)(nei)的散熱(re)量(liang)減(jian)少，從而降低室(shi)溫；反(fan)之，閥(fa)桿彈回，閥(fa)口開大，進水(shui)量(liang)增大，供給(gei)室(shi)內(nei)(nei)的熱(re)量(liang)增加，升(sheng)高(gao)室(shi)內(nei)(nei)溫度。

    當房間(jian)有其它(ta)輔助熱源(yuan)時(shi)（如白天(tian)的(de)太(tai)陽(yang)光(guang)，及其它(ta)發熱體等），閥(fa)門自動關小使(shi)散熱器的(de)進(jin)水量減小，最終達到節約能(neng)源(yuan)的(de)目的(de)，它(ta)還(huan)能(neng)大大提(ti)高(gao)居室舒適度。

圖1 裝置結構圖

    2 數學模型的建立

  ;  本(ben)文利用(yong)Matlab軟件開(kai)發(fa)了基(ji)于(yu)序列二次(ci)規劃(hua)法的(de)優(you)化(hua)設(she)計(ji)程序，用(yong)于(yu)解決自力式溫控(kong)閥中(zhong)記憶合金彈(dan)簧(huang)優(you)化(hua)設(she)計(ji)問題(ti)。運用(yong)Matlab軟件進(jin)行(xing)機械(xie)優(you)化(hua)設(she)計(ji)的(de)基(ji)本(ben)步驟如下：

    首(shou)先根(gen)據(ju)所提出(chu)(chu)的最(zui)優化(hua)問題，建立數(shu)學模(mo)型(xing)，確定(ding)變(bian)量(liang)，列出(chu)(chu)約束條件和目標函(han)數(shu)；其次對所建立的模(mo)型(xing)進行具體分(fen)析和研究，選擇合適的最(zui)優化(hua)求解(jie)方法；最(zui)后，根(gen)據(ju)最(zui)優化(hua)方法的算(suan)法，列出(chu)(chu)程序框圖，選擇優化(hua)函(han)數(shu)和編(bian)寫程序，由計算(suan)機求出(chu)(chu)最(zui)優解(jie)。

    2.1 已知參數

    自力式溫控(kong)閥的(de)(de)(de)整體結構(gou)是(shi)由其(qi)核心部件(jian)——記(ji)憶(yi)合金彈(dan)簧(huang)(huang)(huang)(huang)的(de)(de)(de)尺寸決(jue)定的(de)(de)(de)。該記(ji)憶(yi)合金彈(dan)簧(huang)(huang)(huang)(huang)受(shou)壓較大(da)，尺寸又受(shou)安(an)裝條(tiao)件(jian)限制，故目標要(yao)求為(wei)記(ji)憶(yi)合金彈(dan)簧(huang)(huang)(huang)(huang)的(de)(de)(de)質量(liang)最小(xiao)。其(qi)中彈(dan)簧(huang)(huang)(huang)(huang)材料為(wei)Ti-50.8Ni記(ji)憶(yi)合金，最大(da)工(gong)作(zuo)載荷Pmax為(wei)95N，最小(xiao)工(gong)作(zuo)載荷為(wei)60N，彈(dan)簧(huang)(huang)(huang)(huang)壽命為(wei)104h，彈(dan)簧(huang)(huang)(huang)(huang)直(zhi)徑(jing)d的(de)(de)(de)取值范(fan)圍為(wei)1~4mm，中徑(jing)D2的(de)(de)(de)取值范(fan)圍為(wei)10~30mm,工(gong)作(zuo)圈數n不應小(xiao)于4.5圈，彈(dan)簧(huang)(huang)(huang)(huang)旋繞比C不應小(xiao)于4，彈(dan)簧(huang)(huang)(huang)(huang)一端固(gu)定，一段自由，彈(dan)簧(huang)(huang)(huang)(huang)變形(xing)量(liang)不小(xiao)于10mm。

 ♂

    2.2 設計變量的選取

    以彈簧(huang)直徑d，中徑D2及有效工作圈數n作為優化設(she)計(ji)變(bian)量，則設(she)計(ji)變(bian)量為：

    x=[x1，x2，x3]=[D2，n，d]

    2.3 目標函數的建立

    該優化問(wen)題以記憶(yi)合金彈簧的質量最小作為(wei)(wei)目標函(han)數(shu)，則目標函(han)數(shu)為(wei)(wei)

    其中：

    n–有(you)效(xiao)工(gong)作(zuo)圈數；

     –死圈數，常取1.5~2.5，此(ci)處取2；

    –彈簧材料的密度；

    d–彈簧(huang)直徑；

    D2–彈簧中徑。

    經整理簡化，目標(biao)函數(shu)為(wei)

    2.3.1 約束條件的建立

    彈簧(huang)強度條(tiao)件：

    彈簧剛度(du)條件：

    彈簧穩定性條件(jian)：

    彈簧(huang)不發生共振的要求：

    彈簧(huang)旋繞比限(xian)制：

    各設(she)計變(bian)量應滿足的邊界及自然(ran)條件(jian)：

    2.4 數學模型的建立

    經過(guo)上(shang)面的(de)分析(xi)步(bu)驟(zou)，將上(shang)述問題(ti)可抽(chou)象到如(ru)下(xia)的(de)數學模型：

    4 編程

    4.1 M文件myfun.m

 ♂

    4.2 非線性約束M文件mycon.m

    4.3 求(qiu)解主文件main.m

    format long

    4.4 運算結果

    x=1.6564

    4.5000

    16.1141

    fval=

    0.0055

    由程(cheng)序運算結(jie)果，考慮實際工況，取彈簧直徑1.6mm，工作圈數5，中經16mm。帶入質量公式后(hou)得到最小質量基本等(deng)于0.0055kg。

    3 結論

    本(ben)課題(ti)組研制了機(ji)械式熱力(li)管網節能自(zi)動啟(qi)停(ting)裝置，即自(zi)力(li)式溫(wen)控閥(fa)，在原(yuan)溫(wen)控閥(fa)產品基(ji)礎上(shang)進(jin)(jin)行原(yuan)理性改進(jin)(jin)，其中對記憶(yi)合(he)(he)金(jin)彈簧進(jin)(jin)行了優化設(she)(she)(she)計(ji)(ji)。本(ben)文采(cai)用目前最(zui)先(xian)進(jin)(jin)的(de)非(fei)線(xian)性規劃(hua)計(ji)(ji)算方法(fa)——序(xu)列(lie)(lie)二次規劃(hua)法(fa)對本(ben)課題(ti)組研制的(de)機(ji)械式熱力(li)管網節能自(zi)動啟(qi)停(ting)裝置即自(zi)力(li)式溫(wen)控閥(fa)中的(de)記憶(yi)合(he)(he)金(jin)彈簧進(jin)(jin)行優化設(she)(she)(she)計(ji)(ji)，利用Matlab軟件(jian)開發了基(ji)于(yu)序(xu)列(lie)(lie)二次規劃(hua)法(fa)的(de)優化設(she)(she)(she)計(ji)(ji)程序(xu)，該程序(xu)尤其用于(yu)解(jie)決(jue)自(zi)力(li)式溫(wen)控閥(fa)中記憶(yi)合(he)(he)金(jin)彈簧優化設(she)(she)(she)計(ji)(ji)問題(ti)。通過優化設(she)(she)(she)計(ji)(ji)尋找合(he)(he)理的(de)記憶(yi)合(he)(he)金(jin)彈簧組設(she)(she)(she)計(ji)(ji)參數，使之能夠極(ji)好(hao)的(de)達到(dao)裝置的(de)設(she)(she)(she)計(ji)(ji)要(yao)求，為(wei)自(zi)力(li)式溫(wen)控閥(fa)產品設(she)(she)(she)計(ji)(ji)提供參考。