我國經濟快速增長，雖然(ran)各項建設取得巨(ju)大成就，但也付出了巨(ju)大的(de)(de)代(dai)價(jia)，經濟發展與資源環境的(de)(de)矛盾日(ri)(ri)趨尖銳。溫室氣體排放引起(qi)全(quan)球(qiu)氣候變暖(nuan)的(de)(de)問題(ti)，日(ri)(ri)益突出，備受國際社會廣泛關注(zhu)。進一(yi)步(bu)加強節(jie)能減排工作，也是應(ying)對(dui)全(quan)球(qiu)氣候變化的(de)(de)迫(po)切需要(yao)，是我們應(ying)該承擔的(de)(de)責任。尤(you)其(qi)到(dao)冬天，大氣承受著由(you)供暖(nuan)引起(qi)的(de)(de)不可(ke)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。但(dan)實際應用時(shi)，合金(jin)彈簧(huang)特(te)性(xing)線(xian)為非線(xian)性(xing)，當(dang)溫度降到一定程度時(shi)，合金(jin)彈簧(huang)支撐力過大，閥門不(bu)能及時(shi)開啟，造成調(diao)控失效(xiao)。

    為此(ci)，本課(ke)題組(zu)(zu)研制(zhi)了機械式(shi)熱力(li)(li)管網(wang)節能自(zi)動啟停裝置，即(ji)自(zi)力(li)(li)式(shi)溫(wen)(wen)(wen)控(kong)閥(fa)(fa)，在原溫(wen)(wen)(wen)控(kong)閥(fa)(fa)產品基礎上(shang)進(jin)行原理性改(gai)進(jin)。本文作者(zhe)采用目前(qian)最先進(jin)的非線性規劃計(ji)算方法——序列二次規劃法對(dui)本課(ke)題組(zu)(zu)研制(zhi)的自(zi)力(li)(li)式(shi)溫(wen)(wen)(wen)控(kong)閥(fa)(fa)中的記憶合(he)金彈簧(huang)進(jin)行優(you)化設計(ji)，以尋找合(he)理的記憶合(he)金彈簧(huang)組(zu)(zu)設計(ji)參數，為自(zi)力(li)(li)式(shi)溫(wen)(wen)(wen)控(kong)閥(fa)(fa)產品設計(ji)提供(gong)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(yan)制的(de)溫(wen)控(kong)閥(fa)從結構(gou)圖(tu)(tu)可以看到裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置(zhi)外部的(de)零(ling)件(jian)(jian)，依次是(shi)外殼、下端(duan)連接(jie)件(jian)(jian)、八角連接(jie)螺(luo)母(mu)、底閥(fa)連接(jie)件(jian)(jian)，它們確(que)定(ding)了(le)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置(zhi)的(de)外形(xing)，對里面(mian)的(de)零(ling)件(jian)(jian)起到了(le)固定(ding)、連接(jie)、支持的(de)作用。緊固件(jian)(jian)確(que)定(ding)并調整內(nei)部零(ling)件(jian)(jian)的(de)位(wei)置(zhi)，它結構(gou)穩定(ding)的(de)配合(he)了(le)其它零(ling)件(jian)(jian)。內(nei)部其它零(ling)件(jian)(jian)由上依次是(shi)溫(wen)包，Ti—Ni記憶合(he)金(jin)彈簧(huang)(huang)組，隔熱橡膠棒，塑(su)(su)料(liao)(liao)閥(fa)，磁(ci)力耦合(he)結構(gou)，支撐彈簧(huang)(huang)及(ji)支撐彈簧(huang)(huang)套，其中(zhong)隔熱橡膠棒，塑(su)(su)料(liao)(liao)閥(fa)在裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置(zhi)中(zhong)間隔絕上下熱量的(de)流動，提高了(le)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)置(zhi)的(de)溫(wen)控(kong)精度。下面(mian)是(shi)溫(wen)控(kong)閥(fa)的(de)結構(gou)圖(tu)(tu)（如圖(tu)(tu)1）。

    1.2 溫控閥的工作原理

    該溫控(kong)閥利用閥的感溫原件(jian)來控(kong)制(zhi)閥門開(kai)度，其(qi)工作過程如(ru)下：

    當室(shi)(shi)(shi)內(nei)(nei)溫(wen)度升高時，感(gan)溫(wen)材料膨(peng)脹，壓縮彈(dan)簧，從而帶(dai)動閥(fa)(fa)桿(gan)，使閥(fa)(fa)口(kou)(kou)關小，散熱(re)(re)器的進水(shui)(shui)量因此減小，使得對(dui)室(shi)(shi)(shi)內(nei)(nei)的散熱(re)(re)量減少，從而降低室(shi)(shi)(shi)溫(wen)；反之，閥(fa)(fa)桿(gan)彈(dan)回，閥(fa)(fa)口(kou)(kou)開大，進水(shui)(shui)量增(zeng)大，供給室(shi)(shi)(shi)內(nei)(nei)的熱(re)(re)量增(zeng)加，升高室(shi)(shi)(shi)內(nei)(nei)溫(wen)度。

    當(dang)房間(jian)有其(qi)(qi)它輔(fu)助熱(re)源(yuan)時（如白天的(de)太陽光，及(ji)其(qi)(qi)它發熱(re)體(ti)等），閥門自動關(guan)小使散熱(re)器的(de)進水量(liang)減小，最(zui)終達(da)到節約能源(yuan)的(de)目的(de)，它還能大大提高居室(shi)舒適度。

圖1 裝置結構圖

    2 數學模型的建立

    本文利用Matlab軟件開發了(le)基(ji)于序(xu)列二次規(gui)劃法的(de)優(you)化(hua)(hua)設(she)計(ji)(ji)程序(xu)，用于解(jie)決自力式(shi)溫控閥中記憶合金彈簧優(you)化(hua)(hua)設(she)計(ji)(ji)問題(ti)。運用Matlab軟件進行機械優(you)化(hua)(hua)設(she)計(ji)(ji)的(de)基(ji)本步驟(zou)如下(xia)：

    首先根據所提出(chu)的最(zui)優(you)化問題(ti)，建立(li)(li)數學模(mo)型，確定變量，列出(chu)約束(shu)條件和(he)目標函數；其(qi)次對所建立(li)(li)的模(mo)型進(jin)行具(ju)體分析(xi)和(he)研究，選擇合適的最(zui)優(you)化求(qiu)解方法(fa)；最(zui)后(hou)，根據最(zui)優(you)化方法(fa)的算法(fa)，列出(chu)程序框(kuang)圖，選擇優(you)化函數和(he)編寫(xie)程序，由計算機求(qiu)出(chu)最(zui)優(you)解。

    2.1 已知參數

    自力(li)式溫(wen)控閥的(de)(de)整體結構是由(you)其核(he)心(xin)部(bu)件——記憶合金(jin)彈(dan)(dan)簧(huang)(huang)的(de)(de)尺(chi)寸決定(ding)的(de)(de)。該記憶合金(jin)彈(dan)(dan)簧(huang)(huang)受(shou)壓較(jiao)大(da)，尺(chi)寸又受(shou)安裝條件限(xian)制(zhi)，故目標要求為(wei)(wei)記憶合金(jin)彈(dan)(dan)簧(huang)(huang)的(de)(de)質量最小(xiao)。其中彈(dan)(dan)簧(huang)(huang)材料為(wei)(wei)Ti-50.8Ni記憶合金(jin)，最大(da)工(gong)作載荷Pmax為(wei)(wei)95N，最小(xiao)工(gong)作載荷為(wei)(wei)60N，彈(dan)(dan)簧(huang)(huang)壽命為(wei)(wei)104h，彈(dan)(dan)簧(huang)(huang)直徑(jing)d的(de)(de)取值范圍為(wei)(wei)1~4mm，中徑(jing)D2的(de)(de)取值范圍為(wei)(wei)10~30mm,工(gong)作圈(quan)數n不(bu)(bu)應小(xiao)于(yu)4.5圈(quan)，彈(dan)(dan)簧(huang)(huang)旋繞(rao)比(bi)C不(bu)(bu)應小(xiao)于(yu)4，彈(dan)(dan)簧(huang)(huang)一端固定(ding)，一段(duan)自由(you)，彈(dan)(dan)簧(huang)(huang)變形量不(bu)(bu)小(xiao)于(yu)10mm。

 ♂

    2.2 設計變量的選取

    以彈(dan)簧直徑(jing)d，中徑(jing)D2及(ji)有效工(gong)作(zuo)圈數n作(zuo)為優(you)化設(she)計(ji)變量，則(ze)設(she)計(ji)變量為：

    x=[x1，x2，x3]=[D2，n，d]

    2.3 目標函數的建立

    該(gai)優化問題以記(ji)憶合金彈簧(huang)的質量最(zui)小(xiao)作為目標函數，則目標函數為

    其(qi)中：

    n–有(you)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(dan)簧(huang)中徑。

    經(jing)整理簡化，目(mu)標函數為

    2.3.1 約束條件的建立

    彈(dan)簧強度(du)條件：

    彈(dan)簧剛度條(tiao)件：

    彈簧穩定(ding)性條件：

    彈簧不發生共振的要求：

    彈簧旋繞比限制(zhi)：

    各設計(ji)變量(liang)應滿足的邊界及自然條(tiao)件(jian)：

    2.4 數學模型的建立

    經過上(shang)面的(de)分析步驟，將上(shang)述(shu)問(wen)題可抽(chou)象到如(ru)下的(de)數學(xue)模(mo)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 求解主文件(jian)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(yun)算結果，考慮實際工(gong)況，取(qu)彈簧(huang)直徑1.6mm，工(gong)作圈數(shu)5，中(zhong)經16mm。帶入質量(liang)公式后得到最(zui)小質量(liang)基本等于0.0055kg。

    3 結論

    本(ben)課(ke)題(ti)組研制(zhi)了(le)機(ji)械(xie)式(shi)(shi)熱力(li)管網(wang)節能自(zi)動(dong)啟停(ting)裝(zhuang)置，即自(zi)力(li)式(shi)(shi)溫控閥(fa)，在原溫控閥(fa)產品基礎上進行原理(li)性改進，其(qi)中對(dui)記(ji)憶合(he)(he)金彈簧進行了(le)優化設(she)(she)(she)計。本(ben)文采用目前最先(xian)進的(de)非線(xian)性規(gui)(gui)劃計算方(fang)法(fa)——序(xu)(xu)列二(er)次規(gui)(gui)劃法(fa)對(dui)本(ben)課(ke)題(ti)組研制(zhi)的(de)機(ji)械(xie)式(shi)(shi)熱力(li)管網(wang)節能自(zi)動(dong)啟停(ting)裝(zhuang)置即自(zi)力(li)式(shi)(shi)溫控閥(fa)中的(de)記(ji)憶合(he)(he)金彈簧進行優化設(she)(she)(she)計，利(li)用Matlab軟(ruan)件開發(fa)了(le)基于(yu)(yu)序(xu)(xu)列二(er)次規(gui)(gui)劃法(fa)的(de)優化設(she)(she)(she)計程(cheng)(cheng)序(xu)(xu)，該程(cheng)(cheng)序(xu)(xu)尤(you)其(qi)用于(yu)(yu)解決(jue)自(zi)力(li)式(shi)(shi)溫控閥(fa)中記(ji)憶合(he)(he)金彈簧優化設(she)(she)(she)計問題(ti)。通過優化設(she)(she)(she)計尋找合(he)(he)理(li)的(de)記(ji)憶合(he)(he)金彈簧組設(she)(she)(she)計參(can)數(shu)，使(shi)之能夠極好的(de)達到裝(zhuang)置的(de)設(she)(she)(she)計要求，為自(zi)力(li)式(shi)(shi)溫控閥(fa)產品設(she)(she)(she)計提供參(can)考。