介紹了蠟式溫控閥工作原理、異型鋼絲彈簧特性以及對控溫彈簧組的改進(jìn)設(shè)計方案。通過詳述矩形截面彈簧的設(shè)計公式推導(dǎo)及設(shè)計方法，驗證了改進(jìn)設(shè)計的可行性，對有關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)提供了借鑒依據(jù)。

　　蠟式溫控閥是無需外加驅(qū)動和控制裝置的全自動流體溫度、流量控制裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、“零”泄漏和節(jié)能等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于冷卻和供暖系統(tǒng)。蠟式溫控閥1948年由AMOT公司發(fā)明，并于70年代引入我國，在當(dāng)時的技術(shù)條件下，控溫彈簧只得選用細(xì)鋼絲圓截面彈簧組來滿足安裝空間小、工作載荷大等要求，但較之近十年廣泛應(yīng)用的異型鋼絲彈簧則存在靜態(tài)特性低、使用壽命短等不足，因而筆者提出用單個異型鋼絲彈簧代替彈簧組的改進(jìn)設(shè)計方案，并通過公式推導(dǎo)和設(shè)計示例驗證其可行性。

1、蠟式溫控閥工作原理

1-閥蓋;2-感溫包;3-溫敏材料;4-隔膜;5-錐形橡膠塞;6-上壓板;7-套筒;8-控溫彈簧組;9-固定盤;10-閥桿;11-拉桿;12-下壓板;13-緩沖彈簧組;14-調(diào)節(jié)筒;15-螺母;16-閥座;17-托盤

圖1 自力式三通混流溫控閥結(jié)構(gòu)

　　蠟式溫控閥有二通型、三通型以及兩用型，各類的閥芯元件結(jié)構(gòu)一致，工作原理皆相同，以三通型混流溫控閥(圖1)為例，其工作原理是：當(dāng)混合流體溫度高于設(shè)定值，熱敏材料受熱膨脹，產(chǎn)生的膨脹力超過控溫彈簧組的預(yù)緊力時，推動閥桿使調(diào)節(jié)筒下降，冷流體流量加大，熱流體流量減小，直至混合流體溫度降為設(shè)定值，之后若當(dāng)混合流體溫度低于設(shè)定值，熱敏材料收縮，控溫彈簧組回彈使調(diào)節(jié)筒上升，始終保持混合流體溫度恒定。由此可見，控溫彈簧是決定恒溫溫度的關(guān)鍵控制元件，其性能決定溫控閥的控溫效果和使用壽命。

2、異型鋼絲彈簧特性及基本設(shè)計公式

2.1、特性及其種類

　　由于工業(yè)的迅速發(fā)展，對彈簧的靜態(tài)特性、使用壽命等的要求越來越高，普通彈簧已難以滿足要求，因此異型鋼絲彈簧應(yīng)運而生，該彈簧與普通彈簧相比，剛度更接近常量，線性精度更高;蓄能多，壓縮量大，壓并高度低;工藝性和疲勞性能更好，內(nèi)側(cè)應(yīng)力峰值小，應(yīng)力分布平緩，使用壽命更長;不易失穩(wěn)，固有頻率大，可避免共振。近十幾年來，我國引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，已將其廣泛用于閥門機(jī)構(gòu)、精密儀器和自動變速器等精度要求高、安裝空間小的裝置。隨著國內(nèi)外對其研究的深入和制造技術(shù)的提高，已設(shè)計制造出截面為橢圓形、卵形、矩形、梯形和中空等異型鋼絲彈簧，并仍在迅速發(fā)展。

2.2、基本設(shè)計公式推導(dǎo)

　　切應(yīng)力S公式和變形F公式是各類彈簧的初始設(shè)計公式，即：

　　式中

　　n--工作圈數(shù);

　　P--彈簧軸向負(fù)荷，N;

　　D2--彈簧中徑，mm;

　　G--切變模量，MPa;

　　Ip--極慣性矩，mm4。

　　對于異型鋼絲彈簧，與普通彈簧所不同的是對Ip的求解方法。普通彈簧可用材料力學(xué)的方法求出，但異型鋼絲彈簧的截面在扭轉(zhuǎn)時會發(fā)生翹曲現(xiàn)象，則不符合平面假設(shè)，只有采用彈性力學(xué)的方法才能解決，因此必須由下式計算：

　　其中φ(x，y)是扭轉(zhuǎn)位移函數(shù)，不同的截面形狀對應(yīng)有不同的φ(x，y)。

　　將式(3)分別代入式(1)、(2)得到異型鋼絲彈簧基本設(shè)計公式：

　　因筆者選用矩形截面鋼絲彈簧(圖2)，故以其為例推導(dǎo)基本設(shè)計公式。

圖2 矩形截面彈簧

2.2.1、最大切應(yīng)力τmax公式推導(dǎo)

　　已知矩形截面扭轉(zhuǎn)位移函數(shù)為：

　　其中n可根據(jù)精度要求只取到前幾項。

　　在彈簧圈內(nèi)側(cè)會產(chǎn)生最大應(yīng)力點，利用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力計算：

　　式中

　　K--彈簧曲度修正系數(shù)，

　　C--彈簧指數(shù)，C=D2/a。

　　將式(4)、(6)代入式(7)得到最大切應(yīng)力公式：

　　實際設(shè)計中須根據(jù)設(shè)計者對設(shè)計精確度的要求適當(dāng)限定上式中n值的范圍，以n=1，3，5計算β的常用數(shù)值(表1)。另外，為減輕計算量，還可通過Liesecke曲線圖查得近似值。

2.2.2、變形F公式推導(dǎo)

　　將式(6)代入式(5)得：

表1 β、γ常用數(shù)值計算結(jié)果

　　同上式方法一致，列舉計算得出γ的常用數(shù)值(表1)。另外，為減輕計算量，還可查圖取近似值。

3、設(shè)計示例

　　以控溫溫度45±5℃的蠟式溫控閥為例，為其設(shè)計控溫彈簧。已知工作情況屬。類載荷，精度等級2級，套筒外徑d=16mm，最小工作載荷P1=120N，最大工作載荷P2=310N，工作行程h=F2-F1=10mm(F1、F2為受載荷P1、P2時的變形量)。

　　綜合考慮工作環(huán)境、載荷種類、生產(chǎn)成本和各類異型鋼絲彈簧性能，選用冷拔50CrVA矩形截面圓柱螺旋壓縮彈簧為最優(yōu)。

　　對于矩形截面彈簧，當(dāng)C≥4、a/b≤4時可降低內(nèi)側(cè)應(yīng)力、提高各項性能以降低制造難度，為得到最優(yōu)設(shè)計取C=4。由彈簧內(nèi)徑D1可得到彈簧中徑D2：

　　將C、d代入式(10)得D2≥21.33mm，取標(biāo)準(zhǔn)系列為25mm，則a=6.25mm，取b=2.5mm。其余參數(shù)查文獻(xiàn)：G=79GPa，[τ]=445MPa，查表1可知β=3.40，γ=7.33。將參數(shù)代入式(8)得τmax=426.63MPa≤ [τ]，安全。

　　其理想剛度為：

　　由式(9)、(11)變形可得工作圈數(shù)：

　　圓整為9圈。

　　由式(12)變形可得實際剛度：

　　理想剛度與實際剛度數(shù)值上接近，該設(shè)計成立。

　　端部取Y1型并緊磨平，即總?cè)��?shù)n1=n+1.5=10.5圈。對I類彈簧來說，其極限載荷P3=0.6P2=513.7N;間距

　　節(jié)距t=b+δ=5.5mm;自由高度H0=δn+(n1-0.5)b=52mm;

　　展開長度

　　對其進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，即

　　故彈簧是穩(wěn)定的。

　　對其進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗算，由式(8)得

　　代入

　　故該彈簧疲勞強(qiáng)度滿足條件。

　　改進(jìn)后其設(shè)計方案相較原有的有很大改觀，具體差別見表2。

表2 設(shè)計方案對比表

4、結(jié)束語

　　綜上所述，筆者提出的設(shè)計方法是可靠的、可行的，在相同條件下，按此方法設(shè)計的控溫彈簧相較原方法，不但會確實保證隨溫度的微小變化精確及時地調(diào)整調(diào)節(jié)筒升降，滿足出口流體的控溫要求，而且彈簧體積更小、各項性能更高、使用壽命更長，因此該設(shè)計方法對于同類國外引進(jìn)產(chǎn)品的改進(jìn)具有參考價值。今后，對于某些閥門彈簧，如何設(shè)計制造更高效的截面形狀的異型鋼絲彈簧來滿足超高載荷、超小空間等苛刻要求，仍需深入研究。