蠟溫度控制閥是一種自動流體溫度和流量控制裝置，無需添加驅(qū)動和控制裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、零泄漏、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冷卻和加熱系統(tǒng)。蠟溫度控制閥于1948年發(fā)布AMOT公司發(fā)明并于20世紀(jì)70年代引入中國。在當(dāng)時的技術(shù)條件下，溫度控制彈簧必須選擇細(xì)鋼絲圓截面彈簧組，以滿足安裝空間小、工作載荷大的要求。但與近十年廣泛使用的異形鋼絲彈簧相比，靜態(tài)特性低，使用壽命短。因此，筆者提出了用單個異形鋼絲彈簧代替彈簧組的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并通過公式推導(dǎo)和設(shè)計(jì)示例驗(yàn)證了其可行性。

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1-閥蓋；2-溫度包；3-溫度敏感材料；4-隔膜；5-錐形橡膠塞；6-上壓板；7-套筒；8-溫度控制彈簧組；9-固定板；

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)

蠟溫度控制閥有兩種類型、三種類型和兩種類型，各種閥芯元件結(jié)構(gòu)相同，工作原理相同，以三種混合溫度控制閥（圖1）為例，其工作原理是：當(dāng)混合流體溫度高于設(shè)定值時，熱敏材料加熱膨脹，膨脹力超過溫度控制彈簧組的預(yù)緊力，推動閥桿降低調(diào)節(jié)缸，增加冷流體流量，減少熱流體流量，直到混合流體溫度降至設(shè)定值，然后當(dāng)混合流體溫度低于設(shè)定值時，熱敏材料收縮，溫度控制彈簧組反彈使調(diào)節(jié)缸上升，始終保持混合流體溫度恒定。因此，溫度控制彈簧是決定恒溫溫度的關(guān)鍵控制元件，其性能決定了溫度控制閥的溫度控制效果和使用壽命。

2 異型鋼絲彈簧特性及基本設(shè)計(jì)公式

2.1 特性及其類型

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，對彈簧的靜態(tài)特性和使用壽命的要求越來越高，普通彈簧難以滿足要求，因此出現(xiàn)了不同的鋼絲彈簧，彈簧比普通彈簧更接近常量，線性精度更高；儲能、壓縮大、壓力高度低；工藝疲勞性能好，內(nèi)應(yīng)力峰值小，應(yīng)力分布溫和，使用壽命長；不易失穩(wěn)，固有頻率高，可避免共振。近十年來，我國引進(jìn)了國外先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于閥門機(jī)構(gòu)、精密儀器、自動變速器等精度要求高、安裝空間小的裝置。隨著國內(nèi)外研究的深入和制造技術(shù)的改進(jìn)，設(shè)計(jì)制造了橢圓形、卵形、矩形、梯形、空心等不同鋼絲彈簧，仍在快速發(fā)展。

2.2 推導(dǎo)基本設(shè)計(jì)公式

切應(yīng)力S公式和變形F公式是各種彈簧的初始設(shè)計(jì)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。

對于異形鋼絲彈簧，不同于普通彈簧Ip解決方案。普通彈簧可以通過材料力學(xué)的方法找到，但異形鋼絲彈簧的截面扭轉(zhuǎn)時會翹曲，不符合平面假設(shè)。只能通過彈性力學(xué)的方法來解決，因此必須以下方式計(jì)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)不同φ（x，y）。

異型鋼絲彈簧的基本設(shè)計(jì)公式分別代入式(1)和(2):

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由于作者選擇了矩形截面鋼絲彈簧鋼絲彈簧(圖2)為例。

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(xiàng)。

利用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力計(jì)算彈簧圈內(nèi)側(cè)最大應(yīng)力點(diǎn)：

式中

K--彈簧曲度修正系數(shù)，

C--彈簧指數(shù)，C=D₂/a。

最大切應(yīng)力公式為將式(4)和(6)代入式(7):

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師對設(shè)計(jì)精度的要求適當(dāng)限制上中式n值的范圍，以n=1，3，5計(jì)算β常用值(表1)。此外，為了減少計(jì)算量，還可以通過Liesecke曲線圖檢測到近似值。

2.2.2 變形F公式推導(dǎo)

(6)代入式(5)得到:

表1 β、γ常用的數(shù)值計(jì)算結(jié)果

同上式方法一致，列舉計(jì)算得出γ常用值(表1)。此外，為了減少計(jì)算量，還可以查圖取近似值。

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3 設(shè)計(jì)示例

以控溫溫度45±5℃以蠟溫度控制閥為例，為其設(shè)計(jì)溫度控制彈簧。已知的工作條件是。類載荷、精度等級2級、套筒外徑d=16mm，最小工作負(fù)荷P₁=120N，最大工作負(fù)荷P₂=310N，工作行程h=F₂-F₁=10mm（F₁、F₂為受載荷P₁、P₂變形量)。

冷拔50CrVA矩形截面圓柱螺旋壓縮彈簧為最佳。

對于矩形截面彈簧，當(dāng)C≥4、a/b≤為了獲得最佳設(shè)計(jì)，可以降低內(nèi)部應(yīng)力，提高各種性能，降低制造難度C=四、彈簧內(nèi)徑D可獲得彈簧中徑D2：

將C、d獲得代入式(10)D₂≥21.33mm，標(biāo)準(zhǔn)系列為25mm，則a=6.25mm，取b=2.5mm。其它參數(shù)查文獻(xiàn)：G=79GPa，[τ]=445MPa，查表1可知β=3.40，γ=7.33.獲得參數(shù)代入式(8)τ_max=426.63MPa≤ [τ]，安全。

理想剛度如下：

工作圈數(shù)可通過公式(9)和(11)變形獲得:

圓整為9圈。

實(shí)際剛度可以從公式(12)變形中獲得:

設(shè)計(jì)建立了理想剛度接近實(shí)際剛度值。

端部取Y₁類型并緊磨平，即總?cè)?shù)n₁=n 1.5=10.5圈。對I類彈簧的極限載荷P₃=0.6P₂=513.7N；間距

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

展開長度

穩(wěn)定性驗(yàn)算，即

所以彈簧是穩(wěn)定的。

疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算由公式(8)計(jì)算

代入

因此，彈簧疲勞強(qiáng)度符合條件。

與原來相比，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案有了很大的改進(jìn)，具體差異見表2。

表2 設(shè)計(jì)方案對比表

4 結(jié)束語

綜上所述，作者提出的設(shè)計(jì)方法可靠可行。在相同條件下，與原有方法相比，按此方法設(shè)計(jì)的溫度控制彈簧不僅會確保調(diào)節(jié)缸的升降能夠隨溫度的小變化準(zhǔn)確及時地調(diào)整，滿足出口流體的溫度控制要求，而且彈簧體積小、性能高、使用壽命長，因此，該設(shè)計(jì)方法對同類國外進(jìn)口產(chǎn)品的改進(jìn)具有參考價值。今后，對于一些閥門彈簧，如何設(shè)計(jì)和制造截面形狀更高效的異形鋼絲彈簧，以滿足超高負(fù)荷和超小空間的苛刻要求，仍需深入研究。