形状记忆合金驱动的关断阀的设计.pdf

第卷 第期 年月：形 状 记 忆 合 金 驱 动 的 关 断 阀 的 设 计周 正 存，崔 春 柏，朱 晓 斌，杜洁，余 岳 杰（广 东 科 技 学 院，广 东 东 莞；苏 州 市 职 业 大 学，江 苏 苏 州）摘要：为 对 水 汽 取 样 装 置 的 仪 表 进 行 超 温 保 护，设 计 了 形 状 记 忆 合 金 驱 动 的 机 械式 关 断 阀，包 括 其 整 体 结 构 和 零 部 件。该 关 断 阀 阀 体 及 大 部 分 零 部 件 采 用 不 锈 钢 制 作，用 温 度 灵 敏 度 高 的形 状 记 忆 合 金 作 为 驱 动 弹 簧 来 控 制 阀 门 的 开启 和 闭 合。对 形 状 记 忆 合 金 弹 簧 进 行 了 力 学 计 算 和 尺 寸 参 数 设 计。将 原 始 长 度 为 的 驱 动 弹 簧 加 热 到 保 温，经 快 速 冷 却 获 得 马 氏 体 组 织，在 室 温下 把 马 氏 体 组 织 状 态 下 的 驱 动 弹 簧 压 缩 到，装 入 阀 体。试 验 测 试 的 结 果 表明：在 正 常 温 度 下，弹 簧 长 度 不 变 化，阀 门 通 畅，可 以 取 水 样。当 温 度 超 过 时，驱 动 弹 簧 伸 长 推 动 阀 芯 与 凸 环 接 触，阀 门 关 闭，停 止 取 水 样；需 再 取 水 样 时，按 压 另一 端 的 按 钮 即 可 恢 复 阀 门 畅 通。关 断 阀 在 断 电 的 情 况 下 也 能 工 作，安 全 可 靠。关 键 词：关 断 阀；机 械 设 计；形 状 记 忆 合 金中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，；，）：，：；收 稿 日 期：基 金 项 目：江 苏 省 高 等 学 校 基 础 科 学 研 究 面 上 项 目（）；苏 州 市 职 业 大 学 科 研 平 台 资 助 项 目（）作 者 简 介：周 正 存（），男，安 徽 舒 城 人，博 士，教 授，研 究方 向 为 功 能 材 料。：；：引言为 了 对 水 汽 取 样 装 置 的 仪 表 进 行 超 温 保 护，电 控的 水 汽 取 样 装 置 安 装 有 包 括 温 度 传 感 器、温 控 仪 以 及电 磁 阀 等 组 成 的 过 温 保 护 系 统。目 前，国 内 大 多 采 用第期周 正 存，等：形 状 记 忆 合 金 驱 动 的 关 断 阀 的 设 计的 是 温 度 传 感 器来 感 应 样 水 温 度，然 后 由 温 控仪 来 控 制 电 磁 阀 开 启 和 关 断。然 而，这 种 采 用 电器 元 器 件 来 进 行 超 温 断 流 保 护 的 方 式，受 供 电 电 源 的限 制，在 断 电 时 将 无 法 起 到 高 温 断 流 保 护 的 作 用，且 稳定 性 差，温 度 传 感 器 一 般 在 一 定 温 度 范 围 内 具 有 较 高的 灵 敏 度，当 温 度 超 出 一 定 范 围 时，温 度 传 感 器 的 灵 敏性 较 低。另 外，温 度 传 感 器 长 期 在 高 温 下 工 作，将影 响 其 使 用 寿 命，而 且 电 气 控 制 方 式 的 成 本 高。少 数研 究 用 形 状 记 忆 合 金 的 记 忆 效 应 设 计 了 新 型 卧 式 疏 水阀，但 不 适 合 用 在 水 汽 取 样 装 置 的 关 断 阀。机 械 式 阀 门 有 许 多 优 点，比 如：稳 定 性 好、结 构 简单、成 本 低 等，但 开 关 需 要 手 工 操 作，使 用 不 方 便。因 此，设 计 一 种 稳 定 性 好、成 本 低 且 可 靠 性 高 的 用 形 状记 忆 合 金 驱 动 的 机 械 式 关 断 阀，不 仅 实 现 了 阀 门 的 自动 关 闭，还 保 证 了 安 全 可 靠。关 断 阀 的 原 理 及 结 构图所 示 为 关 断 阀 的 结 构 图。阀 体 的 内 部 设 有 径向 内 凸 的 凸 环，侧 壁 设 有 水 入 口 和 水 出 口，水 入 口 和 水出 口 分 别 位 于 凸 环 的 两 侧。驱 动 弹 簧与 阀 芯相连，当 水 温 高 于 预 设 温 度 值 时，驱 动 弹 簧伸 长 并 推动 阀 芯与 凸 环 相 接 触，以 关 闭 阀 体。再 次 取 水 时，则 通 过 按 压 中 心 杆，使 其 一 端 顶 到 阀 芯，将 阀 芯压 回 原 来 处 于 通 水 状 态 的 位 置，使 得 阀 门 重 新 打 开并 可 以 取 水 样。导 向 套，弹 簧 固 定 块，阀 体，复 位 弹 簧，右 螺 帽，橡胶 圈，右 封 口，按 钮 套 筒，中 心 杆，阀 芯，开 口 挡 圈，驱 动 弹 簧，左 封 口，弹 簧 固 定 片，左 螺 帽，安 装 减压 阀图关 闭 状 态 下 形 状 记 忆 合 金 驱 动 的 关 断 阀 的 结 构（剖 视 图）驱 动 弹 簧用形 状 记 忆 合 金 制 造，将 具有 初 始 状 态 的合 金 弹 簧 加 热 到 奥 氏 体 化 温 度，然 后 快 速 冷 却 获 得 马 氏 体，把 具 有 马 氏 体 的 弹 簧 压 缩到 一 定 长 度，这 个 长 度 是 安 装 后 阀 门 处 于 打 开 状 态 的长 度。驱 动 弹 簧 的 马 氏 体 与 奥 氏 体 之 间 的 相 互 转 变 温度 就 是 阀 门 的 驱 动 温 度，误 差 在 ，这 个 温 度 能利 用 成 分 进 行 调 整，现 在 弹 簧 的 驱 动 温 度 根 据 电 厂 的要 求 设 计 是。当 水 汽 温 度 低 于 驱 动 温 度 时，驱 动弹 簧处 于 压 缩 状 态，阀 门 处 于 通 态，水 汽 取 样 正 常进 行；当 水 汽 温 度 达 到 弹 簧 的 驱 动 温 度 时，弹 簧 就 要 恢复 到 原 来 的 初 始 状 态，伸 长 推 动 阀 芯与 凸 环 接 触，关 闭 阀 门，实 现 了 非 人 工 关 闭 阀 门 的 功 能。由 图可 知，整 个 阀 门 由个 零 部 件 装 配 而 成。从 进 水 口 进 水，进 入 阀 体的 左 侧，左 侧 还 有 起 导 向 作用 的 导 向 套，阀 体 内 部 有 一 个 槽 放 入 限 位 元 件（开 口挡 圈），导 向 套的 内 孔 轴 向 设 置 有 导 流 槽，如 图所 示。安 装 之 前 将 驱 动 弹 簧和 弹 簧 固 定 片以 及弹 簧 固 定 块进 行 焊 接，通 过 螺 纹 连 接，将 弹 簧 固 定 片那 端 旋 转 拧 进 左 封 口。弹 簧 固 定 块和 阀 芯以 螺 纹 连 接 的 方 式 组 装，然 后 将 带 有 驱 动 弹 簧 的 组 装部 件 放 入 阀 体当 中，通 过 螺 纹 连 接，将 左 螺 帽旋转 拧 紧。将 按 钮 套 筒放 入 阀 体右 侧 中，再 放 入 复位 弹 簧，然 后 放 入 中 心 杆，再 放 入 橡 胶 环，之 后 放入 右 封 口，用 螺 纹 连 接，将 右 螺 帽旋 转 扭 紧。图导 向 套关 断 阀 设 计 方 案本 文 设 计 的 关 断 阀 阀 前 最 高 承 受 压 力 ，阀 后 不 能 有 超 过 的 反 压，最 高 承 受 温 度，如 此 高 的 工 作 压 力 使 得 材 料 选 择 和 制 造 过 程 对 密封 性 和 连 接 强 度 要 特 别 保 证。阀 体 外 部 一 个 进 水 管 和一 个 出 水 管 都 是 使 用 焊 接 与 阀 体 进 行 固 定 连 接，为 配合 阀 芯 实 现 阀 体 的 关 闭 和 打 开，阀 体 的 内 部 设 有 径 向内 凸 的 凸 环，进 水 口 和 出 水 口 分 别 位 于 凸 环 的 两 侧，阀芯 位 于 凸 环 左 边 进 水 口 的 一 侧。为 避 免 凸 环 的 棱 角 处刮 伤 阀 芯 的 锥 度 面，凸 环 朝 向 阀 芯 的 一 侧 的 边 缘 设 有倒 圆 角 并 且 阀 芯 的 锥 度 面 有 一 层 橡 胶。考 虑 到 密 封 性和 驱 动 弹 簧 工 作 的 稳 定 性，在 阀 前 装 一 个 减 压 阀，进 水管 和 出 水 管 保 持 一 定 的 压 差，使 驱 动 弹 簧 在 水 温 没 达到 要 求 时 不 会 被 压 差 推 到 关 闭 位 置。驱 动 弹 簧 使 用 焊 接 与 弹 簧 固 定 块 固 定 连 接，弹 簧固 定 块 为型，阀 芯 一 侧 打 阶 梯 孔，孔 内 有 螺 纹，弹 簧固 定 块 和 阀 芯 进 行 螺 纹 固 定 连 接。为 避 免 驱 动 弹 簧 发生 侧 弯，造 成 阀 芯 移 动 不 顺 畅 或 卡 死 等 现 象，阀 体 内 设有 用 于 对 阀 芯 进 行 导 向 的 导 向 套。同 时 考 虑 到 导 向 套的 轴 向 定 位 问 题，在 阀 体 的 内 壁 设 有 凹 槽，凹 槽 内 设 有用 于 对 导 向 套 的 一 端 进 行 轴 向 限 位 的 限 位 件（开 口 挡圈），导 向 套 的 另 一 端 与 凸 环 相 接 触。中 心 杆 上 设 有个 圆 盘，圆 盘 的 一 边 有 倒 角，并 与 一 个 橡 胶 环 相 接 触，第卷橡 胶 环 接 触 处 也 有 个 小 的 倒 角，方 便 圆 盘 与 橡 胶 环接 触。此 外，阀 体 内 设 置 有 推 动 阀 芯 向 左 运 动 并 打 开 阀门 的 中 心 杆，其 同 时 带 有 能 使 中 心 杆 复 位 的 弹 簧。用复 位 弹 簧 和 中 心 杆 打 开 阀 门 时，可 以 使 得 中 心 杆 复 位从 而 不 阻 碍 阀 体 中 的 水 流 动。复 位 弹 簧 一 端 与 按 钮 套筒 一 端 接 触，另 一 端 与 中 心 杆 上 的 圆 盘 接 触，通 过 接 触来 固 定 复 位 弹 簧。阀 体 外 壁 两 端 有 螺 纹，可 以 使 用 螺帽 将 阀 门 两 端 封 闭。关 断 阀 的 材 料 和 尺 寸 参 数 关 断 阀 的 材 料阀 门 主 体 及 大 部 分 零 件 选 择 耐 腐 蚀 的 不 锈钢，驱 动 弹 簧 采 用形 状 记 忆 合 金 制 造。阀 门 结 构中 的 橡 胶 环 和 阀 芯 锥 度 面 设 有 的 橡 胶 层 都 需 要 弹 性好、耐 高 温 和 耐 磨。关 断 阀 的 尺 寸 参 数 阀 体 厚 度 的 确 定进 水 管 和 出 水 管 选 择 不 锈 钢 作 为 材 料，进出 水 管 的 内 径 均 为，不 锈 钢 材 料 的 许 用应 力 为。进 水 管 阀 前 承 压 ，出 水 口后 小 于。根 据 国 家 标 准，进 水管 和 阀 体 的 壁 厚 按设 计，关 断 阀 的 其 他 零 部 件 根据 阀 体 的 尺 寸 和 功 能 与 使 用 要 求 确 定 尺 寸，。驱 动 弹 簧 的 计 算（）驱 动 弹 簧 的 基 本 参 数。驱 动 弹 簧 采 用形 状 记 忆 合 金，弹 簧 丝 直 径 选 ，弹 簧 总 长（原 始 长 度）为。驱 动 弹 簧 在 自 由 长 度 下 加 热 到 的 奥 氏 体 状 态 保 温，然 后 快 冷得 到 马 氏 体，把 马 氏 体 状 态 的 弹 簧 压 缩 到（见 图），再 安 装 到 阀 体 里。在 通 水 温 度 超 过 时，由 于发 生 马 氏 体 向 奥 氏 体 转 变，产 生 形 状 记 忆 效 应，驱 动 弹簧 趋 向 于 恢 复 原 来 的 状 态 而 伸 长，当 弹 簧 伸 长 到时，阀 芯 已 经 顶 住 中 间 水 孔，从 而 推 动 阀 芯 关 闭 阀门。当 发 生 相 变 时，相 变 应 力 大 约 是，按照 现 驱 动 弹 簧 的 尺 寸 计 算，驱 动 弹 簧 的 相 变 驱 动 力 约为，这 个 力 足 以 使 阀 门 锁 死。图压 缩 状 态 下 具 有 马 氏 体 结 构 的 驱 动 弹 簧 用表 示 无 相 变 时 驱 动 弹 簧 被 压 缩 的 负荷（），计 算 公 式 如 下：（）式 中，为 驱 动 弹 簧 丝 的 剪 切 模 量。在 马 氏 体 状 态的 弹 性 模 量 为 ，母 相 奥 氏 体 状 态 为，泊 松 比 按 计 算，本 文 按 奥 氏 体 状 态取 ，为 驱 动 弹 簧 的 丝 径；为 驱 动 弹 簧 的 中径；为 驱 动 弹 簧 的 有 效 圈 数，本 设 计 中 选 取 ；为 中 径，本 设 计 取 ；有 效 圈 数 为。由 式（）可 得：（）驱 动 关 断 阀 弹 簧 施 加 力 的 计 算。按 照 可 恢 复的 长 度 计 算，尽 管 驱 动 弹 簧 关 断 阀 门 时 实 际 被压 缩 的 量 ，但 顶 紧 力 应 按 计 算，因 为驱 动 弹 簧 有 恢 复 到 长 的 能 力，驱 动 弹 簧 对 阀 芯的 顶 力 （）式 中，为 驱 动 弹 簧 的 预 先 总 压 缩 量。相 变 产 生 的 驱动 力 远 大 于，完 全 可 以 将 阀 芯 推 动 到 阀 门 闭 合 位置。在 阀 芯 直 径 时，阀 芯 受 到 的 压 强 为 。通 态 下，进 口 段 和 出 口 段 的 压 差 大 于 这 个值，可 能 会 因 压 差 推 动 阀 芯 使 阀 门 关 闭，如 果 不 设 置 压差，不 利 于 取 水 样。因 此，取 进 口 段 与 出 口 段 的 压 差 设为 ，这 个 压 差 值 既 不 会 使 阀 门 因 压 差 大 而 关闭，也 不 会 因 无 压 差 而 不 方 便 取 水 样。（）驱 动 弹 簧 复 位 力 的 计 算。当 需 要 重 新 取 水 汽样 时，必 须 人 工 复 位 弹 簧，需 要 克 服个 力 的 作 用：克 服 水 汽 对 阀 芯 的 作 用 力；使 驱 动 弹 簧 恢 复 阀 门通 态 的 力；中 心 杆 推 动 压 缩 恢 复 弹 簧 压 缩 的 力；无 相 变 时 驱 动 弹 簧 对 阀 芯 的 作 用 力。在 阀 芯 直 径 为 时，水 汽 对 阀 芯 的 作用 力 （）式 中，为 进 口 段 与 出 口 段 的 压 差。驱 动 弹 簧 恢 复 到 通 态 时，除 克 服 原 先 弹 簧 伸 长 产生 的 向 右 顶 力 外，还 要 克 服 压 缩 驱 动 弹 簧 的 反 作 用 力。当 水 温 降 低，驱 动 弹 簧 需 复 位 时，驱 动 弹 簧 已 经 没 有 相变 力 作 用，按 实 际 压 缩 计 算，驱 动 弹 簧 需 要 的反 作 用 力 （）当 恢 复 驱 动 弹 簧 时，复 位 弹 簧 被 压 缩 的 量 是（），复 位 弹 簧 用 不 锈 钢 制 造，剪 切模 量 是。复 位 弹 簧 的 弹 性 系 数可 按 式（）计 算 （）人 工 复 位 弹 簧 所 需 要 的 力 （）由 此 可 见，人 工 恢 复 弹 簧 可 行。设 计 的 阀 门 具 有 自 动第期周 正 存，等：形 状 记 忆 合 金 驱 动 的 关 断 阀 的 设 计关 闭 功 能，实 现 了 半 智 能 化，未 来 智 能 化 的 阀 门 一 定 会出 现，但 成 本 会 相 对 较 高。结语本 文 设 计 了 一 种 形 状 记 忆 合 金 驱 动 的 机 械 式 关 断阀，驱 动 弹 簧 采 用 温 度 灵 敏 度 高 的合 金 制 造，其余 零 部 件 用 不 锈 钢 制 造。结 果 表 明：关 断 阀 在水 温 高 于 所 设 定 的 温 度 时，形 状 记 忆 合 金 驱 动 弹簧 伸 长 并 推 动 阀 芯 与 阀 门 内 部 凸 环 接 触，关 闭 阀 门，取水 样 停 止。需 要 重 新 取 水 样 时，按 压 另 一 端 的 按 钮 使中 心 杆 把 阀 芯 压 回 处 于 通 水 状 态，即 可 恢 复 阀 门 畅 通。所 设 计 的 关 断 阀 在 无 人 操 作 的 情 况，实 现 阀 门 自 动 关闭，安 全 可 靠，实 现 了 半 智 能 化。参 考 文 献（）：史 祖 英燃 气 电 厂 调 压 站 紧 急 关 断 阀 门 控 制 及 电 源 优 化 研 究内 蒙 古 电 力 技 术，（）：丁 建 博，王 赞 惠，于 庭 芳水 汽 取 样 装 置 应 用 分 析 云 南 电 力技 术，（）：单 晶 晶，康 在 龙提 高 供 热 管 网 关 断 阀 可 靠 性 措 施 研 究 电 力安 全 技 术，（）：，（）：黄 玉 琴新 型 卧 式 形 状 记 忆 合 金 疏 水 阀 的 设 计 工 业 科 技，（）：黄 玉 琴，杜 兆 年，蒋 跃 宁一 种 新 型 形 状 记 忆 合 金 疏 水 阀 的 研 究甘 肃 科 学 学 报，（）：秦 桂 红，严彪，殷 俊 林 基 形 状 记 忆 合 金 的 研 究 与 应 用热 处 理，（）：张 明 明，王 社 良，张 世 民，等 形 状 记 忆 合 金 丝 力 学 性 能 试 验研 究 力 学 期 刊，（）：邱 春 龙，樊宁，赵 益 民，等形 状 记 忆 合 金 热 机 驱 动 器 的 研 制机 械 工 程 师，（）：冯珑基 于 约 束 理 论 的 火 力 发 电 厂 阀 门 优 化 设 计 机 械 工程 师，（）：张 志 贤阀 门 技 术 资 料 手 册 版北 京：中 国 建 筑 工 业 出版 社，：郭潜，周 晓 慧，王 显 妮耐 高 温 丁 腈 橡 胶 的 材 料 研 究 合 成材 料 老 化 与 应 用，（）：张 光 函，曾 品 其，龚 王 军阀 门 结 构 设 计 与 改 进 北 京：科 学出 版 社，周新，谭伟，张斌，等镍 钛 形 状 记 忆 合 金 压 缩 力 学 行 为 及其 密 封 性 能 科 学 技 术 与 工 程，（）：成 大 先机 械 设 计 手 册（单 行 本：弹 簧）版，北 京：化 学 工业 出 版 社，：张蓓，赵 雪 丹，吴平镍钛 合 金 弹 性 模 量 的 测 定 理 化 检验物 理 分 册，（）：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿（上 接 第页）参 考 文 献（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，：江奇，瞿 美 臻，张 伯 兰，等电 化 学 超 级 电 容 器 电 极 材 料 的 研究 进 展 无 机 材 料 学 报，（）：陈晓，徐 开 兵磷 掺 杂电 极 材 料 的 制 备 及 电 化 学 性 能实 验 室 研 究 与 探 索，（）：，：，（）：，：，：，（）（），：周 博 通石 墨 烯活 性 炭 复 合 材 料 的 制 备 及 超 电 容 性 能 研 究徐 州：中 国 矿 业 大 学，（）：，：刘 宇 程，梁 庆 玲，杨冰，等 涂 层 电 极 电催 化 氧 化 苯 酚 废 水 研 究 安 全 与 环 境 学 报，（）：