形狀記憶合金驅(qū)動的關(guān)斷閥的設(shè)計

周正存， 崔春柏， 朱曉斌， 杜 潔， 余岳杰

（1.廣東科技學(xué)院，廣東 東莞 523083；2.蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 蘇州 215104）

0 引言

為了對水汽取樣裝置的儀表進行超溫保護，電控的水汽取樣裝置安裝有包括溫度傳感器、溫控儀以及電磁閥等組成的過溫保護系統(tǒng)。目前，國內(nèi)大多采用的是溫度傳感器PT100 來感應(yīng)樣水溫度，然后由溫控儀來控制電磁閥開啟和關(guān)斷［1-2］。然而，這種采用電器元器件來進行超溫斷流保護的方式，受供電電源的限制，在斷電時將無法起到高溫斷流保護的作用，且穩(wěn)定性差，溫度傳感器一般在一定溫度范圍內(nèi)具有較高的靈敏度，當(dāng)溫度超出一定范圍時，溫度傳感器的靈敏性較低［3-4］。另外，溫度傳感器長期在高溫下工作，將影響其使用壽命，而且電氣控制方式的成本高。少數(shù)研究用形狀記憶合金的記憶效應(yīng)設(shè)計了新型臥式疏水閥［5］，但不適合用在水汽取樣裝置的關(guān)斷閥。

機械式閥門有許多優(yōu)點，比如：穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等［5-6］，但開關(guān)需要手工操作，使用不方便。因此，設(shè)計一種穩(wěn)定性好、成本低且可靠性高的用形狀記憶合金驅(qū)動的機械式關(guān)斷閥，不僅實現(xiàn)了閥門的自動關(guān)閉，還保證了安全可靠。

1 關(guān)斷閥的原理及結(jié)構(gòu)

圖1 所示為關(guān)斷閥的結(jié)構(gòu)圖。閥體的內(nèi)部設(shè)有徑向內(nèi)凸的凸環(huán)，側(cè)壁設(shè)有水入口和水出口，水入口和水出口分別位于凸環(huán)的兩側(cè)。驅(qū)動彈簧12 與閥芯10 相連，當(dāng)水溫高于預(yù)設(shè)溫度值時，驅(qū)動彈簧12 伸長并推動閥芯10 與凸環(huán)相接觸，以關(guān)閉閥體。再次取水時，則通過按壓中心桿9，使其一端頂?shù)介y芯10，將閥芯10 壓回原來處于通水狀態(tài)的位置，使得閥門重新打開并可以取水樣。

圖1 關(guān)閉狀態(tài)下形狀記憶合金驅(qū)動的關(guān)斷閥的結(jié)構(gòu)（剖視圖）

驅(qū)動彈簧12 用NiTi形狀記憶合金制造［7-9］，將具有初始狀態(tài)的Ni-Ti 合金彈簧加熱到奧氏體化溫度，然后快速冷卻獲得馬氏體，把具有馬氏體的彈簧壓縮到一定長度，這個長度是安裝后閥門處于打開狀態(tài)的長度。驅(qū)動彈簧的馬氏體與奧氏體之間的相互轉(zhuǎn)變溫度就是閥門的驅(qū)動溫度，誤差在±1.5 ℃，這個溫度能利用成分進行調(diào)整，現(xiàn)在彈簧的驅(qū)動溫度根據(jù)電廠的要求設(shè)計是49 ℃。當(dāng)水汽溫度低于驅(qū)動溫度時，驅(qū)動彈簧12 處于壓縮狀態(tài)，閥門處于通態(tài)，水汽取樣正常進行；當(dāng)水汽溫度達到彈簧的驅(qū)動溫度時，彈簧就要恢復(fù)到原來的初始狀態(tài)，伸長推動閥芯10 與凸環(huán)接觸，關(guān)閉閥門，實現(xiàn)了非人工關(guān)閉閥門的功能。

由圖1 可知，整個閥門由15 個零部件裝配而成。從進水口進水，進入閥體3 的左側(cè)，左側(cè)還有起導(dǎo)向作用的導(dǎo)向套1，閥體內(nèi)部有一個槽放入限位元件（開口擋圈11），導(dǎo)向套1 的內(nèi)孔軸向設(shè)置有導(dǎo)流槽，如圖2所示。安裝之前將驅(qū)動彈簧12 和彈簧固定片14 以及彈簧固定塊2 進行焊接，通過螺紋連接，將彈簧固定片14 那端旋轉(zhuǎn)擰進左封口13。彈簧固定塊2 和閥芯10以螺紋連接的方式組裝，然后將帶有驅(qū)動彈簧的組裝部件放入閥體3 當(dāng)中，通過螺紋連接，將左螺帽15 旋轉(zhuǎn)擰緊。將按鈕套筒8 放入閥體3 右側(cè)中，再放入復(fù)位彈簧4，然后放入中心桿9，再放入橡膠環(huán)6，之后放入右封口7，用螺紋連接，將右螺帽5 旋轉(zhuǎn)扭緊。

圖2 導(dǎo)向套

2 關(guān)斷閥設(shè)計方案

本文設(shè)計的關(guān)斷閥閥前最高承受壓力30.3 MPa，閥后不能有超過1.5 MPa 的反壓，最高承受溫度121℃，如此高的工作壓力使得材料選擇和制造過程對密封性和連接強度要特別保證。閥體外部一個進水管和一個出水管都是使用焊接與閥體進行固定連接，為配合閥芯實現(xiàn)閥體的關(guān)閉和打開，閥體的內(nèi)部設(shè)有徑向內(nèi)凸的凸環(huán)，進水口和出水口分別位于凸環(huán)的兩側(cè)，閥芯位于凸環(huán)左邊進水口的一側(cè)。為避免凸環(huán)的棱角處刮傷閥芯的錐度面，凸環(huán)朝向閥芯的一側(cè)的邊緣設(shè)有倒圓角并且閥芯的錐度面有一層橡膠。考慮到密封性和驅(qū)動彈簧工作的穩(wěn)定性，在閥前裝一個減壓閥，進水管和出水管保持一定的壓差，使驅(qū)動彈簧在水溫沒達到要求時不會被壓差推到關(guān)閉位置。

驅(qū)動彈簧使用焊接與彈簧固定塊固定連接，彈簧固定塊為T型，閥芯一側(cè)打階梯孔，孔內(nèi)有螺紋，彈簧固定塊和閥芯進行螺紋固定連接。為避免驅(qū)動彈簧發(fā)生側(cè)彎，造成閥芯移動不順暢或卡死等現(xiàn)象，閥體內(nèi)設(shè)有用于對閥芯進行導(dǎo)向的導(dǎo)向套。同時考慮到導(dǎo)向套的軸向定位問題，在閥體的內(nèi)壁設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)有用于對導(dǎo)向套的一端進行軸向限位的限位件（開口擋圈），導(dǎo)向套的另一端與凸環(huán)相接觸。中心桿上設(shè)有1個圓盤，圓盤的一邊有倒角，并與一個橡膠環(huán)相接觸，橡膠環(huán)接觸處也有個小的倒角，方便圓盤與橡膠環(huán)接觸。

此外，閥體內(nèi)設(shè)置有推動閥芯向左運動并打開閥門的中心桿，其同時帶有能使中心桿復(fù)位的彈簧。用復(fù)位彈簧和中心桿打開閥門時，可以使得中心桿復(fù)位從而不阻礙閥體中的水流動。復(fù)位彈簧一端與按鈕套筒一端接觸，另一端與中心桿上的圓盤接觸，通過接觸來固定復(fù)位彈簧。閥體外壁兩端有螺紋，可以使用螺帽將閥門兩端封閉。

3 關(guān)斷閥的材料和尺寸參數(shù)

3.1 關(guān)斷閥的材料

閥門主體及大部分零件選擇耐腐蝕的316 L不銹鋼，驅(qū)動彈簧采用NiTi形狀記憶合金制造。閥門結(jié)構(gòu)中的橡膠環(huán)和閥芯錐度面設(shè)有的橡膠層都需要彈性好、耐高溫和耐磨［10-12］。

3.2 關(guān)斷閥的尺寸參數(shù)

3.2.1 閥體厚度的確定

進水管和出水管選擇316 L 不銹鋼作為材料，進出水管的內(nèi)徑均為φ6 mm，316 L 不銹鋼材料的許用應(yīng)力為485 MPa。進水管閥前承壓30.3 MPa，出水口后小于15 MPa。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB26640—2011，進水管和閥體的壁厚按4mm 設(shè)計，關(guān)斷閥的其他零部件根據(jù)閥體的尺寸和功能與使用要求確定尺寸［11，13］。

3.2.2 驅(qū)動彈簧的計算

（1）驅(qū)動彈簧的基本參數(shù)。驅(qū)動彈簧采用NiTi形狀記憶合金，彈簧絲直徑選d＝φ2 mm，彈簧總長（原始長度）為73 mm。驅(qū)動彈簧在自由長度73 mm下加熱到950 ℃的奧氏體狀態(tài)保溫20 min，然后快冷得到馬氏體，把馬氏體狀態(tài)的彈簧壓縮到51 mm（見圖3），再安裝到閥體里。在通水溫度超過49 ℃時，由于發(fā)生馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)，驅(qū)動彈簧趨向于恢復(fù)原來的狀態(tài)而伸長，當(dāng)彈簧伸長到63 mm時，閥芯已經(jīng)頂住中間水孔，從而推動閥芯關(guān)閉閥門。當(dāng)發(fā)生相變時，相變應(yīng)力大約是270 MPa［14］，按照現(xiàn)驅(qū)動彈簧的尺寸計算，驅(qū)動彈簧的相變驅(qū)動力約為848 N，這個力足以使閥門鎖死。

圖3 壓縮狀態(tài)下具有馬氏體結(jié)構(gòu)的驅(qū)動彈簧

用Kq表示無相變時驅(qū)動彈簧被壓縮1 mm 的負荷（N／mm），Kq計算公式如下［15］：

式中，G為驅(qū)動彈簧絲的剪切模量。在馬氏體狀態(tài)NiTi的彈性模量為11.6 GPa，母相奧氏體狀態(tài)為24.5 GPa［16］，泊松比按0.3 計算，本文按奧氏體狀態(tài)G取9.4 GPa，d為驅(qū)動彈簧的絲徑；Dm為驅(qū)動彈簧的中徑；N為驅(qū)動彈簧的有效圈數(shù)，本設(shè)計中選取d＝φ2 mm；Dm為中徑，本設(shè)計取Dm＝φ13 mm；有效圈數(shù)為N＝14。由式（1）可得：

（2）驅(qū)動關(guān)斷閥彈簧施加力的計算。按照可恢復(fù)的長度73 mm計算，盡管驅(qū)動彈簧關(guān)斷閥門時實際被壓縮的量S＝10 mm，但頂緊力應(yīng)按22 mm計算，因為驅(qū)動彈簧有恢復(fù)到73 mm長的能力，驅(qū)動彈簧對閥芯的頂力

式中，Sm為驅(qū)動彈簧的預(yù)先總壓縮量。相變產(chǎn)生的驅(qū)動力遠大于13.2，完全可以將閥芯推動到閥門閉合位置。在閥芯直徑dx＝φ16 mm 時，閥芯受到的壓強為0.17 MPa。通態(tài)下，進口段和出口段的壓差大于這個值，可能會因壓差推動閥芯使閥門關(guān)閉，如果不設(shè)置壓差，不利于取水樣。因此，取進口段與出口段的壓差設(shè)為0.08 MPa，這個壓差值既不會使閥門因壓差大而關(guān)閉，也不會因無壓差而不方便取水樣。

（3）驅(qū)動彈簧復(fù)位力的計算。當(dāng)需要重新取水汽樣時，必須人工復(fù)位彈簧，需要克服4 個力的作用：①克服水汽對閥芯的作用力Fs；②使驅(qū)動彈簧恢復(fù)閥門通態(tài)的力Fqh；③中心桿推動壓縮恢復(fù)彈簧壓縮的力Ff；④無相變時驅(qū)動彈簧對閥芯的作用力Fd。

在閥芯直徑為dx＝φ16 mm 時，水汽對閥芯的作用力

式中，pd為進口段與出口段的壓差。

驅(qū)動彈簧恢復(fù)到通態(tài)時，除克服原先彈簧伸長產(chǎn)生的向右頂力外，還要克服壓縮驅(qū)動彈簧的反作用力。當(dāng)水溫降低，驅(qū)動彈簧需復(fù)位時，驅(qū)動彈簧已經(jīng)沒有相變力作用，按實際壓縮10 mm 計算，驅(qū)動彈簧需要的反作用力

當(dāng)恢復(fù)驅(qū)動彈簧時，復(fù)位彈簧被壓縮的量是（63-51）＝12 mm，復(fù)位彈簧用316 L 不銹鋼制造，剪切模量是82 GPa。

復(fù)位彈簧的彈性系數(shù)Kf可按式（1）計算

人工復(fù)位彈簧所需要的力

由此可見，人工恢復(fù)彈簧可行。設(shè)計的閥門具有自動關(guān)閉功能，實現(xiàn)了半智能化，未來智能化的閥門一定會出現(xiàn)，但成本會相對較高。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種形狀記憶合金驅(qū)動的機械式關(guān)斷閥，驅(qū)動彈簧采用溫度靈敏度高的NiTi 合金制造，其余零部件用316 L 不銹鋼制造。結(jié)果表明：關(guān)斷閥在水溫高于所設(shè)定的溫度49 ℃時，形狀記憶合金驅(qū)動彈簧伸長并推動閥芯與閥門內(nèi)部凸環(huán)接觸，關(guān)閉閥門，取水樣停止。需要重新取水樣時，按壓另一端的按鈕使中心桿把閥芯壓回處于通水狀態(tài)，即可恢復(fù)閥門暢通。所設(shè)計的關(guān)斷閥在無人操作的情況，實現(xiàn)閥門自動關(guān)閉，安全可靠，實現(xiàn)了半智能化。