蜡式温控阀矩形截面弹簧的设计计算.pdf

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1、第37卷第4期化工机械435蜡式温控阀矩形截面弹簧的设计计算+何世权“翟鹏程林建刘飞徐德怀钟辉(兰州理工大学)摘要介绍了蜡式温控阀工作原理、异型钢丝弹簧特性以及对控温弹簧组的改进设计方案。通过详述矩形截面弹簧的设计公式推导及设计方法，验证了改进设计的可行性，对有关产品的设计开发提供了借鉴依据。关键词蜡式温控阀矩形截面弹簧设计中图分类号TQ050．3文献标识码A文章编号0254_6094(2010)04-0435-．04蜡式温控阀。1。1是无需外加驱动和控制装置的全自动流体温度、流量控制装置，具有

2、结构简单、性能可靠、“零”泄漏和节能等优点，被广泛应用于冷却和供暖系统。蜡式温控阀1948年由AMOT公司发明，并于70年代引入我国，在当时的技术条件下，控温弹簧只得选用细钢丝圆截面弹簧组来满足安装空间小、工作载荷大等要求，但较之近十年广泛应用的异型钢丝弹簧则存在静态特性低、使用寿命短等不足，因而笔者提出用单个异型钢丝弹簧代替弹簧组的改进设计方案，并通过公式推导和设计示例验证其可行性。1蜡式温控阀工作原理蜡式温控阀有二通型、三通型以及两用型，各类的阀芯元件结构一致，工作原理皆相同，以三通型混流温

3、控阀(图1)为例，其工作原理。“副是：当混合流体温度高于设定值，热敏材料受热膨胀，产生的膨胀力超过控温弹簧组的预紧力时，推动阀杆使调节筒下降，冷流体流量加大，热流体流量减小，直至混合流体温度降为设定值，之后若当混合流体温度低于设定值，热敏材料收缩，控温弹簧组回弹使调节筒上升，始终保持混合流体温度恒定。由此可见，控温弹簧是决定恒温温度的关键控制元件，其性能决定温控阀的控温效果和使用寿命。2异型钢丝弹簧特性及基本设计公式2．1特性及其种类由于工业的迅速发展，对弹簧的静态特性、使用寿命等的要求越来越高

4、，普通弹簧已难以满足要求，因此异型钢丝弹簧应运而生，该弹簧与普通弹簧相比，刚度更接近常量，线性精度更高；蓄能多，压缩量大，压并高度低；工艺性和疲劳性能更好，内侧应力峰值小，应力分布平缓，使用寿命更长；不易失稳，固有频率大，可避免共振。近十几年来，我国引进国外先进技术，已将其广泛用于阀门机构、精密仪器和自动变速器等精度要求高、安装空间小的装置。随着国内外对其研究的深入和制造技术的提高，已设计制造出截面为椭圆形、卵形、矩形、梯形和中空等异型钢丝弹簧，并仍在迅速发展。2．2基本设计公式推导切应力7-公

5、式和变形，公式是各类弹簧的初始设计公式，即：r=瓮=筹㈩r2瓦2百¨J，=丽,rrnPrD32(2)式中／7,——工作圈数；P——弹簧轴向负荷，NoDf_一弹簧中径，mill；·甘肃省自然科学基金项目(0809RJZA008)和博t科研基金(BS05200907)。}}何世权，男，1966年4月生，教授。甘肃省兰州『}『，730050。436化工机械2010年图1自力式三通混流温控阀结构l——阀盖；2——感温包；3——温敏材料；4——隔膜；5——锥形橡胶塞；6——上压板；7——套筒；8——控温弹

6、簧组；9——固定盘；10——阀杆；1l——拉杆；12——下压板；13——缓冲弹簧组；14——调节筒；15——螺母；16——阀座；17——托盘C——切变模量，MPa；，。——极惯性矩，mm4。对于异型钢丝弹簧，与普通弹簧所不同的是对，。的求解方法。普通弹簧可用材料力学的方法求出，但异型钢丝弹簧的截面在扭转时会发生翘曲现象，则不符合平面假设，只有采用弹性力学的方法才能解决，因此必须由下式计算：，p=u(菇2+y2+茁等-y警)d菇d)，(3)其中妒(菇，，，)是扭转位移函数，不同的截面形状对应有不同

7、的妒(菇，y)。将式(3)分别代入式(1)、(2)得到异型钢丝弹簧基本设计公式：r=PD2x2sj(石2∥¨等一，，警)以dy】(4)F=啊-npD32[4GSoJ-(省2+Y2+菇塑Oy-y警№d，，】1(5)因笔者选用矩形截面钢丝弹簧(图2)，故以其为例推导基本设计公式。2．2．1最大切应力r一公式推导已知矩形截面扭转位移函数为：弹簧由轴嘣吵”川瓢．3纛2a2可(-百1)／'t11怪)×9矩(”)2”川‰．■i磊_s协【芸石)×百CI●Dlsh(薏y)(6)其中／／,可根据精度要求只取到前几

8、项。在弹簧圈内侧会产生最大应力点，利用扭转切应力计算：‰。铂A旷叶}警+·)㈩式中K——弹簧曲度修正系数，K：1+譬+坠堑．堕．C2。C3’第37卷第4期化工机械437c——弹簧指数，C=D：／a。将式(4)、(6)代入式(7)得到最大切应力公式：下⋯=p盎㈩1—18曼"IT‘“=1．3．5。⋯卢瑙厕}互-丁3仃5bn=1争5。．．实际设计中须根据设计者对设计精确度的要求适当限定上式中n值的范围，以r／,=1，3，5计算口的常用数值(表1)。另外，为减轻计算量，还可通过Liesecke。41曲线