機(jī)械式燃?xì)鉁乜亻y的典型流量溫度曲線與其機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

王玉

摘 要：本文從小流量機(jī)械式燃?xì)夂銣仄鞯牡湫土髁繙囟惹€的視角切入，對(duì)流量溫度控制的兩種典型方式相應(yīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了匯總及對(duì)照分析（基于EN標(biāo)準(zhǔn)的燃?xì)忾y）。介紹了不同流量曲線對(duì)應(yīng)的閥門關(guān)閉件的典型機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理及應(yīng)用，并著重介紹了結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵件—跳轉(zhuǎn)彈簧的特性和影響。

關(guān)鍵詞： 燃?xì)忾y 燃?xì)饪刂破?自動(dòng)恒溫器 流量控制 精度偏差

1.概述

機(jī)械式燃?xì)鉁乜亻y通過控制燃?xì)饬髁縼砜刂坪笮蛉細(xì)庠O(shè)備的設(shè)定溫度，此類燃?xì)鉁囟瓤刂破鞯奶攸c(diǎn)是可以應(yīng)用在沒有電源的場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)燃?xì)饬髁康淖詣?dòng)控制。它的原理是通過熱漲式波紋管遇熱膨脹變形產(chǎn)生位移來影響閥口彈片的跳轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)閥口的有效流通面積以到達(dá)控制燃燒熱備設(shè)定溫度的目的。該燃?xì)忾y廣泛應(yīng)用于壁掛爐?熱水器?灶具和烤箱等多種燃?xì)庠O(shè)備，

現(xiàn)代社會(huì)自動(dòng)化程度愈來愈高，燃?xì)庠O(shè)備大都是需求燃?xì)饪刂崎y啟動(dòng)后燃?xì)馔房梢愿鶕?jù)被加熱介質(zhì)的反饋來控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)從而保持被加熱介質(zhì)溫度值恒定在設(shè)定值?；趹?yīng)用下文將針對(duì)自動(dòng)開關(guān)型的機(jī)械式燃?xì)忾y/自動(dòng)恒溫器的典型流量曲線及其控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行介紹。

2.通斷型燃?xì)忾y

2.1.溫度流量曲線：通斷型燃?xì)忾y的主閥口只有開關(guān)兩個(gè)位置，分別對(duì)應(yīng)如圖通斷型流量溫度曲線（1）的Qmax及Q0。

T1=設(shè)定的關(guān)閉溫度，

T2=對(duì)應(yīng)關(guān)閉溫度T1的自動(dòng)開啟溫度

a=T2-T1

通斷型閥口流量溫度曲線（1） 通斷型閥口流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（2）

2.2.機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理：燃?xì)馔烽_啟后燃?xì)獾竭_(dá)閥口上方如圖通斷型閥口流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) （2）， 初始位置此閥口為常開狀態(tài)，此時(shí)閥口流通面積為最大即燃?xì)饬髁繛樽畲笾礠max。一段時(shí)間后被加熱介質(zhì)經(jīng)燃?xì)饧訜岬竭_(dá)設(shè)定溫度T1，反饋系統(tǒng)中熱漲式熱電偶遇熱膨脹后壓縮彈簧產(chǎn)生機(jī)械位移向下傳遞給跳轉(zhuǎn)簧片，使得跳轉(zhuǎn)簧片向下跳轉(zhuǎn)閥口關(guān)閉，此時(shí)燃?xì)馔非袛嗳細(xì)饬髁縌min=0；隨著燃?xì)庠O(shè)備的熱量流失被加熱介質(zhì)溫度下降到T2，反饋系統(tǒng)中熱漲式熱電偶隨著溫降縮短在壓簧作用下復(fù)位使得施加跳轉(zhuǎn)簧片上的壓力消失，從而跳轉(zhuǎn)彈簧自動(dòng)復(fù)位回到初始位置即閥口常開的流通量最大狀態(tài)。照此工作循環(huán)被加熱介質(zhì)溫度可以穩(wěn)定在設(shè)定值范圍。

3.分段流量調(diào)節(jié)型燃?xì)忾y

3.1.溫度流量曲線：伺服調(diào)節(jié)型燃?xì)忾y的主閥口有開關(guān)功能且中間流量狀態(tài)可自動(dòng)調(diào)節(jié)，如圖分段流量調(diào)節(jié)型流量溫度曲線 （3） 流量溫度曲線所示。流量曲線是兩條直線（定流量段）加上斜線（兩個(gè)流量段的過渡）。

分段流量調(diào)節(jié)型流量溫度曲線（3）

3.2.對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)將由兩個(gè)閥口來實(shí)現(xiàn)上圖溫度流量曲線，典型結(jié)構(gòu)列舉了如下圖示兩個(gè)閥口串聯(lián)和兩個(gè)閥口并聯(lián)的形式，其機(jī)械結(jié)構(gòu)不同但能實(shí)現(xiàn)同樣的分段式溫度流量曲線的功能。

雙閥口機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理：燃?xì)馔烽_啟后燃?xì)獾竭_(dá)大閥口上方如圖（4a）（4b）， 初始位置流量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中兩個(gè)閥口為常開狀態(tài)，此時(shí)流通面積為兩個(gè)閥口累積的最大狀態(tài)即燃?xì)饬髁繛樽畲笾礠max，被加熱介質(zhì)經(jīng)燃?xì)馊紵訜岬竭_(dá)設(shè)定溫度T1，反饋系統(tǒng)中熱漲式熱電偶遇熱膨脹伸長(zhǎng)壓桿產(chǎn)生向下機(jī)械位移使得大閥口關(guān)閉，工作過程對(duì)應(yīng)流量溫度曲線中的斜線；此時(shí)閥口流通面積為小閥口的最大流通面積即燃?xì)饬髁繉?duì)應(yīng)Qmin； 在溫度增至T2的過程中， 熱漲式熱電偶繼續(xù)遇熱膨脹機(jī)械位移向下增加，超過小閥口的跳轉(zhuǎn)簧臨界位置使跳轉(zhuǎn)簧瞬間跳轉(zhuǎn)，小閥口關(guān)閉此時(shí)燃?xì)饬髁繛樽钚≈礠=0；加熱過程結(jié)束。隨著被加熱介質(zhì)熱量損失溫度降低熱漲式熱電偶長(zhǎng)度縮短使得跳簧自動(dòng)復(fù)位，接著閥口反向動(dòng)作小大閥口依次開啟至最大流量狀態(tài)，重新加熱過程啟動(dòng)。照此工作循環(huán)被加熱介質(zhì)溫度可以穩(wěn)定在設(shè)定值范圍。

兩個(gè)閥口布置為并聯(lián)型結(jié)構(gòu)見如圖（4a） 兩個(gè)閥口布置為串聯(lián)型結(jié)構(gòu)見如圖（4b）

4.通斷型燃?xì)忾y與分段流量調(diào)節(jié)型燃?xì)忾y對(duì)比

流量溫度曲線圖（1）和圖（3）對(duì)照可知，通斷型燃?xì)忾y的流量理論上在到達(dá)設(shè)定溫度最大值后瞬間切斷，實(shí)際中熱漲式波紋管溫度反饋速度的滯后將實(shí)際使得多余的燃?xì)膺M(jìn)入燃具設(shè)備造成被加熱的介質(zhì)超出設(shè)定溫度的現(xiàn)象。對(duì)于分段流量調(diào)節(jié)型燃?xì)忾y在接近設(shè)定溫度時(shí)燃?xì)忾y將自動(dòng)調(diào)整為小流量，這樣就更好的保證了設(shè)定精度以及避免了燃?xì)獾睦速M(fèi)。用戶可以綜合精度?溫度?恒溫效果需求考慮來選擇具體的類型。

5.燃?xì)忾y精度與回差

回差即流量溫度曲線中a是指燃?xì)夂銣仄髟O(shè)定溫度與實(shí)際溫度的差值，恒溫器啟動(dòng)后被加熱介質(zhì)的時(shí)間溫度將在這個(gè)范圍內(nèi)浮動(dòng)。差值是由于跳簧本身的固有的遲滯特性產(chǎn)生的，顯然回差a越小則說明被加熱介質(zhì)越接近設(shè)定的恒溫狀態(tài)，也就標(biāo)明燃?xì)忾y的精度越好，因此回差a是衡量燃?xì)饪刂崎y精度的重要指標(biāo)，設(shè)計(jì)中應(yīng)該對(duì)影響控制精度的關(guān)鍵件驗(yàn)證。

6.影響回差的關(guān)鍵件

機(jī)構(gòu)動(dòng)作原理的分析中可以看出具有兩個(gè)位置的跳轉(zhuǎn)簧片是實(shí)現(xiàn)溫度到達(dá)設(shè)定值后閥口瞬間關(guān)閉的關(guān)鍵件。跳轉(zhuǎn)簧的特性是簧片彈性變形超過了臨界點(diǎn)即會(huì)發(fā)生瞬間跳轉(zhuǎn)，而外力消失后簧片又回復(fù)到初始的自由位置。

接觸簧片屬彈性零件，工作時(shí)長(zhǎng)期處在彎曲應(yīng)力或反復(fù)轉(zhuǎn)換應(yīng)力的作用下，因此接觸簧片要具有良好的彈性和抗疲勞強(qiáng)度，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用具有較高彈性、韌性及強(qiáng)度的材料如不銹鋼303?鈹青銅Qbe2.0等?？刹扇隙裙接?jì)算結(jié)合靜態(tài)分析工具如Mechanica? Ansysis 等軟件相互驗(yàn)證來選用合適的料厚，并設(shè)計(jì)適宜的形狀，零件成型后進(jìn)行時(shí)效處理，保證開關(guān)動(dòng)作時(shí)機(jī)械性能。

另外注意在跳轉(zhuǎn)簧的計(jì)算中臨界條件是開關(guān)接觸簧片產(chǎn)生彈性變形，只有撓度大于等于接觸簧片彈性變形量時(shí)，才能保證開關(guān)的正常工作。

7.結(jié)語

從文中的介紹可以認(rèn)識(shí)到機(jī)械式燃?xì)夂銣仄鞯牧髁壳€特點(diǎn)及機(jī)械結(jié)構(gòu)，了解關(guān)鍵件對(duì)關(guān)鍵參數(shù)回差的影響及跳轉(zhuǎn)簧片設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題。需要注意的是文中分析的跳轉(zhuǎn)簧機(jī)械結(jié)構(gòu)是燃?xì)饬髁啃∮?5標(biāo)升/分鐘的小流量機(jī)械式燃?xì)忾y，對(duì)于大流量的閥類似的結(jié)構(gòu)考慮簧片的性能和使用壽命問題，可以考慮增加杠桿結(jié)構(gòu)縮放力值去實(shí)現(xiàn)。

參照文獻(xiàn)：

[1] EN 161 Automatic shut-off valves for gas burners and gas appliance

[2] EN 126 Multifunctional controls for gas burning appliance

[3] EN13611 燃?xì)庠O(shè)備的安全