帶位移電反饋的二級電液比例節(jié)流閥設計-畢業(yè)論文

畢業(yè)設計 論文 帶位移電反饋的二級電液比例節(jié)流閥設計帶位移電反饋的二級電液比例節(jié)流閥設計 The design of two stage electro hydraulic proportional throttle valve with displacement electricity feedback 學 生 姓 名 學 院 名 稱機 電 工 程 學 院 專 業(yè) 名 稱機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化 指 導 教 師 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 I 徐州工程學院學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是本人在導師的指導下 獨立進行 研究工作所取得的成果 除文中已經注明引用或參考的內容外 本論文不含 任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品或成果 對本文的研究做出重 要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標注 本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔 論文作者簽名 日期 年月日 徐州工程學院學位論文版權協議書 本人完全了解徐州工程學院關于收集 保存 使用學位論文的規(guī)定 即 本校學生在學習期間所完成的學位論文的知識產權歸徐州工程學院所擁有 徐州工程學院有權保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的紙本復印件 和電子文檔拷貝 允許論文被查閱和借閱 徐州工程學院可以公布學位論文 的全部或部分內容 可以將本學位論文的全部或部分內容提交至各類數據庫 進行發(fā)布和檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位 論文 論文作者簽名 導師簽名 日期 年月日日期 年月日 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 I 摘要 電液比例技術發(fā)展迅猛 以其控制精度較高 結構簡單 成本合理等優(yōu)點在工業(yè)生產 中獲得了越來越來廣泛的應用 它的發(fā)展程度也可從一個側面反映一個國家液壓工業(yè)技術 的水平 因而日益受到各國工業(yè)界的重視 本設計的課題是二級電液比例節(jié)流閥 在對該閥各部分的結構 原理及性能參數進行 詳細分析的基礎上 完成了功率級為二通插裝閥 先導級為電液比例三通減壓溢流閥 通 徑為 34mm 最大流量為 480L min 進油口額定工作壓力為 33 5MPa 出油口額定工作壓力 為 30 5MPa 的電液比例節(jié)流閥的結構設計與參數設計 利用 UG 進行運動仿真實驗 使設計更加的合理 關鍵詞關鍵詞 電液比例節(jié)流閥 比例電磁鐵 插裝閥 減壓溢流閥 UG 運動仿真 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 II Abstract The technology of electro hydraulic proportional develops swiftly and violently it has more and more come the widespread application in the industrial production by its precision control the simply structure the reasonable cost and so on its degree of development also might reflect a national hydraulic pressure industrial technology level from a side so this technology received more and more value by the various countries industrial field The topic of this graduation project is two stage electro hydraulic proportional throttle valve This design will first carry on detailed analysis to the structure principle and function parameter of various part of this kind of valve then complete the structural design and the parameter design of the two stage electro hydraulic proportional throttle valve this valve s main stage is cartridge valve its forerunner stage is three contacts reduced pressure overflow valve This valve s rectum is 32mm and its max regulated flow is 480L min the oil input port fixed working pressure is 31 5MPa the output port fixed working pressure is 30 5MPa Using UG motion simulation experiment to make the design more reasonable KeywordsElectro hydraulic proportional throttle valve Cartridge valves Proportion electro magnet ratio electromagnetpressure overflow valveUG movement simulation 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 I 目目錄錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 1 1 背景及意義 1 1 1 1 電液比例閥的發(fā)展階段 1 1 1 2 電液比例技術在我國的發(fā)展狀況 1 1 1 3 電液比例技術在國外發(fā)展境況 2 1 2 電液比例閥的特點與分類 2 1 3 設計參數 4 2 流量閥控制流量的一般原理 5 2 1 流量控制的基本原理 5 2 2 流量閥的控制方式 5 2 3 本設計中節(jié)流閥的參數 5 2 4 主閥閥芯節(jié)流口形式確定 6 3 比例節(jié)流閥結構設計 7 3 1 插裝閥介紹 7 3 1 1插裝閥的組成 7 3 1 2 插裝閥的優(yōu)點 7 3 2 控制蓋板的設計 8 3 3 插裝式主閥設計 9 3 3 1 主閥閥套的設計 9 3 3 2 主閥閥芯的設計 11 3 3 3 插裝式主閥面積比的確定 12 3 3 4 主閥閥芯的受力分析 13 3 4 先導閥設計 17 3 4 1 減壓閥的分類 17 3 4 2 減壓閥的工作原理 18 3 4 3 先導閥閥芯詳細受力分析 20 3 4 4 先導閥溢流部分的設計 23 3 4 5 先導閥的連接方式 24 3 5 彈簧的選用 24 3 5 1 主閥彈簧參數的確定 24 3 5 2 先導閥彈簧參數的確定 25 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 II 3 6 公差與配合的確定 25 3 7 比例放大器 26 3 7 1 比例放大器的分類 26 3 7 2 電液比例控制元件對比例放大器的要求 27 3 7 3 比例放大器的基本控制電路 27 3 8 比例電磁鐵 28 3 8 1 電 機械轉換器分類 28 3 8 2 比例電磁鐵 29 3 8 3 比例電磁鐵的分類 29 3 8 4 比例電磁鐵應滿足的要求 30 3 8 5 比例電磁鐵的位移 力和電流 力特性 30 3 8 6 比例電磁鐵位移 力特性的實現原理 31 3 9 結構設計小結 31 4 節(jié)流閥工作總原理分析及其性能參數指標 32 4 1 原理分析 32 4 2 靜態(tài)性能指標 33 4 3 動態(tài)性能指標 34 5 電液比例控制系統 35 5 1 反饋的概念 35 5 2 閉環(huán)控制與開環(huán)控制 35 5 3 電液比例控制系統的組成 36 5 4 電液比例控制系統的特點 37 5 5 比例控制系統的分類 37 5 6 比例控制系統的發(fā)展趨勢 38 5 7 小結 38 6 利用 UG 進行運動仿真 39 結論 43 致謝 44 參考文獻 45 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 1 1 緒論 1 1 背景及意義 1 1 1 電液比例閥的發(fā)展階段 比例控制技術產生于20世紀60年代末 那時的電液伺服技術已日趨完善 由于伺服閥 的快速響應及較高的控制精度 以及明顯的技術優(yōu)勢 伺服閥迅速在高精度 快速響應的 領域中 如航天 航空 軋鋼設備及實驗設備等中取代了傳統的機電控制方式 但由于電 液伺服閥成本高 應用和維護條件苛刻 難以被工業(yè)界接受 在很多工業(yè)應用場合并不要 求太高的控制精度或響應性 而要求發(fā)展一種廉價 節(jié)能 維護方便 適應大功率控制及 具有一定控制精度的控制技術 這種需求導致了比例技術的誕生并促進了其發(fā)展 而現代 電子技術和測試技術的發(fā)展為工程界提供了可靠而廉價的檢測 校正技術 1967年瑞士Beringer公司生產的KL比例復合閥標志著比例控制技術在液壓系統中應 用的正式開始 主要是將比例型的電 機械轉換器 比例電磁鐵 應用于工業(yè)液壓閥 比 例技術的發(fā)展大致可分為以下三個階段 1 從1967年瑞士Beringer公司生產Kl比例復合閥起 到70年代初日本油研公司申請 了壓力和流量兩項比例閥專利為止 標志著比例技術的誕生時期即第一階段 2 1975年到1980年間 采用各種內反饋原理的比例元件大量問世 耐高壓比例電磁 鐵和比例放大器在技術上也日趨成熟 可以認為比例技術的發(fā)展進入了第二階段 3 80年代 比例元件的設計原理進一步完善 采用了壓力 流量 位移內反饋 動 壓反饋及電校正等手段 使閥的穩(wěn)態(tài)精度 動態(tài)響應和穩(wěn)定性都有了進一步的提高 比例 技術的發(fā)展進入了第三階段 電液比例閥是以傳統的工業(yè)用液壓控制閥為基礎 采用模擬式電氣 機械轉換裝置將 電信號轉換為位移信號 連續(xù)地控制液壓系統中工作介質的壓力 方向或流量的一種液壓 元件 此種閥工作時 閥內電氣 機械轉換裝置根據輸入的電壓信號產生相應動作 使工 作閥閥芯產生位移 閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力 流量輸出 閥芯位移可以以機械 液壓或電的形式進行反饋 1 1 2 電液比例技術在我國的發(fā)展狀況 我國電液伺服技術始于上世紀六十年代 到七十年代有了實際應用產品 目前約有年 產能力2000臺 電液比例技術到七十年代中期開始發(fā)展 現有幾十種品種 規(guī)格的產品 約形成有年產能力5000臺 但是總的來看 我國電液伺服比例技術與國際水平比有較大差 距 主要表現在 缺乏主導系列產品 現有產品型號規(guī)格雜亂 品種規(guī)格不全 并缺乏足 夠的工業(yè)性試驗研究 性能水平較低 質量不穩(wěn)定 可靠性較差 以及存在二次配套件的 問題等 都有礙于該項技術進一步地擴大應用 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 2 基于以上所述 本設計將對電液比例閥中的一類 二級電液比例節(jié)流閥進行設計 該閥的功率級為二通插裝閥 先導級為電液比例三通減壓溢流閥 1 1 3 電液比例技術在國外發(fā)展境況 在國外 近年來比例閥出現了復合化的趨勢 很大地提高了比例閥 電反饋 的工作 頻寬 所以在基礎閥的基礎上 其他一些國家發(fā)展出了先導式電反饋比例方向閥系列 它 與定差減壓閥或溢流閥的壓力補償功能塊進行組合 構成電反饋比例方向流量復合閥 可 進一步取得與負載協調和節(jié)能效果 隨著微電子技術和數學理論的發(fā)展 國外比例閥技術已達到比較完善的程度 已形成 完整的產品品種 規(guī)格系列 并對已成熟的產品進一步擴大應用 在保持原基本性能與技 術指標的前提下 向著簡化結構 提高可靠性 降低制造成本及 四化 通用化 模塊 化 組合化 集成化 的方向發(fā)展 以實現規(guī)模經濟生產 降低制造成本 由此可見我國的電液比例技術與國際上海存在著很大的差距 我國的科技人員還要繼 續(xù)努力才能不被國際市場淘汰 1 2 電液比例閥的特點與分類 比例閥把電的快速性 靈活性等優(yōu)點與液壓傳動力量大的優(yōu)點結合起來 能連續(xù)地 按比例地控制液壓系統中執(zhí)行元件運動的力 速度和方向 簡化了系統 減少了元件的使 用量 并能有效的防止在壓力或速度變換時產生沖擊現象 比例閥主要用在沒有反饋的回 路中 對有些場合 如進行位置控制或需要提高系統的性能時 電液比例閥也可作為信號 轉換器與放大元件組成閉環(huán)控制系統 比例閥與開關閥相比 比例閥可以簡單地對油液壓力 流量和方向進行遠距離的自動 連續(xù)控制或程序控制 而且響應快 工作平穩(wěn) 自動化程度高 容易實現編程控制 控制 精度高 能大大提高液壓系統的控制水平 與伺服閥相比 電液比例閥雖然動靜態(tài)性能差 些 但使用元件較少 結構簡單 制造比電液伺服閥容易 價格低 效率也比伺服閥高 伺 服控制系統的負載壓力僅為供油壓力的2 3 系統的節(jié)能效果好 但使用條件 保養(yǎng)和 維護與一般液壓閥相同 可以大大地減少由污染而造成的工作故障 從而提高了液壓系統 的工作穩(wěn)定性和可靠性 比例控制元件的種類繁多 性能各異 有多種不同的分類方法 1 按液壓放大級的級數來分 又可分為直動式和先導式 直動式是由電一機械轉換 元件直接推動液壓功率級 由于受電一機械轉換元件的輸出力的限制 直動式比例閥能控 制的功率有限 一般控制流量都在15L min以下 先導控制式比例閥由直動式比例閥與能 輸出較大功率的主閥級構成 前者稱為先導閥或先導級 后者稱主閥功率放大級 根據功 率輸出的需要 它可以是二級或三級的比例閥 二級比例閥可以控制的流量通常500L min 以下 比例插裝閥可以控制的流量達1600L min 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 3 2 按其控制功能來分類 可分為比例壓力控制閥 比例流量控制閥 比例方向閥 比 例方向流量閥 和比例復合閥 前兩者為單參數控制閥 后兩種為多參數控制閥 比例方 向閥能同時控制流體運動的方向和流量 是一種兩參數控制閥 還有一種被稱作比例壓力 流量閥的兩參數控制閥 能同時對壓力和流量進行比例控制 有些復合閥能對單個執(zhí)行器 或多個執(zhí)行器實現壓力 流量和方向的同時控制 3 按比例控制閥的內含的級間反饋參數或反饋物理量的形式來分可分為帶反饋或 不帶反饋型 不帶反饋型一類 是從開關式或定值控制型的傳統閥上加以改進 用比例電 磁鐵代替手輪調節(jié)部分而成 帶反饋型一類 是借鑒伺服閥的各種反饋控制發(fā)展起來的 它保留了伺服閥的控制部分 降低了液壓部分的精度要求 或對液壓部分重新設計而構成 因此 有時也被稱作廉價伺服閥 反饋型又分為流量反饋 位移反饋和力反饋 也可以把 上述量轉換成相應的其它量或電量再進行級間反饋 又可構成多種形式的反饋型比例閥 例如 有流量一位移一力反饋 位移電反饋 流量電反饋等 凡帶有電反饋的比例閥 控 制它的電控器需要帶能對反饋電信號進行放大和處理的附加電子電路 4 按比例閥主閥芯的型式來分 又可分為滑閥式和插裝式 滑閥式是在傳統的三類 閥的基礎上發(fā)展起來的 而插裝式是在二通或三通插裝元件的基礎上 配以適當的比例先 導控制級和級間反饋聯系組合而成 由于它具有動態(tài)性能良好 集成化程度高 流通量大 等優(yōu)點 是一種很有發(fā)展前途的比例元件 5 按其生產過程還可分為兩類 一類是在電液伺服閥的基礎上簡化結構 降低制造 精度 從而以低頻寬和低靜態(tài)指標換得成本的低廉 用于對頻寬和控制精度要求不高的場 合 另一類是在傳統的液壓閥基礎上 配上廉價的螺管式比例電磁鐵進行控制 1 2 1 比例流量閥分類 參見文獻 1 443 445頁 比例流量閥是一種輸出流量與輸入信號成比例的液壓閥 這類閥可以按給定的輸入電 信號連續(xù)的 按比例的控制液流的流量 1 電液比例節(jié)流閥電液比例節(jié)流閥屬于節(jié)流控制功能閥類 其通過流量與節(jié)流口 開度大小有關 同時受到節(jié)流口前后壓差的影響 2 調速閥一般由電液比例節(jié)流閥加壓力補償器或流量反饋元件組成 壓力補償器 使節(jié)流口兩端的壓差基本保持為常值 使通過調速閥的流量只取決于節(jié)流口的開度 屬于 流量控制功能閥類 3 電液比例流量壓力復合控制閥將電液比例壓力閥和電液比例流量閥復合在一 個控制閥中 構成了一個專用閥 也稱為PQ閥 在塑機控制系統中得到廣泛應用 本設計將要設計的是上述分類中的第一類 電液比例節(jié)流閥 1 2 2 電液比例節(jié)流閥的分類 1 直動式電液比例節(jié)流閥 詳細介紹參見文獻 1 348 352頁 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 4 a 普通型直動式電液比例節(jié)流閥力控制型比例電磁鐵直接驅動節(jié)流閥閥芯 閥芯相 對于閥體的軸向位移與比例電磁鐵的輸入電信號成比例 此種閥結構簡單 價廉 滑閥機 能有常開式 常閉式 但由于沒有壓力或其他檢測補償措施 工作時受摩擦力及液動力的 影響以致控制精度不高 適宜低壓小流量系統采用 b 位移電反饋型直動式電液比例節(jié)流閥與普通型直動式電液比例節(jié)流閥的差別在 于增設了位移傳感器 用于檢測閥芯的位移 通過檢測閥芯的位移 通過電反饋閉環(huán)消除 干擾力的影響 以得到較高的控制精度 此種閥結構更加緊湊 但由于比例電磁鐵的功率 有限 所以此種閥主要用于小流量系統的控制 2 先導式電液比例節(jié)流閥 有位移 力反饋型 位移電反饋型及位移流量反饋型和三級控制型等多種形式 a 位移力反饋型先導式電液比例節(jié)流閥整個閥的基本工作特征是利用主閥芯位移 力 反饋和級間 功率級和先導級間 動壓反饋原理實現控制 位移力反饋型先導式電液 比例節(jié)流閥結構簡單緊湊 主閥行程不受電磁鐵位移的限制 但由于也未進行壓力檢測補 償反饋 所以其通過流量仍與閥口壓差相關 b 位移電反饋型先導式電液比例節(jié)流閥由帶位移傳感器的插裝式主閥與三通先導 比例減壓閥組成 本設計將要設計的就是這一類閥 c 三級控制型大流量電反饋電液比例節(jié)流閥對于34通徑以上的比例節(jié)流閥 為了保 持在一定的動態(tài)響應 較好的穩(wěn)態(tài)精度 可采用三級控制方案 即通過經二級液壓放大的 液壓信號 再去控制遞三級閥芯的位移 詳見文獻 2 350頁 1 3 設計參數 1 節(jié)流閥額定進口壓力為33 5MPa 2 額定出口壓力為30 5MPa 3 通徑34mm 4 最大流量480L min 5 靜密封可靠使用壓力35MPa 動密封可靠使用壓力10MPa 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 5 2 流量閥控制流量的一般原理 本次設計的閥是電液比例節(jié)流閥 最終控制的是液壓系統中的流量 即實現節(jié)流 故 下面將對流量控制的基本原理進行闡述 2 1 流量控制的基本原理 控制原理通過查文獻 的 102 頁 得以下這個公式 pCXppCXq RRT 21 式 2 1 式中 T q 流量閥控制的流量 C 與節(jié)流口形狀 油液密度和和油溫相關的系數 具體數值應該由實驗得出 在 一定的溫度下 對于確定的閥口和工作介質 C可視為常數 T A 為節(jié)流口的通流截面積 與閥口的形狀與閥芯位移有關 p 節(jié)流口前后的壓差 由節(jié)流口形狀決定的節(jié)流閥參數 其值在 0 5 1 0 之間 應由實驗求得 由式 2 1 可知 通過節(jié)流閥的流量是和節(jié)流口前后的壓差 油溫以及節(jié)流口的形狀 等因素密切有關的 2 2 流量閥的控制方式 1 節(jié)流控制 如式 2 1 中 C 為常數 因此一般不能對它進行調節(jié) 而控制P 來調節(jié)流量很不方 便 一般只能通過調節(jié) R X的辦法來控制流量 當只調節(jié) R X來控制流量時就是所謂的節(jié)流 控制 在這種方式下 當節(jié)流閥的通流截面積調整以后 在實際使用時由于負載及其他不 穩(wěn)定的因素的存在 節(jié)流口前后的壓差也在變化 就會干擾節(jié)流閥通流 使流量不穩(wěn)定 式中 越大 P 的變化對 T q 的影響也就越大 一般來說節(jié)流口為薄壁孔時 0 5 細長 孔時 1 故為了增大流量控制準確性 減小對 T q 的影響 本設計中的節(jié)流口采用薄壁孔 形式 2 調速控制 在要求較高的場合 采用減壓閥來保持節(jié)流口前后的壓力差恒定 由于不會有不穩(wěn)定 的壓差對流量造成影響 因而流量將與通流截面積成較好的線性關系 這就是所謂的流量 控制或調速控制 相應的閥稱為調速閥 2 3 本設計中節(jié)流閥的參數 由于本設計中節(jié)流閥的節(jié)流口采用薄壁孔的形式 故式 2 1 中 為 0 5 因而式 2 1 變?yōu)橄率?徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 6 pCXq RT 式 2 2 本設計擬定調節(jié) R X的方法是將閥芯置于閥套之中 閥芯圓周上開有一定面積梯度的 溝槽 移動閥芯將得到不同的 R X 進而將得到不同的流量 T q 這也是本設計中節(jié)流主閥 實現節(jié)流功能的基本原理 2 4 主閥閥芯節(jié)流口形式確定 節(jié)流口的形式及其特性在很大程度上決定著流量控制閥的性能 是流量閥的關鍵部 位 幾種常用節(jié)流口形式為 參見文獻 4 109 頁 1 針閥式節(jié)流口針閥做軸向移動時 調節(jié)了環(huán)形通道的大小 由此改變了流量 這種結構加工簡單 但節(jié)流口長度大 水力半徑小 易堵塞 流量受油溫影響較大 一般 用于對性能要求不高的場合 2 偏心式節(jié)流口在閥芯上開一個截面為三角形 或矩形 的偏心槽 當轉動閥芯 時 就可以改變通道大小 由此調節(jié)流量 這種節(jié)流口的性能與針閥式節(jié)流口相同 但容 易制造 其缺點是閥芯上的徑向力不平衡 旋轉閥芯時較費力 一般用于壓力較低 流量 較大和流量穩(wěn)定性要求不高的場合 3 軸向三角槽式節(jié)流口在閥芯端部開有一個或兩個斜三角槽 軸向移動閥芯就可 以改變三角槽通流面積從而調節(jié)流量 在高壓閥中有時在軸端銑兩個斜面來實現節(jié)流 這 種節(jié)流口水力半徑較大 4 縫隙式節(jié)流口閥芯上開有狹縫 油液可以通過狹縫流入閥芯內孔 從旁側的孔 流出 旋轉閥芯可以改變縫隙的通流面積大小 這種節(jié)流口可以做成薄刃結構 從而獲得 較小的流量 但是閥芯受徑向不平衡力作用 故只在低壓節(jié)流閥中采用 5 軸向縫隙式節(jié)流口在套筒上開有軸向縫隙 軸向移動閥芯就可改變縫隙的通流 面積大小 這種節(jié)流口可以做成單薄刃或雙薄刃式結構 流量對溫度不敏感 在小流量時 水力半徑大 故小流量時穩(wěn)定性好 可用于性能要求較高的場合 但節(jié)流口在高壓下易變 形 使用時應改變結構剛度 本設計中閥的設計要求為通徑 34mm 屬于大流量應用場合 且流量控制精度要求較高 故針閥式節(jié)流口不適用 該閥擬定工作壓力為 33 5MPa 屬于高壓應用場合 因此縫隙式 節(jié)流口和軸向縫隙式節(jié)流口這兩種只適合在低壓的情況下的節(jié)流口不適合 由于閥芯運動 形式為軸向運動 故需要轉動閥芯才能可以改變通道大小 并以此調節(jié)流量的偏心式節(jié)流 口不適合 因此 本設計中節(jié)流口最終確定采用軸向三角槽式節(jié)流口 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 7 3 比例節(jié)流閥結構設計 由于電液比例節(jié)流閥的設計參數要滿足的要求為 電液比例節(jié)流閥通徑 34mm 最大流 量 480L min 因此該閥屬于高壓大流量閥 而工業(yè)上插裝閥以其通流能力大 密封性能好 組裝靈活等特點 已取代滑閥式結構成為該領域內的主導控制閥品種 因此 在本設計中 節(jié)流閥的主閥采用插裝式結構 3 1 插裝閥介紹 插裝閥的主要產品是二通蓋板式插裝閥 它是在 20 世紀 70 年代 根據各類控制閥閥 口在功能上或是固定 或是可調 或是可控液阻的原理 發(fā)展起來的一類覆蓋壓力 流量 方向以及比例控制等的新型控制閥類 插裝閥的基本構件為標準化 通用化 模塊化程度很高的插裝式閥芯 閥套 插裝孔 和適應各種控制功能的蓋板組件 具有涌流能力大 液阻小 密封性好 響應快及控制自 動化等優(yōu)點 由于插裝閥是一種標準化的閥 所以閥的一些關鍵尺寸必須符合相關規(guī)定 在我國 插裝閥必須符合 GB2877 81 二通插裝閥安裝尺寸 3 1 1插裝閥的組成 一般由插裝主閥 控制蓋板 通道塊三部分組成 插裝主閥由閥套 彈簧 閥芯 一般為錐閥芯 及相關密封件組成 可以看成是兩級 閥的主級 有多種面積比和彈簧剛度 主要功能是控制主油路中油流方向 壓力和流量 控制蓋板上根據插裝閥的不同控制功能 安裝有相應的先導控制級元件 通道塊既是插入元件及安裝控制蓋板的基礎閥體 又是主油路和控制油路的連通體 3 1 2 插裝閥的優(yōu)點 1 插裝閥有一個重要優(yōu)點即標準化程度高 系統設計運用靈活 將一個或若干個插 裝元件進行不同組合 并配以相應的先導控制級 就可以組成方向控制 壓力控制 流量 控制或復合控制等控制單元 內阻小 適宜大流量工作 2 由于實現了液壓裝置緊湊集成化 可大幅度地縮小安裝空間與占地面積 與常規(guī) 的液壓裝置相比結構更簡單 且成本降低而可靠性提高 工作效率也相應提高 3 有良好的響應性 能實現高速轉換 4 由于是閥座式結構 內部泄漏非常小 沒有卡死現象 插裝閥被直接裝入集成塊 的內腔中 所以減少了漏油 振動 噪聲和配管引起的故障 提高了可靠性 5 對于乳化液等低粘度的工作介質也適宜 污染耐受力比滑閥式結構更大 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 8 3 2 控制蓋板的設計 控制蓋板是整個閥各個元件的承載體 其上裝有插裝式主閥 先導閥 位移傳感器及 比例電磁鐵 因為插裝閥的各安裝尺寸都已經標準化 各尺寸需查表按標準化尺寸來定 控制蓋板的各部分尺寸如下 圖 3 1控制蓋板 查文獻 第11章 二通插裝閥的安裝連接尺寸 一節(jié) 查得公稱通徑為34mm的二通插 裝閥控制蓋板相關尺寸如下 b1 102mm b2 102mm b3 63mm d1 60mm m1 70mm m2 70mm m3 35mm m4 35mm 由于控制蓋板右側將安裝先導閥 故將 b1 延長為 122 將其中的 m4 延長為 50 本設計中 控制蓋板將用四個緊固螺釘固定在通道塊上 此四個緊固螺釘為圓柱頭內 六角螺釘 其公稱直徑根據閥的要求選用 M16 查文獻 6 第二章螺紋連接中表緊固件的通 孔及沉孔尺寸 確定控制蓋板上四個內六角螺釘的安裝孔的尺寸為 d2 26mm d3 20mm d4 17mm t 10 5mm 本設計中控制蓋板中有三條油液通道 第一條為主閥控制腔至先導閥 K 口的孔道 第 二條為 X 口至先導閥的 I 口的孔道 第三條為先導閥的 O 口至 Y 口的孔道 由于此三條均 為先導控制油通道 通過流量不會很大 故直徑不需要太大 但太小可能會容易堵塞 且 流道太小也難以加工出來 故最終擬定三條通道直徑均采用 3mm 且建議加工時可采用電火 花加工出來 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 9 綜合以上所述 確定控制蓋板相關尺寸如下 YX 圖 3 2控制蓋板尺寸 3 3 插裝式主閥設計 插裝式主閥由主閥閥套 閥芯 主閥彈簧及相關密封件組成 3 3 1 主閥閥套的設計 該閥套頭部插裝入控制蓋板中 下部裝入通道塊中 由于插裝閥的一些尺寸已經標準化 因而主閥閥套的外部尺寸必須符合標準 在我國 插裝閥必須符合 GB2877 81 二通插裝閥安裝尺寸 主閥閥套的各尺寸如下 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 10 控制蓋板 d2 d1 圖 3 3主閥閥套的尺寸示意圖 本次畢業(yè)設計的要求為通徑 34mm 最大流量 480L min 主閥芯帶位移 電反饋型先 導控制 故尺寸 d2 為 34mm 查文獻 5 第11章 二通插裝閥的安裝連接尺寸 一節(jié) 查得公稱通徑為34mm的二通插 裝閥控制蓋板尺寸如下 d1 45 t1 12 5 t2 85 d3 60 由于主閥閥套頭部插裝入控制蓋板中 下部裝入通道塊中 因此如何防止油液的內 外泄漏 減小在閥上的能量損失 提高閥的效率 對液壓閥來說是很重要的問題 因此密 封件的選用是很重要的 密封件有多種 如油封氈圈 骨架式旋轉軸唇形密封圈 O 形橡 膠密封圈等 一般對密封件的主要要求是 1 有相對運動時 因密封件所引起的摩擦力應盡量小 摩擦系數應盡量穩(wěn)定 2 在一定的壓力 溫度范圍內具有良好的密封性能 3 耐腐蝕 耐磨性好 不易老化 工作壽命長 磨損后能在一定程度上自動補償 4 結構簡單 裝拆方便 成本低廉 根據上述要求 選用 o 形橡膠密封圈做為閥體中的密封件 o 形橡膠密封圈具有結構 簡單 密封性能好 壽命長 摩擦阻力較小 成本低 既可以作靜密封 也可作為動密封 使用 在一般情況下 靜密封可靠使用壓力可達 35MPa 動密封可靠使用壓力可達 10MPa 當合理采用密封擋圈或其它組合形式 可靠壓力將成倍提高 因此在本設計中閥套與控制 蓋板 閥套與通道塊之間的密封都采用 o 形橡膠密封圈 查文獻 第八章液壓輔件 確定 o 形橡膠密封圈的型號及其安裝尺寸 綜合以上所述 得到閥套的尺寸如下 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 11 45 2 65 G GB3452 1 92 60 2 65 G GB3452 1 92 圖 3 4主閥閥套尺寸 3 3 2 主閥閥芯的設計 主閥閥芯為錐閥 頂端帶有軸向三角槽式節(jié)流口 上部有裝主閥彈簧的孔 中心具有 連接位移傳感器的螺孔 與位移傳感器的檢測桿相連 按上述要求初步擬定的主閥閥芯的示意圖如下 裝主 閥彈 簧的 孔 裝位移傳感 器檢測桿的 螺孔 節(jié)流口 圖 3 5主閥閥芯結構圖 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 12 3 3 3 插裝式主閥面積比的確定 如圖 3 6 插裝閥中有三個面積會影響閥芯在閥套中的開啟及關閉 即 A A B A C A 其中 A A B A分別為閥芯主油口 A 口和 B 口處的面積 C A為控制腔 C 腔的面積 很明顯有 C A A A B A式 3 1 面積比是指閥芯處于關閉狀態(tài)時 A A B A分別與 C A的比值 A A C A和 B A C A 它們表 示了三個面積之間數值上的關系 通常定義為面積比 A A C A 錐閥中 面積比大體分為 A 1 1 2 B 1 1 5 C 1 1 0 D 1 1 07 E 1 2 0 等 類型 在本閥中的面積比選用類型 A 即 1 1 2 由于本設計的要求是通徑為 34 此處 即面積 A A的直徑為 34 因此 口的半徑 A R為 17 A B PB Pk AA AB AC Pk 控制腔 PA 圖 3 6插裝閥面積比的示意圖 令控制腔的半徑為 C R 則由面積比的公式 21 17 2 2 C C A C A RR R A A 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 13 得 515 C Rm m 所以 A A 2 17 907 46 2 B A 0 2 A A 0 2 907 46 181 492 2 C A 2 C R 754 745 2 3 3 4 主閥閥芯的受力分析 首先在主閥關閉時對主閥閥芯進行靜力分析 本設計中主閥采用兩種通流方式 正向通流 A B 通流 節(jié)流閥的總進油口接 A 口 總出油口接 B 口 油液從 A 口 流向 B 口 反向通流 B A 通流 節(jié)流閥的總進油口接 B 口 總出油口接 A 口 油液從 B 口 流向 A 口 在正向通流即 A B 通流且閥芯關閉時 對閥芯進行受力分析如下 往上的力 B2A1X APAP F R F 往下的力 g F SC1CKW F A P F 其中 1 P 節(jié)流閥進油口處的工作壓力 A A A 口的面積 2 P 節(jié)流閥出油口處的工作壓力 B A B 口的面積 R F 閥芯受閥座向上的反力 K P 控制腔油液的壓力 g F 主閥閥芯自重 SC1 F 在主閥閥芯關閉時 彈簧的預緊力 建立主閥閥芯關閉時的靜力平衡方程如下 X F W F 即 B2A1 APAP R F g F SC1CK F A P式 3 2 而當閥芯處于關閉狀態(tài)時 必有 R F大于或等于 0 忽略閥芯自重 g F SC1CK F A P B2A1 APAP 0式 3 3 K P C A SC1B2A1 FAPAP 式 3 4 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 14 這正是要使主閥關閉 控制腔壓力 K P必須滿足的條件 代入參數 本畢業(yè)設計的設計要求為節(jié)流閥額定進口壓力為 33 5MPa 額定出口壓力 為 30 5MPa 壓差為 3MPa 即 A P為 33 5MPa B P為 30 5MPa 由文獻 6 初步擬定主閥彈 簧選擇剛度 1S K為 362N mm 的彈簧 并擬定其預壓縮量為 20mm 那么主閥彈簧的預緊力 SC1 F 1S K 1C X 1S K 20mm 7240N式 3 5 將上述參數代入式 3 4 中 得 MPPK38 754 745 7240 181 49230 5907 46 533 由上式可知 K P必須大于 38MPa 主閥閥芯才能關閉 或者說 38MPa 正是主閥閥芯的 臨界關閉壓力 在反向流通即 B A 通流且閥芯關閉時 對閥芯進行受力分析如下 往上的力 B1A2X APAP F R F 往下的力 g F SC1CKW F A P F 建立主閥閥芯關閉時靜力平衡方程 X F W F 即 B1A2 APAP R F g F SC1CK F A P式 3 6 忽略閥芯自重 要使主閥閥芯關閉得 g F SC1CK F A P B1A2 APAP 0 K P C A SC1B1A2 FAPAP 式 3 7 上式是反向通流下 主閥要關閉控制腔 K P必須滿足的條件 將參數代入得 K P 754 745 7240 181 492 533907 46 530 45 7754 7240 82 960793 527677 MP 135 可見在反向通流情況下 主閥閥芯關閉的臨界壓力為 35 1MPa 主閥閥芯開啟時的動力分析 設閥芯質量為 1 m tx為閥芯位移 1R X隨時間變化的函數 其方向的正向為閥芯向上 運動方向 起點為主閥芯關閉時的位置 在正向通流情況下 建立閥芯運動方程如下 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 15 1S1CKB2A1 FA P APAP mFFF bsfg dt txd 2 式 3 8 式中 S1 F 主閥彈簧對閥芯施加的壓力 bs F 為閥芯所受到的穩(wěn)態(tài)液動力 是閥芯移動完畢 開口固定之后 液流通過閥口 時因動量變化而作用在閥芯上的力 f F 閥芯受到的摩擦力 彈簧力 S1 F的計算公式如下 S1 F 111 RSSC XKF 式 3 9 式中 1SC F為主閥彈簧預緊力 1S K為主閥彈簧剛度 1R X為主閥閥芯相對于關閉時的位移 在工作狀態(tài)下 閥芯一般處于平衡位置 很明顯此時有閥芯加速度 1 m dt txd 2 為 0 由 于穩(wěn)態(tài)液動力與閥芯所受其他力相比之下較小 因此將其忽略 同樣 忽略閥芯自重及閥 芯運動過程中的摩擦力 則式 3 9 可簡化為下式 1CKB2A1 APAPAP SC F 11RS XK式 3 10 轉化為 1 1B2A1 1 APAP S SCCK R K FAP X 式 3 11 這就是正向通流情況下主閥節(jié)流口開度的決定公式 由該公式可見 如果在額定工作 狀況下 進 出油口工作壓力 1 P 2 P等都是固定的 則節(jié)流口開度將主要決定于控制腔 壓力 K P 也可以將上式這樣轉化 1 1B2A1 1 1 APAP S SC K S C R K F P K A X 式 3 12 由上式可見 K P與 1R X成線性關系 比例系數為 1S C K A 將各常數值代入式 3 12 中 得 1R X 362 7240 181 49230 5907 46 533 362 754 745 K P 2 084 K P 79 3mm式 3 13 上式說明 若 K P增大 則閥芯將向下運動 閥芯開度將減小 若 K P減小 閥芯將向 上運動 則閥芯開度 1R X將增大 在反向通流情況下 閥芯運動方程將變?yōu)?1S1CKB1A2 FA P APAP mFFF bsfg dt txd 2 式 3 14 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 16 簡化如下 1CKB1A2 APAPAP SC F 11RS XK式 3 15 所以 1 1B1A2 1 APAP S SCCK R K FAP X 式 3 16 這就是在反向通流情況下 主閥節(jié)流口開度的決定公式 此公式也可轉化為 1 1B1A2 1 1 APAP S SC K S C R K F P K A X 式 3 17 將各常數值代入 得 1R X 362 724092 4181 5336 4907 530 362 45 7754 K P 2 084 K P 73 4mm式 3 18 主閥閥芯開度增量表達式 在正向通流情況下 由式 3 11 得閥芯開度增量 111RRR XXX 1 1B2A1 1 APAP S SC K S C K F P K A APAP 1 1B2A1 1S SC K S C K F P K A 1 KC S P A K 1 KC S P A K K S C P K A 1 式 3 19 代入參數得 1R X K P 362 45 7754 2 084 K P 式 3 20 上式的數學含義為 當控制腔的壓力增量為 K P 時 對應的閥芯開度增量將為 1S CK K AP 或 2 084 K P 將上式中自變量與變量調位 轉化為 K P C RS A XK 11 式 3 21 代入參數 K P 754 745 362 1R X 0 48 1R X 式 3 22 上式的數學含義為 在 A B 通流情況下 當閥芯開度增量為 1R X 時 對應的控制腔的 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 17 壓力增量為 C RS A XK 11 或 0 48 1R X 在反向通流情況下 閥芯開度增量 111RRR XXX 1 1B2A1 1 APAP S SC K S C K F P K A APAP 1 1B2A1 1S SC K S C K F P K A K S C P K A 1 式 3 23 可見在反向通流情況下的閥芯開度增量公式與 A B 通流情況下是一樣的 3 4 先導閥設計 由第三章分析可知 節(jié)流閥的流量應由控制主閥閥芯的開度來實現 而要控制主閥閥 芯的開度 則必須調節(jié)控制腔的壓力 在已學過的知識中 減壓閥可完成此功能 油液流 經液壓系統中的減壓閥后 壓力降低 并在減壓閥調定的壓力上保持基本恒定 故本閥將 采用減壓閥來作為節(jié)流閥的先導閥 因此 以下將深入的分析減壓閥的工作原理 并在此基礎上進行設計 3 4 1 減壓閥的分類 1 用于減小液壓系統中某一支路的壓力 并使其保持恒定 例如 液壓系統的夾緊 控制潤滑等回路 這類減壓閥因其二次回路 出口壓力 基本恒定 稱為定值減壓閥 2 有的減壓閥其一次壓力 進口壓力 與二次壓力之差能保持恒定 可與其它閥于 節(jié)流閥組成調速閥等復合閥 實現節(jié)流口兩端的壓力補償及輸出流量的恒定 此類閥稱之 為定差減壓閥 3 還有的減壓閥的二次壓力與一次壓力成固定比例 此類閥稱之為定比例減壓閥 由上述可知 本畢業(yè)設計中先導閥應采用定值減壓閥 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 18 3 4 2 減壓閥的工作原理 圖 3 7直動式減壓閥工作原理示意圖 上圖所示為直動式定值減壓閥的結構圖 由圖可以看出 閥上開有三個油口 一次壓 力油口 進油腔 P1 二次壓力油口 P2 出油腔 下同 和外泄油口 K 來自液壓泵或高 壓油路的一次壓力油從 P1 腔 經閥芯 滑閥 3 的下端圓柱臺肩與閥孔間形成常開閥口 開 度 X 從二次油腔 P2 流向低壓支路 同時通過流道 a 反饋在閥芯 滑閥 底部面積上產 生一個向上的液壓作用力 該力與調壓彈簧的預調力相比較 當二次壓力未達到閥的設定 壓力時 閥芯上移 開度 X 減小實現減壓 以維持二次壓力恒定 不隨一次壓力變化而變 化 該力與調壓彈簧的預調力相比較以對閥芯進行控制 當出口壓力未達到調定壓力時 閥口全開 閥芯不工作 當出口壓力達到調定壓力時 閥芯上移 閥口關小 整個閥就處于工作狀態(tài)了 如忽略其它阻力 僅考慮閥芯上的液壓 力和彈簧力相平衡的條件 則可以認為出口壓力基本上維持在某一定植 調定值上 這 時如出口壓力減小 閥芯下移 閥口開大 閥口處阻力減小 使出口壓力回升到調定值上 反之 如出口壓力增大 則閥芯上移 閥口關小 閥口處阻力加大 壓降增大 使出口壓 力下降到調定值上 由上述分析可知 減壓閥的輸出壓力是由彈簧來調定的 即彈簧力越大 減壓閥的輸 出壓力也就越大 在本設計中可采用比例電磁鐵的輸出推力來替代彈簧力調定減壓閥 即讓減壓閥的輸 出壓力與比例電磁鐵輸出推力成比例關系 但是這樣會導致一個問題 即當比例電磁鐵輸入電流為 0 時 則意味著減壓閥的出口 壓力也為 0 而在本閥中減壓閥的出口連著控制腔 那樣就意味著控制腔的壓力也將會變 為 0 而由 3 3 4 節(jié)的分析可知 控制腔壓力為 0 時 主閥閥芯的開度為最大 而液壓閥 在使用過程中 由許多難以預測的原因 如電網的斷電 控制系統的故障及比例電磁鐵自 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 19 身電路故障等等 會導致比例電磁鐵突然斷電 而如果此時比例電磁鐵輸出力為 0 閥芯 開度為最大 那這樣將是很危險的 因為可能會導致一些難以預料的嚴重事故發(fā)生 因此在設計時應該使比例電磁鐵斷電即輸出力為 0 時 主閥閥芯是關閉的 以避免意 外情況的發(fā)生 為達到此目的 本設計中在減壓閥閥芯的下方加了一個復位彈簧 并使此 復位彈簧的力足夠大 當比例電磁鐵斷電時 使控制腔的壓力大到可以使主閥關閉 相應的結構圖如下所示 AD K口 X口 連控制腔 比例電磁鐵推桿 復位彈簧 Pk 先導閥節(jié)流口 圖 3 8先導閥示意圖 控制腔油液對先導閥閥芯的壓力方向與比例電磁鐵剛好相反 這樣原來由比例電磁鐵 單獨來控制先導閥閥芯的情形現在變?yōu)橛杀壤姶盆F和先導閥復位彈簧共同控制 本設計中先導閥全稱應當稱為電液比例三通減壓溢流閥 在先導閥內部 當油液從 X 口流向 K 口時為減壓閥功能 當油液從 K 口從流向 Y 口時為溢流閥功能 該先導閥也可以看為一個三位三通滑閥式換向閥 其有上 中 下三個位置 有 K X Y 三個口 當閥芯處于中位時 三個通口全關閉 當閥芯處上位時 K 口和 X 口相連 當 閥芯處下位時 K 口和 Y 口相連 下圖為先導閥示意簡圖 K 比 例 電 磁 鐵 XY 圖 3 9先導閥的示意簡圖 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 20 控制腔的油壓力由比例電磁鐵的輸出推力及先導閥彈簧共同決定 但由于先導閥彈簧 的各參數如預緊力及剛度等是一定的 故控制腔的油壓力最終決定于比例電磁鐵的輸出力 設定值 當控制腔的油壓力小于這個設定值時 由 3 4 3 減壓閥詳細受力分析 一節(jié)可知 先導閥閥芯將上移 控制腔與 X 口 X 口與進油口相連 之間的通道被打開 高壓油液 主 閥進油口的工作壓力達到 33 5MPa 從主閥進油口進入控制腔中 引起控制腔中油液壓力 升高 這樣又會引起閥芯逐漸下移 閥口減小 當控制腔中油液壓力最終回升到設定值時 控制腔與 X 口之間的通道也將被關閉 先導閥閥芯將回復到中位狀態(tài) 當控制腔的油壓力大于這個設定值時 先導閥芯將向下移 控制腔與 Y 口 即油箱 Y 口與油箱相連 之間的通道打開 即溢流通道被打開 控制腔中油液流回到油箱中 控制 腔中油液壓力逐漸降低 閥芯逐漸上移 閥口減小 當控制腔中油液壓力最終下降到設定 值時 控制腔與進油口之間的通道也將被關閉 先導閥閥芯將回復到中位狀態(tài) 上述就是三通比例減壓溢流閥可以恒定控制腔油壓力的原理 3 4 3 先導閥閥芯詳細受力分析 下圖為先導閥閥芯受力示意圖 Fb PKAD FS2 圖 3 10先導閥閥芯受力示意圖 1 先導閥閥芯受力分析 如前面的插裝閥一樣 建立先導閥閥芯的平衡方程如下 DKA P bbsS FFF 2fg FF 式 3 24 式中 K P 控制腔油液壓力 D A 閥芯上端面積 DKA P為控制腔油液對閥芯的壓力 bs F 先導閥閥芯在移動過程中受到的穩(wěn)態(tài)液動力 徐州工程 學院畢業(yè)設計 論文 21 f F 先導閥閥芯在移動過程中受到的摩擦力 b F 先導閥閥芯所受比例電磁鐵向下