帶位移電反饋的二級電液比例節(jié)流閥設計.doc

帶位移電反饋的二級電液比例節(jié)流閥設計1緒論由于本畢業(yè)設計屬于電液比例閥這一大類，故此先簡略介紹一下電液比例閥：1.1 電液比例閥概述電液比例閥是以傳統(tǒng)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(tǒng)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。當前，電液比例閥在工業(yè)生產中獲得了廣泛的應用。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(tǒng)中執(zhí)行元件運動的力、速度和方向，簡化了系統(tǒng)，減少了元件的使用量，并能防止壓力或速度變換時的沖擊現象。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(tǒng)的性能時，電液比例閥也可作為信號轉換與放大元件組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。比例閥與開關閥相比，比例閥可簡單地對油液壓力、流量和方向進行遠距離的自動連續(xù)控制或程序控制，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(tǒng)的控制水平。與伺服閥相比，電液比例閥雖然動靜態(tài)性能有些遜色，但使用元件較少，結構簡單，制造較電液伺服閥容易，價格低，效率也比伺服高(伺服控制系統(tǒng)的負載壓力僅為供油壓力的23)，系統(tǒng)的節(jié)能效果好，使用條件、保養(yǎng)和維護與一般液壓閥相同，大大地減少了由污染而造成的工作故障，提高了液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性。下面是開關閥、比例閥和伺服閥幾種閥的特性比較：表1-1電液比例元件和伺服、數字、開關元件的特性比較類別類別性能比例閥伺服閥開關閥過濾精度()2532550閥內壓降()0.5270.2550滯環(huán)(%)1313重復精度(%)0.510.5頻寬(Hz/3dB)2520200中位死區(qū)有無有價格比130.5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，因此有的書上稱之為比例方向流量閥。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，這種分類方法是最常見的分類方法。(2) 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在500L/min以下。比例插裝閥可以控制的流量達1600L/min.(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(tǒng)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?；y式是在傳統(tǒng)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(lián)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(tǒng)的液壓閥基礎上，配上廉價的螺管式比例電磁鐵進行控制。盡管上面己列舉了幾種不同的分類方法，但并未能把不同的比例閥的性能、特征都詳盡無遺地反映出來。例如，還可按控制信號的形式來分，它又分為模擬信號控制式，脈寬調制信號控制式和數字信號控制式。特別是在機電一體化方面的需要，很多新型的比例元件不斷出現，為比例閥的家族增添新成員。1.3 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，當時，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，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(tǒng)的機電控制方式，但電液伺服閥成本高、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。這種需求背景導致了比例技術的誕生與發(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。這些正為電液比例技術的發(fā)展提供了有利的條件。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(tǒng)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)展由此往下大致可分為三個階段：(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。這一階段的比例閥，僅僅是將比例型的電一機械轉換器(如比例電磁鐵)用于工業(yè)液壓閥，以代替開關電磁鐵或調節(jié)手柄。閥的結構原理和設計準則幾乎沒有變化，大多不含受控參數的反饋閉環(huán)。其工作頻寬僅在1-5Hz之間，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)在4-7%之間，多用于開環(huán)控制。(2) 1975年到1980年間，可以認為比例技術的發(fā)展進入了第二階段。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。比例元件的工作頻寬己達5-15Hz,穩(wěn)態(tài)滯環(huán)亦減小到3%左右。其應用領域日漸擴大，不僅用于開環(huán)控制，也被應用于閉環(huán)控制。(3) 80年代，比例技術的發(fā)展進入了第三階段。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，頻寬達到3-50Hz，滯環(huán)在19/6-3%之間。除了因制造成本所限，比例閥在中位仍保留死區(qū)外，它的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性均己和工業(yè)伺服閥無異。另一項重大進展是，比例技術開始和插裝閥相結合，己開發(fā)出各種不同功能和規(guī)格的二通、三通型比例插裝閥，形成了電液比例插裝技術。同時，由于傳感器和電子器件的小型化，還出現了電液一體化的比例元件，電液比例技術逐步形成了80年代的集成化趨勢。第三個值得指出的進展是電液比例容積元件，各類比例控制泵和執(zhí)行元件相繼出現，為大功率工程控制系統(tǒng)的節(jié)能提供了技術基礎，而且計算機技術同液壓比例技術相結合已成為必然趨勢。近年來比例閥出現了復合化趨勢，極大地提高了比例閥(電反饋) 的工作頻寬。在基礎閥的基礎上，發(fā)展出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(xié)調和節(jié)能效果。今天，隨著微電子技術和數學理論的發(fā)展，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，為進一步擴大應用，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。在工業(yè)發(fā)達國家，由電液伺服閥、電液比例閥，以及配用的專用電子控制器和相應的液壓元件，組合集成電液伺服比例控制系統(tǒng)的相互支撐發(fā)展，已綜合形成液壓工程技術，它的應用與發(fā)展被認為是衡量一個國家工業(yè)水平的重要標志，是液壓工業(yè)又一個新的技術熱點和增長點。1.4 電液比例技術在我國的發(fā)展在我國，有一大批主機產品的發(fā)展需要應用電液比例技術，因此，該技術被列為促進我國液壓工業(yè)發(fā)展的關鍵技術之一。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?？偟目?，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，急待盡快提高。1.5 比例流量閥按上述分類方法中的第一類方法，本畢業(yè)設計設計課題屬于比例流量閥這一大類。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。1.5.1 比例流量閥分類(參見文獻1 443-445頁) (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(tǒng)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。1.5.2 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1348-352頁）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?；y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(tǒng)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(tǒng)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32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2350頁）。2流量閥控制流量的一般原理本閥是電液比例節(jié)流閥，最終控制的是液壓系統(tǒng)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不管各類流量閥結構有何不同，其依據的控制原理都是一樣，查文獻的102頁，得以下這個公式： （2-1）式中：流量閥控制的流量；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，對確定的閥口和工作介質，可視為常數；為節(jié)流口的通流截面積，與閥口的形狀與閥芯位移有關；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0.51.0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)，而控制來調節(jié)流量很不方便，一般只能通過調節(jié)的辦法來控制流量。當只調節(jié)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，的變化對的影響也就越大。一般來說節(jié)流口為薄壁孔時0.5，細長孔時1。故為增大流量控制準確性，減小對的影響，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)流閥的參數如前所述，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（3-1）中為0.5，因而式（3-1）變?yōu)橄率剑?(2-2)本設計擬定調節(jié)的方法為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，進而將得到不同的流量，這就是本設計中節(jié)流主閥實現節(jié)流的基本原理。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者流量控制閥的性能。是流量閥的關鍵部位，幾種常用節(jié)流口形式為（參見文獻4109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。由于本設計中閥的設計要求為通徑32mm，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31.5MPa，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。3 比例節(jié)流閥結構設計由于本設計中電液比例節(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32mm，最大流量480L/min,因此該閥屬于高壓大流量閥，而今天在高壓大流量范圍領域內，插裝閥以其通流能力大、密封性能好、組裝靈活，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，而不采用傳統(tǒng)的滑閥式結構?；诖?，有必要在此對插裝閥作簡要介紹。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) 插裝閥有許多滑閥不具有的一個重要優(yōu)點即標準化程度高，系統(tǒng)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； (3) 有良好的響應性，能實現高速轉換；(4) 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；(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。 3.2 控制蓋板的設計控制蓋板是總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32mm的二通插裝閥控制蓋板相關尺寸如下： b1102mm，b2=102mm, b363mm，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。本閥中，控制蓋板將用四個緊固螺釘固定在通道塊上，此為四個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mm,且建議加工時可采用電火花加工出來。綜合以上所述，確定控制蓋板相關尺寸如下：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：圖3-3 主閥閥套的尺寸示意圖因為本次畢業(yè)設計的要求為通徑32mm，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32mm。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32mm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) 在一定的壓力、溫度范圍內具有良好的密封性能；(2) 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；(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。由上述要求，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： 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：圖3-5主閥閥芯結構圖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、。其中、分別為閥芯主油口A口和口處的面積，為控制腔腔的面積，很明顯有 （3-1）面積比是指閥芯處于關閉狀態(tài)時，、分別與的比值和，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。錐閥中，面積比大體分為(1:1.2)、(1:1.5)、(1:1.0)、(1:1.07)、(1:2.0)等類型。在本閥中的面積比選用類型，即1:1.2，由于本畢業(yè)設計的要求是通徑為32，此處即面積的直徑為32，因此口的半徑為16。圖3-6 插裝閥面積比的示意圖令控制腔的半徑為，則由面積比的公式得所以=803.842=0.2*=0.2*803.84=160.7682964.60823.3.4 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通流）：節(jié)流閥的總進油口接A口，總出油口接B口，油液從口流向口； 反向通流(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。 在正向通流即通流且閥芯關閉時，對閥芯進行受力分析如下：往上的力往下的力 其中： 節(jié)流閥進油口處的工作壓力；口的面積；節(jié)流閥出油口處的工作壓力；B口的面積； 閥芯受閥座向上的反力； 控制腔油液的壓力； 主閥閥芯自重； 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：即 (3-2)而當閥芯處于關閉狀態(tài)時，必有大于或等于0，忽略閥芯自重，得： ()() 0 (3-3)轉換得 (3-4)這正是要使主閥關閉，控制腔壓力必須滿足的條件。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31.5MPa，額定出口壓力為30.5MPa.,壓差為MPa, 即為31.5MPa，為30.5MPa。由文獻6 初步擬定主閥彈簧選擇剛度為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20mm7240(3-5) 將上述參數代入式 (3-4)中，得由上式可知，必須大于23.8MPa，主閥閥芯才能關閉，或者說23.8MPa正是主閥閥芯的臨界關閉壓力。在反向流通即通流且閥芯關閉時，對閥芯進行受力分析如下：往上的力 往下的力 建立主閥閥芯關閉時靜力平衡方程：即 (3-6)忽略閥芯自重，要使主閥閥芯關閉得：()() 0轉換為(3-7)上式是反向通流下,主閥要關閉控制腔必須滿足的條件。將參數代入得： 可見在反向通流情況下，主閥閥芯關閉的臨界壓力為23.2MPa。主閥閥芯開啟時的動力分析設閥芯質量為，為閥芯位移隨時間變化的函數，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：(3-8)式中：主閥彈簧對閥芯施加的壓力； 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； 閥芯受到的摩擦力； 彈簧力的計算公式如下：(3-9)式中為主閥彈簧預緊力，為主閥彈簧剛度，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 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： (3-10)轉化為 (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、 等都是固定的，則節(jié)流口開度將主要決定于控制腔壓力。也可以將上式這樣轉化: (3-12)由上式可見與成線性關系，比例系數為。 將各常數值代入式(3-12)中，得: +2.66563.5mm (3-13) 上式說明，若增大，則閥芯將向下運動，閥芯開度將減??； 若減小，閥芯將向上運動，則閥芯開度將增大。在反向通流情況下，閥芯運動方程將變?yōu)椋?(3-14)簡化如下： (3-15)所以 (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：(3-17)將各常數值代入，得+2.66561.7 mm(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： = = (3-19)代入參數得：2.665 (3-20) 上式的數學含義為：當控制腔的壓力增量為時，對應的閥芯開度增量將為或2.665。 將上式中自變量與變量調位，轉化為： (3-21) 代入參數: 0.375(3-22) 上式的數學含義為：在A-B通流情況下，當閥芯開度增量為時，對應的控制腔的壓力增量為或0.375。在反向通流情況下，閥芯開度增量： (3-23) 可見在反向通流情況下的閥芯開度增量公式與AB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，而欲控制主閥閥芯的開度，則必須調節(jié)控制腔的壓力，那么如何實現調節(jié)控制腔的壓力呢？在我們所有已學過的知識中，減壓閥可完成此功能，油液流經液壓系統(tǒng)中的減壓閥后，壓力降低，并基本恒定于減壓閥調定的壓力上。故本閥將采用減壓閥來作為節(jié)流閥的先導閥。因此，下面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（參見文獻2146147）(1) 用于減小液壓系統(tǒng)中某一支路的壓力，并使其保持恒定。例如，液壓系統(tǒng)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。 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（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?yōu)? ，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(tǒng)的故障及比例電磁鐵自身電路故障等等）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： 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。 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：圖3-9 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： (3-24) 式中： 控制腔油液壓力； 閥芯上端面積，為控制腔油液對閥芯的壓力； 先導閥閥芯在移動過程中受到的穩(wěn)態(tài)液動力； 先導閥閥芯在移動過程中受到的摩擦力； 先導閥閥芯所受比例電磁鐵向下的推力； 閥芯自重。忽略閥芯自重及閥芯移動過程中的摩擦力，將閥芯移動過程中穩(wěn)態(tài)液動力也忽略，式（3-24）變?yōu)椋?(3-25)轉化為 (3-26)上式即控制腔壓力的決定因素。式中的計算公式為： (3-27)其中，為處于中位時先導閥彈簧的預緊力，為先導閥彈簧剛度，為先導閥閥芯相對于中位時的位移。由于先導閥閥芯相對于中位時的位移相對于先導閥彈簧的預壓縮量較小，因此在不作精確計算時可將其忽略，故式(3-26)可化為： (3-28)或 (3-29)上式即為控制腔壓力與比例電磁鐵輸出力的關系式。(2) 彈簧預緊力的確定如3.4.2節(jié)所述，比例電磁鐵斷電的時候主閥應當關閉，即此時比例閥應滿足使主閥閥芯關閉的條件。由3.3.4節(jié)所述，要使主閥關閉，應滿足即 (3-30)而此時=,故 (3-31)其中的半徑為，在本閥中擬定為4mm =50.24 mm2 代入式(3-31)中,得23.8 =50.2423.8 =1195.7 N (3-32)上式表明當比例電磁鐵輸出力為0時，欲使主閥關閉，先導閥彈簧的預緊力必須大于1195.7。而在本設計中，先導閥彈簧擬選擇如下：彈簧簧絲直徑=2.0 mm，彈簧中徑D=10 mm，剛度=158 N/mm。所以=7.57 mm (3-33)上式說明要使比例閥具斷電保護功能，先導閥彈簧的預壓縮量（此預壓縮量是指先導閥閥芯處中位時，先導閥彈簧的預壓縮量）必須大于7.57 mm，實際應用時為保有一定保險系數，復位彈簧的預緊力應高于此值，故在本設計中采用mm的預壓縮量。所以，先導閥閥芯處于中位時，先導閥彈簧的預緊力為：計算出先導閥的彈簧的預緊力后，將其與代入式(3-29)得：MPa(3) 先導閥調定壓力的增量表達式 由式(3-28)得控制腔壓力增量： (3-34) 代入參數得： (3-35)上式的數學含義為比例電磁鐵增量為時，對應的控制腔壓力的增量為或。將上式中自變量與因變量調換得：=或 50.24上式的數學含義為當控制腔的壓力增量為時，對應的比例電磁鐵的增量必為或50.24。 3.4.4 先導閥溢流部分的設計減壓閥能夠保持其出口壓力（在本設計即控制腔的油液壓力）不會低于比例電磁鐵的設定值，但是如果減壓閥由于某種原因導致控制腔的壓力突然增高（如液壓系統(tǒng)的沖擊）或者是比例電磁鐵調定力突然下降都將導致閥芯迅速下移，控制腔的油液還未來得及泄出就被封閉起來，這樣的后果是控制腔壓力在一段時間內高于先導閥的調定值，而由前所述，主閥閥芯開度是由控制腔壓力決定的，因此也將導致主閥閥芯開度偏離調定值，而造成電液比例閥失調。為解決這個問題，本設計再在減壓閥之上復合了一個溢流閥，而且使該閥的開啟壓力剛好等于前面減壓閥的調定壓力，這樣當出現控制腔的壓力突然高于比例電磁鐵調定壓力的情況出現時，溢流閥開啟讓油液泄出，以使控制腔的壓力回復到調定值上。其結構圖如下所示：圖3-10 先導閥結構示意圖圖 同樣將閥芯自重及閥芯移動過程中的摩擦力及穩(wěn)態(tài)液動力忽略，建立閥芯運動方程，得： (3-36)或 (3-37)或 (3-38)由上式可知，先導閥的溢流部分的開啟壓力為，可見溢流部分的開啟壓力正好將等于減壓部分的調定壓力，這樣就滿足了前面提到的控制要求，使控制腔的壓力能恒定先導閥的調定值上，且這個值將與成線性關系。3.4.5 先導閥的連接方式當主閥為正向（即節(jié)流閥的總進油口接A口，總出油口接B口，油液從口流向口）時，X口接A口，口接油箱，此連接在通道塊中實現（通道塊上加工有具專門通油道，本閥安裝時就是要插入通道塊中）；當主閥為反向通流（即節(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）時， X口接口，口接油箱。 3.4.6 先導閥的原理分析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：圖3-11 先導閥的示意簡圖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31.5MPa）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，控制腔與口，即油箱（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。3.5 彈簧的選用由于彈簧的性能參數對液壓閥的性能參數將產生很大影響，故彈簧參數的選擇比較重要，在此用單獨一節(jié)列出:3.5.1 主閥彈簧參數的確定：在前面已經確定部分主閥彈簧參數為：簧絲直徑d1選用為3.5mm，彈簧中徑D0為16mm，彈簧預壓縮量為20mm，彈簧剛度為362 N/mm，彈簧工作長度H2為77mm。彈簧其余參數確定如下：彈簧內徑 D1D0d1163.5=12.5mm彈簧外徑 D2D0d1163.5=19.5mm為了使壓縮彈簧工作時受力均勻并增加彈簧的平穩(wěn)性，將彈簧兩端并緊，且將兩端端面磨平，而這些并緊磨平的各圈僅起支承作用，因而稱為支承圈。支承圈有1.5圈、2.0圈、2.5圈三種。本設計中支承圈采用2.5 圈。在本設計中彈簧有效圈數選用為12圈，故彈簧的總圈數n1為14.5圈。彈簧的自由長度: H0 = H2 = 77+20=97mm彈簧節(jié)距: P（H02d1）/ n = (97-23.5)/12=90/12=7.5螺旋角(自由狀態(tài)下）：= 彈簧材料的展開長度（即彈簧坯料長度）L114.5736.9mm彈簧材料的選擇：由于該彈簧為主閥彈簧，故要求強度高，性能好，因此采用油淬火回火碳素彈簧鋼絲中的B類，牌號為60Mn。 3.5.2 先導閥彈簧參數的確定 前面已經確定部分先導閥彈簧參數為：簧絲直徑d2選用為2.0mm，彈簧中徑D0為10mm，彈簧預緊力為1422N，彈簧預壓縮量為9mm，彈簧剛度=158 N/mm，彈簧工作長度H2為16mm。彈簧其余參數確定如下：彈簧內徑: D1=D0-d1=10-2=8mm彈簧外徑: D2=D0+d1=102=12mm先導閥彈簧的支承圈數采用1.5 圈，有效圈數選用為6圈，彈簧的總圈數n1為7.5圈。在先導閥減壓閥部分開啟狀態(tài)下，先導閥相對于中位狀態(tài)最大行程為3.5mm，對應的彈簧力為 =當先導閥溢流閥部分開啟時，先導閥最大行程也為3.5mm，對應的彈簧力為=N 彈簧的自由長度： H0=H2=16+9=25mm彈簧節(jié)距：P=(H0-d2)/n=(25-2)/6=3.83mm螺旋角（自由狀態(tài)下）：= 彈簧材料的展開長度（即彈簧胚料長度）L2=7.5=237.2mm彈簧材料的選擇： 先導閥彈簧同樣采用油淬火回火碳素彈簧鋼絲中的B類，其牌號為60Mn。3.6 公差與配合的確定本設計的課題為液壓閥，而液壓閥屬精密機器設備，故對公差與配合的要求較高，查文獻7 可知，公差IT5（孔到IT6）級用于高精度和重要的配合處，IT7IT8級則用于一般精度要求的配合。故在本設計的配合中孔用公差等級擬定為IT6級，軸用公差等級擬定為IT級。由于要達到相同的精度級，孔比軸難加工，故在設計中無論主閥閥芯與閥套之間還是先導閥閥芯與閥套之間的配合均采用基孔制；又因為主閥閥芯與閥套之間的運動形式為軸向滑動，