液压控制阀的理论研究与设计正文有全套图纸

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1、摘要本次毕业论文是液压控制阀的理论研究，重点对溢流阀、减压阀及顺序阀的工作原理、结构特点、型号说明、应用情况进行阐述，以及结合CAD 技术对液压阀的讲述，重点是对溢流阀的优化讲述，使溢流阀的静、动态性能得到了明显的改善,取得了显著的经济效益。本设计绘制了溢流阀的二维图纸，方便于进行讨论研究。关键词：溢流阀 ；减压阀；顺序阀 ；优化设计AbstractThe topic of this graduation project is the theoretical research and design of the hydraulic-control valve. The point is to

2、expatiate on the operation principle and function and type and use situation of overflow valve and pressure-reducing valve as well as sequence valve. And depend on CAD to design the hydraulic-control valve. The point is overflow valve, in order to make its static and dynamic characteristics of the r

3、elief valve better and get reasonable economic achievement .In the graduation project, the detailed drawing of overflow valve has been drawn by AutoCAD in order to make project convenient .Key words：overflow valve；pressure-reducing valve；sequence valve ;better design目录1 引言1 1.1 液压技术的发展历史 2 1.2 我国液压阀

4、技术的发展概况 2 1.3 本课题的目的及研究范围 3 1.4 本章小结 32 压力控制阀的调压原理与分类3 2.1 压力控制阀的调压原理3 2.1.1压力可调42.1.2 压力负反馈52.2 我国常用的压力控制阀的分类5 2.3 我国引进的德国力士乐公司压力阀系列62.4 本章小结63 溢流阀73.1 溢流阀的结构和工作原理7 3.1.1直动型溢流阀 7 3.1.2 先导式溢流阀9 3.2 溢流阀的主要性能 12 3.2.1 静态特性13 3.2.2 动态特性14 3.3 溢流阀的基本应用 163.4 本章小结 164 减压阀 17 4.1 减压阀和结构及工作原理 17 4.1.1 先导级由

5、减压出口供油的减压阀18 4.1.2先导级由减压进口供油的减压阀194.2 减压阀的主要性能及基本应用214.3 本章小结215 顺序阀225.1 顺序阀的结构和工作原理 22 5.1.1 直动型顺序阀225.1.2 先导型顺序阀235.2调压回路24 5.2.1单级调压回路245.2.2双向调压回路255.3 减压回路265.4 本章小结266 液压阀的设计276.1 溢流阀的优化设计276.1.1设计基础及背景286.1.2 优化目标和被优参数的确定286.1.3 应用单纯形法进行溢流阀的优化设计29总结32 参考文献33致谢35附录441 引言液压技术作为一门新兴应用学科，虽然历史较短，

6、发展的速度却非常惊人。液压设备能传递很大的力或力矩，单位功率重量轻，结构尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸仅为直流电机的10%20%左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现无级变速；易实现功率放大；易进行过载保护；能自动润滑，寿命长，制造成本较低。因此，世界各国均已广泛地应用在锻压机械、工程机械、机床工业、汽车工业、冶金工业、农业机械、船舶交通、铁道车辆和飞机、坦克、导弹、火箭、雷达等国防工业中。液压传动设备一般由四大元件组成，即动力元件液压泵；执行元件液压缸和液压马达；控制元件各种液压阀；辅助元件油箱、蓄能器等。液压阀的功用是控制液压传动系统的油流方向，压力和流量；实现执行元件的设

7、计动作以控制、实施整个液压系统及设备的全部工作功能。2008年1月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。本文是我在指导老师和同学们的帮助下，结合自身所学知识所得拙劣之作，主要记录了关于液压控制阀的理论研究与设计的过程，论文附有系统装配图，以便于使用人员对系统有更加直观的了解。在学校的图书馆，我查阅了许多有价值的资料，对于其中的英文文献部分，由于鄙人外文水平有限，理解上有可能存在偏差或者错误，有幸的是在毕业设计的过程中，老师和同学的帮助使我有机会更正了其中的部分偏差和错误，这对我以后的成长无疑是有帮助的。通过这次设计实践，我对液压系统的组成、结构有了深入的了解。在对液压控制阀装配图

8、的绘制过程中，我遇到了许多实际性的问题，明白作为一个设计人员，不仅要对理论原理有所了解，还要考虑实际的装配工艺性问题，这是我此次设计的最大体会。由于设计时间和本人的设计水平有限，还有很多方面考虑不是很周详，敬请阅读本文的各位专家予以指正。 1.1液压技术的发展历史液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。 1795年英国约瑟夫布拉曼(Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上

9、，诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。 第一次世界大战(1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的20年间才开始进入正规的工业生产阶段。1925 年维克斯发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动 的逐步建立奠定了基础。20 世纪初康斯坦丁尼斯克对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。 第二次世界大战(1941-1945)期间，在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的

10、发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后，日本迅速发展液压传动，1956 年成立了“液压工业会”。近2030 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。 20世纪60年代以来，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展，并渗透到各个工业领域中。液压技术开始向高速、高压、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助测试(CAT)、计算机直接控制(CDC)、机电一体化技术、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。1.2 我国液压阀技术的发展概况我国的液压工业开始于20世

11、纪50年代，最初只应用于机床和锻压设备上，后来又用于拖拉机和工程机械。现在，我国的液压元件随着从国外引进一些液压元件、生产技术以及进行自行设计，现已形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。尽管如此，我国的液压元件与国外先进的同类产品相比，在性能上，在种类上、在规格上仍存在着较大的差距。液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板

12、起重机械、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。我国已瞄准世界发展主流的液压元件系列型谱，有计划地引进、消化、吸收国外最先进的液压技术和产品，大力开展产品国产化工作。我国的液压技术在21世纪必将获得更快的发展。1.3本课题的目的及研究范围本课题的目的是为了对液压控制阀的理论进行深入的研究，找出他们原理，结构，性能之间的联系和区别，提炼出重点的内容，为设计和优化液压控制阀打下坚实的基础。本课题研究范围是液压控制阀，重点对溢流阀1、减压阀及顺序阀的工作原理、结

13、构特点、型号说明、应用情况进行阐述，以及结合CAD 技术对液压阀的设计2，重点是对溢流阀的优化设计，使溢流阀的静、动态性能得到了明显的改善,取得了显著的经济效益。1.4 本章小结通过本章的介绍，主要讲述了国内外液压技术的发展以及应用的各个领域，为本设计做了一个详细的开题报告。2 压力控制阀的调压原理与分类2.1 压力控制阀的调压原理在压力阀控制压力的过程中，需要解决压力可调和压力反馈两个方面的问题。2.1.1压力可调调压是指以负载为对象，通过调节控制阀口（或调节油泵的变量机构）的大小，使系统输给负载的压力大小可调。调压方式主要有以下三种：（1）流量型油源并联溢流式调压定量泵Q0是一种流量源（近

14、似为恒流源），液压负载可以用一个带外部扰动的液压阻抗Z来描述，负载压力pL与负载流量QL之间的关系为pL=QLZ显然，只有改变负载流量QL的大小才能调节负载压力pL。用定量泵向负载供油时，如果将控制阀口Rx串联在油泵和负载之间，则无论阀口Rx是增大还是减少，都无法改变负载流量QL的大小，因此也就无法调节负载压力pL。只有将控制阀口Rx与负载Z并联，通过阀口的溢流（分流）作用，才能使负载流量QL发生变化，最终达到调节负载压力之目的。这种流量型油源并联溢流式调压回路如图2-1(a)所示。（2）压力型油源串联减压式调压图2-1 不同油源的调压方式(a)流量型油源并联溢流式调压 (b)压力型油源串联减

15、压式调压如果油源换成恒压源ps（例如用恒压泵供油），并联式调节不能改变负载压力。这时可将控制阀口Rx串联在压力源ps和负载Z之间，通过阀口的减压作用即可调节负载压力pL：pL=pS/（RX+Z）式中：pR控制阀口RX上的压差。压力型油源串联减压式调压回路如图2-1(b)所示。2.1.2 压力负反馈 压力的大小能够调节，并不等于能够稳压。当负载因扰动而发生变化时，负载压力会随之变化。压力的稳定必须通过压力负反馈4来实现。压力负反馈控制的核心是要构造一个压力比较器。压力比较器一般是一个减法器，将代表期望压力大小的指令信号与代表实际受控压力大小的压力测量信号相减后，使其差值转化为阀口液阻的控制量，并

16、通过阀口的调节使期望压力与受控压力之间的误差趋于减小，这就是简单的压力负反馈过程。2.2 压力控制阀的分类压力控制阀分为溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器2.3 我国引进的德国力士乐公司压力阀系列Rexroth力士乐压力阀溢流阀：DBD，ZDB，Z2DB，DB-4X/W65，DBW-4X/W65，DB-5X，DBW-5X，减压阀：DR6DP，DR10DP，ZDR，DR-4X，DR-5X，DR10K，流量控制阀：2FRM，2通流量控制阀，（插装阀），通径6。2FRM，2通流量控制阀。Z2FRM，流量控制阀（叠加板阀）Rexroth力士乐比例阀比例换向阀：4WRA，KKDSR1，4WRE，4WRZ

17、，4WRH，5WRZ，5WRH，4WRK。比例压力阀：比例溢流阀：DBE，ZDBE，DBEP，DBET，KBPS.9，DBETR。比例减压阀：DRE，ZDRE，3DREP，3DRE。Rexroth力士乐伺服阀 伺服换向阀：4WS2E，4WSE2E，4WSE3E。控制换向阀：4WRS，4WRSEH，4WRG，4WRD，4WRT。2.4 本章小结本章主要介绍了压力负反馈的调压原理以及我国引进德国博士力士乐公司的产品，以及比较典型的液压阀，大致介绍了压力控制阀的概况。3 溢流阀3.1 溢流阀的结构和工作原理根据“并联溢流式压力负反馈”原理设计而成的液压阀称为溢流阀。溢流阀的主要用途有以下两点：1）调

18、压和稳压。如用在由定量泵5构成的液压源中，用以调节泵的出口压力，保持该压力恒定。2）限压。如用作安全阀，当系统正常工作时，溢流阀处于关闭状态，仅在系统压力大于其调定压力时才开启溢流，对系统起过载保护作用。根据结构不同，溢流阀可分为直动型和先导型两类。3.1.1 直动型溢流阀直动式溢流阀是作用在阀芯上的主油路液压力与调压弹簧力直接相平衡的溢流阀。如图3-1所示，直动型溢流阀因阀口和测压面结构型式不同，形成了三种基本结构：图3-1(a)所示阀采用滑阀式溢流口，端面测压方式；图3-1(b)所示阀采用锥阀式溢流口，同样采用端面测压方式；图3-1(c)所示阀采用锥阀式溢流口，锥面测压方式，测压面和阀口的

19、节流边均用锥面充当。但无论何种结构，直动型溢流阀均是由调压弹簧和调压手柄、溢流阀口、测压面等三个部分构成。锥阀式直动型溢流阀的结构如图3-2所示。阀芯在弹簧的作用下压在阀座上，阀体上开有进出油口P和T，油液压力从进油口P作用在阀芯上。当液压作用力低于调压弹簧力时，阀口关闭，阀芯在弹簧力的作用下压紧在阀座上，溢流口无液体溢出；当液压作用力超过弹簧力时，阀芯开启，液体从溢流口T流回油箱，弹簧力随着开口量的增大而增大，直至与液压作用力相平衡。调节弹簧的预压力，便可调整溢流压力。当阀芯重力、摩擦力和液动力忽略不计，令指令力（弹簧调定力）F调S=KSxS0 时，直动式溢流阀在稳态下的力平衡方程为图3-1

20、 直动型溢流阀结构原理图(a)滑阀节流口，端面测压；(b)锥阀节流口，端面测压；(c)锥阀节流口，锥面测压图3-2 锥阀式直动型溢流阀F=F指-pA=Kx (3.1)即 p=K(x0+x)/AKx0/A（常数）(3.2) 式中：p（或pL）进口压力即系统压力（Pa）；F指指令信号，即弹簧预压力（N）；F指控制误差，即阀芯上的合力（N）；A阀芯的有效承压面积（m2）；K弹簧刚度（Nm）；x0弹簧预压缩量（m）；x阀开口量（m）。由式(6.1)可以看出，只要在设计时保证 xx0，即可使p=K(x0+x)/AKx0/A =常数。这就表明，当溢流量变化时，直动式溢流阀的进口压力是近于恒定的。直动型溢流

21、阀结构简单，灵敏度高，但因压力直接与调压弹簧力平衡，不适于在高压、大流量下工作。在高压、大流量条件下，直动型溢流阀的阀芯摩擦力和液动力很大，不能忽略，故定压精度低，恒压特性不好。3.1.2先导型溢流阀先导型溢流阀有多种结构。图3-3所示是一种典型的三节同心结构先导型溢流阀，它由先导阀和主阀6两部分组成。该阀原理如图3-4所示。图中，锥式先导阀1、主阀芯上的阻尼孔（固定节流孔）5及调压弹簧9一起构成先导级半桥分压式压力负反馈控制，负责向主阀芯6的上腔提供经过先导阀稳压后的主级指令压力P2。主阀芯7是主控回路的比较器，上端面作用有主阀芯的指令力P2A2，下端面作为主回路的测压面，作用有反馈力P1A

22、1，其合力可驱动阀芯，调节溢流口的大小，最后达到对进口压力P1进行调压和稳压的目的。图3-3 YF型三节同心先导型溢流阀结构图(管式)1 锥阀 (先导阀)；2锥阀座；3阀盖；4阀体；5阻尼孔；6主阀芯；7主阀座； 8主阀弹簧；9调压(先导阀)弹簧工作时，液压力同时作用于主阀芯及先导阀芯的测压面上。当先导阀1未打开时，阀腔中油液没有流动，作用在主阀芯6上下两个方向的压力相等，但因上端面的有效受压面积A2大于下端面的有效受压面积A1，主阀芯在合力的作用下处于最下端位置，阀口关闭。当进油压力增大到使先导阀打开时，液流通过主阀芯上的阻尼孔5、先导阀1流回油箱。由于阻尼孔的阻尼作用，使主阀芯6所受到的上

23、下两个方向的液压力不相等，主阀芯在压差的作用下上移，打开阀口，实现溢流，并维持压力基本稳定。调节先导阀的调压弹簧9，便可调整溢流压力9。根据先导型溢流阀的原理图6.10，当阀芯重力、摩擦力和液动力忽略不计，令导阀的指令力F指=KSxS0 时，导阀芯在稳态状况下的力平衡方程为FS=F指-p2AS= KSxS (3.3)即 p2=KS(xS0+xS)/AS (3.4)因导阀的流量极小，仅为主阀流量的1左右，导阀开口量xS很小，因此有x2KSxS0/AS（常数） (3.5) 式中：p2-先导级的输出压力(Pilot Output Pressure)，即主级的指令压力（Pa）；F指先导级的指令信号，即

24、导阀的弹簧预压力（N）；FS先导级的控制误差，即导阀芯上的合力（N）；AS导阀芯的有效承压面积（m2）；KS导阀调压弹簧刚度（Nm）；xS0导阀弹簧预压缩量（m）；xS导阀阀开口量（m）。图3-4 三节同心先导型溢流阀原理图由式(3.5)可以看出，只要在设计时保证xSxS0，即可使先导级向主级输出的压力p2=KS(xS0+xS)/ASKSxS0/AS =常数。因此，先导级可以对主级的指令压力p2进行调压和稳压。在主阀中，当主阀芯重力、摩擦力和液动力忽略不计，令主阀的指令力F调=p2A2，主阀芯在稳态状况下的力平衡方程为F=F调-p1A1=p2A2-p1A1=K(x0+x) (3.6) 因主阀芯

25、弹簧不起调压弹簧作用，因此弹簧极软，弹簧力基本为零，即F=K(x0+x)0故有 p1F调/A1=p2A2/A1代入（3.5）式后，得P1=（KSxS0/AS）A2/A1=（F指/AS）A2/A1（常数） (3.7)式中：p1进口压力即系统压力（Pa）；A1主阀芯下端面的有效承压面积（m2）； A2主阀芯上端面的有效承压面积（m2）；K主阀弹簧刚度（Nm）；x0主阀弹簧预压缩量（m）；x主阀阀开口量（m）；F调主级的指令信号，即主阀芯上端面有效承压面积上所承受的液压力（N）；F主级的控制误差，即主阀芯上的合力（N）。由式（3.7）可以看出，只要在设计时保证主阀弹簧很软，且主阀芯的测压面积A1、A

26、2较大，摩擦力和液动力相对于液压驱动力可以忽略不计，即可使系统压力p1（KSxS0/AS）A2/A1 =常数。先导型溢流阀在溢流量发生大幅度变化时，被控压力p1只有很小的变化，即定压精度高。此外，由于先导阀的溢流量仅为主阀额定流量的1左右，因此先导阀阀座孔的面积和开口量、调压弹簧刚度10都不必很大。所以，先导型溢流阀广泛用于高压、大流量场合。从图3-4可以看出，导阀体上有一个远程控制口K，当K口通过二位二通阀接油箱时，先导级的控制压力p20；主阀芯在很小的液压力（基本为零）作用下便可向上移动，打开阀口，实现溢流，这时系统称为卸荷。若K口接另一个远离主阀的先导压力阀(此阀的调节压力应小于主阀中先

27、导阀的调节压力)的入口连接，可实现远程调压。3.2 溢流阀的主要性能溢流阀的性能特性包括静态特性和动态特性。静态特性是指阀在稳态工况时的特性，动态特性是指阀在瞬态工况时的特性。3.2.1 静态特性溢流阀工作时，随着溢流量q的变化，系统压力p会产一些波动，不同的溢流阀其波动程度不同。因此一般用溢流阀稳定工作时的压力一流量特性来描述溢流阀的静态特性。这种稳态压力一流量特性又称“启闭特性”。启闭特性是指溢流阀从开启到闭合过程中，被控压力p与通过溢流阀的溢流量q之间的关系。它是衡量溢流阀定压精度的一个重要指标。图6.13所示为溢流阀的启闭特性曲线。图中Pn（P指）为溢流阀调定压力，pc和pc分别为直动

28、型溢流阀和先导型溢流阀的开启压力。溢流阀理想的特性曲线最好是一条在Pn 处平行于流量坐标的直线。其含义是：只有在系统压力P达到Pn时才溢流，且不管溢流量q为多少，压力P始终保持为Pn值不变，没有稳态控制误差（或称没有调压偏差）。实际溢流阀的特性不可能是这样的，而只能要求它的特性曲线尽可能接近这条理想曲线，调压偏差尽（Pn-P）可能小。由以上分析可知，直动型溢流阀结构简单，灵敏度高，但压力受溢流量变化的影响较大，调压偏差大，不适于在高压、大流量下工作，常作安全阀或用于调压精度要求不高的场合。先导型溢流阀中主阀弹簧主要用于克服阀芯的摩擦力，弹簧刚度小。当溢流量变化引起主阀弹簧压缩量变化时，弹簧力变

29、化较小。因此阀进口压力变化也较小。先导型溢流阀调压精度高，被广泛用于高压、大流量系统。溢流阀的阀芯在移动过程中要受到摩擦力的作用，阀口开大和关小时的摩擦力方向刚好相反，使溢流阀开启时的特性和闭合时的特性产生差异。除启闭特性外，溢流阀的静态性能指标还有：压力调节范围：是指调压弹簧在规定的范围内调节时，系统压力平稳地(压力无突跳及迟滞现象)上升或下降的最大和最小调定压力。 卸荷压力：当溢流阀作卸荷阀用时，额定流量下进、出油口的压力差称为卸荷压力。最大允许流量和最小稳定流量：溢流阀在最大允许流量(即额定流量)下工作时应无噪声。图3-5 溢流阀的静态性曲线3.2.2 动态特性图3-6流量阶跃变化时溢流

30、阀的进口压力响应特性溢流阀的动态特性是指流量阶跃时的压力响应特性，如图3-6。其衡量指标主要有响应时间和压力超调量等：压力超调量： 定义为最高瞬时压力峰值与额定压力调定值pn之间的差值为压力超调量p12，并将(p/pn) 100%称为压力超调率。压力超调量是衡量溢流阀动态定压误差及稳定性的重要指标，一般压力超调率要求小于1030%，否则可能导致系统中元件损坏，管道破裂或其它故障。响应时间t1：是指从起始稳态压力p0与最终稳态压力pn之差的10上升到90的时间，即图6.14中A、B两点间的时间间隔。t1越小，溢流阀的响应越快。过渡过程时间t2：是指从0.9(pn-p0)的B点到瞬时过渡过程的最终

31、时刻C点之间的时间。t2 越小，溢流阀的动态过渡过程越短。升压时间t1：是指流量阶跃变化时，0.1(pn-p0)至0.9(pn-p0)的时间，即图6.15中A和B两点间的时间，与上述响应时间一致。卸荷时间t2：是指卸荷信号发出后，0.9(Pn-P0)至0.1(Pn-P0)的时间，即 C和D两点间的时间。t1和t2越小，溢流阀的动态性能越好。图3-7溢流阀的升压与卸荷特性3.3 溢流阀的基本应用溢流阀旁接在泵的出口，用来保证系统压力恒定，起调压溢流作用，称为定压阀。溢流阀旁接在泵的出口，用来限制系统压力的最大值，对系统起保护作用，称为安全阀。先导式溢流阀外控口接油箱时，还可以在执行机构不工作时使

32、泵卸载，称为卸荷阀。溢流阀接回油路，使油缸形成背压，称为背压阀3.4 本章小结 通过本章详细介绍了溢流阀的结构和工作原理溢流阀的主要性能以及溢流阀的基本应用，从大致上对溢流阀有了比较详细 的认识。溢流阀的特征是：阀与负载相并联，溢流口接回油箱，采用进口压力负反馈。溢流阀因为自己的独特结构和功能，使它的应用相当的广泛。4 减压阀4.1 减压阀和结构及工作原理根据“串联减压式压力负反馈”原理设计而成的液压阀称为减压阀。减压阀主要用于降低并稳定系统中某一支路的油液压力，常用于夹紧、控制、润滑等油路中。图4-1 先导级由减压出口供油的先导式减压阀减压阀的特征是：阀与负载相串联，调压弹簧腔有外接泄油口，

33、采用出口压力负反馈。减压阀也有直动型和先导型之分，直动型减压阀的工作原理如图6.4所示，但直动型减压阀较少单独使用。在先导型减压阀中，根据先导级供油12的引入方式不同，有“先导级由减压出口供油式”和“先导级由减压进口供油式”两种结构形式。4.1.1 先导级由减压出口供油的减压阀 先导级由减压出口供油的减压阀如图6.16所示，由先导阀和主阀两部分组成。该阀的原理如图4-2所示。图中，压力油由阀的进油口p1流入，经主阀减压口 f减压后由出口p2流出。锥式先导阀、主阀芯上的阻尼孔（固定节流孔e）及先导阀的调压弹簧一起构成先导级半桥分压式压力负反馈控制，负责向滑阀式主阀芯的上腔提供经过先导阀稳压后的主

34、级指令压力p3。主阀芯是主控回路的比较器，端面有效面积为A，上端面作用有主阀芯的指令力（即液压力p3A与主阀弹簧力预压力K y0之和），下端面作为主回路的测压面，作用有反馈力p2A，其合力可驱动阀芯，并调节减压口f的大小，最后达到对出口压力p2进行减压和稳压的目的。由图可见，出口压力油经阀体与下端盖的通道流至主阀芯的下腔，再经主阀芯上的阻尼孔e流到主阀芯的上腔，最后经导阀阀口及泄油口L流回油箱。因此先导级的进口（即阻尼孔e的进口）压力油引自减压阀的出口p2，故称为先导级由减压出口供油的减压阀。图4-2 先导级由减压出口供油的先导式减压阀原理图工作时，若出口压力p2低于先导阀的调定压力，先导阀芯

35、关闭，主阀芯上、下两腔压力相等，主阀芯在弹簧作用下处于最下端，减压口开度f为最大，阀不起减压作用，p2p1。当出口压力达到先导阀调定压力13时，先导阀阀口打开，主阀弹簧腔的油液便由外泄口L流回油箱，由于油液在主阀芯阻尼孔内流动，使主阀芯两端产生压力差，主阀芯在压差作用下，克服弹簧力抬起，减压阀口f减小，压降增大，使出口压力下降到调定的压力值。此时，如果忽略液动力、摩擦力，则先导阀和主阀的力平衡方程式为： F=(p3A+Ky0)-p2A=Ky p3AS=KS(x0+x)KSx0（常数）式中，A、AS分别为主阀和先导阀有效作用面积；K、KS分别为主阀和先导阀弹簧刚度；x0、x分别为先导阀弹簧预压缩

36、量和先导阀开口量；y0、y分别为主阀弹簧预压缩量、主阀调节位移。联立上两式后，p2可写成p2(KSx0/AS+K(y0-y)/A(KSx0/AS+Ky0)/A由上式可以看出，只要在设计时保证主阀弹簧较软，Ky可以忽略，且主阀芯的测压面积A较大，摩擦力和液动力相对于液压驱动力可以忽略不计，即可使减压阀出口压力基本恒定。应当指出，当减压阀出口处的油液不流动时，此时仍有少量油液通过减压阀口经先导阀和外泄口L流回油箱，阀处于工作状态，阀出口压力基本上保持在调定值上。4.1.2先导级由减压进口供油的减压阀 先导级供油既可从减压阀口的出口p2引入，也可从减压阀口的进口p1引入，各有其特点。先导级供油从减压

37、阀的出口引入时，该供油压力p2是经减压阀稳压后的压力，波动不大，有利于提高先导级的控制精度，但导致先导级的输出压力（主阀上腔压力）p3始终低于主阀下腔压力p2，若减压阀主阀芯上下有效面积相等，为使主阀芯平衡，不得不加大主阀芯的弹簧刚度，这又会使得主级的控制精度降低。先导级供油从减压阀的进口p1引入时(见图6.18)，其优点是先导级的供油压力较高，先导级的输出压力（主阀上腔压力）p3也可以较高，故不需要加大主阀芯的弹簧刚度即可使主阀芯平衡，主级的控制精度可能较高。但减压阀进口压力p1未经稳压，压力波动可能较大，又不利于先导级的控制。为了减小p1波动可能带来的不利影响，保证先导级的控制精度，可以在

38、先导级进口处用一个小型“恒流器”代替原固定节流孔，通过“恒流器”的调节作用使先导级的流量及导阀开口度近似恒定，结果使有利于提高主阀上腔压力p3的稳压精度。图4-3所示就是一种先导级由减压进口供油的减压阀。该阀先导级进口处设有“控制油流量恒定器”6，它由一个固定节流孔I和一个可变节流口串联而成。可变节流口借助于一个可以轴向移动的小活塞来改变通油孔N的过流面积，从而改变液阻。小活塞左端的固定节流孔，使小活塞两端出现压力差。小活塞在此压力差和右端弹簧的共同作用下而处于某一平衡位置。图4-3 先导级由减压进口供油的先导式减压阀原理图如果由减压阀进口引来的压力油的压力p1达到调压弹簧8的调定值时，先导阀

39、7开启，液流经先导阀口流向油箱。这时，小活塞前的压力为减压阀进口压力p1，其后的压力为先导阀的控制压力 (即主阀上腔压力)p3，p3由调压弹簧8调定。由于p3p1，主阀芯在上、下腔压力差的作用下克服主阀弹簧5的力向上抬起，减小主阀开口，起减压作用，使主阀出口压力降低为p2。因为主阀采用了对称设置许多小孔的结构作为主阀阀口，因此液动力为零。4.2 减压阀的主要性能及基本应用 与先导型溢流阀比较：减压阀是出口压力控制，保证出口压力为定值；溢流阀是进口压力控制，保证进口压力为定值。减压阀阀口常开；溢流阀阀口常闭。减压阀有单独的泄油口；溢流阀弹簧腔的泄漏油经阀体內流道內泄至出口。减压阀与溢流阀一样有遥

40、控口。减压阀用在液压系统中获得压力低于系统压力的二次油路上，如夹紧回路、润滑回路和控制回路。必须说明，减压阀出口压力还与出口负载有关，若负载压力低于调定压力时，出口压力由负载决定。4.3 本章小结 本章主要介绍了减压阀和结构及工作原理减压阀的主要性能及基本应用，非常简单易懂，是液压控制阀门中最基本的一种也是最简单的一种它主要起减压作用，没有溢流阀那样的复杂，总之一句话，进去的是高压力出来的是低压力。5 顺序阀5.1 顺序阀的结构和工作原理顺序阀的作用是利用油液压力作为控制信号控制油路通断。顺序阀也有直动型和先导型之分，根据控制压力来源不同，它还有内控式和外控式之分。通过改变控制方式、泄油方式以

41、及二次油路的连接方式，顺序阀还可用作背压阀、卸荷阀和平衡阀等。5.1.1 直动型顺序阀 直动型顺序阀如图5-1所示，图5-1（a）为实际结构图，图5-1（c）为原理图。直动式顺序阀通常为滑阀结构，其工作原理与直动式14溢流阀相似，均为进油口测压，但顺序阀为减小调压弹簧刚度，还设置了断面积比阀芯小的控制活塞A。图5-1 直动式顺序阀(a)结构图；(b)内控式直动型顺序阀的符号；(c)原理图工作时，压力油从进油口P1（两个）进入，经阀体上的孔道a和端盖上的阻尼孔b流到控制活塞（测压力面积为A）的底部，当作用在控制活塞上的液压力能克服阀芯上的弹簧力时，阀芯上移，油液便从p2流出。该阀称为内控式顺序阀

42、，其图形符号如图5-1 (b)所示。必须指出，当进油口一次油路压力p1低于调定压力时，顺序阀一直处于关闭状态；一旦超过调定压力，阀口便全开（溢流阀口则是微开），压力油进入二次油路（出口p2），驱动另一个执行元件。5.1.2 先导型顺序阀 如果在直动型顺序阀在基础上，将主阀芯上腔的调压弹簧用半桥式先导调压回路代替，且将先导阀调压弹簧腔引至外泄口L，就可以构成图5-2所示先导式顺序阀。这种先导式顺序阀的原理与先导式溢流阀相似，所不同的是二次油路即出口不接回油箱，泄漏油口L必须单独接回油箱。但这种顺序阀的缺点是外泄漏量过大。因先导阀是按顺序压力调整的，当执行元件达到顺序动作后，压力可能继续升高，将先

43、导阀口开得很大，导致大量流量从导阀处外泄。故在小流量液压系统中不宜采用这种结构。图5-2 外泄量较大的一种先导式顺序阀(a) 先导式顺序阀符号；(b)结构图；(c)原理简图为减少导阀处的外泄量，可将导阀设计成滑阀式，令导阀的测压面与导阀阀口的节流边分离见5-2（b）。先导级设计为： 导阀的测压面与主油路进口一次压力p1相通，由先导阀的调压弹簧直接与p1相比较； 导阀阀口回油接出口二次压力p2，这样可不致产生大量外泄流量； 导阀弹簧腔接外泄口（外泄量极小），使导阀芯弹簧侧不形成背压； 先导级仍采用带进油固定节流口的半桥回路15，固定节流口的进油压力为p1，先导阀阀口仍然作为先导级的回油阀口，但回

44、油压力为p2。把外控式顺序阀的出油口接通油箱，且将外泄改为内泄，即可构成卸荷阀。当顺序阀内装并联的单向阀，可构成单向顺序阀。单向顺序阀也有内外控之分。若将出油口接通油箱，且将外泄改为内泄，即可作平衡阀用，使垂直放置的液压缸不因自重而下落。5.2调压回路。在定量泵系统中，液压泵的供油压力可以通过溢流阀来调节。在变量泵系统中，用溢流阀作安全阀用来限定系统的最高压力，防止系统过载。当系统中如需要两种以上压力时，则可采用多级调压回路。5.2.1单级调压回路 在图5-3所示的定量泵系统中，节流阀可以调节进入液压缸的流量，定量泵输出的流量大于进入液压缸的流量，而多余油液便从溢流阀流回油箱。调节溢流阀便可调

45、节泵的供油压力，溢流阀的调定压力必须大于液压缸最大工作压力和油路上各种压力损失的总和。为了便于调压和观察，溢流阀旁一般要就近安装压力表。5.2.2双向调压回路图（a）中，当换向阀在左位工作时，活塞为工作行程，泵出口压力较高，由溢流阀1调定。当换向阀在右位工作时，活塞作空行程返回，泵出口压力较低，由溢流阀2调定。图（b）所示回路在图示位置时，阀2的出口被高压油封闭，即阀1的远控口被堵塞，故泵压由阀1调定为较高压力。图5-3 单级调压回路图5-4 双向调压回路5.3 减压回路压系统中的定位、夹紧、控制油路等支路，工作中往往需要稳定的低压，为此，在该支路上需串接一个减压阀图6.28(a)。图5-5

46、减压回路5.4 本章小结本章主要介绍了顺序阀的结构和工作原理以及顺序阀的基本应用以及减压回路，顺序阀经过改造可以变成很多种阀，因此顺序阀用在多种回路中。6 液压阀的设计液压阀的设计其实就是对组成各个液压系统的各个控制阀进行优化重组设计，使各个元件有效的利用起来，使整个液压系统有效高速的运行。下面重点对溢流阀的优化设计进行论述。6.1 溢流阀的优化设计6.1.1设计基础及背景基于机械CAD 集成开发环境, 结合CAD 技术、数字仿真和工程优化技术, 针对溢流阀进行了优化设计, 使溢流阀的静、动态性能, 得到了明显的改善。取得了显著的经济效益。首先基于AutoCAD , 建立机械CAD 集成开发环

47、境, 开发通用参数化绘图工具包, 研究工程优化方法; 然后在此基础之上, 建立液压图形符号库, 研制面向液压系统原理图的仿真包, 完成液压泵、液压阀和伺服舵机的CAD , 为进一步研究新型。在使用定量泵的液压能源系统中,溢流阀的主要作用是稳定系统压力,分流多余流量;在使用变量泵的液压能源系统中,溢流阀主要起到安全阀的作用。不论是什么样的液压能源系统,溢流阀都是系统中的关键部件。以往按照溢流阀的静态性能要求,根据经验设计溢流阀的原型,经过试验获得溢流阀的静、动态性能;当溢流阀的性能不满足设计要求时,需要再经过设计调整溢流阀的相应结构参数,然后重新试验获得改进后的溢流阀的静、动态性能。这样一个反复

48、由设计到试验的过程带来的问题是,设计周期长,设计成本高。为了解决这一问题,本文在集成开发环境中,结合参数化设计技术、性能仿真技术和优化设计技术,综合地对溢流阀的结构参数和静、动态性能进行全面的CAD设计。首先设计溢流阀的虚拟原型,通过数字仿真获得溢流阀的静、动态性能,然后利用优化设计技术调整溢流阀的结构参数,从而在完成溢流阀的结构设计的同时,使溢流阀的静、动态性能达到最优。这样设计周期大为缩短,设计成本明显降低,取得的经济效益是显而易见的。6.1.1 单纯形法的基本原理 由线性规划理论15可知,单纯形法是一种极点迭代法。假设目标函数f(x)是Rn中的连续凸函数,在Rn中构造凸多边体,即单纯形,

49、从凸多边体的一个极点出发,沿着凸多边体的棱向另一个极点迭代,使得目标函数值逐次下降。由于极点的个数是有限的,则经过有限次迭代,一定可以求到最优点。这就是单纯3形法的基本思路。单纯形法是求解最优化问题的直接方法,虽然收敛速度较慢,但是它只须计算某一目标函数f(x)的值,而不须计算目标函数的导数,也不须用差商近似代替导数;另外,一般工程问题的目标函数都满足连续凸函数的条件,而且不易求出目标函数的导数。因而单纯形法是使用简单方便、应用范围广泛的工程优化方法。6.1.2 优化目标和被优参数的确定在溢流阀的工作过程中,对其静态性能的要求是调压差值小、静差小,对其动态性能的要求是升压过渡过程时间短、压力超

50、调小。考虑单目标优化问题根据对溢流阀工作性能的要求,确定调压差值、静差升压过渡过程时间和压力超调这四个指标的综合函数最小为优化目标。设pc、ps、td、pm分别为溢流阀调定值的偏差压力、溢流阀打开后的稳定压力、升压过渡过程时间和最大超调压力,则调压差值、静差、升压过渡过程时间和压力超调的无量纲值分别为pcn=(pc-pe)/pepsn=(ps-pe)/petdn=td/Tpmn=(pmn-pe)/pe其中:pe为溢流阀的调定工作压力,T取1秒。优化目标函数的表达式为J=minw1pmntdn+w2(pcn+psn)其中,w1、w2为大于零的权系数,分别侧重于溢流阀的动态性能指标和静态性能指标的

51、加权,w1、w2满足条件w1+w2=1选取“pmntdn”的形式作为动态性能优化指标,是在溢流阀的快速性和压力超调之间作出折中 确定了优化目标之后,按照液压元件建模的一般原则建立溢流阀的数学模型,据此通过数字仿真,分析结构参数对溢流阀静、动态性能的影响。结合分析溢流阀的结构特点和不同的结构参数对模型性能的不同影响,经过大量数字仿真试验,发现图6-1溢流阀的主要结构尺寸对溢流阀静、动态性能有关键性影响的参数是:溢流阀的三个薄壁节流孔的直径d1、d2、d3,导阀座直径d4,主阀芯上下两端的直径d5、d6,即主阀芯上下面积比,主阀弹簧预压缩量h1, 图6-1溢流阀的主要结构导阀弹簧预压缩量h2如图1

52、所示。因此确定选择这8个参数作为被优参数尺寸。6.1.3 应用单纯形法进行溢流阀的优化设计 结合数字仿真,应用单纯形法,对溢流阀进行动态优化设计。首先构造单纯形,根据选择的8个被优参数,构造由9个极点组成的初始单纯形,其中,H为用户给出的优化步长。由这9个极点构成的初始单纯形出发,经过数字仿真得到溢流阀的静、动态性能指标,进而计算优化目标函数J,得到最坏点Mw的目标函数值16Jw,次坏点Mb的目标函数值Jb,最好点Mg的目标函数值Jg然后求最坏点Mw的反射点MrMr=2Mc-Mw其中,中心点Mc按如下公式计算8Mc=Mi-Mw/8i=0，计算反射点Mr的目标函数值Jr,根据Jr与Jw、Jb和J

53、g的关系,针对4种情况进行讨论,得到由新的极点构成的新单纯形,继续优化过程。(1)如果有JrJg并且JrJb并且JrJw 说明单纯形太大,则需要收缩,由最好点Mg与其余极点计算新的极点Mi Mi=Mg+Mi/2i=0,1,?,8,i 然后由最好点Mg与新的极点Mi构成新的单纯形。不论在哪一种情况下,新的单纯形构造完成之后都重新确定最坏点、次坏点、最好点、反射点及相应的目标函数值;或通过数字仿真重新计算溢流阀的静、动态指标,计算各个极点的目标函数值。然后按照上述4种情况作出判断,再构造新的单纯形,如此反复,直到完成优化过程。判断优化设计完成的准则是由Ji-Jw组成的向量的2范数小于某一预定值,即

54、 (Ji-Jw)，i=0 这时说明Jg为极小值,Mg为极小点,则组成向量Mg的溢流阀的结构参数为最优参数,优化过程结束。动态优化设计是在静态结构设计的基础上进行的,假设M是由静态设计得到的被优参数组成的向量,则对优化设计变量的约束条件为Mi-M100Hi=0,1,2,8,?为了满足的不同静、动态性能要求,可以选取不同的权系数w1、w2;针对不同型号的溢流阀,可以使用不同的优化步长H;考虑不同的优化设计精度,可以设定不同的预定值。当取 w1=07w2=03，=0001=10时,得到的优化设计结果如图所示图a 溢流阀优化设计结果图6.2 结论(1)基于CAD开发环境的液压元件设计,简便易行,可靠性

55、高。(2)使用单纯形法,针对溢流阀进行成功的优化设计,使溢流阀的静、动态性能,得到了明显改善。(3)结合CAD17技术、数字仿真技术和工程优化技术完成产品的设计能够大大缩短设计周期显著参考文献1 陈奎生.液压与气压传动M.（第2版）.武汉：武汉理工大学出版社，2001 2潘陆原溢流阀计算机辅助设计软件研究北京航空航天大学硕士学位论文,1942 3 成大先. 机械设计手册（第四版 第4卷）M. 北京：化学工业出版社，2002-14 沈鸿. 机械工程手册（第5卷）M. 北京：机械工业出版社，1982-35 刘震北. 液压元件制造工艺学M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1992-126 杨培元，朱

56、福元. 液压系统设计简明手册M. 北京：机械工业出版社，1999.127 陆培文. 实用阀门设计手册M .北京：机械工业出版社，2002-108 徐灏. 机械设计手册（第二版 第3卷）M. 北京：机械工业出版社，2000-6，9 吴宗泽. 机械设计课程设计手册（第二版）M. 北京：高等教育出版社，199910 范存德. 液压技术手册M. 沈阳：辽宁科学技术出版社，2004-511 何存兴，张铁华. 液压传动与气压传动（第二版）M. 武汉：华中科技大学出版社，2000-812 徐灏.机械设计手册M.（第1.3，4，5册）.北京：机械工业出版社，1991 13 李培元，朱福元.液压系统设计简明手册

57、M.（第1版）.北京：机械工业出版社，1999 14 何存兴.液压元件M.（第1版）.北京：机械工业出版社，1991 15 孙文质.液压控制系统M.（第1版）.北京：冶金工业出版社，1991 16 Kenichi Harada, Haruyuki Ohba. New Slide Gate System for Flow ControlC. Aristech proceeding Volume, 2004 17 Don Zacharias, Roy Phillips. The Integrated Tundish: A Comprehensive Approach To Tundish Flow

58、 Control DesignJ. the XXXIV Seminqaio de Fusao, Foseco steel, 2003:19-21 致 谢 此次毕业设计前后经历两个多月，从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用言语来表达。遇到困难时，我会觉得无从下手，不知从何写起；困难解决后，我又会觉得豁然开朗，文思泉涌；当论文经过一次次的修改基本成形的时候，我内心的喜悦无以言语，只觉得整个未来充满了希望。从在学校进行实地参观实习到现如今毕业设计说明书的初步完成，有许多人给予我极大的帮助，在此我衷心的感谢他们。 首先要感谢我们武汉科技大学给我这个机会，让我把学过的专业知识与实践较好的结合起来，不仅让我更深入的理解课本知识，还提高了自己独立完成课程设计的能力。 其次要感谢我的指导老师余震老师，无论是在实习还是