课程设计 液控单向阀的设计讲解

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1、辽宁工程技术大学课程设计三 DOT XJ E 月 J/ - ，rrr目:者:业:间:液控单向阀设计机械工程及自动化（液压传动与控制）二零一五年一月摘要为了控制流液的流动、压力和方向及工程机械中的应用，使其能够很好地利用液 压系统来控制机械的稳定工作，需要掌握更多的流体力学知识来研究液压油液及有压 流动对液压阀而产生的影响，从而设计双向液控单向阀实现实践的依据，本文主要介 绍双向液控单向阀的详细设计、理论计算及研究方法。关键词：液控单向阀设计Abstract:In order to control the flow of fluid flow,pressure and direction and

2、 application of engineering machinery, which can work stably to good use hydraulic system to control the machine.Need to master more knowledge of fluid mechanics to study the hydraulic oil and pressure flow effects produced on hydraulic valve, so as the basis of design double hydraulic control check

3、 valve to be practiced.This paper mainly introduces the detailed design of double hydraulic control check valve,theoretical calculation and research methods.Keywords: hydraulic control check valve design辽宁工程技术大学课程设计目录1液控单向阀基本情况 11.1液控单向阀的类型及应用： 11.2液控单向阀的工作原理 31.3液压阀的具体工作情况 62. 液控单向阀的初步设计 82.1总体设计方案

4、82.2液控单向阀的设计要求82.3液控单向阀的结构设计83. 重要零件基本尺寸的确定113.1阀前孔面积计算设定113.2实际流速的设定113.3控制活塞与单向阀面积之比123.4弹簧最小工作负荷七和最大工作负荷七134. 弹簧的设计计算134.1弹簧的参数设定144.2弹簧的材料选择154.3弹簧的变形量和节距154.4弹簧的线径154.5弹簧所需的刚度和圈数 16辽宁工程技术大学课程设计4.6弹簧刚度、变形量和负荷校核164.7试验负荷和试验负荷下的高度和变形量164.8特征校核：174.9结构参数174.10弹簧的工作图及技术要求174.11弹簧的数据185阀体及活塞顶杆的厚度与校核1

5、95.1阀体壁厚计算校核195.2活塞顶杆稳定性验算20致谢21参考文献221液控单向阀基本情况1.1液控单向阀的类型及应用：液控单向阀有普通型和带卸荷阀芯型两种。每种液控单向阀又按其控制活塞的泄 油腔的连接方式分为内泄式和外泄式两种。液控单向阀在液压系统中可作为普通单向 阀使用，也可通过先导控制压力油，使控制活塞推开单向阀芯实现油液的反向流动， 在系统中实现保压、液压缸锁紧、大流量排油等功能。液控单向阀因泄漏量少、闭锁 性能好、工作可靠而运用广泛。液控单向阀具体应用场合如下：1)保压持力。滑阀的式换向阀有一个间隙泄漏现象，压力保持只有一个短的时间。液压缸“支持”。在垂直液压缸，阀门和管道泄漏

6、，活塞和活塞杆的严重性，可能导致活塞和活塞杆。(3)液压缸锁。当换向阀在中间，两个液压控制止回阀关闭，可以紧闭液压缸两腔油，当活塞由于外力 不能移动。(5)对石油天然气阀门。液压控制单向阀用于填充油阀，完成补油的功能。1.2液控单向阀的工作原理液压控制止回阀是由一个普通止回阀和微观控制液压缸的底部的液压控制止回 阀口 K控制石油，控制油口不通压力油时，阀门的作用一样普通的止回阀，油会是积极 的、扭转不通。控制石油K的访问控制压力油时，将控制活塞顶，和开阀核心力量，使油辽宁工程技术大学课程设计 可以在两个方向上自由流动。图1-1液控单向阀原理图液压控制止回阀泄漏的不同方法,可以分为内部排水和泄漏

7、两种类型。控制活塞 造成石油进口压力高背压较大，可以使用单独的泄漏口,回油箱，减少油压力控制。液压 控制单向阀没有一个排水洞，称为内部泄漏类型液压控制单向阀,常用的回水管路上没 有背压。因为液压控制止回阀在一个方向上具有良好的密封性能，广泛应用在液压系 统中，常用的时间执行组件的控股锁，等等，也用于防止垂直液压缸停止自动滑快换接 头。在循环等系统设计和使用中需要注意的问题：（1）电路和管道的设计，采用内部泄漏的液压控制单向阀，必须确保当前出口方面 不能影响高压的控制活塞动作,否则控制活塞反向行动能力。如果你不能避免这种高 压力、泄漏类型液压控制止回阀应该采用;落回座位（2）止回阀核心，控制石油

8、成为控制活塞返回排水打开，所以快速回到考虑，使用 0（如图1 - 2所示）换向阀，很难快速返回，应该而不是Y型阀（如图1 - 2所示b）。希望更 快地返回,可以使用泄漏类型液压控制单向阀、压力油泄漏，强制控制活塞返回（如图1 - 3所示）；(a)误 (b)正图1-2背压阀控制油黑外聊口I图1-3外泄式液控单向阀(3) 在图1- 4中所示的闭锁回路中，当周围的温度变化较大时，由于液压油的 热膨胀，处于封闭状态的回路(油缸至两液控单向阀之间)中的压力会异常升高，有 破坏管路系统或液压元件的危险。在这种情况下，应在紧靠油缸的管路处设置安全阀， 起保护作用。但安全阀应选用泄漏量少的，否则液压锁的锁紧作

9、用将减弱；, I瞄图1-3锁闭回路(4) 作充液阀使用时，应选用开启压力尽可能小而通径足够大的阀。这样吸油阻 力小，另外尽量升高供给充液阀油液的油箱的液面，装在设备较高位置处(如图1- 5)；图1-5充液阀(5) 由于液控单向阀的开启，压力从高压骤然降低而发生冲击的情况下，应考虑带释 压机构的液控单向阀。或者在控制管路中装设截流阀使活塞动作减慢，慢慢推开阀芯 (如图1-6)；荒海油箱图1-6释压机构的液控单向阀(7)液控单向阀既有普通阀的功能，并且只要在远程控制卡通以一定压力的控 制油液，液流反向也能通过。在工程应用中常用两个液控单向阀组成液压锁。辽宁工程技术大学课程设计1.3液压阀的具体工作

10、情况这里只介绍液控单向阀的工作原理，并做必要说明。图1-9为液控单向阀的工作原理图，其中a）为内泄式，b）为外泄式。在无控制 压力的情况下，来自进油口只要能克服弹簧力及单向阀芯自重，便能推开单向阀芯而 流向出口，但反向油液却不能通过。如从控制口引入控制压力油，则只要控制压力作 用在控制活塞承压面上所造成的向上液压力能克服向下的各种力，控制活塞便能推开 单向阀芯而实现油液的反向流动。瓯进h)图1-9两种控制回路液压止回阀控制是必要的以下细节：（1）作用在液控单向阀控制活塞上所需的控制压力的高低，与反向进口和反向 出油液的压力有关，也与控制活塞处的泄油形式（即内泄式和外泄式）有关。这里我 们列出单

11、向阀芯的受力方程为：p A （p p ） A + p A + F式（1-1）k k 2111 k式中 p 控制压力；辽宁工程技术大学课程设计气一控制活塞承压面积；P2 反向进口压力；P1 反向出口压力；A一单向阀芯承压面积，即阀座内孔面积；1F 其他阻力之和，如弹力、单向阀芯摩擦阻力、控制活塞液压卡紧阻力、单向阀芯和控制活塞自重。由式1可得内泄式液控单向阀必要的控制压力为：p P_PA + p + 式(1-2)kAi i A外泄式情况，单向阀芯的受力方程为：p A (p - p ) A + p d + F式(1-3)k k 2111 k式中q一控制活塞承压面积，其他符号含义与式1相同。由式3可

12、得外泄式液控单向阀必要的控制压力为：p (p2 -p)A + pL + F式(1-4)kAi A A比较式1-2和式1-4:在式1-2中，随着反向出口压力的力高，所需控制压力也 将很快提高，如果反向出口值很高，会无法实现反向流动；在式1-4中，因为控制活 塞杆承压面积比控制活塞承压面积小得多，所以即使反向出口压力很高，所需控制压 力也提高的不多。显然，内泄式液控单向阀值适用于反向出口压力较低的场合，当反 向出口压力较高时宜采用外泄式液控单向阀。(2) 液控单向阀常用于高压封闭回路的释压场合。当控制活塞推开单向阀芯时， 高压封闭回路内油液受压后所储存的压缩能将突然释放，这时会产生很大的冲击，并

13、伴随很响的释压声。为避免这种情况，可以在单向阀芯内装个小阀芯(即卸荷阀)， 以推开卸荷阀芯，使高压封闭回路释压一部分，接着再推开单向阀芯，使高压封闭回 路完全释压，这是一个分级释压过称。(3) 如果把带有卸荷阀芯的液控单向阀用于反向进油口作用者一定的压力，控制 活塞推开单向阀芯后要使反向通过的流量为公称流量的场合，那么所需的最低控制压 力和释压情况不能真实地反映带有卸荷阀芯的液控单向阀所需的最低控制压力；这种 液控单向阀，只有用在封闭回路的释压中才能对控制压力和缓和冲击有良好的效果2. 液控单向阀的初步设计2.1总体设计方案根据假定流速确定阀口尺寸的大小，根据阀口尺寸的大小确定大概的阀前孔面

14、积，然后计算校核准确的正反向流液的流速，根据所给的要求参数，确定控制活塞与 单向阀面积比，同时进行弹簧的设计计算，画出各个零件图，并加以校核，最后要对 主要零件的强度、刚度校核，最后进行装配图的设计绘制。整个过程要保持科学严谨 的学习态度。2.2液控单向阀的设计要求（1）公称压力；（2）公称流量Q；（3）低开启压力k!；（4）高开启压力k；（5）低开启压力下，当通过公称流量时的压力损失围！；（6）高开启压力下，当通过公称流量时的压力损失氏1 ；屋（7）反向出口无背压时推卸荷阀所需的最低控制压力璀km；屋（8）反向出口无背压时推单向阀芯所需的最低控制压力*km；（9）控制活塞处泄漏量允许值qk；

15、2.3液控单向阀的结构设计单向阀芯由锥阀和球阀两种。球阀流体阻力小，全通径的球阀基本没有流阻。 结构简单、体积小、重量轻。紧密可靠。它有两个密封面，而且球阀的密封面材料广泛使用各种塑料，密封性好，能实现完全密封。操作方便，开闭迅速，便于远距 离的控制。维修方便，球阀结构简单，密封圈一般都是活动的，拆卸更换都比较方 便。在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起阀 门密封面的侵蚀。适用范围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力 都可应用。本课题双向液控单向阀，由于通径小，故选用球阀式。图2-1单向阀图2-2固定式球阀(2) 阀座在止回阀口线接触，经常有很多的接触

16、应力，所以当身体材料是铸铁,将增加钢的 座位。座位应当指向与单向阀核心，为了确保线接触，实际应力变形角后，但压力畸变 和后变得非常小的表面接触，以确保良好的密封。通常当名义流量不大，阀座接触正确 的止回阀芯，如图2- 3所示)，和名义流量更大，公称压力高，为了提高阀门进口流体和 压力条件下，阀芯阀座接触单向钝角，如图3 - 3所示)。3. 重要零件基本尺寸的确定3.1阀前孔面积计算设定根据阀前孔流速平均在5m/s7m/s，最高瞬时流速可达到8m/s10m/s,假设阀前 孔流速为8m/s。贝V，v = Q 已知，Q = 20 侦.1L=10-3m3AminQ 20 I .20x10-3/60m3

17、所以，A正=Q = 8*1。=-室=4.2 x 10-5 m2 = 42mm2D = 正=7.3mm 圆整为=7.5mmV兀即由单向阀座的尺寸可已知实际阀前孔直径D=7.5mm,错误！未找到引用源。则 正向流通面积，即阀前孔面积=些 =3.14 X、52 = 44.16mm 2443.2实际流速的设定圆整后，阀前孔直径为7.5mm，阀前孔面积为=些 =34X脱 =44.16mm24则正向流通速度为v =20 1 min = 7.5 ms44.16 mm 2冗 d 2 3 14 x 9已知顶杆直径d=3mm，则顶杆面积=7.07mm244即环形面积 A = *2 -罕=44.16 - 7.1 =

18、 37.06mm 2按Q = 20 bmin （Q为公称流量）（瞬时最高速度）v = Q = 20 min = 20x10-3/60 = 9m,A37.06mm23.7 x10-5s则反向流通速度为V = Q，a =焉2 = 8983.3控制活塞与单向阀面积之比控制活塞直径12.7mm，则控制活塞面积=“=71 x 12.72 = 126.6mm244阀前孔直径7.5mm，错误！未找到引用源。则阀前孔面积兀d2兀,=x 7.52 = 44.16mm 244（弹簧力的计算，根据胡克定律：F=KX F是弹簧的压力，K是劲度系数单位N/m， 1N=1kg %k =弓乂d g-刚性模数，Nc-有效圈数

19、，D-中经，d-线径，X是弹簧的变形量。） 8 x Nc x D 3（开启压强 0.2MPa,1MPa=10kg/cm2）表3-1面积比控制活塞与单向阀面积比K弹簧力1（开启压强）弹簧力2（全开启压强）3:11.89225.73 kg/。/ cm 2辽宁工程技术大学课程设计3.4弹簧最小工作负荷Ft1和最大工作负荷七弹簧最小工作负荷F1应根据开启压力的设计要求来确定，可以略去阀芯与阀体 孔的静摩擦阻力和阀芯的自重。当低开启压力p仞时，弹簧最小工作负荷应为fi r式中F 一按上式求得的相应于p 时的液压作用力。当高开启压力p 时， kq1 kq kq 七应保证设计要求pq，这时弹簧最小工作负荷应

20、为：F 2=Fkq 2式中七2 一按上式求得的相应于Pq 时的液控作用力。弹簧的最大工作负荷应根据球阀阀口压力损失设定值Ap（进出阀的损耗值，进 油口与出油口的压力差）来确定，阀芯在压差氏p的作用下，球阀阀口应保证必要的 开口量5，使通过的流量达到公称流量。在设计液控单向阀的弹簧时，一般把阀口最大开口量8 mJ作为弹簧的最大工作行 程，同时应保证弹簧的最小工作负荷，以保证开启压力的设计要求。至于弹簧的最大 工作负荷的确定则比较灵活。P - P先导压力二面积比进+ k x P进+弹簧压力P出P进自由流动进出口压力设P进二，先导压力（开单向阀）=210/3+2=72%血先导压力（全开单向阀）=21

21、0/3+5.73=75.73 kg/cm 2（出口压强即为额定压力，21MPa=210kV ）.- cm 24. 弹簧的设计计算液压阀以采用圆柱形螺旋压缩弹簧居多，这里根据圆柱螺旋压缩弹簧的实际制造情辽宁工程技术大学课程设计况，设计与计算液控单向阀所用的弹簧。在液压阀的设计与计算方法中已经指出：为 了保证液压阀所给定的技术性能指标，必须设计出符合液压阀的动作和性能要求的弹 簧。因为在阀的静态特性方程中常包含着弹簧刚度、预压缩量、以及工作行程这些量， 所以在弹簧设计时必须给以保证。在液压阀的设计中，对弹簧常有如下要求：(1) 弹簧的外径要考虑到阀的结构布置；(2) 弹簧的工作行程要适应阀的开口量

22、；(3) 弹簧刚度和预压缩量要满足平衡方程的要求；(4) 弹簧的最小工作负荷和最大工作负荷要适应阀的动作要求；4.1弹簧的参数设定弹簧，线径？ 0.69mm，中径？ 5.31mm，自由长11，有效圈数6,预压缩3，刚度 2.5N/mm已知：开启压强P=0.2MPa 有效面积A=37.06mm2由阀体计算面积时得到弹簧预紧力 F = Px A = 0.2MPa x 37.06mm2 = 2x 105Pa x 3.7 x 10-5m2 = 7.4N假设预压缩量是3mm。刚度二预紧力/预压缩量 刚度:P = F3 = 7.4,3 = UN,mm假定，有效圈数n=6Gd 4由P =8 x D 3 x

23、nG为弹性模量=80000 N/.- mm2d线径 D中经二外径-线径二6-d P = 2.580000x d 4P= Gd 48 x D3 x n 8 x (6 - d)3 x 6=2.5 Nmm * = 0*69mmD=6-0.69=5.31mm4.2弹簧的材料选择外弹簧材料切应力匚=K D由3K(曲度系数) = (4C-1)/(4c-4)+0.615/c由线径d=0.69查表知C=512C=D/d=5.31/0.69=7.69K(曲度系数) = (4C-1)/(4c-4)+0.615/c=1.192材料切应力：匚=K 8 D =1.192 x 8 x31 =49.09 N/ nd33.1

24、4x 0.693/ mm24.3弹簧的变形量和节距弹簧变形量：F = 8 眼=8 X5.313 X 6 = 0.396N Gd 480000 x 0.694弹簧节距： t=0.n弹簧，有效圈数n=6,弹簧端面结构型式：两端圈并紧并磨平，则支撑圈数n =12.52总圈数n = n + n =6+2=8.即n = n + 2。所以，自由高度H (mm) = nt + 1.5d)查表8取 H =11mmt = H 0T.5d = 11 1.5x0.69 = 1 66 n6根据弹簧材料工作选用阀门用GB 4357碳素弹簧钢丝。4.4弹簧的线径弹簧高径比b =生=11/5.31=2.075.3(两端固定

25、式弹簧，高径比 5.3则正确)D稳定性满足要求。辽宁工程技术大学课程设计4.5弹簧所需的刚度和圈数弹簧所需刚度按?=包 式计算8C 4 np = _GL = 8000 x531 = 253 Nr8C 4 n 8 X 7.694 x 6/mm弹簧的有效圈数n = Gd4F = GD = 80000x5.31 = 6 （圈）8D 3 P 8C 4 P 8 x 7.694 x 2.5即，弹簧的有效圈数n=6p = 2.5N/mm4.6弹簧刚度、变形量和负荷校核弹簧刚度由式,Gd4Gd480000 x 0.694 u n，p =计算 P = 2.5 N./8xD3 xn8xD3 xn8x5.313 x

26、6 mm基本与所需刚度错误！未找到引用源。相符。4.7试验负荷和试验负荷下的高度和变形量按III类负荷考虑，取图2中所示值d=0.69mm取试验切应力：错误！未找到引用源。最大试验切应力：,=1060 Nf .错误！未找到引用源。 mm 2由此未超过最大值。（实验符合Ps为测定弹簧特性时，弹簧允许承受的最大符由下式计算试验负荷：合）土14 x 爵93 x 1060 = 25.738 x 5.31兀d3P = TS 8 D得试验负荷切应力：2错误！未找到引用源。t =竺D = 1059.6兀d 34.8特征校核:F工作负荷下变形量Fs实验负荷下的变形量校核满足0.2Fs 0.2 满足 0.2 的

27、要求。/ F、/ 0.1724.9结构参数自由高度：H 0=11mm安装高度（工作高度）：错误！未找到引用源。工所负荷下的高度：Hs = H -=11 0.172 = 10.83mm压并高度：Hb二nd = 8x0.96 = 5.52mm螺旋角：错误！未找到引用源。符合推荐值5。7。4.10弹簧的工作图及技术要求弹簧的工作图（如图5-1）所示，当弹簧外径导向时，则标注D；当内径导向时， 则标注2。在图中还应标注重要尺寸的公差。因为在液压阀中弹簧对性能有很大的 影响，所以这些重要尺寸的公差应按一级精度要求选取。2、D和H0的不同精度等 级公差值见附表1和表2。F2=22Jff图4-1弹簧工作图弹

28、簧的技术要求应包含下列内容：（1）钢丝展开长度L=113mm；（外径=6，周长二18.84，共六圈二113）（2）旋向：左旋；（3）有效圈数：6圈；（4）总圈数：8圈；（5）热处理：回火；（6）表面处理：喷丸；4.11弹簧的数据弹簧的计算数据如下表:表4-1计算数据序号参数名称代号数据单位1旋绕比C7.692曲度系数K1.1923中径D5.31mm4压并高度Hb5.52mm5试验负荷下的高度Hs10.83mm6材料直径d0.69mm7有效圈数n68总圈数ni89自由高度H 011mm10刚度P2.5Njmm5阀体及活塞顶杆的厚度与校核5.1阀体壁厚计算校核当阀体壁厚错误！未找到引用源。与内径D

29、比值小于0.1时，称为薄壁阀体， 壁厚按材料力学薄壁公式计算：-pFD（ &=&）式2n（6-1）式中p液压阀最大工作压力；错误！未找到引用源。一一阀体材料的抗拉强度极限；n安全系数，一般取n=5;错误！未找到引用源。活塞杆材料的许用应力。式（6-2）当阀体壁厚错误！未找到引用源。与内径D比值大于0.1时，称为厚壁阀体， 壁厚按材料力学第二强度理论计算：o 1-u（o 2+。3） W 。阀体壁厚由此确定错误！未找到引用源。，错误！未找到引用源。经测量阀体最薄壁厚符合要求。5.2活塞顶杆稳定性验算活塞杆受轴向压力作用时，有可能产生弯曲，当此轴向力达到零界值匕时，会出 现压杆不稳定现象，零界值匕的

30、大小与活塞杆长度和直径，以及缸的安装方式等因素 有关。只有当活塞杆计算长度/ I0d时，才进行活塞杆的纵向稳定性计算。当细长比 错误！未找到引用源。20时，缸具有足够的稳定性，不必校核。课程设计是一种综合性较强的专业实践环节，它的知识面宽、学科广、综合性强， 通过这次设计，我巩固了以前学过的知识，提高了查阅资料能力，使我更加认识到毕辽宁工程技术大学课程设计业设计的重要性，从而提高了我理论联系实际的设计能力和动手能力。为我即将走向 工作岗位打下了一定的基础。本次设计，在查阅了相关文献后，我设计了双向液控单向阀。通过这次设计， 我尝到了许多的东西。首先对于CAXA的应用更加熟练；其次，通过液压设计

31、我对 于液压设计的流程基本上熟悉。能较正确的选用当中的标准件。这次设计是对以前所 学的专业知识的一次综合性的实践。涉及到机械制图、机械设计、弹簧设计、互换性 以及CAXA各个方面的内容。设计过程中按照任务书的要求和目的，循序渐进，力求数据准确，结构合理。 参考了许多文献资料。由于本人水平有限，探索经验不足，能力还有缺陷，在张老师悉心指导下，努 力完成了工作，因此十分感谢。参考文献1 李壮云.液压元件与系统北京:机械工业出版社.2 圆柱螺旋弹簧设计计算手册国家技术监督局3 中国机械工业标准汇编（液压 气动卷）中国标准出版社.4 成大先.机械设计手册S.北京:化学工业出版社.2004.15 教育部高等教育司等编高等学校毕业设计（论文）指导手册。6 姜继海.液压与气压传动（第2版）北京：高等教育出版社，2010.117 王智明.王春行.液压传动概论.北京：机械工业出版社，20028 孙靖民.梁迎春.机械优化设计.北京：机械工业出版社，2006.129 徐元昌.流体传动与控制.同济大学出版社，2010.310 王宗荣.工程图学M.北京.机械工业出版社.2001.911 周开勤.机械零件手册S.北京:高等教育出版社