带位移电反馈的二级电液比例节流阀设计

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1、毕业设计(论文)带位移电反馈的二级电液比例节流阀设计 The design of two stage electro-hydraulic proportional throttle valve with displacement electricity feedback学生姓名学院名称机电工程学院专业名称机械设计制造及其自动化指导教师 徐州工程学院毕业设计(论文)徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的

2、个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期：

3、年 月 日I摘要电液比例技术发展迅猛，以其控制精度较高、结构简单、成本合理等优点在工业生产中获得了越来越来广泛的应用，它的发展程度也可从一个侧面反映一个国家液压工业技术的水平，因而日益受到各国工业界的重视。本设计的课题是二级电液比例节流阀。在对该阀各部分的结构、原理及性能参数进行详细分析的基础上，完成了功率级为二通插装阀，先导级为电液比例三通减压溢流阀，通径为34mm，最大流量为480L/min，进油口额定工作压力为33.5MPa，出油口额定工作压力为30.5MPa的电液比例节流阀的结构设计与参数设计。利用UG进行运动仿真实验，使设计更加的合理。关键词 电液比例节流阀；比例电磁铁；插装阀；减压

4、溢流阀；UG运动仿真AbstractThe 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 ref

5、lect 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

6、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 stag

7、e 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 reasonabl

8、eKeywords Electro-hydraulic proportional throttle valve Cartridge valves Proportion electro-magnet ratio electromagnet pressure overflow valve UG movement simulation徐州工程学院毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 背景及意义11.1.1电液比例阀的发展阶段11.1.2电液比例技术在我国的发展状况11.1.3电液比例技术在国外发展境况21.2 电液比例阀的特点与分类21.3 设计参数42 流量阀控制流量的

9、一般原理52.1 流量控制的基本原理52.2 流量阀的控制方式52.3 本设计中节流阀的参数52.4 主阀阀芯节流口形式确定63 比例节流阀结构设计73.1 插装阀介绍73.1.1 插装阀的组成73.1.2 插装阀的优点73.2 控制盖板的设计83.3 插装式主阀设计93.3.1 主阀阀套的设计93.3.2 主阀阀芯的设计113.3.3 插装式主阀面积比的确定123.3.4 主阀阀芯的受力分析133.4 先导阀设计173.4.1 减压阀的分类173.4.2 减压阀的工作原理183.4.3 先导阀阀芯详细受力分析203.4.4 先导阀溢流部分的设计233.4.5 先导阀的连接方式243.5 弹簧

10、的选用243.5.1 主阀弹簧参数的确定243.5.2 先导阀弹簧参数的确定253.6 公差与配合的确定253.7 比例放大器263.7.1 比例放大器的分类263.7.2 电液比例控制元件对比例放大器的要求273.7.3比例放大器的基本控制电路273.8 比例电磁铁283.8.1 电- 机械转换器分类283.8.2 比例电磁铁293.8.3 比例电磁铁的分类293.8.4 比例电磁铁应满足的要求303.8.5 比例电磁铁的位移力和电流力特性303.8.6 比例电磁铁位移力特性的实现原理313.9 结构设计小结314 节流阀工作总原理分析及其性能参数指标324.1原理分析324.2 静态性能指

11、标334.3 动态性能指标345电液比例控制系统355.1 反馈的概念355.2 闭环控制与开环控制355.3 电液比例控制系统的组成365.4 电液比例控制系统的特点375.5 比例控制系统的分类375.6 比例控制系统的发展趋势385.7 小结386 利用UG进行运动仿真39结论43致谢44参考文献45451 绪论1.1 背景及意义1.1.1电液比例阀的发展阶段比例控制技术产生于20世纪60年代末，那时的电液伺服技术已日趋完善，由于伺服阀的快速响应及较高的控制精度，以及明显的技术优势，伺服阀迅速在高精度、快速响应的领域中，如航天、航空、轧钢设备及实验设备等中取代了传统的机电控制方式。但由于

12、电液伺服阀成本高、应用和维护条件苛刻，难以被工业界接受。在很多工业应用场合并不要求太高的控制精度或响应性，而要求发展一种廉价、节能、维护方便、适应大功率控制及具有一定控制精度的控制技术。这种需求导致了比例技术的诞生并促进了其发展。而现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠而廉价的检测、校正技术。1967年瑞士Beringer公司生产的KL比例复合阀标志着比例控制技术在液压系统中应用的正式开始，主要是将比例型的电- 机械转换器(比例电磁铁) 应用于工业液压阀。比例技术的发展大致可分为以下三个阶段： (1)从1967年瑞士Beringer公司生产Kl比例复合阀起，到70年代初日本油研公司申请

13、了压力和流量两项比例阀专利为止，标志着比例技术的诞生时期即第一阶段。(2) 1975年到1980年间，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟。可以认为比例技术的发展进入了第二阶段。(3) 80年代，比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈、动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。比例技术的发展进入了第三阶段。电液比例阀是以传统的工业用液压控制阀为基础，采用模拟式电气-机械转换装置将电信号转换为位移信号，连续地控制液压系统中工作介质的压力、方向或流量的一种液压元件。此种阀工作时，阀内电气-机械转换

14、装置根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出。阀芯位移可以以机械、液压或电的形式进行反馈。1.1.2电液比例技术在我国的发展状况我国电液伺服技术始于上世纪六十年代，到七十年代有了实际应用产品，目前约有年产能力2000台；电液比例技术到七十年代中期开始发展，现有几十种品种、规格的产品，约形成有年产能力5000台。但是总的来看，我国电液伺服比例技术与国际水平比有较大差距，主要表现在：缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，并缺乏足够的工业性试验研究，性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差，以及存在二次配套件的问题等

15、，都有碍于该项技术进一步地扩大应用。基于以上所述，本设计将对电液比例阀中的一类二级电液比例节流阀进行设计。该阀的功率级为二通插装阀，先导级为电液比例三通减压溢流阀。1.1.3电液比例技术在国外发展境况在国外，近年来比例阀出现了复合化的趋势，很大地提高了比例阀(电反馈) 的工作频宽。所以在基础阀的基础上，其他一些国家发展出了先导式电反馈比例方向阀系列，它与定差减压阀或溢流阀的压力补偿功能块进行组合，构成电反馈比例方向流量复合阀，可进一步取得与负载协调和节能效果。随着微电子技术和数学理论的发展，国外比例阀技术已达到比较完善的程度，已形成完整的产品品种、规格系列，并对已成熟的产品进一步扩大应用，在保

16、持原基本性能与技术指标的前提下，向着简化结构、提高可靠性、降低制造成本及“四化”（通用化、模块化、组合化、集成化）的方向发展，以实现规模经济生产，降低制造成本。由此可见我国的电液比例技术与国际上海存在着很大的差距，我国的科技人员还要继续努力才能不被国际市场淘汰。1.2 电液比例阀的特点与分类比例阀把电的快速性、灵活性等优点与液压传动力量大的优点结合起来，能连续地、按比例地控制液压系统中执行元件运动的力、速度和方向，简化了系统，减少了元件的使用量，并能有效的防止在压力或速度变换时产生冲击现象。比例阀主要用在没有反馈的回路中，对有些场合，如进行位置控制或需要提高系统的性能时，电液比例阀也可作为信号

17、转换器与放大元件组成闭环控制系统。比例阀与开关阀相比，比例阀可以简单地对油液压力、流量和方向进行远距离的自动连续控制或程序控制，而且响应快, 工作平稳，自动化程度高，容易实现编程控制，控制精度高，能大大提高液压系统的控制水平。与伺服阀相比，电液比例阀虽然动静态性能差些，但使用元件较少，结构简单，制造比电液伺服阀容易，价格低，效率也比伺服阀高(伺服控制系统的负载压力仅为供油压力的23)，系统的节能效果好，但使用条件、保养和维护与一般液压阀相同，可以大大地减少由污染而造成的工作故障，从而提高了液压系统的工作稳定性和可靠性。比例控制元件的种类繁多，性能各异，有多种不同的分类方法。(1) 按液压放大级

18、的级数来分，又可分为直动式和先导式。直动式是由电一机械转换元件直接推动液压功率级。由于受电一机械转换元件的输出力的限制，直动式比例阀能控制的功率有限，一般控制流量都在15L/min以下。先导控制式比例阀由直动式比例阀与能输出较大功率的主阀级构成。前者称为先导阀或先导级，后者称主阀功率放大级。根据功率输出的需要，它可以是二级或三级的比例阀。二级比例阀可以控制的流量通常500L/min以下。比例插装阀可以控制的流量达1600L/min.(2) 按其控制功能来分类，可分为比例压力控制阀，比例流量控制阀、比例方向阀（比例方向流量阀）和比例复合阀。前两者为单参数控制阀，后两种为多参数控制阀。比例方向阀能

19、同时控制流体运动的方向和流量，是一种两参数控制阀。还有一种被称作比例压力流量阀的两参数控制阀，能同时对压力和流量进行比例控制。有些复合阀能对单个执行器或多个执行器实现压力、流量和方向的同时控制。(3) 按比例控制阀的内含的级间反馈参数或反馈物理量的形式来分可分为带反馈或不带反馈型。不带反馈型一类，是从开关式或定值控制型的传统阀上加以改进，用比例电磁铁代替手轮调节部分而成；带反馈型一类，是借鉴伺服阀的各种反馈控制发展起来的。它保留了伺服阀的控制部分，降低了液压部分的精度要求，或对液压部分重新设计而构成。因此，有时也被称作廉价伺服阀。反馈型又分为流量反馈、位移反馈和力反馈。也可以把上述量转换成相应

20、的其它量或电量再进行级间反馈，又可构成多种形式的反馈型比例阀。例如，有流量一位移一力反馈、位移电反馈、流量电反馈等。凡带有电反馈的比例阀，控制它的电控器需要带能对反馈电信号进行放大和处理的附加电子电路。(4) 按比例阀主阀芯的型式来分，又可分为滑阀式和插装式。滑阀式是在传统的三类阀的基础上发展起来的；而插装式是在二通或三通插装元件的基础上，配以适当的比例先导控制级和级间反馈联系组合而成。由于它具有动态性能良好，集成化程度高，流通量大等优点，是一种很有发展前途的比例元件。(5) 按其生产过程还可分为两类：一类是在电液伺服阀的基础上简化结构、降低制造精度，从而以低频宽和低静态指标换得成本的低廉，用

21、于对频宽和控制精度要求不高的场合。另一类是在传统的液压阀基础上，配上廉价的螺管式比例电磁铁进行控制。1.2.1 比例流量阀分类(参见文献1 443-445页) 比例流量阀是一种输出流量与输入信号成比例的液压阀，这类阀可以按给定的输入电信号连续的、按比例的控制液流的流量。(1) 电液比例节流阀 电液比例节流阀属于节流控制功能阀类，其通过流量与节流口开度大小有关，同时受到节流口前后压差的影响；(2) 调速阀 一般由电液比例节流阀加压力补偿器或流量反馈元件组成。压力补偿器使节流口两端的压差基本保持为常值，使通过调速阀的流量只取决于节流口的开度，属于流量控制功能阀类。(3) 电液比例流量压力复合控制阀

22、将电液比例压力阀和电液比例流量阀复合在一个控制阀中，构成了一个专用阀，也称为PQ阀，在塑机控制系统中得到广泛应用。本设计将要设计的是上述分类中的第一类电液比例节流阀。1.2.2 电液比例节流阀的分类(1) 直动式电液比例节流阀（详细介绍参见文献1348-352页）a.普通型直动式电液比例节流阀力控制型比例电磁铁直接驱动节流阀阀芯，阀芯相对于阀体的轴向位移与比例电磁铁的输入电信号成比例。此种阀结构简单、价廉。滑阀机能有常开式、常闭式，但由于没有压力或其他检测补偿措施，工作时受摩擦力及液动力的影响以致控制精度不高，适宜低压小流量系统采用。b.位移电反馈型直动式电液比例节流阀与普通型直动式电液比例节

23、流阀的差别在于增设了位移传感器，用于检测阀芯的位移。通过检测阀芯的位移，通过电反馈闭环消除干扰力的影响，以得到较高的控制精度。此种阀结构更加紧凑，但由于比例电磁铁的功率有限，所以此种阀主要用于小流量系统的控制。(2) 先导式电液比例节流阀有位移力反馈型、位移电反馈型及位移流量反馈型和三级控制型等多种形式。a.位移力反馈型先导式电液比例节流阀 整个阀的基本工作特征是利用主阀芯位移力反馈和级间（功率级和先导级间）动压反馈原理实现控制。位移力反馈型先导式电液比例节流阀结构简单紧凑，主阀行程不受电磁铁位移的限制，但由于也未进行压力检测补偿反馈，所以其通过流量仍与阀口压差相关。b.位移电反馈型先导式电液

24、比例节流阀 由带位移传感器的插装式主阀与三通先导比例减压阀组成。本设计将要设计的就是这一类阀。c.三级控制型大流量电反馈电液比例节流阀 对于34通径以上的比例节流阀，为了保持在一定的动态响应、较好的稳态精度，可采用三级控制方案，即通过经二级液压放大的液压信号，再去控制递三级阀芯的位移（详见文献2350页）。1.3 设计参数（1）节流阀额定进口压力为33.5MPa；（2）额定出口压力为30.5MPa.；（3）通径34mm；（4）最大流量480L/min；（5）静密封可靠使用压力35MPa，动密封可靠使用压力10MPa。2 流量阀控制流量的一般原理本次设计的阀是电液比例节流阀，最终控制的是液压系统

25、中的流量，即实现节流，故下面将对流量控制的基本原理进行阐述。2.1 流量控制的基本原理控制原理通过查文献的102页，得以下这个公式： 式（2-1）式中： 流量阀控制的流量； 与节流口形状、油液密度和和油温相关的系数，具体数值应该由实验得出。在一定的温度下，对于确定的阀口和工作介质，可视为常数； 为节流口的通流截面积，与阀口的形状与阀芯位移有关； 节流口前后的压差； 由节流口形状决定的节流阀参数，其值在0.51.0之间，应由实验求得。由式(2-1)可知，通过节流阀的流量是和节流口前后的压差、油温以及节流口的形状等因素密切有关的。2.2 流量阀的控制方式(1) 节流控制如式(2-1)中，C为常数，

26、因此一般不能对它进行调节，而控制来调节流量很不方便，一般只能通过调节的办法来控制流量。当只调节来控制流量时就是所谓的节流控制。在这种方式下，当节流阀的通流截面积调整以后，在实际使用时由于负载及其他不稳定的因素的存在，节流口前后的压差也在变化，就会干扰节流阀通流，使流量不稳定。式中越大，的变化对的影响也就越大。一般来说节流口为薄壁孔时0.5，细长孔时1。故为了增大流量控制准确性，减小对的影响，本设计中的节流口采用薄壁孔形式。(2) 调速控制在要求较高的场合，采用减压阀来保持节流口前后的压力差恒定。由于不会有不稳定的压差对流量造成影响，因而流量将与通流截面积成较好的线性关系，这就是所谓的流量控制或

27、调速控制，相应的阀称为调速阀。2.3 本设计中节流阀的参数由于本设计中节流阀的节流口采用薄壁孔的形式，故式（2-1）中为0.5，因而式（2-1）变为下式： 式(2-2)本设计拟定调节的方法是将阀芯置于阀套之中，阀芯圆周上开有一定面积梯度的沟槽，移动阀芯将得到不同的，进而将得到不同的流量，这也是本设计中节流主阀实现节流功能的基本原理。2.4 主阀阀芯节流口形式确定节流口的形式及其特性在很大程度上决定着流量控制阀的性能。是流量阀的关键部位，几种常用节流口形式为（参见文献4109页）:(1) 针阀式节流口 针阀做轴向移动时，调节了环形通道的大小，由此改变了流量。这种结构加工简单，但节流口长度大，水力

28、半径小，易堵塞，流量受油温影响较大。一般用于对性能要求不高的场合。(2) 偏心式节流口 在阀芯上开一个截面为三角形（或矩形）的偏心槽。当转动阀芯时，就可以改变通道大小，由此调节流量。这种节流口的性能与针阀式节流口相同，但容易制造。其缺点是阀芯上的径向力不平衡，旋转阀芯时较费力，一般用于压力较低、流量较大和流量稳定性要求不高的场合。(3) 轴向三角槽式节流口 在阀芯端部开有一个或两个斜三角槽,轴向移动阀芯就可以改变三角槽通流面积从而调节流量。在高压阀中有时在轴端铣两个斜面来实现节流。这种节流口水力半径较大。(4) 缝隙式节流口 阀芯上开有狭缝，油液可以通过狭缝流入阀芯内孔，从旁侧的孔流出。旋转阀

29、芯可以改变缝隙的通流面积大小。这种节流口可以做成薄刃结构，从而获得较小的流量，但是阀芯受径向不平衡力作用，故只在低压节流阀中采用。(5) 轴向缝隙式节流口 在套筒上开有轴向缝隙，轴向移动阀芯就可改变缝隙的通流面积大小。这种节流口可以做成单薄刃或双薄刃式结构，流量对温度不敏感。在小流量时水力半径大，故小流量时稳定性好，可用于性能要求较高的场合，但节流口在高压下易变形，使用时应改变结构刚度。本设计中阀的设计要求为通径34mm，属于大流量应用场合，且流量控制精度要求较高，故针阀式节流口不适用；该阀拟定工作压力为33.5MPa，属于高压应用场合，因此缝隙式节流口和轴向缝隙式节流口这两种只适合在低压的情

30、况下的节流口不适合；由于阀芯运动形式为轴向运动，故需要转动阀芯才能可以改变通道大小，并以此调节流量的偏心式节流口不适合。因此，本设计中节流口最终确定采用轴向三角槽式节流口。3 比例节流阀结构设计由于电液比例节流阀的设计参数要满足的要求为：电液比例节流阀通径34mm，最大流量480L/min,因此该阀属于高压大流量阀，而工业上插装阀以其通流能力大、密封性能好、组装灵活等特点，已取代滑阀式结构成为该领域内的主导控制阀品种。因此，在本设计中节流阀的主阀采用插装式结构。3.1 插装阀介绍插装阀的主要产品是二通盖板式插装阀，它是在20世纪70年代，根据各类控制阀阀口在功能上或是固定、或是可调、或是可控液

31、阻的原理，发展起来的一类覆盖压力、流量、方向以及比例控制等的新型控制阀类。插装阀的基本构件为标准化、通用化、模块化程度很高的插装式阀芯、阀套、插装孔和适应各种控制功能的盖板组件，具有涌流能力大、液阻小、密封性好、响应快及控制自动化等优点。由于插装阀是一种标准化的阀，所以阀的一些关键尺寸必须符合相关规定。在我国，插装阀必须符合GB2877-81二通插装阀安装尺寸。3.1.1 插装阀的组成一般由插装主阀、控制盖板、通道块三部分组成。插装主阀由阀套、弹簧、阀芯（一般为锥阀芯）及相关密封件组成，可以看成是两级阀的主级，有多种面积比和弹簧刚度，主要功能是控制主油路中油流方向、压力和流量；控制盖板上根据插

32、装阀的不同控制功能，安装有相应的先导控制级元件；通道块既是插入元件及安装控制盖板的基础阀体，又是主油路和控制油路的连通体。3.1.2 插装阀的优点(1) 插装阀有一个重要优点即标准化程度高，系统设计运用灵活。将一个或若干个插装元件进行不同组合，并配以相应的先导控制级，就可以组成方向控制、压力控制、流量控制或复合控制等控制单元，内阻小，适宜大流量工作；(2) 由于实现了液压装置紧凑集成化，可大幅度地缩小安装空间与占地面积，与常规的液压装置相比结构更简单，且成本降低而可靠性提高，工作效率也相应提高；(3) 有良好的响应性，能实现高速转换；(4) 由于是阀座式结构，内部泄漏非常小，没有卡死现象。插装

33、阀被直接装入集成块的内腔中，所以减少了漏油、振动、噪声和配管引起的故障，提高了可靠性； (5) 对于乳化液等低粘度的工作介质也适宜，污染耐受力比滑阀式结构更大。3.2 控制盖板的设计控制盖板是整个阀各个元件的承载体，其上装有插装式主阀、先导阀、位移传感器及比例电磁铁。因为插装阀的各安装尺寸都已经标准化，各尺寸需查表按标准化尺寸来定；控制盖板的各部分尺寸如下：图3-1 控制盖板查文献第11章“二通插装阀的安装连接尺寸”一节，查得公称通径为34mm的二通插装阀控制盖板相关尺寸如下： b1102mm，b2=102mm, b363mm，d1=60mm, m1=70mm, m2=70mm, m3=35m

34、m, m4=35mm。由于控制盖板右侧将安装先导阀，故将b1延长为122，将其中的m4延长为50。本设计中，控制盖板将用四个紧固螺钉固定在通道块上，此四个紧固螺钉为圆柱头内六角螺钉，其公称直径根据阀的要求选用M16。查文献6第二章螺纹连接中表紧固件的通孔及沉孔尺寸，确定控制盖板上四个内六角螺钉的安装孔的尺寸为：d2=26mm，d3=20mm, d4=17mm, t=10.5mm。本设计中控制盖板中有三条油液通道，第一条为主阀控制腔至先导阀K口的孔道，第二条为X口至先导阀的I口的孔道，第三条为先导阀的O口至Y口的孔道，由于此三条均为先导控制油通道，通过流量不会很大，故直径不需要太大，但太小可能会

35、容易堵塞，且流道太小也难以加工出来。故最终拟定三条通道直径均采用3mm,且建议加工时可采用电火花加工出来。综合以上所述，确定控制盖板相关尺寸如下：图3-2 控制盖板尺寸3.3 插装式主阀设计插装式主阀由主阀阀套、阀芯、主阀弹簧及相关密封件组成。3.3.1 主阀阀套的设计该阀套头部插装入控制盖板中，下部装入通道块中。由于插装阀的一些尺寸已经标准化，因而主阀阀套的外部尺寸必须符合标准。在我国，插装阀必须符合GB2877-81二通插装阀安装尺寸。主阀阀套的各尺寸如下：图3-3 主阀阀套的尺寸示意图本次毕业设计的要求为通径34mm，最大流量480L/min，主阀芯带位移电反馈型先导控制， 故尺寸d2为

36、34mm。查文献5第11章“二通插装阀的安装连接尺寸”一节，查得公称通径为34mm的二通插装阀控制盖板尺寸如下：d1=45, t1=12.5, t2=85, d3=60由于主阀阀套头部插装入控制盖板中，下部装入通道块中，因此如何防止油液的内、外泄漏，减小在阀上的能量损失，提高阀的效率，对液压阀来说是很重要的问题。因此密封件的选用是很重要的。密封件有多种，如油封毡圈、骨架式旋转轴唇形密封圈、O形橡胶密封圈等。一般对密封件的主要要求是：(1) 有相对运动时，因密封件所引起的摩擦力应尽量小，摩擦系数应尽量稳定；(2) 在一定的压力、温度范围内具有良好的密封性能；(3) 耐腐蚀、耐磨性好，不易老化，工

37、作寿命长，磨损后能在一定程度上自动补偿；(4) 结构简单，装拆方便，成本低廉。根据上述要求，选用 o形橡胶密封圈做为阀体中的密封件。o形橡胶密封圈具有结构简单、密封性能好、寿命长、摩擦阻力较小、成本低，既可以作静密封，也可作为动密封使用。在一般情况下，静密封可靠使用压力可达35MPa，动密封可靠使用压力可达10MPa，当合理采用密封挡圈或其它组合形式，可靠压力将成倍提高。因此在本设计中阀套与控制盖板、阀套与通道块之间的密封都采用o形橡胶密封圈。查文献 第八章液压辅件，确定o形橡胶密封圈的型号及其安装尺寸。综合以上所述，得到阀套的尺寸如下：图3-4 主阀阀套尺寸3.3.2 主阀阀芯的设计 主阀阀

38、芯为锥阀，顶端带有轴向三角槽式节流口，上部有装主阀弹簧的孔，中心具有连接位移传感器的螺孔，与位移传感器的检测杆相连。按上述要求初步拟定的主阀阀芯的示意图如下：图3-5主阀阀芯结构图3.3.3 插装式主阀面积比的确定如图3-6，插装阀中有三个面积会影响阀芯在阀套中的开启及关闭，即、。其中、分别为阀芯主油口A口和B口处的面积，为控制腔C腔的面积，很明显有 = + 式（3-1）面积比是指阀芯处于关闭状态时，、分别与的比值/和/，它们表示了三个面积之间数值上的关系，通常定义为面积比/。锥阀中，面积比大体分为A(1:1.2)、B(1:1.5)、C(1:1.0)、D(1:1.07)、E(1:2.0)等类型

39、。在本阀中的面积比选用类型A，即1:1.2，由于本设计的要求是通径为34，此处即面积的直径为34，因此口的半径为17。图3-6 插装阀面积比的示意图令控制腔的半径为，则由面积比的公式得m m所以=907.462=0.2×=0.2×907.46=181.4922754.74523.3.4 主阀阀芯的受力分析首先在主阀关闭时对主阀阀芯进行静力分析。本设计中主阀采用两种通流方式： 正向通流（AB通流）：节流阀的总进油口接A口，总出油口接B口，油液从A口流向B口； 反向通流(BA通流)：节流阀的总进油口接B口，总出油口接A口，油液从B口流向A口。 在正向通流即AB通流且阀芯关闭时，

40、对阀芯进行受力分析如下：往上的力 往下的力 其中： 节流阀进油口处的工作压力；A口的面积；节流阀出油口处的工作压力；B口的面积；阀芯受阀座向上的反力；控制腔油液的压力；主阀阀芯自重；在主阀阀芯关闭时，弹簧的预紧力建立主阀阀芯关闭时的静力平衡方程如下：即 式(3-2)而当阀芯处于关闭状态时，必有大于或等于0，忽略阀芯自重， ()() 0 式(3-3) 式(3-4) 这正是要使主阀关闭，控制腔压力必须满足的条件。代入参数：本毕业设计的设计要求为节流阀额定进口压力为33.5MPa，额定出口压力为30.5MPa.,压差为3MPa, 即为33.5MPa，为30.5MPa。由文献6 初步拟定主阀弹簧选择刚

41、度为362N/mm的弹簧，并拟定其预压缩量为20mm，那么主阀弹簧的预紧力 ××20mm7240N 式(3-5) 将上述参数代入式 (3-4)中，得 由上式可知，必须大于38MPa，主阀阀芯才能关闭，或者说38MPa正是主阀阀芯的临界关闭压力。在反向流通即BA通流且阀芯关闭时，对阀芯进行受力分析如下： 往上的力 往下的力 建立主阀阀芯关闭时静力平衡方程： 即 式(3-6)忽略阀芯自重，要使主阀阀芯关闭得：()() 0 式(3-7)上式是反向通流下,主阀要关闭控制腔必须满足的条件。将参数代入得： 可见在反向通流情况下，主阀阀芯关闭的临界压力为35.1MPa。主阀阀芯开启时的动

42、力分析设阀芯质量为，为阀芯位移随时间变化的函数，其方向的正向为阀芯向上运动方向，起点为主阀芯关闭时的位置。在正向通流情况下，建立阀芯运动方程如下： 式(3-8)式中： 主阀弹簧对阀芯施加的压力； 为阀芯所受到的稳态液动力，是阀芯移动完毕，开口固定之后，液流通过阀口时因动量变化而作用在阀芯上的力； 阀芯受到的摩擦力； 弹簧力的计算公式如下： 式(3-9)式中为主阀弹簧预紧力，为主阀弹簧刚度，为主阀阀芯相对于关闭时的位移。在工作状态下，阀芯一般处于平衡位置。很明显此时有阀芯加速度 为0。由于稳态液动力与阀芯所受其他力相比之下较小，因此将其忽略。同样，忽略阀芯自重及阀芯运动过程中的摩擦力，则式(3-

43、9)可简化为下式： 式(3-10)转化为 式(3-11)这就是正向通流情况下主阀节流口开度的决定公式。由该公式可见，如果在额定工作状况下，进、出油口工作压力、 等都是固定的，则节流口开度将主要决定于控制腔压力。也可以将上式这样转化: 式(3-12)由上式可见与成线性关系，比例系数为。 将各常数值代入式(3-12)中，得: 2.08479.3mm式(3-13)上式说明，若增大，则阀芯将向下运动，阀芯开度将减小；若减小，阀芯将向上运动，则阀芯开度将增大。在反向通流情况下，阀芯运动方程将变为： 式(3-14)简化如下： 式(3-15)所以 式(3-16) 这就是在反向通流情况下，主阀节流口开度的决定

44、公式，此公式也可转化为： 式(3-17)将各常数值代入，得2.08473.4mm 式(3-18) 主阀阀芯开度增量表达式 在正向通流情况下，由式(3-11)得阀芯开度增量： = = 式(3-19) 代入参数得： 2.084 式(3-20) 上式的数学含义为：当控制腔的压力增量为时，对应的阀芯开度增量将为或2.084。 将上式中自变量与变量调位，转化为： 式(3-21) 代入参数: 0.48 式(3-22) 上式的数学含义为：在A-B通流情况下，当阀芯开度增量为时，对应的控制腔的压力增量为或0.48。在反向通流情况下，阀芯开度增量： 式(3-23)可见在反向通流情况下的阀芯开度增量公式与AB通流

45、情况下是一样的。3.4 先导阀设计由第三章分析可知，节流阀的流量应由控制主阀阀芯的开度来实现，而要控制主阀阀芯的开度，则必须调节控制腔的压力，在已学过的知识中，减压阀可完成此功能，油液流经液压系统中的减压阀后，压力降低，并在减压阀调定的压力上保持基本恒定。故本阀将采用减压阀来作为节流阀的先导阀。因此，以下将深入的分析减压阀的工作原理，并在此基础上进行设计。3.4.1 减压阀的分类(1) 用于减小液压系统中某一支路的压力，并使其保持恒定。例如，液压系统的夹紧、控制润滑等回路。这类减压阀因其二次回路（出口压力）基本恒定，称为定值减压阀。(2) 有的减压阀其一次压力（进口压力）与二次压力之差能保持恒

46、定，可与其它阀于节流阀组成调速阀等复合阀，实现节流口两端的压力补偿及输出流量的恒定，此类阀称之为定差减压阀。(3) 还有的减压阀的二次压力与一次压力成固定比例，此类阀称之为定比例减压阀。由上述可知，本毕业设计中先导阀应采用定值减压阀。3.4.2 减压阀的工作原理图3-7 直动式减压阀工作原理示意图上图所示为直动式定值减压阀的结构图，由图可以看出，阀上开有三个油口：一次压力油口（进油腔）P1、二次压力油口P2（出油腔，下同）和外泄油口K。来自液压泵或高压油路的一次压力油从P1腔，经阀芯（滑阀）3的下端圆柱台肩与阀孔间形成常开阀口（开度X），从二次油腔P2流向低压支路，同时通过流道a反馈在阀芯（滑

47、阀）底部面积上产生一个向上的液压作用力，该力与调压弹簧的预调力相比较。当二次压力未达到阀的设定压力时，阀芯上移，开度X减小实现减压，以维持二次压力恒定，不随一次压力变化而变化，该力与调压弹簧的预调力相比较以对阀芯进行控制。当出口压力未达到调定压力时，阀口全开，阀芯不工作。当出口压力达到调定压力时，阀芯上移，阀口关小，整个阀就处于工作状态了。如忽略其它阻力，仅考虑阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的条件，则可以认为出口压力基本上维持在某一定植调定值上。这时如出口压力减小，阀芯下移，阀口开大，阀口处阻力减小，使出口压力回升到调定值上。反之，如出口压力增大，则阀芯上移，阀口关小，阀口处阻力加大，压降增大，

48、使出口压力下降到调定值上。由上述分析可知，减压阀的输出压力是由弹簧来调定的，即弹簧力越大，减压阀的输出压力也就越大。在本设计中可采用比例电磁铁的输出推力来替代弹簧力调定减压阀，即让减压阀的输出压力与比例电磁铁输出推力成比例关系。但是这样会导致一个问题，即当比例电磁铁输入电流为0时，则意味着减压阀的出口压力也为0，而在本阀中减压阀的出口连着控制腔，那样就意味着控制腔的压力也将会变为0 ，而由3.3.4节的分析可知，控制腔压力为0时，主阀阀芯的开度为最大。而液压阀在使用过程中，由许多难以预测的原因（如电网的断电，控制系统的故障及比例电磁铁自身电路故障等等）会导致比例电磁铁突然断电，而如果此时比例电

49、磁铁输出力为0，阀芯开度为最大。那这样将是很危险的，因为可能会导致一些难以预料的严重事故发生。因此在设计时应该使比例电磁铁断电即输出力为0时，主阀阀芯是关闭的，以避免意外情况的发生。为达到此目的，本设计中在减压阀阀芯的下方加了一个复位弹簧，并使此复位弹簧的力足够大，当比例电磁铁断电时，使控制腔的压力大到可以使主阀关闭。相应的结构图如下所示： 图3-8 先导阀示意图控制腔油液对先导阀阀芯的压力方向与比例电磁铁刚好相反，这样原来由比例电磁铁单独来控制先导阀阀芯的情形现在变为由比例电磁铁和先导阀复位弹簧共同控制。 本设计中先导阀全称应当称为电液比例三通减压溢流阀。在先导阀内部，当油液从X口流向K口时

50、为减压阀功能，当油液从K口从流向Y口时为溢流阀功能。该先导阀也可以看为一个三位三通滑阀式换向阀，其有上、中、下三个位置，有K、X、Y三个口。当阀芯处于中位时，三个通口全关闭；当阀芯处上位时， K口和X口相连；当阀芯处下位时， K口和Y口相连。下图为先导阀示意简图：图3-9 先导阀的示意简图控制腔的油压力由比例电磁铁的输出推力及先导阀弹簧共同决定，但由于先导阀弹簧的各参数如预紧力及刚度等是一定的，故控制腔的油压力最终决定于比例电磁铁的输出力设定值。当控制腔的油压力小于这个设定值时，由3.4.3 “减压阀详细受力分析”一节可知，先导阀阀芯将上移，控制腔与X口（X口与进油口相连）之间的通道被打开，高

51、压油液（主阀进油口的工作压力达到33.5MPa）从主阀进油口进入控制腔中，引起控制腔中油液压力升高，这样又会引起阀芯逐渐下移，阀口减小，当控制腔中油液压力最终回升到设定值时，控制腔与X口之间的通道也将被关闭，先导阀阀芯将回复到中位状态。当控制腔的油压力大于这个设定值时，先导阀芯将向下移，控制腔与Y口，即油箱（Y口与油箱相连）之间的通道打开，即溢流通道被打开，控制腔中油液流回到油箱中，控制腔中油液压力逐渐降低，阀芯逐渐上移，阀口减小，当控制腔中油液压力最终下降到设定值时，控制腔与进油口之间的通道也将被关闭，先导阀阀芯将回复到中位状态。上述就是三通比例减压溢流阀可以恒定控制腔油压力的原理。3.4.

52、3 先导阀阀芯详细受力分析下图为先导阀阀芯受力示意图：图3-10 先导阀阀芯受力示意图(1) 先导阀阀芯受力分析如前面的插装阀一样，建立先导阀阀芯的平衡方程如下： 式(3-24) 式中： 控制腔油液压力；阀芯上端面积，为控制腔油液对阀芯的压力；先导阀阀芯在移动过程中受到的稳态液动力；先导阀阀芯在移动过程中受到的摩擦力；先导阀阀芯所受比例电磁铁向下的推力；阀芯自重。忽略阀芯自重及阀芯移动过程中的摩擦力，将阀芯移动过程中稳态液动力也忽略，式（3-24）变为： 式(3-25)转化为 式(3-26)上式即控制腔压力的决定因素。式中的计算公式为： 式(3-27)其中，为处于中位时先导阀弹簧的预紧力，为先

53、导阀弹簧刚度，为先导阀阀芯相对于中位时的位移。由于先导阀阀芯相对于中位时的位移相对于先导阀弹簧的预压缩量较小，因此在不作精确计算时可将其忽略，故式(3-26)可化为： 式(3-28) 式(3-29)上式即为控制腔压力与比例电磁铁输出力的关系式。(2) 弹簧预紧力的确定如3.4.2节所述，比例电磁铁断电的时候主阀应当关闭，即此时比例阀应满足使主阀阀芯关闭的条件。由3.3.4节所述，要使主阀关闭，应满足 式(3-30)而此时=0,故 式(3-31)其中的半径为，在本阀中拟定为4mm =50.24 mm2 代入式(3-31)中,得38 =50.2438=1909.1 N 式(3-32)上式表明当比例

54、电磁铁输出力为0时，欲使主阀关闭，先导阀弹簧的预紧力必须大于1909.1N。而在本设计中，先导阀弹簧拟选择如下：弹簧簧丝直径=2.0 mm，弹簧中径D=10 mm，刚度=158 N/mm。所以 =12.08 mm 式(3-33)上式说明要使比例阀具断电保护功能，先导阀弹簧的预压缩量（此预压缩量是指先导阀阀芯处中位时，先导阀弹簧的预压缩量）必须大于12.08mm，实际应用时为保有一定保险系数，复位弹簧的预紧力应高于此值，故在本设计中采用14mm的预压缩量。所以，先导阀阀芯处于中位时，先导阀弹簧的预紧力为：N计算出先导阀的弹簧的预紧力后，将其与代入式(3-29)得：(3) 先导阀调定压力的增量表达

55、式 由式(3-28)得控制腔压力增量： 式(3-34) 代入参数得： 式(3-35)上式的数学含义为比例电磁铁增量为时，对应的控制腔压力的增量为或。将上式中自变量与因变量调换得： = 50.24上式的数学含义为当控制腔的压力增量为时，对应的比例电磁铁的增量必为或50.24。3.4.4 先导阀溢流部分的设计减压阀能够保持其出口压力（即控制腔的油液压力）不会低于比例电磁铁的设定值，但是如果减压阀由于某种原因导致控制腔的压力突然增高（如液压系统的冲击）或者是比例电磁铁调定力突然下降都将导致阀芯迅速下移，控制腔的油液还未来得及泄出就被封闭起来，这样的后果是控制腔压力在一段时间内高于先导阀的调定值，而由

56、前所述，主阀阀芯开度是由控制腔压力决定的，因此也将导致主阀阀芯开度偏离调定值，而造成电液比例阀失调。为解决这个问题，本设计再在减压阀之上复合了一个溢流阀，而且使该阀的开启压力刚好等于前面减压阀的调定压力，这样当出现控制腔的压力突然高于比例电磁铁调定压力的情况出现时，溢流阀开启让油液泄出，以使控制腔的压力回复到调定值上。其结构图如下所示：图3-11 先导阀结构示意图同样将阀芯自重及阀芯移动过程中的摩擦力及稳态液动力忽略，建立阀芯运动方程， 式(3-36) 式(3-37) 式(3-38)由上式可知，先导阀的溢流部分的开启压力为，可见溢流部分的开启压力正好将等于减压部分的调定压力，这样就满足了前面提

57、到的控制要求，使控制腔的压力能恒定先导阀的调定值上，且这个值将与成线性关系。3.4.5 先导阀的连接方式当主阀为正向（即节流阀的总进油口接A口，总出油口接B口，油液从A口流向B口）时，X口接A口，Y口接油箱，此连接在通道块中实现（通道块上加工有具专门通油道，本阀安装时就是要插入通道块中）；当主阀为反向通流（即节流阀的总进油口接B口，总出油口接A口，油液从B口流向A口）时， X口接B口，Y口接油箱。3.5 弹簧的选用由于弹簧的性能参数对液压阀的性能参数将产生很大影响，故弹簧参数的选择比较重要，在此用单独一节列出:3.5.1 主阀弹簧参数的确定在前面已经确定部分主阀弹簧参数为：簧丝直径d1选用为3.5mm，弹簧中径D0为16mm，弹簧预压缩量为20mm，弹簧刚度为362 N/mm，弹簧工作长度H2为77mm。弹簧其余参数确定如下：弹簧内径 D1D0d1163.5=12.5mm弹簧外径 D2D0d1163.5=