帶位移電反饋的二級(jí)電液比例節(jié)流閥設(shè)計(jì)

帶位移電反饋的二級(jí)電液比例節(jié)流閥設(shè)計(jì),帶位移電反饋的二級(jí)電液比例節(jié)流閥設(shè)計(jì),位移,反饋,二級(jí),比例,節(jié)流閥,設(shè)計(jì) 49 帶位移電反饋的二級(jí)電液比例節(jié)流閥設(shè)計(jì) 摘要：電液比例技術(shù)發(fā)展迅猛，以其控制精度較高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本合理等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了越來越來廣泛的應(yīng)用，它的發(fā)展程度也可從一個(gè)側(cè)面反映一個(gè)國(guó)家液壓工業(yè)技術(shù)水平，因而日益受到各國(guó)工業(yè)界的重視。 本設(shè)計(jì)的課題是電液比例閥中的一類——二級(jí)電液比例節(jié)流閥。在對(duì)該閥各部分的結(jié)構(gòu)、原理及性能參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，完成了功率級(jí)為二通插裝閥，先導(dǎo)級(jí)為電液比例三通減壓溢流閥，通徑為32mm，最大流量為480L/min，進(jìn)油口額定工作壓力為31.5MPa，出油口額定工作壓力為30.5MPa的電液比例節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：電液比例節(jié)流閥； 插裝閥； 比例電磁鐵 The design of two stage electro-hydraulic proportional throttle valve with displacement electricity feedback Majority:Machine Design ＆ Manufacturing and Automation 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 precisely one kind of electro-hydraulic proportional valve----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. Keyword: Electro-hydraulic proportional throttle valve; Cartridge valves; Proportion electro-magnet ratio electromagnet 目錄 前言…………………………………………………………………………………………………………1 正文…………………………………………………………………………………………………………2 1 緒論…………………………………………………………………………………………………………2 1.1 電液比例閥概述……………………………………………………………………………………2 1.2 電液比例閥的特點(diǎn)與分類…………………………………………………………………………2 1.3 電液比例閥的發(fā)展階段……………………………………………………………………………3 1.4 電液比例技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展………………………………………………………………………5 1.5 比例流量閥………………………………………………………………………………………5 2 流量閥控制流量的一般原理………………………………………………………………………………7 2.1 流量控制的基本原理………………………………………………………………………………8 2.4 主閥閥芯節(jié)流口形式的確定………………………………………………………………………8 3 比例節(jié)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………………9 3.1 插裝閥介紹………………………………………………………………………………………9 3.2 控制蓋板的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………9 3.3 插裝式主閥設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………11 3.4 先導(dǎo)閥設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………………21 3.5 彈簧的選用………………………………………………………………………………………30 3.6 公差與配合的確定………………………………………………………………………………31 3.7 比例放大器………………………………………………………………………………………33 3.8 比例電磁鐵………………………………………………………………………………………36 3.9 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小結(jié)……………………………………………………………………………………37 4 節(jié)流閥工作總原理分析及其性能參數(shù)指標(biāo)……………………………………………………………38 4.1 原理分析…………………………………………………………………………………………38 4.2 靜態(tài)性能指標(biāo)……………………………………………………………………………………39 4.3 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)……………………………………………………………………………………40 5 比例控制系統(tǒng)……………………………………………………………………………………………41 5.1 反饋的概念………………………………………………………………………………………41 5.2 閉環(huán)控制與開環(huán)控制……………………………………………………………………………41 5.3 電液比例控制系統(tǒng)的組成……………………………………………………………………42 5.4 電液比例控制系統(tǒng)的特點(diǎn)………………………………………………………………………43 5.5 比例控制系統(tǒng)的分類……………………………………………………………………………43 5.6 比例控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)………………………………………………………………………44 5.7 小結(jié)……………………………………………………………………………………………44 結(jié)論…………………………………………………………………………………………………………45 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………………………46 致謝…………………………………………………………………………………………………………47 前言 現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)液壓閥在自動(dòng)化、精度、響應(yīng)速度方面提出了愈來愈高的要求，傳統(tǒng)的開關(guān)型或定值控制型液壓閥已不能滿足要求，電液伺服閥因此而發(fā)展起來，其具有控制靈活、精度高、快速性好等優(yōu)點(diǎn)。而電液比例閥是在電液伺服技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)伺服閥進(jìn)行簡(jiǎn)化而發(fā)展起來的。電液比例閥與伺服閥相比雖在性能方面還有一定差距, 但其抗污染能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式多樣，制造和維護(hù)成本都比伺服閥低，因此在液壓設(shè)備的液壓控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。今天，一個(gè)國(guó)家的電液比例技術(shù)發(fā)展程度將從一個(gè)側(cè)面反映該國(guó)的液壓工業(yè)技術(shù)水平，因此各發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視發(fā)展電液比例技術(shù)。 我國(guó)在電液比例技術(shù)方面，目前已有幾十種品種、規(guī)格的產(chǎn)品，年生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，但總的看，我國(guó)電液比例技術(shù)與國(guó)際水平比有較大差距，主要表現(xiàn)在：缺乏主導(dǎo)系列產(chǎn)品，現(xiàn)有產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格雜亂，品種規(guī)格不全，并缺乏足夠的工業(yè)性試驗(yàn)研究，性能水平較低，質(zhì)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(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大應(yīng)用，急待盡快提高。 基于以上所述，本設(shè)計(jì)將對(duì)電液比例閥中的一類——二級(jí)電液比例節(jié)流閥進(jìn)行設(shè)計(jì)。該閥的功率級(jí)為二通插裝閥，先導(dǎo)級(jí)為電液比例三通減壓溢流閥。 本說明書各章節(jié)安排如下： 第一章給出了電液比例電液閥的定義，概述了電液比例閥特點(diǎn)、分類及其發(fā)展階段。另外還對(duì)電液比例流量閥、電液比例節(jié)流閥作了簡(jiǎn)單的介紹。 第二章對(duì)流量控制的基本原理進(jìn)行闡述，是本設(shè)計(jì)理論依據(jù)的基礎(chǔ)。 第三章是本閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程，依次對(duì)閥的組成部分如控制蓋板、插裝式主閥、先導(dǎo)閥進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)比例放大器、比例電磁鐵也進(jìn)行了介紹與分析。此章是整個(gè)說明書的核心章節(jié)。 第四章在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后對(duì)閥的具體控制原理和性能參數(shù)進(jìn)行了闡述。 第五章是對(duì)比例控制系統(tǒng)的介紹。由于比例閥在液壓系統(tǒng)中最終應(yīng)用效果將很大一部分取決于比例控制系統(tǒng)，故單獨(dú)一章對(duì)比例控制系統(tǒng)做一個(gè)介紹。 由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我的第一次綜合性設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中，將有一定的困難，無論設(shè)計(jì)概念上的模糊或經(jīng)驗(yàn)上的缺乏都可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失誤與不足，在此，懇請(qǐng)各位老師給以指正。相信我一定會(huì)圓滿完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)的。 1　緒論 由于本畢業(yè)設(shè)計(jì)屬于電液比例閥這一大類，故此先簡(jiǎn)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(chǔ)，采用模擬式電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)，連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)中工作介質(zhì)的壓力、方向或流量的一種液壓元件。此種閥工作時(shí)，閥內(nèi)電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置根據(jù)輸入的電壓信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，使工作閥閥芯產(chǎn)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(jī)械、液壓或電的形式進(jìn)行反饋。當(dāng)前，電液比例閥在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。 1.2 電液比例閥的特點(diǎn)與分類 比例閥把電的快速性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)與液壓傳動(dòng)力量大的優(yōu)點(diǎn)結(jié)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(yùn)動(dòng)的力、速度和方向，簡(jiǎn)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(shí)的沖擊現(xiàn)象。比例閥主要用在沒有反饋的回路中，對(duì)有些場(chǎng)合，如進(jìn)行位置控制或需要提高系統(tǒng)的性能時(shí)，電液比例閥也可作為信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大元件組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 比例閥與開關(guān)閥相比，比例閥可簡(jiǎn)單地對(duì)油液壓力、流量和方向進(jìn)行遠(yuǎn)距離的自動(dòng)連續(xù)控制或程序控制，響應(yīng)快, 工作平穩(wěn)，自動(dòng)化程度高，容易實(shí)現(xiàn)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(dòng)靜態(tài)性能有些遜色，但使用元件較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造較電液伺服閥容易，價(jià)格低，效率也比伺服高(伺服控制系統(tǒng)的負(fù)載壓力僅為供油壓力的2／3)，系統(tǒng)的節(jié)能效果好，使用條件、保養(yǎng)和維護(hù)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(guān)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(shù)字、開關(guān)元件的特性比較 類別 類別 性能 比例閥 伺服閥 開關(guān)閥 過濾精度() 25 3 25～50 閥內(nèi)壓降() 0.5～2 7 0.25～50 滯環(huán)(%) 1～3 1～3 － 重復(fù)精度(%) 0.5～1 0.5～ － 頻寬(Hz/3dB) 25 20～200 － 中位死區(qū) 有 無 有 價(jià)格比 1 3 0.5 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(fù)合閥。前兩者為單參數(shù)控制閥，后兩種為多參數(shù)控制閥。比例方向閥能同時(shí)控制流體運(yùn)動(dòng)的方向和流量，是一種兩參數(shù)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(shù)控制閥，能同時(shí)對(duì)壓力和流量進(jìn)行比例控制。有些復(fù)合閥能對(duì)單個(gè)執(zhí)行器或多個(gè)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)壓力、流量和方向的同時(shí)控制，這種分類方法是最常見的分類方法。 (2) 按液壓放大級(jí)的級(jí)數(shù)來分，又可分為直動(dòng)式和先導(dǎo)式。直動(dòng)式是由電一機(jī)械轉(zhuǎn)換元件直接推動(dòng)液壓功率級(jí)。由于受電一機(jī)械轉(zhuǎn)換元件的輸出力的限制，直動(dòng)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(dǎo)控制式比例閥由直動(dòng)式比例閥與能輸出較大功率的主閥級(jí)構(gòu)成。前者稱為先導(dǎo)閥或先導(dǎo)級(jí)，后者稱主閥功率放大級(jí)。根據(jù)功率輸出的需要，它可以是二級(jí)或三級(jí)的比例閥。二級(jí)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(dá)1600L/min. (3) 按比例控制閥的內(nèi)含的級(jí)間反饋參數(shù)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(guān)式或定值控制型的傳統(tǒng)閥上加以改進(jìn)，用比例電磁鐵代替手輪調(diào)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?qū)σ簤翰糠种匦略O(shè)計(jì)而構(gòu)成。因此，有時(shí)也被稱作廉價(jià)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(zhuǎn)換成相應(yīng)的其它量或電量再進(jìn)行級(jí)間反饋，又可構(gòu)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(duì)反饋電信號(hào)進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)上，配以適當(dāng)?shù)谋壤葘?dǎo)控制級(jí)和級(jí)間反饋聯(lián)系組合而成。由于它具有動(dòng)態(tài)性能良好，集成化程度高，流通量大等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的比例元件。 (5) 按其生產(chǎn)過程還可分為兩類：一類是在電液伺服閥的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低制造精度，從而以低頻寬和低靜態(tài)指標(biāo)換得成本的低廉，用于對(duì)頻寬和控制精度要求不高的場(chǎng)合。另一類是在傳統(tǒng)的液壓閥基礎(chǔ)上，配上廉價(jià)的螺管式比例電磁鐵進(jìn)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(hào)的形式來分，它又分為模擬信號(hào)控制式，脈寬調(diào)制信號(hào)控制式和數(shù)字信號(hào)控制式。特別是在機(jī)電一體化方面的需要，很多新型的比例元件不斷出現(xiàn)，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(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代末，當(dāng)時(shí)，電液伺服技術(shù)已日趨完善，由于伺服閥的快速響應(yīng)及較高的控制精度，以及明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，迅速在高精度、快速響應(yīng)的領(lǐng)域中，如航天、航空、軋鋼設(shè)備及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等中取代了傳統(tǒng)的機(jī)電控制方式，但電液伺服閥成本高、應(yīng)用和維護(hù)條件苛刻，難以被工業(yè)界接受。在很多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合并不要求太高的控制精度或響應(yīng)性，而要求發(fā)展一種廉價(jià)、節(jié)能、維護(hù)方便、適應(yīng)大功率控制及具有一定控制精度的控制技術(shù)。這種需求背景導(dǎo)致了比例技術(shù)的誕生與發(fā)展。而現(xiàn)代電子技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展為工程界提供了可靠而廉價(jià)的檢測(cè)、校正技術(shù)。這些正為電液比例技術(shù)的發(fā)展提供了有利的條件。 1967年瑞士Beringer公司生產(chǎn)的KL比例復(fù)合閥標(biāo)志著比例控制技術(shù)在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的正式開始，主要是將比例型的電- 機(jī)械轉(zhuǎn)換器(比例電磁鐵) 應(yīng)用于工業(yè)液壓閥。比例技術(shù)的發(fā)展由此往下大致可分為三個(gè)階段： (1) 從1967年瑞士Beringer公司生產(chǎn)Kl比例復(fù)合閥起，到70年代初日本油研公司申請(qǐng)了壓力和流量?jī)身?xiàng)比例閥專利為止，標(biāo)志著比例技術(shù)的誕生時(shí)期。這一階段的比例閥，僅僅是將比例型的電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器(如比例電磁鐵)用于工業(yè)液壓閥，以代替開關(guān)電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄。閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則幾乎沒有變化，大多不含受控參數(shù)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(rèn)為比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了第二階段。采用各種內(nèi)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(shù)上也日趨成熟。比例元件的工作頻寬己達(dá)5-15Hz,穩(wěn)態(tài)滯環(huán)亦減小到3%左右。其應(yīng)用領(lǐng)域日漸擴(kuò)大，不僅用于開環(huán)控制，也被應(yīng)用于閉環(huán)控制。 (3) 80年代，比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了第三階段。比例元件的設(shè)計(jì)原理進(jìn)一步完善，采用了壓力、流量、位移內(nèi)反饋、動(dòng)壓反饋及電校正等手段，使閥的穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性都有了進(jìn)一步的提高，頻寬達(dá)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(dòng)態(tài)特性均己和工業(yè)伺服閥無異。另一項(xiàng)重大進(jìn)展是，比例技術(shù)開始和插裝閥相結(jié)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(shù)。同時(shí)，由于傳感器和電子器件的小型化，還出現(xiàn)了電液一體化的比例元件，電液比例技術(shù)逐步形成了80年代的集成化趨勢(shì)。第三個(gè)值得指出的進(jìn)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(xiàn)，為大功率工程控制系統(tǒng)的節(jié)能提供了技術(shù)基礎(chǔ)，而且計(jì)算機(jī)技術(shù)同液壓比例技術(shù)相結(jié)合已成為必然趨勢(shì)。 近年來比例閥出現(xiàn)了復(fù)合化趨勢(shì)，極大地提高了比例閥(電反饋) 的工作頻寬。在基礎(chǔ)閥的基礎(chǔ)上，發(fā)展出先導(dǎo)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(bǔ)償功能塊組合，構(gòu)成電反饋比例方向流量復(fù)合閥，可進(jìn)一步取得與負(fù)載協(xié)調(diào)和節(jié)能效果。 今天，隨著微電子技術(shù)和數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，比例閥技術(shù)已達(dá)到比較完善的程度，已形成完整的產(chǎn)品品種、規(guī)格系列，并對(duì)已成熟的產(chǎn)品，為進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用，在保持原基本性能與技術(shù)指標(biāo)的前提下，向著簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、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(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，降低制造成本。 在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(yīng)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(shù)，它的應(yīng)用與發(fā)展被認(rèn)為是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志，是液壓工業(yè)又一個(gè)新的技術(shù)熱點(diǎn)和增長(zhǎng)點(diǎn)。 1.4 電液比例技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展 在我國(guó)，有一大批主機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展需要應(yīng)用電液比例技術(shù)，因此，該技術(shù)被列為促進(jìn)我國(guó)液壓工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。 我國(guó)電液伺服技術(shù)始于上世紀(jì)六十年代，到七十年代有了實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品，目前約有年產(chǎn)能力2000臺(tái)；電液比例技術(shù)到七十年代中期開始發(fā)展，現(xiàn)有幾十種品種、規(guī)格的產(chǎn)品，約形成有年產(chǎn)能力5000臺(tái)?？偟目?，我國(guó)電液伺服比例技術(shù)與國(guó)際水平比有較大差距，主要表現(xiàn)在：缺乏主導(dǎo)系列產(chǎn)品，現(xiàn)有產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格雜亂，品種規(guī)格不全，并缺乏足夠的工業(yè)性試驗(yàn)研究，性能水平較低，質(zhì)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(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大應(yīng)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(shè)計(jì)設(shè)計(jì)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(hào)成比例的液壓閥，這類閥可以按給定的輸入電信號(hào)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(xiàn)[1] 443-445頁(yè)) (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(guān)，同時(shí)受到節(jié)流口前后壓差的影響； (2) 調(diào)速閥　一般由電液比例節(jié)流閥加壓力補(bǔ)償器或流量反饋元件組成。壓力補(bǔ)償器使節(jié)流口兩端的壓差基本保持為常值，使通過調(diào)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(fù)合控制閥　將電液比例壓力閥和電液比例流量閥復(fù)合在一個(gè)控制閥中，構(gòu)成了一個(gè)專用閥，也稱為PQ閥，在塑機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)將要設(shè)計(jì)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(dòng)式電液比例節(jié)流閥（詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[1]348-352頁(yè)） a.普通型直動(dòng)式電液比例節(jié)流閥　力控制型比例電磁鐵直接驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥閥芯，閥芯相對(duì)于閥體的軸向位移與比例電磁鐵的輸入電信號(hào)成比例。此種閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉。滑閥機(jī)能有常開式、常閉式，但由于沒有壓力或其他檢測(cè)補(bǔ)償措施，工作時(shí)受摩擦力及液動(dòng)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(dòng)式電液比例節(jié)流閥　與普通型直動(dòng)式電液比例節(jié)流閥的差別在于增設(shè)了位移傳感器，用于檢測(cè)閥芯的位移。通過檢測(cè)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jí)控制型等多種形式。 a.位移力反饋型先導(dǎo)式電液比例節(jié)流閥　整個(gè)閥的基本工作特征是利用主閥芯位移力－反饋和級(jí)間（功率級(jí)和先導(dǎo)級(jí)間）動(dòng)壓反饋原理實(shí)現(xiàn)控制。位移力反饋型先導(dǎo)式電液比例節(jié)流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，主閥行程不受電磁鐵位移的限制，但由于也未進(jìn)行壓力檢測(cè)補(bǔ)償反饋，所以其通過流量仍與閥口壓差相關(guān)。 b.位移電反饋型先導(dǎo)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(dǎo)比例減壓閥組成。本設(shè)計(jì)將要設(shè)計(jì)的就是這一類閥。 c.三級(jí)控制型大流量電反饋電液比例節(jié)流閥　對(duì)于32通徑以上的比例節(jié)流閥，為了保持在一定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、較好的穩(wěn)態(tài)精度，可采用三級(jí)控制方案，即通過經(jīng)二級(jí)液壓放大的液壓信號(hào)，再去控制遞三級(jí)閥芯的位移（詳見文獻(xiàn)[2]350頁(yè)）。 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(shí)現(xiàn)節(jié)流，故下面將對(duì)流量控制的基本原理進(jìn)行闡述。 2.1 流量控制的基本原理 不管各類流量閥結(jié)構(gòu)有何不同，其依據(jù)的控制原理都是一樣，查文獻(xiàn)[３]的102頁(yè)，得以下這個(gè)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(guān)的系數(shù)，具體數(shù)值應(yīng)該由實(shí)驗(yàn)得出。在一定的溫度下， 對(duì)確定的閥口和工作介質(zhì)，可視為常數(shù)； ――為節(jié)流口的通流截面積，與閥口的形狀與閥芯位移有關(guān)； ――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(shù)，其值在0.5～1.0之間，應(yīng)由實(shí)驗(yàn)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(guān)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(shù)，因此一般不能對(duì)它進(jìn)行調(diào)節(jié)，而控制來調(diào)節(jié)流量很不方便，一般只能通過調(diào)節(jié)的辦法來控制流量。當(dāng)只調(diào)節(jié)來控制流量時(shí)就是所謂的節(jié)流控制。在這種方式下，當(dāng)節(jié)流閥的通流截面積調(diào)整以后，在實(shí)際使用時(shí)由于負(fù)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(huì)干擾節(jié)流閥通流，使流量不穩(wěn)定。式中越大，的變化對(duì)的影響也就越大。一般來說節(jié)流口為薄壁孔時(shí)0.5，細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)1。故為增大流量控制準(zhǔn)確性，減小對(duì)的影響，本設(shè)計(jì)中的節(jié)流口采用薄壁孔形式。 (2) 調(diào)速控制 在要求較高的場(chǎng)合，采用減壓閥來保持節(jié)流口前后的壓差恒定。由于不會(huì)有不穩(wěn)定的壓差對(duì)流量造成影響，因而流量將與通流截面積成較好的線性關(guān)系，這就是所謂的流量控制或調(diào)速控制，相應(yīng)的閥稱為調(diào)速閥。 2.3 本設(shè)計(jì)中節(jié)流閥的參數(shù) 如前所述，由于本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)擬定調(diào)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(dòng)閥芯將得到不同的，進(jìn)而將得到不同的流量，這就是本設(shè)計(jì)中節(jié)流主閥實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵部位，幾種常用節(jié)流口形式為（參見文獻(xiàn)[4]109頁(yè)）: (1) 針閥式節(jié)流口 針閥做軸向移動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)了環(huán)形通道的大小，由此改變了流量。這種結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，但節(jié)流口長(zhǎng)度大，水力半徑小，易堵塞，流量受油溫影響較大。一般用于對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合。 (2) 偏心式節(jié)流口 在閥芯上開一個(gè)截面為三角形（或矩形）的偏心槽。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯時(shí)，就可以改變通道大小，由此調(diào)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(diǎn)是閥芯上的徑向力不平衡，旋轉(zhuǎn)閥芯時(shí)較費(fèi)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(chǎng)合。 (3) 軸向三角槽式節(jié)流口 在閥芯端部開有一個(gè)或兩個(gè)斜三角槽,軸向移動(dòng)閥芯就可以改變?nèi)遣弁髅娣e從而調(diào)節(jié)流量。在高壓閥中有時(shí)在軸端銑兩個(gè)斜面來實(shí)現(xiàn)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(nèi)孔，從旁側(cè)的孔流出。旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(dòng)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(jié)構(gòu)，流量對(duì)溫度不敏感。在小流量時(shí)水力半徑大，故小流量時(shí)穩(wěn)定性好，可用于性能要求較高的場(chǎng)合，但節(jié)流口在高壓下易變形，使用時(shí)應(yīng)改變結(jié)構(gòu)剛度。 由于本設(shè)計(jì)中閥的設(shè)計(jì)要求為通徑32mm，屬于大流量應(yīng)用場(chǎng)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(yīng)用場(chǎng)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(yùn)動(dòng)形式為軸向運(yùn)動(dòng)，故需要轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯才能可以改變通道大小，并以此調(diào)節(jié)流量的偏心式節(jié)流口不適合。因此，本設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由于本設(shè)計(jì)中電液比例節(jié)流閥的設(shè)計(jì)參數(shù)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(lǐng)域內(nèi)，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(jié)構(gòu)成為該領(lǐng)域內(nèi)的主導(dǎo)控制閥品種。因此，在本設(shè)計(jì)中節(jié)流閥的主閥采用插裝式結(jié)構(gòu)，而不采用傳統(tǒng)的滑閥式結(jié)構(gòu)。 基于此，有必要在此對(duì)插裝閥作簡(jiǎn)要介紹。 3.1 插裝閥介紹 插裝閥的主要產(chǎn)品是二通蓋板式插裝閥，它是在20世紀(jì)70年代，根據(jù)各類控制閥閥口在功能上或是固定、或是可調(diào)、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(gòu)件為標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)快及控制自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。 由于插裝閥是一種標(biāo)準(zhǔn)化的閥，所以閥的一些關(guān)鍵尺寸必須符合相關(guān)規(guī)定。在我國(guó)，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(guān)密封件組成，可以看成是兩級(jí)閥的主級(jí)，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(jù)插裝閥的不同控制功能，安裝有相應(yīng)的先導(dǎo)控制級(jí)元件； 通道塊既是插入元件及安裝控制蓋板的基礎(chǔ)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(diǎn) (1) 插裝閥有許多滑閥不具有的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)即標(biāo)準(zhǔn)化程度高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用靈活。將一個(gè)或若干個(gè)插裝元件進(jìn)行不同組合，并配以相應(yīng)的先導(dǎo)控制級(jí)，就可以組成方向控制、壓力控制、流量控制或復(fù)合控制等控制單元，內(nèi)阻小，適宜大流量工作； (2) 由于是閥座式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部泄漏非常小，沒有卡死現(xiàn)象。插裝閥被直接裝入集成塊的內(nèi)腔中，所以減少了漏油、振動(dòng)、噪聲和配管引起的故障，提高了可靠性； (3) 有良好的響應(yīng)性，能實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換； (4) 由于實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，且成本降低而可靠性提高，工作效率也相應(yīng)提高； (5) 對(duì)于乳化液等低粘度的工作介質(zhì)也適宜，污染耐受力比滑閥式結(jié)構(gòu)更大。 3.2 控制蓋板的設(shè)計(jì) 控制蓋板是總個(gè)閥各個(gè)元件的承載體，其上裝有插裝式主閥、先導(dǎo)閥、位移傳感器及比例電磁鐵。 因?yàn)椴逖b閥的各安裝尺寸都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，各尺寸需查表按標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)[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相關(guān)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(cè)將安裝先導(dǎo)閥，故將b1延長(zhǎng)為122，將其中的m4延長(zhǎng)為50。 本閥中，控制蓋板將用四個(gè)緊固螺釘固定在通道塊上，此為四個(gè)四個(gè)緊固螺釘為圓柱頭內(nèi)六角螺釘，其公稱直徑根據(jù)閥的要求選用M16。查文獻(xiàn)[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(gè)內(nèi)六角螺釘?shù)陌惭b孔的尺寸為： d2=26mm，d3=20mm, d4=17mm, t=10.5mm。 本設(shè)計(jì)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(dǎo)閥K口的孔道，第二條為X口至先導(dǎo)閥的I口的孔道，第三條為先導(dǎo)閥的O口至Y口的孔道，由于此三條均為先導(dǎo)控制油通道，通過流量不會(huì)很大，故直徑不需要太大，但太小可能會(huì)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(shí)可采用電火花加工出來。 綜合以上所述，確定控制蓋板相關(guān)尺寸如下： 圖3-2 控制蓋板尺寸 3.3 插裝式主閥設(shè)計(jì) 插裝式主閥由主閥閥套、閥芯、主閥彈簧及相關(guān)密封件組成。 3.3.1 主閥閥套的設(shè)計(jì) 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(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因而主閥閥套的外部尺寸必須符合標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)，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?yàn)楸敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)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(dǎo)控制， 故尺寸d2為32mm。 查文獻(xiàn)[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(nèi)、外泄漏，減小在閥上的能量損失，提高閥的效率，對(duì)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(zhuǎn)軸唇形密封圈、O形橡膠密封圈等。 一般對(duì)密封件的主要要求是： (1) 在一定的壓力、溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能； (2) 有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因密封件所引起的摩擦力應(yīng)盡量小，摩擦系數(shù)應(yīng)盡量穩(wěn)定； (3) 耐腐蝕、耐磨性好，不易老化，工作壽命長(zhǎng)，磨損后能在一定程度上自動(dòng)補(bǔ)償； (4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能好、壽命長(zhǎng)、摩擦阻力較小、成本低，既可以作靜密封，也可作為動(dòng)密封使用。在一般情況下，靜密封可靠使用壓力可達(dá)35MPa，動(dòng)密封可靠使用壓力可達(dá)10MPa，當(dāng)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(shè)計(jì)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(xiàn)[５] 第八章液壓輔件，確定o形橡膠密封圈的型號(hào)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(shè)計(jì) 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(cè)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(jié)構(gòu)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(gè)面積會(huì)影響閥芯在閥套中的開啟及關(guān)閉，即、、。其中、分別為閥芯主油口A口和Ｂ口處的面積，為控制腔Ｃ腔的面積，很明顯有 （3-1） 面積比是指閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，、分別與的比值和，它們表示了三個(gè)面積之間數(shù)值上的關(guān)系，通常定義為面積比。 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，由于本畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求是通徑為32ｍｍ，此處即面積的直徑為32ｍｍ，因此Ａ口的半徑為16ｍｍ。 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ｍｍ 　　所以==803.84ｍｍ2 　　=0.2*=0.2*803.84=160.768ｍｍ2 　?。剑?64.608ｍｍ2 3.3.4 主閥閥芯的受力分析 首先在主閥關(guān)閉時(shí)對(duì)主閥閥芯進(jìn)行靜力分析。本設(shè)計(jì)中主閥采用兩種通流方式： ① 正向通流（A－Ｂ通流）：節(jié)流閥的總進(jìn)油口接A口，總出油口接B口，油液從Ａ口流向Ｂ口； ② 反向通流(Ｂ－Ａ通流)：節(jié)流閥的總進(jìn)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(guān)閉時(shí)，對(duì)閥芯進(jìn)行受力分析如下： 　　往上的力＋ 往下的力 其中： 　　 ——節(jié)流閥進(jìn)油口處的工作壓力； 　　——Ａ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(guān)閉時(shí)，彈簧的預(yù)緊力 建立主閥閥芯關(guān)閉時(shí)的靜力平衡方程如下： ＝ 即　　　　　　　　 ＋＝ 　 (3-2) 而當(dāng)閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，必有大于或等于0，忽略閥芯自重， 得： 　　　　()－() 0 (3-3) 轉(zhuǎn)換得　　 (3-4)這正是要使主閥關(guān)閉，控制腔壓力必須滿足的條件。 代入?yún)?shù)：本畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求為節(jié)流閥額定進(jìn)口壓力為31.5MPa，額定出口壓力為30.5MPa.,壓差為１MPa,, 即為31.5MPa，為30.5MPa。由文獻(xiàn)[6] 初步擬定主閥彈簧選擇剛度為362N/mm的彈簧，并擬定其預(yù)壓縮量為20mm，那么主閥彈簧的預(yù)緊力 ＝×＝×20mm＝7240Ｎ (3-5) 將上述參數(shù)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(guān)閉，或者說23.8MPa正是主閥閥芯的臨界關(guān)閉壓力。 在反向流通即Ｂ－Ａ通流且閥芯關(guān)閉時(shí)，對(duì)閥芯進(jìn)行受力分析如下： 往上的力 ＋ 往下的力 建立主閥閥芯關(guān)閉時(shí)靜力平衡方程： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。? 即　　　　　　　 　 　　 ＋＝　 　　　　　　　　　(3-6) 忽略閥芯自重，要使主閥閥芯關(guān)閉得： ()－() 0 轉(zhuǎn)換為　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3-7) 上式是反向通流下,主閥要關(guān)閉控制腔必須滿足的條件。 將參數(shù)代入得： ＝ ＝ 可見在反向通流情況下，主閥閥芯關(guān)閉的臨界壓力為23.2MPa。 主閥閥芯開啟時(shí)的動(dòng)力分析 設(shè)閥芯質(zhì)量為，為閥芯位移隨時(shí)間變化的函數(shù)，其方向的正向?yàn)殚y芯向上運(yùn)動(dòng)方向，起點(diǎn)為主閥芯關(guān)閉時(shí)的位置。在正向通流情況下，建立閥芯運(yùn)動(dòng)方程如下： 　　　　　　　　(3-8) 式中： ――主閥彈簧對(duì)閥芯施加的壓力； ――為閥芯所受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，是閥芯移動(dòng)完畢，開口固定之后，液流通過閥口時(shí)因動(dòng)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(jì)算公式如下： (3-9) 式中為主閥彈簧預(yù)緊力，為主閥彈簧剛度，為主閥閥芯相對(duì)于關(guān)閉時(shí)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(shí)有閥芯加速度 為0。由于穩(wěn)態(tài)液動(dòng)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(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力，則式(3-9)可簡(jiǎn)化為下式： (3-10) 轉(zhuǎn)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(jìn)、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(zhuǎn)化: 　 (3-12) 　　由上式可見與成線性關(guān)系，比例系數(shù)為。 將各常數(shù)值代入式(3-12)中，得: ＝－+＝－2.665＋63.5mm (3-13) 上式說明，若增大，則閥芯將向下運(yùn)動(dòng)，閥芯開度將減??； 若減小，閥芯將向上運(yùn)動(dòng)，則閥芯開度將增大。 在反向通流情況下，閥芯運(yùn)動(dòng)方程將變?yōu)椋? 　　 　　 (3-14) 簡(jiǎn)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(zhuǎn)化為： 　　　　　　　　　(3-17) 　　將各常數(shù)值代入，得 ＝－+＝－2.665＋61.7 mm　　　　(3-18) 　 主閥閥芯開度增量表達(dá)式 在正向通流情況下，由式(3-11)得閥芯開度增量： 　　 　　 — 　　=－— =－　　 　　　 　 (3-19) 代入?yún)?shù)得： ＝－＝－2.665 (3-20) 上式的數(shù)學(xué)含義為：當(dāng)控制腔的壓力增量為時(shí)，對(duì)應(yīng)的閥芯開度增量將為－或－2.665。 將上式中自變量與變量調(diào)位，轉(zhuǎn)化為： ＝ (3-21) 代入?yún)?shù): ＝－＝－0.375 (3-22) 上式的數(shù)學(xué)含義為：在A-B通流情況下，當(dāng)閥芯開度增量為時(shí)，對(duì)應(yīng)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A－B通流情況下是一樣的。 3.4 先導(dǎo)閥設(shè)計(jì) 由第三章分析可知，節(jié)流閥的流量應(yīng)由控制主閥閥芯的開度來實(shí)現(xiàn)，而欲控制主閥閥芯的開度，則必須調(diào)節(jié)控制腔的壓力，那么如何實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制腔的壓力呢？在我們所有已學(xué)過的知識(shí)中，減壓閥可完成此功能，油液流經(jīng)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(diào)定的壓力上。故本閥將采用減壓閥來作為節(jié)流閥的先導(dǎo)閥。 因此，下面將深入的分析減壓閥的工作原理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.4.1 減壓閥的分類（參見文獻(xiàn)[2]146－147） 　　(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(rùn)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(jìn)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(diào)速閥等復(fù)合閥，實(shí)現(xiàn)節(jié)流口兩端的壓力補(bǔ)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(shè)計(jì)中先導(dǎo)閥應(yīng)采用定值減壓閥。 3.4.2 減壓閥的工作原理 圖3-7 直動(dòng)式減壓閥工作原理示意圖 上圖所示為直動(dòng)式定值減壓閥的結(jié)構(gòu)圖，由圖可以看出，閥上開有三個(gè)油口：一次壓力油口（進(jìn)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(jīng)閥芯（滑閥）3的下端圓柱臺(tái)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(shí)通過流道a反饋在閥芯（滑閥）底部面積上產(chǎn)生一個(gè)向上的液壓作用力，該力與調(diào)壓彈簧的預(yù)調(diào)力相比較。當(dāng)二次壓力未達(dá)到閥的設(shè)定壓力時(shí)，閥芯上移，開度X減小實(shí)現(xiàn)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(diào)壓彈簧的預(yù)調(diào)力相比較以對(duì)閥芯進(jìn)行控制。 當(dāng)出口壓力未達(dá)到調(diào)定壓力時(shí)，閥口全開，閥芯不工作。當(dāng)出口壓力達(dá)到調(diào)定壓力時(shí)，閥芯上移，閥口關(guān)小，整個(gè)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(rèn)為出口壓力基本上維持在某一定植——調(diào)定值上。這時(shí)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(diào)定值上。反之，如出口壓力增大，則閥芯上移，閥口關(guān)小，閥口處阻力加大，壓降增大，使出口壓力下降到調(diào)定值上。 由上述分析可知，減壓閥的輸出壓力是由彈簧來調(diào)定的，即彈簧力越大，減壓閥的輸出壓力也就越大。 在本設(shè)計(jì)中可采用比例電磁鐵的輸出推力來替代彈簧力調(diào)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(guān)系。 但是這樣會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問題，即當(dāng)比例電磁鐵輸入電流為0時(shí)，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(huì)變?yōu)? ，而由3.3.4節(jié)的分析可知，控制腔壓力為0時(shí)，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(yù)測(cè)的原因（如電網(wǎng)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(huì)導(dǎo)致比例電磁鐵突然斷電，而如果此時(shí)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(xiǎn)的，因?yàn)榭赡軙?huì)導(dǎo)致一些難以預(yù)料的嚴(yán)重事故發(fā)生。 因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使比例電磁鐵斷電即輸出力為0時(shí)，主閥閥芯是關(guān)閉的，以避免意外情況的發(fā)生。為達(dá)到此目的，本設(shè)計(jì)中在減壓閥閥芯的下方加了一個(gè)復(fù)位彈簧，并使此復(fù)位彈簧的力足夠大，當(dāng)比例電磁鐵斷電時(shí)，使控制腔的壓力大到可以使主閥關(guān)閉。 相應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖3-8 先導(dǎo)閥示意圖 控制腔油液對(duì)先導(dǎo)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(dú)來控制先導(dǎo)閥閥芯的情形現(xiàn)在變?yōu)橛杀壤姶盆F和先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧共同控制。 3.4.3 先導(dǎo)閥閥芯詳細(xì)受力分析 下圖為先導(dǎo)閥閥芯受力示意圖： 圖3-9 先導(dǎo)閥閥芯受力示意圖 (1) 先導(dǎo)閥閥芯受力分析 如前面的插裝閥一樣，建立先導(dǎo)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(duì)閥芯的壓力； —— 先導(dǎo)閥閥芯在移動(dòng)過程中受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力； —— 先導(dǎo)閥閥芯在移動(dòng)過程中受到的摩擦力； —— 先導(dǎo)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(dòng)過程中的摩擦力，將閥芯移動(dòng)過程中穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力也忽略，式（3-24）變?yōu)椋? ＝ (3-25) 　　轉(zhuǎn)化為 (3-26) 上式即控制腔壓力的決定因素。 式中的計(jì)算公式為： (3-27) 其中，為處于中位時(shí)先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)緊力，為先導(dǎo)閥彈簧剛度，為先導(dǎo)閥閥芯相對(duì)于中位時(shí)的位移。 由于先導(dǎo)閥閥芯相對(duì)于中位時(shí)的位移相對(duì)于先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)壓縮量較小，因此在不作精確計(jì)算時(shí)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(guān)系式。 (2) 彈簧預(yù)緊力的確定 如3.4.2節(jié)所述，比例電磁鐵斷電的時(shí)候主閥應(yīng)當(dāng)關(guān)閉，即此時(shí)比例閥應(yīng)滿足使主閥閥芯關(guān)閉的條件。由3.3.4節(jié)所述，要使主閥關(guān)閉，應(yīng)滿足 即 (3-30) 而此時(shí)=０,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(dāng)比例電磁鐵輸出力為0時(shí)，欲使主閥關(guān)閉，先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)緊力必須大于1195.7Ｎ。而在本設(shè)計(jì)中，先導(dǎo)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(hù)功能，先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)壓縮量（此預(yù)壓縮量是指先導(dǎo)閥閥芯處中位時(shí)，先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)壓縮量）必須大于7.57 mm，實(shí)際應(yīng)用時(shí)為保有一定保險(xiǎn)系數(shù)，復(fù)位彈簧的預(yù)緊力應(yīng)高于此值，故在本設(shè)計(jì)中采用９mm的預(yù)壓縮量。所以，先導(dǎo)閥閥芯處于中位時(shí)，先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)緊力為： 計(jì)算出先導(dǎo)閥的彈簧的預(yù)緊力后，將其與代入式(3-29) 得： ＝－＝－＋MPa (3) 先導(dǎo)閥調(diào)定壓力的增量表達(dá)式 由式(3-28)得控制腔壓力增量： ＝ ＝ ＝ (3-34) 　代入?yún)?shù)得： ＝－ (3-35) 上式的數(shù)學(xué)含義為比例電磁鐵增量為時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制腔壓力的增量為或－。 將上式中自變量與因變量調(diào)換得： = 或 ＝－50.24 上式的數(shù)學(xué)含義為當(dāng)控制腔的壓力增量為時(shí)，對(duì)應(yīng)的比例電磁鐵的增量必為或－50.24。 3.4.4 先導(dǎo)閥溢流部分的設(shè)計(jì) 減壓閥能夠保持其出口壓力（在本設(shè)計(jì)即控制腔的油液壓力）不會(huì)低于比例電磁鐵的設(shè)定值，但是如果減壓閥由于某種原因?qū)е驴刂魄坏膲毫ν蝗辉龈撸ㄈ缫簤合到y(tǒng)的沖擊）或者是比例電磁鐵調(diào)定力突然下降都將導(dǎo)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(shí)間內(nèi)