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1、 2013--2014學(xué)年度第一學(xué)期專業(yè)設(shè)計說明書 姓名：武佳樂 專業(yè)方向：流體傳動與控制 班級：10級機電2班 學(xué)號：20100055 指導(dǎo)教師：郭津津 完成日期：2013年11月25日 前言 液壓技術(shù)作為一門新興應(yīng)用學(xué)科，雖然歷史較短，發(fā)展的速度卻非常驚人。液壓傳動產(chǎn)品等在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中的地位和作用十分重要。它的發(fā)展決定了機電產(chǎn)品性能的提高。

2、它不僅能最大限度滿足機電產(chǎn)品實現(xiàn)功能多樣化的必要條件，也是完成重大工程項目、重大技術(shù)裝備的基本保證，更是機電產(chǎn)品和重大工程項目和裝備可靠性的保證。液壓技術(shù)具有獨特的優(yōu)點，具有功率重量比大，體積小，頻響高，壓力、流量可控性好，可柔性傳送動力，易實現(xiàn)直線運動等優(yōu)點，因此液壓技術(shù)廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)各部門。 一個完整的液壓系統(tǒng)由五個部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助無件和液壓油。動力元件的作用是將原動機的機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，它向整個液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。執(zhí)行元件(如液壓缸和液壓馬達(dá))的作用是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動負(fù)載作直線往復(fù)運動

3、或回轉(zhuǎn)運動。控制元件(即各種液壓閥)在液壓系統(tǒng)中控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向。輔助元件包括油箱、濾油器、油管及管接頭、密封圈、壓力表、油位油溫計等。液壓油是液壓系統(tǒng)中傳遞能量的工作介質(zhì)，有各種礦物油、乳化液和合成型液壓油等幾大類。 液壓閥的功用是控制液壓傳動系統(tǒng)的油流方向，壓力和流量；實現(xiàn)執(zhí)行元件的設(shè)計動作以控制、實施整個液壓系統(tǒng)及設(shè)備的全部工作功能。 目錄 1、溢流閥總體設(shè)計............................3 2、溢流閥的主要性能..........................5 3、溢流

4、閥的設(shè)計要求..........................6 4、溢流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計..........................6 5、結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計..............................7 6、靜態(tài)特性計算..............................9 7、彈簧剛度和預(yù)壓縮量計算...................12 8、其他相關(guān)特性.............................16 參考文獻(xiàn)....................................18

5、 1、 溢流閥總體設(shè)計 （1）溢流閥的作用和分類 溢流閥是壓力控制閥中最基本的一種，以它為基礎(chǔ)可以組合成各種進(jìn)行閥前（進(jìn)口）壓力控制的壓力控制閥。溢流閥在液壓系統(tǒng)中使用極為普遍，所有液壓系統(tǒng)都要至少使用一個溢流閥作為定壓閥或安全閥。 溢流閥的主要功用是： （a）、維持液壓系統(tǒng)中的壓力近于恒定； （b）、對液壓系統(tǒng)實行調(diào)壓； （c）、防止液壓系統(tǒng)超載，起安全作用； （d）、對液壓系統(tǒng)進(jìn)行卸荷，以降低系統(tǒng)的功率損耗和熱量。 （2）溢流閥的工作原理 溢流閥由主閥和先導(dǎo)閥兩部分組成，

6、如圖1，3為主閥閥芯，6為導(dǎo)閥閥芯，右邊的進(jìn)油口與壓力油路想通，下部的出油口與回油路相通。在油路壓力未達(dá)到溢流閥調(diào)定的壓力時，導(dǎo)閥、主閥在各自的彈簧7與11作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，主閥芯活塞下腔、主閥芯活塞上腔、先導(dǎo)閥芯前腔壓力相等。當(dāng)油路壓力升高到接近調(diào)定的壓力時，導(dǎo)閥被推開，便有小量油液通過節(jié)流孔、導(dǎo)閥閥口、主閥閥芯的中心孔從出油口流出。這樣，由于節(jié)流孔中有油液通過，便在主閥芯活塞下腔和上腔之間形成壓力差，給主閥閥芯造成一個向上的力。但此力還不足以克服主閥彈簧11的預(yù)壓縮力，因此主閥還不能打開。當(dāng)油路壓力繼續(xù)升高，導(dǎo)閥開口量加大，通過節(jié)流孔的流量加大，主閥芯活塞下腔與上腔之間的壓力差加大，便可

7、克服主閥彈簧的力和閥芯摩擦力，使主閥打開。壓力油便通過主閥閥口從出油口溢流，使油路壓力不再升高而保持此時的數(shù)值，這就是調(diào)定的壓力值。溢流閥就起到了控制油路壓力的作用。當(dāng)油路壓力下降，與上述過程相反，主閥與導(dǎo)閥就將依次關(guān)閉，溢流閥停止溢流。導(dǎo)閥調(diào)壓，主閥起著溢流。通過調(diào)壓手輪10，改變導(dǎo)閥彈簧7的作用力，改變了整個溢流閥控制的壓力。如果從導(dǎo)閥前腔向外開一個遠(yuǎn)控口（去掉螺堵即可形成遠(yuǎn)控口），用導(dǎo)管連接一個遠(yuǎn)處的直動式溢流閥（相當(dāng)于導(dǎo)閥），而將本身的導(dǎo)閥彈簧壓到最緊位置，則此先導(dǎo)式溢流閥便成為遠(yuǎn)控溢流閥，可用作遠(yuǎn)距離控制。 圖1

8、、 YF型三節(jié)同心先導(dǎo)式溢流閥 1、 閥體 2、主閥座 3、主閥芯 4、先導(dǎo)閥蓋 5、先導(dǎo)閥座 6、 先導(dǎo)閥錐式閥芯 7、調(diào)壓彈簧 8、調(diào)節(jié)桿 9、調(diào)壓螺栓 10、手輪 11、主閥彈簧 2、 溢流閥的主要性能 （1）靜態(tài)特性 （a）壓力調(diào)節(jié)范圍 定義：調(diào)壓彈簧在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)壓力平穩(wěn)（壓力無突跳及遲滯現(xiàn)象）上升或下降最大和最小調(diào)定壓力差值。 （b）啟閉特性 定義：溢流閥從開啟到閉合全過程的被控壓力與通過溢流閥的溢流量之間的關(guān)系。 一般用溢流閥處于額定流量、額定壓力時，開始溢流的開啟壓力和停止溢流的閉合壓力分別與的百分比來表示。開啟壓力比： 閉合壓力

9、比： 兩者越大及越接近，溢流閥的啟閉特性越好。一般規(guī)定：開啟壓力比應(yīng)不小于，閉合壓力比應(yīng)不小于，其靜態(tài)特性較好。 (c) 卸荷壓力：當(dāng)溢流閥作卸荷閥用時，額定流量下進(jìn)、出油口的壓力差稱為卸荷壓力。 (d) 最大允許流量和最小穩(wěn)定流量：溢流閥在最大允許流量（即額定流量）下工作時應(yīng)無噪聲。 (2) 動態(tài)特性 （a）壓力超調(diào)量：最大峰值壓力與調(diào)定壓力的差值。 （b）響應(yīng)時間：指從起始穩(wěn)定壓力與最終穩(wěn)態(tài)壓力之差的上升到的時間。 （c）過渡過程時間：指從調(diào)定壓力到最終穩(wěn)態(tài)壓力的時間。 （d）升壓時間：指溢流閥自卸荷壓力上升至穩(wěn)定調(diào)定壓力所需時間。 （e）卸荷時間：指卸荷信號發(fā)出

10、后由穩(wěn)態(tài)壓力狀態(tài)到卸荷壓力狀態(tài)所需的時間。 3、 溢流閥的設(shè)計要求 (1) 額定壓力 pe=16。 (2) 額定流量 Qe=60 L/ min 。 (3) 調(diào)壓范圍p1min～p1max=16 MPa 。 (4) 調(diào)成最高調(diào)成壓力p1min時，導(dǎo)閥的開啟壓力p2a≥0.9p1max 。 (5) 調(diào)成最高調(diào)成壓p1max時，主閥的開啟壓力p1a≥0.95p1max；此時的溢流量Qa≤0.01Qe。 (6) 調(diào)成最高調(diào)成壓p1max時，主閥的閉合壓力p1a≥0.9p1max；此時的溢流量Qb≤0.01Qe。 (7) 卸荷壓力px=0.4 MPa。 (8) 內(nèi)泄流量q≤ 0.001

11、5 L/ min。 4、 溢流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）溢流閥的結(jié)構(gòu)型式,有下列三種：（a）直動滑閥型（b）無平衡面積的座閥式先導(dǎo)控制型（c）具有平衡面積的座閥式先導(dǎo)控制型。（2）先導(dǎo)式溢流閥主要零件 三級同心式和二級同心式溢流閥總體結(jié)構(gòu)均由主閥和先導(dǎo)閥兩部分組成。 （a）主閥部分 主閥由閥體、閥芯、閥座等主要零件組成。 （b）先導(dǎo)閥部分 先導(dǎo)閥由閥芯、閥座、調(diào)壓彈簧、調(diào)壓裝置等零件組成。先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)一般分為直動式和差動式二種。 5、 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 （1）進(jìn)油口直徑 d,由額定流量和允許流速來決定 d≥ = V取6m/s，Qe=60L/min 計算得

12、d=14.62 mm，取 d= 15.00 mm (2) 主閥座孔徑D1=d-(0.03~0.04)cm=12mm (3) 主閥芯直徑D2=D1,取D2=10mm (4) 主閥芯活塞直徑 D0，按經(jīng)驗?。?.6～2.3）d1，取 D0= 22.00mm (5) 主閥芯與閥體的配合長度L 由公式 L=（0.6 ~ 1.5）D0 ，得L=D0=22.00mm （6）節(jié)流孔直徑 d0，長度 l0 按經(jīng)驗取 d0= 0.8～2mm，l0=（7～19）d 0，取d0= 1.00 mm， l0= 15 mm（7）主閥芯半錐角，按經(jīng)驗取=46 （8）導(dǎo)閥芯的半錐角，按經(jīng)驗取=20 (9

13、) 導(dǎo)閥座的孔徑 d2 和 d6，按經(jīng)驗取 d2=（2～5）d0，d6= 1.6mm， 取 d2= 4mm，d6= 1.6mm (10) 主閥芯溢流孔直徑 d3和長度l3 d3和l3可根據(jù)結(jié)構(gòu)確定，但d3不能太小，以免產(chǎn)生壓差過大，不利于主閥的開啟。在此，取d3=4 mm （11）尾蝶（消振尾）直徑d4、長度l4、過渡直徑d5 尾蝶的作用是消除液動力引起的振動。在此取d4=8mm，l4=17mm，d5=6mm。 （12） 閥體沉割直徑 D3，沉割深度S1，按經(jīng)驗取D3= D0+(1 ~ 15) mm，S1按結(jié)構(gòu)確定，應(yīng)保證進(jìn)油口直徑的要求?？梢匀3= 26.00mm；S1=

14、15 mm。 （13） 主閥芯與閥蓋的間距 S2，應(yīng)保證主閥芯的位移要求，S2≥ X max 式中：X max——主閥的最大開度，X max的大小見靜態(tài)特性計算。 (14) 主閥彈簧的裝配長度 l1 l1= L1 - h1 式中：L1——主閥彈簧的自由長度，見靜態(tài)特性計算部分； h1——主閥彈簧預(yù)壓縮量，見靜態(tài)特性計算部分。 l1的數(shù)值要在主閥彈簧設(shè)計后才能確定。 (15) 導(dǎo)閥彈簧的裝配長度 l2 l2= L2+(1 ~ 2) mm 式中：L2——導(dǎo)閥彈簧自由長度。 l2的數(shù)值要在導(dǎo)閥彈簧設(shè)計后才能確定，見靜態(tài)特性計算部分。 (16) 溢流閥閥體壁厚 （m）

15、 式中： ——閥體壁厚（m）； D——閥體內(nèi)徑（m）,D=0.022m； Py--——試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍（MPa）； []——閥體材料的許用應(yīng)力，鑄鋼：[]=100~110MPa。 代入，得： 0.0022（m） 6、靜態(tài)特性計算 （1）基本方程式 先導(dǎo)式溢流閥的靜態(tài)特性決定于導(dǎo)閥、主閥和節(jié)流口結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此，計算靜態(tài)特性時要列寫流量方程式和力平衡方程式，作為計算靜態(tài)特性的基礎(chǔ)。 （a）主閥閥口節(jié)流方程式 式中：——通過主閥的流量； ——主閥流量系數(shù)；

16、 ——主閥節(jié)流面積，， x為主閥開度。 （b）主閥芯受力平衡方程式 主閥芯軸線方向所受的作用力包括彈簧力、重力、摩擦力、主閥芯溢流孔壓降引起的作用力、主閥芯活塞下腔和主閥芯活塞上腔壓力的作用力、閥口溢流時產(chǎn)生的液動力。如主閥芯等速上升，則可列出受力平衡方程式為: 式中：p1——主閥芯活塞下腔作用力； ——主閥彈簧剛度； ——主閥彈簧預(yù)壓縮量； ——主閥芯重量； ——主閥芯所受的摩擦力； ——主閥芯溢流孔壓降引起的作用力； ——主閥芯所受的液

17、動力； 根據(jù)圖所示液流情況，可按下式計算: 式中：——閥口流速； ——尾碟處液體流出速度的軸向分量。 因為尾碟附近過流面積遠(yuǎn)大于閥口截面積，而且尾碟與主閥芯軸線垂直。所以，尾碟附近流速的軸向分量接近于零，即0。閥口流速可按下式計算： 在局部阻力系數(shù)時，流速系數(shù)。因此可得： 由式可知，的作用方向于相同。設(shè)計尾碟和選取半錐角時要加以注意。將上式聯(lián)立可得主閥芯平衡方程式： （c）節(jié)流孔流量方程式 可

18、按下述經(jīng)驗公式計算，式中的單位必須是米、千克、秒制。 式中：p1——主閥芯活塞下腔作用力； P2——主閥芯活塞上腔作用力； ——通過節(jié)流孔的流量； ——節(jié)流孔截面積； ——油的運動粘度； ——油的重度。 （d）導(dǎo)閥閥口節(jié)流方程式 式中：——通過導(dǎo)閥得流量； ——導(dǎo)閥流量系數(shù)； ——導(dǎo)閥節(jié)流面積； 式中：——導(dǎo)閥得開度。將壓力看成近似等于零，則： （e）

19、導(dǎo)閥芯受力平衡方程式 導(dǎo)閥芯軸線方向所受得作用力有彈簧力、液動力、導(dǎo)閥前腔C中壓力得作用力等。受力平衡方程為： 式中：——導(dǎo)閥座孔徑處的截面積 ——導(dǎo)閥彈簧剛度； ——導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量； ——導(dǎo)閥芯所受的液動力。 液動力的求法與相似，得： 在閥的不同工作情況下，流量系數(shù)又不同的數(shù)值。主閥與導(dǎo)閥的閥口處的流量系數(shù)可分別取為：C1=0.8；C2=0.77 7、彈簧剛度和預(yù)壓縮量計算 （1）主閥彈簧剛度K1和預(yù)壓縮量h1 當(dāng)主閥剛要打開，還未打開時：

20、 利用上式可求出K1和h1，但必須先做以下工作： a) 主閥剛要打開，還未打開，p1為主閥的開啟壓力,取p1為最高調(diào)定壓力p1max下的開啟壓力，即： b) 由節(jié)流孔流量方程式求p2，取節(jié)流孔流量Q0=Qa，得: 其中v是運動粘度，是油液重度， c）主閥芯摩擦力F1包括主閥芯上段直徑D2處和活塞直徑D0處得摩擦力，可表示為: 式中：——摩擦

21、系數(shù)； FD2——D2處的側(cè)壓力； FD0——D0處的側(cè)壓力。 側(cè)壓力與縫隙兩端壓力差、縫隙長度、圓柱直徑成正比。將其他因數(shù)用系數(shù)表示，并取摩擦系數(shù)，則P1可表示為： 將壓力p3看成近似等于零，為系數(shù)，～，直徑小、接觸長度短時取大值，則： d) 求主閥芯溢流孔d3壓降引起的作用力F2 溢流孔d3壓降△p3由沿程阻力和進(jìn)口、出口處的局部阻力所組成，可表示為： 式中：——進(jìn)口處局部阻力系數(shù)； ——出口處局部阻力系數(shù)；

22、 ——沿程阻力系數(shù)。 通過主閥芯溢流孔的流量等于通過導(dǎo)閥的流量Q2，取近似Q2=0.01 Qe。于是，主閥芯溢流孔流速為： 雷諾數(shù)的表達(dá)式為： 由于Q2很小，Re很小，主閥芯溢流孔內(nèi)流動為層流，可以～， 。于是，由壓降△p3引起的作用力為： e) 在最高調(diào)定壓力p1max下主閥芯的開口量x10 在最高調(diào)定壓力下，其開口量為4.6 f）求出主閥最大開度xmax 在卸荷情況下（通過額定流量Qe）主閥有最大開度，由此可得： 式中：C

23、1——主閥流量系數(shù)； ——油液重度； ——公稱流量； ——卸荷壓力； g——重力加速度。 取 C1=0.8，=0.903103（N/ m 3），帶入上式計算 然后按經(jīng)驗?。? g) 主閥芯重量 主閥芯可以做簡單的估計，主閥芯質(zhì)量大約： M=π（0.0052*0.018+0.0112*0.015+0.0072*0.022+ 0.0032*0.01-0.0032*0.03-0.00152*0.035）*7.85*103=0.074 kg 所以其重量為：G=Mg=0.074*9.8=0.73 N 將上式子帶入主方程可得： 其中：A3=3.1

24、4/4*(0.0222-0.0112)=2.85*10-4 m2 A4=3.14/4*(0.0222-0.012)=3.01*10-4 m2 所以： 主閥彈簧的選擇：自由長度為L1=54，其彈性剛度為13.523 N/mm。 由已知初選結(jié)構(gòu)尺寸計算，活塞面積A3和A4之比按經(jīng)驗取為～。 （2）導(dǎo)閥彈簧剛度K2和預(yù)壓縮量h2 由公式可知：當(dāng)導(dǎo)閥剛要打開，還未打開時， 此時p2為導(dǎo)閥的開啟壓力。取p2為最高調(diào)定壓力p1max下的開啟壓力，p2在前面已經(jīng)算出為14.99 y為開啟壓力下的彈簧開度，由（3-2）

25、式求出的p2代入式子并取Q2=Q0≤0.01Qe，即得出導(dǎo)閥彈簧在開啟壓力為p1a≥0.95 p1max時的導(dǎo)閥開度。系統(tǒng)壓力為開啟壓力p1時導(dǎo)閥的開口量y 將已知量帶入得： 則h2=0.16/0.01=16 mm =12.5 N/mm 導(dǎo)閥彈簧的選擇：自由長度為L2=50，其彈性剛度為12.5 N/mm。 8、其他相關(guān)特性 （1）最高調(diào)定壓力是的主閥閉合壓力 一般來說，在閉合過程中，把通過的溢流閥量為公稱流量的1%時的溢流閥進(jìn)口壓力視為閉合壓力，所以 （2）最低調(diào)定壓力 最低調(diào)定壓力時將調(diào)壓手輪全松，使調(diào)壓彈簧的預(yù)壓縮量=0，主閥的

26、開口量達(dá)到卸荷時的開口量，設(shè)導(dǎo)閥油腔的壓力， （3）最小溢流量 所謂最小溢流量是指在某一調(diào)定壓力時，溢流閥所能通過的最小穩(wěn)定流量。最小溢流量主要取決于主閥的最小允許開口量。 將式中的換成和，即可分別求出和時的最小溢流量。 （4）溢流閥內(nèi)泄漏量： 按偏心環(huán)狀縫隙的流量公式來計算： () 式中主閥芯直徑D=22 mm，主閥芯直徑與閥體間的單邊配合間隙 △r=0.005 m 。公稱壓力 （） 油液動力粘度 ： （） （） 主閥芯與閥體的配合長度L=20 mm，處均壓槽

27、數(shù) ，均壓槽寬b=0.5 mm 則： = ml/s=0.00012 L/min 參考文獻(xiàn) [1] 林建亞、何存興. 液壓元件[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1991. [2] 李玉琳. 液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社，1989. [3] 何存興、張鐵華. 液壓傳動與氣壓傳動（第二版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000-8 [4] 趙應(yīng)樾. 液壓控制閥及其修理[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，1999-1 [5] 劉震北. 液壓元件制造工藝學(xué)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1992-12 [6] 廖念釗、莫雨松、李碩根、楊興駿. 互換性與技術(shù)測量（第四版）[M]. 北京：中國計量出版社，2000-1 [7] 楊培元、朱福元. 液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.12 [8] 徐灝. 機械設(shè)計手冊（第二版 第3卷）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000-6， [9] 范存德. 液壓技術(shù)手冊[M]. 沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2004-5 [10] 陸培文. 實用閥門設(shè)計手冊[M] .北京：機械工業(yè)出版社，2002-10 20