《水压比例节流阀的设计及仿真研究(可编辑).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水压比例节流阀的设计及仿真研究(可编辑).doc（49页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、水压比例节流阀的设计及仿真研究 学校代号:学 号:密 级:公开兰州理工大学硕士学位论文水压比例节流阀的设计及仿真研究堂僮虫请厶姓名; 生雪虹毯远邃高工昱烦姓名厦驱猛;能源生动左王程堂医墙差望僮;童些名猛;: 扭撼电王王捏墨生墨目旦论文提交目期;墨生鱼旦苎旦论文筌避旦期;答辩委员会圭廑; 塞盍煎握燮 . 。,兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本人完全
2、意识到本声明的法律后果由本人承担。日期:勿膨年月日作者签名:旮咎孛唬学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权兰少理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库,并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名:月多日日期:劢,年多鹏啦导师签名:日期劢,务多月日彳叫争硕士学位论文目录摘要一.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.
3、?.?.?.?.?.?.第一章绪论.?.论文选题背景?.引言?.水液压传动技术的发展历史?.水液压传动技术的研究现状?一.水液压传动技术的发展趋势?.水液压元件的发展现状:.水压泵的发展?.水压控制阀的发展?.本文研究目的及内容?.:.本文研究目的?.本文研究内容第二章流量控制阀的介绍及水压比例节流阀设计时的关键技术. .流量控制阀的基本原理?. .比例节流阀的分类?一.直动式比例节流阀.先导式比例节流阀.设计水压比例节流阀时的关键技术一.本章小结?.第三章水压比例节流阀的设计?.水压比例节流阀的设计内容.水压比例节流阀的设计参数.水压比例节流阀的结构设计.水压比例节流阀阀口形式的设计.阀芯结
4、构尺寸?.密封形式的选择.比例电磁铁的设计.电磁铁最大推力历一的计算?.比例电磁铁结构形式设计.比例电磁铁尺寸的确定?.比例电磁铁线圈温升的验算?水压比例节流阀的设计及仿真研究.小结第四章普通锥阀结构的流场仿真?.前言?. 介绍.锥阀结构及网格划分?.锥阀流道结构?.网格划分.边界条件和计算方法?.仿真结果及分析.静压云图分析?.速度分析.流量系数分析?.阀芯作用力和液动力分析.小结第五章 锥阀结构的合理确定.前言?一.特殊结构锥阀的流道模型?一.边界条件和计算方法?.仿真结构分析?.静压云图分析?.速度流线图分析.两种结构流量曲线图和流量系数曲线图比较.两种结构液压力和液动力曲线比较?.小结
5、?一总结与展望?.参考文献.致谢附录攻读学位期间所发表的学术论文目录?硕士学位论文摘要液压系统中,液流的压力、流量、方向都是由液压阀来控制的,所以液压阀的性能的好坏对整个系统起着关键性的作用,随着科学技术的发展,由于水液压技术本身所具有的无污染性和抗燃性等独特优点以及新材料的性能不断提高和制造技术的日益完善,它已经成为液压领域新的重要发展方向之一,而水压阀的结构优化和特性研究也是研究重点。本论文通过理论分析和数值仿真结合的方法,对水压锥阀结构进行设计并通过仿真进行详尽分析。本论文首先设计了水压比例节流阀锥阀结构及比例电磁铁,并对主要参数进行校核。其次通过建立合适的普通锥阀和特殊结构锥阀不同角度
6、和尺寸的几何模型;利用前处理软件,进行网格划分,再通过仿真,得出两种结构的不同角度尺寸的静压云图,速度流线图,及流量曲线图,液压力图和液动力图,并进行分析。最后对这两种结构的仿真结果,就锥角度,不同开口度时的静压云图,速度流线图,及流量曲线图,液压力图和液动力图进行比较,得出本文所设计的锥阀结构是优于普通锥阀结构的一种比较合理的结构,在同样条件下,出现负压区域较小,其余流道压力较均匀,产生较小的漩涡,从而降低了能量损失,且流量曲线线性度比较好,稳态液动力也有所降低。关键词:水液压;比例;流场仿真;特性分析水压比例节流阀的设计及仿真研究 ,., , . , . , .,;, , ., , , ,
7、 , :, ,硕士学位论文第一章绪论 弟一早三酉记.论文选题背景.引言以液压油为工作介质的液压传动系统由于具有功率重量比大、自润滑性好以及元件不易生锈等的优点,因此在工农业生产、自动化控制、航空航天等领域等到了广范的应用,为人类社会生产力的发展做出了巨大贡献。但是随着人类环保意识的逐渐增强,由于液压油污染环境,近年来,以水作为工作介质的水液压技术备受关注,并逐渐成为液压传动技术发展的新方向。.水液压传动技术的发展历史人类历史上最早的液压传动系统和液压泵出现于世纪初,工作介质是水。世纪中叶, 发现了静压传递原理,为液压传动技术的应用奠定了理论基础。世纪初,英国发明家 首次利用静压传递原理构造了水
8、液压传动系统。但由于水的水的润滑性比较差,世纪初,以矿物油为工作介质的液压传系统取代了水液压系统,开始被应用于海军战舰炮塔的俯仰装置。由于液压油在系统中气到了润滑,防锈,散热等作用,油压传动系统得到了越来越广泛的应用。但是世纪年代出现的世界范围的石油危机又促使世界各国开始研究以水基液代替矿物油做工作介质的液压传动系统,此时的高水基液是将%左右的化学加剂添加入%的去离子水中形成的合成液。由于水基液具有无污染、廉价、抗燃等优点,因此水基液液压传动技术在当时被普遍认为是世纪年代液压领域的重要发展趋势,并且将成为某些工业部门,如轧钢、冶金、机械制造、食品和海船等传动系统的主要工作介质。但是由于采用水基
9、液的液压传动系统经济性差,成本要高于采用液压油的液压系统,因此随着世纪年代石油价格的下跌和石油危机的缓解,人们对水基液的研究和使用兴趣逐渐下降,水基液后来仅被用于一些对抗燃性有特殊要求的应用场合【。近年来,随着人类环保意识的增强,世界各国政府制定了相应的环境保护法律和法规,从而激发了人们研究低成本,环保液压工作介质的兴趣和热情。世纪年代发展的高水基液添加了%左右的化学添加剂,因此仍然从在污染问题。硕士学位论文绣期恕鬟图.纯水液压技术的趋势及应用比重】纯水液压传动技术的第阶段,主要包括消防灭火装置、喷雾设备以及原子反应堆的冷却、货物的拆装、飞机的高压清洗、船舶以及食品行业等这几个小的特殊领域。纯
10、水液压传动技术的第阶段主要在食品加工的行业应用的比较多,如搅拌发酵机、面包机、加工肉类的切割系统等等。第个阶段,工程机械也成为纯水液压传动技术的应用又一领域,与此同时纯水液压传动也将在通用机械上采用。食品行业中纯水液压技术的应用:我们都知道食品加工行业不像其它机械行业,这个领域所用到的机器及工具,多数都是采用不锈钢材料,而且供应不同种类的水源,因此纯水传动技术在这个领域有很大的利用优势。与其它机械行业相比,我们也知道食品行业的动力元机器所需要很低的能量,所以利用的液压传动系统也就需要很低的压力,从而使纯水液压元件的造价得以降低。例如,与在传统切肉机上所用的气动系统相比较,水液压切肉机不仅噪声降
11、低了,而且成本也得到了节约。纯水汉堡机的液压系统是由两个液压马达、个液压缸组成。其中液压马达驱动螺旋输送机,个液压缸完成压缩、注射、成型、切割功能、提升。系统利用内置控制,进行手动调节及自动控制。系统的最高压力为,最大流量为/,每小时可以生产约个汉堡。此系统应用水液压传动技术的优点是成本低、占地面积小、对环境和产品无污染等,同时该系统还可以作为高压清洗器使用。海洋中纯水液压技术的应用:水液压机械普遍应用于海上作业的这些领域:海洋工作工具、半潜式或自升式钻井平台、海洋勘探和机械手,但是由于海洋与大陆相隔较远,将会给矿物油的供给和对系统的维修保养带来不可避免的麻烦。假如把油介质替换成水介质,水压比
12、例节流阀的设计及仿真研究在节约大量矿物油的同时还能节约一笔可观的运输费用,明显提高了经济效益。由于液压工具体积小、重量轻、特性平稳、输出功率大。在机械手和水下机器人中,几乎都采用液压提供动力,与传统的油介质液压动力工具相比,水液压系统结构简单,并且水下工作者在作业时的机动性、灵活性都得以提高,同时也减小了附加作业力。水液压技术在水射流切割技术中纛鬃鬻饔囊黧熏霾的应用:目前高压水射流切割设备已在数十个国家几十个行业中得到应用,尤其在航空航天、船舶、军工、核能等高尖技术上更显优势。高压水射流的基本原理如图.所示,图.高压水射流自然切割图属于冷切割,加工本身无热量产生,且加工力小,不产生热和机械的应
13、力与出口处材料的组织结构不会发生改变;不污染环境,通常在切割过程中产生的灰尘、弧光及有毒气体也被避免了,具有整洁操作环境,严格符合一直提倡的环保要求;不受材料和厚度的限制,即可加工比较柔软的材料,如:皮革、橡胶、塑料、纸张等;又可加工高硬度的材料,如:工程陶瓷、玻璃、不锈钢等;而且是加工易碎材料和诸多合成材料及加工较复杂工艺的唯一手;用水切割时,产生很小的横、纵向作用力,与其它切割方法相比,像受热变形或裂缝是不会产生的,切口光滑、无熔渣;可一次性完成钻孔、切割及成型工作,不需要二次加工,且刀具无磨损,生产成本低。纯水高压细水雾灭火装置系统图:如下是浙大研究出的系统原理图.,硕士学位论文图.纯水
14、高压细水雾灭火系统原理图该系统由高压纯水液压阀、高压纯水液压泵、喷嘴、水箱、不锈钢管道等组成,水箱的容量为,系统工作压力为。当系统处于工作状态时,处于高压状态的水压阀被打开,此时水压泵从水箱吸入水,高压水从如图所画的喷口喷出,产生平稳波动小的高压水。当水流过被特殊处理的喷嘴如,雾化处理时,它就能够迅速喷出与特殊处理相对应的水流,如拿雾化过的喷嘴来说,他将产生厚厚的水雾,以便达到了短时间灭火效果,使起火现场立即的降温,并与空气隔绝。此灭火系统水量利用率大约只有普通喷水系统的/,效率高,水可以实现大约或更长时间的灭火效果。.水液压传动技术的发展趋势由于水液压技术本身所具有的无污染性和抗燃性等独特优
15、点以及新材料的性能不断提高和制造技术的日益完善,它已经成为液压领域新的重要发展方向之一,但是此项技术和油压技术相比还在总体性能等方面存在一定的差距,因此此项技术还得从以下几方面进行发展:新材料如耐磨、防锈材料得到广泛使用;提高产品的可靠性,效率性,加快研究周期;提高产品竞争力的同时进一步降低成本。水液压技术的发展将给我国带来巨大的经济社会效益,由于水介质液压系统所具有的特殊理化特性,能够预测的是它将在很多领域得到非常广泛的应用,如水下作业工具、石油机械和海洋勘探的液压传动,医疗、包装、食品等无污染行业,也将会在未来更多的行业得到利用。水压比例节流阀的设计及仿真研究.水液压元件的发展现状:液压元
16、件中对工作介质的粘度要求高的是液压泵,其次是各种阀,因此水压系统中水压泵和水压阀的设计制造是决定水压系统性能的关键【。.水压泵的发展在世界上,美国在上世纪年代在全球首先对水液压传动技术做了开发和研究,美国海军土木工程实验室,海水叶片马达在年被研制出并推出利用,进而在年又研制出了首套应用于海水中的水下工作的系统,它的工作压力为,流量为到/。作业工具有旋转式螺旋桨清洗刷及冲击扳手等等。在研制水压元件和系统方面日本处于领先地位,它国的水压系统平均工作压力可达至,并且已应用到医疗食品行业中。压力的纯水液压控制元件已经出售,在控制水下工作的机器人时,己应用了这种先进技术,从位置控制精度上来说,应用水介质
17、的高于油介质的系统。在年,日本的一个知名会社开始研究高压海水泵,在年,成功研制出了压力为、流量约为/的三柱塞曲柄连杆型容积式海水泵,应用于深潜考察船的浮力调节。随后又研制出流量/、额定压力为最高可达.的三柱塞曲柄连杆型容积式超高压海水泵,应用于深潜考察船的浮力调节。川崎重工业株式会社也研制出流量可达/、额定压力为最高可达的轴向柱塞式超高压海水泵,目的也是应用于深潜考察船的浮力调节,并在此基础上又研制出流量/、额定压力为.最高可达.的三柱塞曲柄连杆型容积式超高压海水泵,这样的两台超高压海水泵,在年正式应用在的深潜考察船浮力调节中【。欧洲各国包括英国、德国、丹麦和芬兰等国家从世纪年代开始都先后开展
18、了水压泵的开发和研制。年英国与两大石油公司出资,与英国土木实验室合作研制海水液压泵和马达,年研制出压力分别为和的柱塞式海水液压马达及泵,研究出了合适的水压驱动设备,并且成功地在水下工作的工具上的到了验证。上世纪年代,英国大学还继续就怎么改进水压塞泵的特性做工作。著名的丹麦液压设备公司和丹麦科技大学合作,在年设计生产出系列的纯水液压轴向柱塞马达及泵和其他产品。如图.所示硕士学位论文图. 系列水压轴向柱塞泵结构一静压轴承及密封;一连接法兰盘;一回程盘;一柱塞;一阀和止推盘:一斜盘;一缸体;一弹簧;一配流盘;连接法兰盘该泵采用各部件均采用耐腐蚀的材料或不锈钢做基本外面涂敷强化塑料,以提高泵的使用寿命
19、。泵的工作压力可达,流量为/,总效率可达%以上,主要应用左右在卷取机作业、生产带钢流水线、医疗卫生、食品加工等一系列领域。芬兰坦佩雷科技大学与公司合作,于年研制出压力为、流量为/的新型轴向柱塞式海水液压泵及马达,如图.所示:图. 公司柱塞泵【 图. 公司生产的系统三柱塞曲柄连杆水压泵水压比例节流阀的设计及仿真研究德国公司的研制出的三柱塞曲柄连杆水压泵压力为,流量为/,如图.所示,目前已在金属压力成型设备和焊接机器人上广泛应用。我国华中科技大学、浙江大学以及西南交通大学等也从上世纪十年代开始开展了大量的水压技术研究。华中科技大学在同世纪年代初承担了六五、七五高水液压传动重点科技攻关项目,年研制出
20、国内第一台水液压样机,泵入口可达至以上的吸入高度,具有%泵容积效率。相继在年又研制成功阀配流式纯水轴向柱塞泵,该泵额定压力为.最高达.御:最大流量/,转速为/;最高吸入真空度为.:容积效率为%:总效率为%。该泵在研制出的当年通过了严格的试验研究,包括船厂系泊试验海军司令部航保部主持的实验室试验、基地海上航行试验等,满足装艇要求,已经在海军潜艇上得到应用。浙江大学和西南交通大学也对纯水液压泵的柱塞/缸筒以及滑靴/斜盘摩擦副之间的摩擦和磨损状况进行了研究。.水压控制阀的发展纯水液压控制阀研究现状国外世纪年代开始研究用于海水液动力工具的水压控制阀,同水压泵的发展一样,由于最初的材料限制,因此研究工作
21、缓慢。上世纪年代后期,高分子材料、工程陶瓷相继得到应用,解决了海水液压阀面临的摩擦损失和腐蚀两大关键技术难题。目前,芬兰、美国、德国、丹麦、芬兰、美国、日本等国制造出的纯水液压控制阀基本上可达的压力范围,并己进入使用阶段。丹麦的公司和丹麦理工大学合作,自从年起开始对纯水液压控制阀的进行研究,己设计研制出一系列纯水液压控制阀。由于广泛使用了工程塑料、不锈钢等材料、应用了更紧的配合,因此,阀工作压力基本可达到,流量从/上升至/,而且使用寿命和效率甚至超过了矿物油型液压元件。德国的公司主要设计并生产中高压及大流量的纯水液压控制阀,其压力可达。另外,此公司还成功研制出利用陶瓷做阀芯的纯水液压滑阀产品。
22、坦佩雷理工大学联合与芬兰 公司研制出了多种水液压比例流量控制阀以及纯水液压开关控制阀,其压力等级可达至。日本的三菱重工、公司、神奈川大学等公司也研制出了多种纯水液压控制阀,其压力可达.我国浙江大学对方向控制、流量控制及压力控制三大类水压阀进行了设计及研制,华中科技大学也对纯水溢流阀进行研究,提出了“油气弹簧”提高纯水溢流阀稳定性和动态性能的方法。几种纯水控制阀纯水方向控制阀如图.所示为典型的一种球阀式二位二通纯水电磁换向阀。硕士学位论文阀主要由锥面柱塞、陶瓷球、阀套、阀体及电磁跌和推杆等组成。其通过推杆使电磁铁的推力趋于放大,进而推动陶瓷球来实现油路通断。电磁铁推力通过杠杆放大十倍左右,陶瓷球
23、位移只有几个毫米,反应灵敏,响应速度快,换向可靠,其换向频率可高达次/以上。缺点是死区和滞徊比较大达到了%左右。最高压力可达,阀的最大流量为/。由于利用球面密封达到油路通断的目的,因而有其密封性好,无泄漏的优点。阀芯由锥面柱塞和陶瓷球组成,换向过程中不会出现液压卡紧现象,所以能够用于高压场合,具有抗污染能力强的特点。图.球阀式纯水电磁换向阀如图.示是一种滑阀式三位四通水压方向控制阀,因为在缝隙处的流速非常大,所以时间长的话,多条丝状缝隙即拉丝冲蚀现象将会在配合面上形成进而加快元件的失效速度,所以滑阀式结构的水压方向阀是不多见的。该阀阀芯采用了抗冲蚀磨损强和抗气蚀的工程陶瓷材料,已得到较长的寿命
24、,较高的压力及较低的泄漏。但是因为此结构的阀加工难度较大,成本高,应用范围也就不是很广泛。图.滑阀式水压方向控制阀【水压比例节流阀的设计及仿真研究目前,大通径以上的纯水方向阀更多地采用电液控制形式,小通径以下的纯水方向阀较多采用了球阀结构,此通径球阀一般做先导级而集成在主阀上。纯水溢流阀如图.所示是由华中科技大学研制的纯水溢流阀,此阀在具备普通溢流阀的结构基础上,此阀芯上还加了油气弹簧,而油气弹簧是由气腔,活塞上下部油腔组成,阀芯运动时油液通过油腔阻尼孔形成阻尼力。油气弹簧不仅仅可以对阀芯“弹簧一质量”系统提供阻尼力,同时,液压油还可以改善阀芯的润滑情况,并使阀芯的运动有导向。油气弹簧活塞下部
25、用铝合金密封活塞把油腔和气腔隔离。,阀芯小端利用摩擦阻力小并且密封效果较好的斯特封来密封水腔与油腔。另外,附加油气减振装置可以使该阀的动态响应性能和工作稳定性得到有效的提高。图.纯水溢流阀纯水节流阀如图.所示是一种纯水节流阀,阀套及阀芯形成两个串连的过流阀口,一同对进出两端压差进行分担,图为典型的二级节流抗气蚀结构。阀中设置了消振垫,为消除振动,从而对阀口前腔的流场分布做了改变,迫使流场流线变化减缓。其额定压力达,流量达/。硕士学位论文图.纯水节流阀目前,一些水压元件公司如美国公司、丹麦公司,美国公司等已生产出了不同压力和流量规格的控制阀,工作压力能公司和够达,流量能够达/。为了解决此类阀中存
26、在的强气蚀现象,减小噪声及振动,一些不同于油压控制阀的多级节流结构和异形结构被采用,另外,设计人员首选方法是从元件本身设计并采取有针对性的措施,从而有效的提高了纯水控制阀的使用寿命及性能。纯水比例阀和纯水伺服阀如图.所示为日本公司最新研制的纯水液压比例控制阀。此阀的额定压力达,最大流量达/,换向频率达,内泄漏量低于./,阀芯的遮盖量约为全行程的达%。该阀己应用在位置控制系统中,实践证明具有很好的动静态特性。由电感式位移传感器对阀芯位移即衔铁的位置进行检测,并作为实际值反馈到放大器的开始输入端,纳入闭环回路中,对阀芯的位置不断的校正,从而提高控制精度,并有效减小了电磁铁所引起的滞徊影响。这种位置
27、调节的闭环,使阀芯对各种非线性的干扰力,例如介质污染、液动力的变化所引起摩擦力变化等的影响不是很敏感。而且能快速的、准确的跟踪预期调设定值。与传统的液压油比例控制阀相比,阀中采用了阀套结构,安装在阀芯两端的两个静压轴承不仅仅支撑阀芯平稳运动,而且使得阀腔通过此轴承及出口与阀体上的流道相通,从而保证阀腔内的水介质干净;阀体流道上安装的阻尼孔,可使的阀芯的运动更加平稳,有效减小了换向冲击。德国公司所研究出的滑阀式比例控制阀,其阀芯采用了工程陶瓷材料,额定压力达,流量可高达/,开启压力为.,其性能基本达到了现有油压比例控制阀的水平。水压比例节流阀的设计及仿真研究比饲电磁铁阻尼乳 润套 阀心弹簧阻尼孔
28、图.纯水比例控制阀【如图.所示为日本公司研制出的纯水比例伺服阀。该阀是由三位四通滑阀及喷嘴挡板阀所组成的二级结构。在阀芯两端同样设置了静压轴承,以便减少阀芯所受的摩擦力和液动力,喷嘴挡板阀口和静压轴承腔通过阀体流道相通,因而减流量损失。电感式位移传感器对阀芯位置进行检测,并输出电信号反馈至放大器的开始输入端,形成闭环回路。阀体采用了不锈钢材料,阀芯和阀套采用了工程陶瓷材料,以便减小腐蚀气蚀对于阀性能的影响。其额定流量可达/,额定压力可达。此外,在英国、芬兰、美国等一些发达国家也已经研制出了纯水比例阀和纯水伺服阀。如美国公司、丹麦公司等都有不同压力和流量规格的产品。总体来说,纯水液压比例阀已经达
29、到了现有油压比例阀的水平,而纯水液压伺服阀的研制虽然是取得了较大进步,但也只是停留在试验样机阶段,在其性能方面还与现有油压伺服阀还存在很大差距。硕士学位论文图.公司的纯水伺服阀】.本文研究目的及内容.本文研究目的由于水作为介质的特殊的物理化学特性,使得水压阀设计面临解决密封,气穴,腐蚀,泄漏,润滑等技术难题。因此,从水压阀的结构设计,材料选择,加工工艺等方面综合考虑,才能设计出高质量,高性能的水压阀。本文对水压比例节流阀的结构的设计及研究方法,对今后水压阀的进一步研究奠定了一定的基础。.本文研究内容本文主要做以下几方面的工作:结合水压传动的研究成果和油压比例节流阀的设计理论,设计出适合水压环境
30、下的水压比例节流阀锥阀和电磁铁结构,选取合适的材料,并对主要参数进行校核。建立水压比例节流阀普通锥阀和特殊锥阀结构的三维模型,应用进行内流场仿真,分析节流锥阀轴对称面的静压云图,速度流线图,精确计算阀芯上所受到的液动力、并对气穴现象进行分析。分析并比较相同情况下,两种结构的静压云图,速度流线图及液动力水压比例节流阀的设计及仿真研究曲线图等,得出较理想的结果,从而为合理设计阀口流道以及改善水压节流阀的动态响应特性等提供理论依据。硕士学位论文 第二章流量控制阀的介绍及水压比例节流阀设计时 的关键技术 .流量控制阀的基本原理 流量控制阀有节流控制和容积控制两种方式。节流控制又称阀控,即液压阀控 制;
31、容积控制又称泵控,即液压泵控制。而流量控制阀就是所说的完成流量控制 的这种阀类的统称。 各种流量控制的液压阀均都是根据薄壁节流孔的流量公式 矿印 .对流量大小进行控制的。 式中矿一一通过阀口的流量; 一一是与油液密度、节流孔口形状及油温相关的系数;在固定工作介 质温度下,及阀口的工作介质确定的情况下,可视为常数; 钗,?阀口的通流面积,与阀芯位移 阀口形状有关,阀口形状 定义为与阀芯五有关的面积梯度; 肇?阀口的压降。 式.表明,之所以调节,和肇均可调节流量矿矿 是因为通过阀 口的流量与阀口的面积和阀口前后的压力差肇有关,。 阀口的压差星被其进、出口的压力决定的,我们都知道,阀的出口压力由负
32、载的大小确定,进口压力则由压力阀调定。因此,控制流量用印被控制的方法来 实现是不方便的,而且助太大会增加功率损失。 用调节,的方法来实现控制流量较方便,只要在一周上开上一定面积梯 度的沟槽,再把运动的阀芯置于阀套当中,不同的阀口面积么,就可以通过移 动阀芯得到,比例流量阀的流量控制是通过采用比例电磁铁所输出的控制电流来水压比例节流阀的设计及仿真研究调节阀芯的位移,进而调节钗。的办法来实现的。当控制流量仅仅用调节钗,来时,就是成为通常所说的节流控制。这时如果印变化由供油压力或负载变化引起,那么会形成对流量控制的干扰。当控制流量通过调节钗,且保持印恒定来实现,就是我们通常所说的流量控制调速控制,而
33、这种流量控制方式使流量与面积钗,有较好的线性度。.比例节流阀的分类比例流量阀分为比例节流阀和比例调速阀,比例节流阀最常见的方法是比例节流阀的调节手轮被电磁铁取代,直接控制节流阀的阀口开度而形成比例节流阀,比例节流阀的关键部件是比例电磁铁,依靠其比例控制作用,比例节流阀可将连续把变化的电信号的输入转化为阀口位移,从而控制节流阀的面积,达到控制流量的连续变化。水压比例节流阀借鉴油压节流阀的分类,可分为直动式比例节流阀和先导式比例节流阀。.直动式比例节流阀普通单级比例节流阀直动式比例节流阀又称为单级比例节流阀,比例电磁跌驱动节流阀阀芯采用液压力平衡的结构和弹簧支撑,阀芯位移和输入的电信号成比例,其一
34、图为直动式比例节流阀的原理图:?口. ,;/. 二霪图.单级比例节流阀的原理图液压卡紧力和摩擦阻力存在在阀芯和电磁铁工作时,如果忽略这两力,其稳态平衡力方程如下:.髯/一乞一髯,.饥十力夕硕士学位论文式中:髯,置,一一电磁铁的电流力增益和位移力增益;一一控制电流和其实际电流;乞一一复位弹簧刚度及预压缩量;髯,哆一一稳定液动力。一般情况下髯髟。,所以上式可写为.皑?川:垄二垒二垒一坛卢霄如果不计液动力,则阀芯位移,与输入控制电流成正比。实际上,稳态液动力的变化是影响阀的稳态负载特性的主要因素。此阀是开环控制,所以它抗干扰能力比较差,即阀芯位移调节刚性较低,但是具有结构简单,低成本的优点用于低压小
35、流量的系统。位置一电反馈型单机比例节流阀另外除了开环比例节流阀,为了提高比例节流阀的位移调节刚性,提高阀抵抗液压卡紧力、液动力及摩擦力等干扰的能力,以获得高的控制精度,所以出现了采用内含阀芯位移检测电反馈式比例节流阀图.所示为这类阀的典二.。型实例。生、图.位置一电反馈型单级比例节流阀.先导式比例节流阀在先导式比例节流阀中,比例电磁铁通过先导液桥,对主阀的位移实现比例控制。由于先导级的液压放大作用,这种阀可以实现对高压大流量液流的控制。位移一力反馈、位移一电反馈和三级控制等三种类型是按照比例节流阀内反馈方式不同而分的。图.,.,.分别为三种阀典型结构的原理图。水压比例节流阀的设计及仿真研究图.
36、位移一力反馈型比例节流阀一?一图.位移一电反馈型先导式比例节流阀图.三级控制型比例节流阀由于先导式比例节流阀抗负载干扰能力强,动态响应快,用于大流量高压传动系统中。硕士学位论文。:奠量蔓量邑曼量皇量量量量量?皇?一一?一.设计水压比例节流阀时的关键技术由于纯水与油液相比,具有传统液压油没有的特殊理化特性,水压元件摩擦副中的泄露特性、流动特性、传导特性以及气蚀特性不同于油压元件,原有的油压元件中的油介质不能直接用于水代替,所以为了研究出与纯水比例节流阀相适应的水压元件,必须解决下列几项关键技术难点。磨损与腐蚀由于水有腐蚀的作用,普通的在油压控制阀上应用的材料在水压阀上都不能被利用,如果直接利用就
37、会被腐蚀,这样的话阀的表面质量和零件强度都会不高,导致工作的零部件之间产生很大的摩擦阻力,并使零部件在阀腔内不能挪动、降低阀的使用年限等一系列后果,这就要求选择所有水压比例节流阀材料时,必须考虑其材料是否具有良好的抗蚀性。因此在水压比例节流阀设计时对材料的选择考虑有以下基本原则:耐腐蚀、包括化学和电化学腐蚀等等;磨粒磨损、抗黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损性能好,且机械特性较好;在高速重载工况下,具有优异的磨损特性,也就是较小的摩擦系数,较低的磨损率;成型、加工工艺性好;热膨胀系数小,热稳定性好,吸水率低;抗冲蚀磨损、气蚀性能较好;无毒;购买容易且费用比较适中。整体而言,在水压控制阀中,阀苍和阀座
38、常采用工程陶瓷、耐蚀合金及增强塑料等材料,而为了有效防止纯水腐蚀,阀体常应用奥氏体不锈钢。以表层为陶瓷,金属为基材复合材料,由于具有陶瓷的好的抗磨抗腐蚀性能和高硬度性能,保留了金属的强韧性,并且陶瓷的脆性被克服,因此在水压控制阀中得到较泛应用。密封与润滑我们知道水的粘度较低将使得泄漏损失有所增大,在压差和间隙相同的情况下,同样规格的油压控制阀只有纯水控制阀的泄漏损失的数十倍分之一。所以,在滑阀类的纯水控制阀就不能应用油压控制阀中常采用的问隙配合。如果间隙配?合被采用,且要使内泄漏保证不变,则必须使配合间隙减小。通常油压控制阀的阀体和阀芯间较大的配合间隙在.之间,经过推算可知,相应纯水控制阀的配
39、合间隙应只有.,即纯水控制阀的配合间隙在按照相同的泄漏量计算,其它条件不变的情况下,为油压控制阀间隙量的.倍。我们知道配合间隙越小,加工就越困难,如此小的配合间隙硕士学位论文图.减轻气蚀的高压引流结构图.是一种特殊结构的纯水流量控制阀,其阀芯头部做成抛物球体,使流场分布更加合理,避免了气蚀发生的可能性。图.特殊结构的纯水流量控制阀.本章小结本章主要介绍了比例流量阀基本原理,水压控制阀的分类以及设计水压比例流量阀的关键技术问题,为后文的水压比例流量阀的设计奠定了基础。硕士学位论文锥阀与滑阀相比有很多优点,如结构简单,密封性好,加工精度低,泄漏量小,响应速度快等,在水压阀中应用逐渐广泛,考虑到以上
40、优点所以本文采用锥阀外流式结构。除此之外,为了解决气蚀破坏在水压比例节流阀中引起的严重问题,提高阀的运动特性和延长它的使用时间,我们可以采取的措施主要有:在阀套与阀芯间采用组合密封圈进行密封,采用二级或多级结构的节流形式,或者将阀芯设计成某种与普通结构不同的形式等等。收集资料可以看出,二级节流形式能够在水压控制元件中减轻气蚀破坏,实验表明,二级节流的确具有比单级节流更强的抗气蚀能力,因而在目前的水压控制阀中利用的较多。但是,无论哪种结构都会存在缺点,二级节流技术也不例外,主要表现在以下几点:结构复杂。原因在于阀口关闭时,必须同时保证两个节流口的密封性,因此对阀内各零件要求更高的加工精度,要不然
41、不但起不到二级节流的作用,反而不利于阀的启闭特性;对二级节流阀结构尺寸的设计要求更高,且在选择二级节流时还必须注意节流阀口的形状,并不是所有的二级节流都具有比一级节流更强的抗气蚀能力。对于二级节流形式存在的不足之处,本论文不会设计这种节流形式,而依旧采用最为普通的一级节流形式,只是采用了特殊的结构形式,如图.所示。图.特殊结构锥阀芯.阀芯结构尺寸阀通径忍阀的结构尺寸用通径,即阀的进、出油孔名义直径来代表。设计时全流量通过的情况下,在保证不造成过大的压力损失的同时要求尽量减小阀的尺寸,另外,也不能因为流速过高而影响系统或者阀的特性。因而,阀的通水压比例节流阀的设计及仿真研究径得按照通过额定流量时
42、,平均流速不超过允许值来设计。.其中召一一为阀的进出口直径;,/?为公称流量/;叱/一一为平均流速/:把以上数据带入上式得忍.嬲,取口嬲阀芯节流口处的锥半角口通过固定流量情况下,如果主阀锥角减小时,阀的开度随之增大、流量增益降低,有助于提高阀的稳定性,如果角度过小的话,会增大阀口的稳态液动力,一般主阀的锥全角取值在。一。之间,考虑到以上情况,此阀中取锥半角/为。主阀阀芯直径主阀阀芯大直径确定时,一般先根据经验公式确定:.?。式中的系数,高压大流量取大值, 反之取小值,对于本设计取.,代入计算得出.,取刃为.主阀阀座孔直径研为了提高阀的灵敏度,可以适当增大彳,但是过大又阀的影响阀的稳定性,一般也
43、是根据经验公式确定:.一。?.一式中的系数,高压大流量取大值,反之取小值,对于本设计取.,代入计算得出彳.删,取彳删.节流口最大开口度先根据节流阀节流口流量压力方程,求出在最高压力调定下,节流口的最大开口度,公式如下:.劬以,肛丽硕士学位论文式中,一一为通过阀口的流量;一一一为流量系数,在此去.;为阀口平均直径,兰切嬲;?为调定的最大压力代入数据算出.删.密封形式的选择我们知道水的粘度较低,所以增大泄漏损失是不可避免的,在压差和间隙相同的情况下,同样规格的油压控制阀只有纯水控制阀的泄漏损失的数十倍分之一。所以,在滑阀类的纯水控制阀就不能应用油压控制阀中常采用的间隙配合。如果间隙配和被采用,且要
44、使内泄漏保证不变,则必须使配合间隙减小。我们也知道配合间隙越小,加工就越困难,如此小的配合间隙将会给阀的加工带来非常严格的要求,加工难度就会大大增加。就目前我国的工艺水平,阀芯只能达到有关标准规定的级精度,而阀体孔的形位公差只能达到级精度,所以很难在工艺上保证设计的要求。因此,从以上分析,要想适应水介质的特殊要求仅仅简单的减小配合间隙是达不到的。目前,带有衬套结构的球阀和锥阀结构在纯水控制阀的设计中也被普遍采用,运动部件之间的配合公差用这样的结构设计会减小,并且可实现微小或零泄漏。在阀体与阀套之间的密封,通过实践证明,橡胶类的密封件相当适合于纯水控制阀中的密封,如型密封圈、阶梯形密封圈、型密封
45、圈、方形密封圈等密封件都是较理想的选择。本论文设计中水压节流阀中采用锥阀结构形式是带有衬套结构的,取消传统的间隙密封,采用橡胶类的密封件,通过节流阀阀芯的锥面和阀套密封,运动部件之间的配合公差得以减小,从而零泄漏也可以实现。而阀体和法兰之间、阀套和阀体之间都采用形圈加挡圈形式的密封方式,采取这样的密封形式,即使在中高压水介质条件下,密封性能也是相当可靠的。.水压比例节流阀主要材料的选择由于水介质具有较强的腐蚀性,引起强烈的气蚀,冲蚀破坏作用,因此选择合适的零部件材料对阀的寿命和性能有较强的影响。水压比例节流阀材料选择主要以选择抗腐蚀性性能强、机械性能高、工艺特性好、成本较低为主。目前应用在水介质中的材料主要有工程塑料、不锈钢、工程陶瓷等等。工程塑料水压比例节流阀的设计及仿真研究能够作为结构材料使用的不同类高性能塑料以及复合材料称为工程塑料。自润滑性能好、抗磨性能好、还能够减小摩
