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1、学号： 24061900202南湖学院毕业设计题 目：全塑料注水阀的结构设计作 者XXX届 别2010系 别机械与电子工程系专 业机械设计制造及自动化指导老师 职 称助教完成时间2010.05摘 要随着液压技术的发展，作为一种自动控制手段，在众多的工业领域中液压技术已经成功地获得了广泛应用。阀类元件也随着液压技术的发展而日趋完备，针对一些具体的工作要求，具有新型材料、结构及功能的阀类元件得到研究与应用。本文介绍的全塑料注水阀即是为铅酸蓄电池充液的特殊工作需要而研制的，是一种响应灵敏、控制精度高及性能稳定、可靠的自动控制元件。本文通过认真分析研究国内外塑料阀类元件及注水系统的发展现状，提出了研制
2、的技术关键，然后在此基础上研究设计了全塑料注水阀。由于本阀特殊的工况，即强酸性且温度较高的工作环境，因此采用了耐酸、耐高温的塑料作为阀的材料。且要求注水阀在充液达到一定量的情况下，实现自动关闭以停止充液。本阀采用杠杆作用的原理，利用液体对注水阀浮筒产生的浮力，通过杠杆推动阀芯使阀口关闭，实现了自动控制的功能。在全塑料注水阀结构设计的基础上，本文依据阀口流量方程和阀芯动力学平衡方程，建立了注水阀的静、动态数学模型，从理论上分析了各种结构参数对阀的静、动态特性的影响，为注水阀的参数设计提供了依据。关键词：注水阀；注水系统；液压；自动控制；阀类元件AbstractWith the developme
3、nt of hydraulic technology as a means of automatic control in any industrial areas of hydraulic technology has succeeded in obtaining a wide range of applications. With the hydraulic valve components are also becoming more and more the development of technology for a number of specific job requireme
4、nts, with new materials, structure and function of valves components are research and application. This article describes the entire plastic injection valve which is fluid-filled lead-acid batteries for the special needs of the work developed, is a response sensitivity, control and high precision an
5、d stable performance, reliable automation components.In this paper, careful analysis of the plastic valve components and water system development status of key technologies developed raised, and then on this basis, research and design the entire plastic injection valve. Since the valve of special co
6、nditions, namely, strong acid and high temperature working environment, using acid and high temperature resistant plastic material as the valve. And require injection valve in the fluid-filled to achieve a certain amount of cases, the automatic shut down to stop the fluid-filled. This valve uses the
7、 principle of leverage, the use of liquid injection valve float on the buoyancy generated by leveraged to promote the spool valve port closed, realized the automation functions.In the whole structural design of plastic injection valve, based on the basis of this spool valve port flow equation and dy
8、namic equilibrium equation is established injection valve of the static and dynamic mathematical model, from the theoretical analysis of various structural parameters on the static valve, dynamic characteristics of the impact of the parameters for the injection valves designed to provide a basis for
9、 .Keywords：Watering valve；Watering system；Hydraulic；Automatic control；Valve components目 录摘 要1Abstract2第一章 绪 论41.1液压技术的发展概况41.2塑料阀元件及注水装置的研究现状61.3课题的目的及意义101.3.1课题的目的101.3.2课题的意义101.4本课题的主要研究内容11第二章 注水阀技术要求及材料选择122.1注水阀实际工况及技术要求122.2关键技术132.3注水阀材料选择13第三章 注水阀的结构方案设计和特性分析163.1结构方案的分析比较163.2 注水阀阀口结构形式18
10、3.3阀口开始节流时的压力分布203.4阀芯的动态力学平衡方程233.5阀体流道设计24第四章 注水阀总体结构设计284.1注水阀总体结构设计分析284.2小结29第五章 全文总结与展望30参考文献31致 谢33第一章 绪 论1.1液压技术的发展概况液压技术的的发展是与流体力学的理论研究成果和工程材料、液压介质等相关科学的发展紧密相联的。1650年帕斯卡提出了封闭静止液体中压力传播的帕斯卡原理；1686年牛顿揭示了粘性流体的内摩擦定律；到了18世纪，流体力学的两个重要方程连续性方程和伯努利能量方程相继建立，这些理论成果为液压技术的发展垫定了理论基础。1795年英国人布拉默(J.Bramah)发
11、明了世界上第一台水压机，是他首先利用水不仅进行能量传递，而且传递控制信号，标志现代液压技术工程应用的开始。水压机的发明还与当时铸铁等工程材料及一些新的制造方法的出现密切相关。1851年阿姆斯特(W. G .Arm strong)发明重锤式蓄能器以后，促使液压传动的应用迅速增加，到19世纪90年代，液压传动已应用于压力机、起重机、包装机、试验机等许多工业部门1。由于水的润滑性差，易产生锈蚀。电力传动的兴起曾一度使水压传动应用减少。直到1905-1908年威廉斯(H.williams)和詹尼恨.Janney)两位美国工程师发明了用油作工作介质的轴向柱塞式液压传动装置以后，液压技术这种停滞不前的状况
12、才有所改观。加之，1910年肖(H. Shaw)研制出用油作介质的径向柱塞泵，威克斯(H. Vickers)于1936年又发明了先导式溢流阀，特别是20世纪30年代丁睛橡胶等耐油密封材料的出现，使液压传动逐步取代水压传动，并得到迅速发展。第二次世界大战期间，由于军事工业迫切需要反应快、动作准、功率大的液压传动系统及伺服机构，以装备各种武器，因此各种高压元件获得进一步发展。战后50年代，液压技术迅速转入民用工业，在机床、工程机械、船舶机械、压力机械、冶金机械、轧钢机械、农业机械、汽车行业等部门得到广泛应用。由于伺服阀的造价贵、抗污染能力差，60年代末，比电液伺服阀价廉、维护容易且具有一定控制精度
13、的电液比例阀应运而生。由于矿物油易燃，在高温、明火、矿井等特殊环境下，难燃液逐步取代了矿物油作为液压系统的工作介质。经过最近半个世纪的进一步发展，液压技术已成为包括传动、控制、检测在内的、对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术，已广泛应用于各工业部门，例如，国外生产的95%的工程机械，90%的数控加工中心，95%的自动生产线都采用了液压传动。液压技术的采用对机电产品质量和水平的提高起到了极大的促进和保证作用。液压技术的应用程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志，世界先进工业国家均对液压技术的发展给予了高度重视。当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、高可靠性、高度集成化
14、等要求方面都取得了重大进展，在完善发展比例控制、伺服控制、开发数字控制技术以及机电液一体化方面也有许多新成就。随着科学技术的进步以及为了适应主机的使用要求和增强本身的竞争力，液压技术仍然在不断发展，有些缺点正在不断被克服，其应用范围也在不断扩大。目前主要发展动向有如下几方面l-3；(1) 提高效率，降低能耗。通过减少摩擦和内漏，能量回收，蓄能器应用，二次调节，负载压力、流量和功率匹配以及用微型计算机对液压系统进行自适应控制等手段来降低能耗。(2) 提高控制性能，适应机电一体化主机发展的需要。这要求开发低控功率阀，研制适应野外条件的电液比例阀，远控多路阀，适应各种工况的电液伺服阀，低成本比例阀以
15、及不需要A/D、D/A转换，可以直接和计算机接口，易于数字控制的数字阀等。(3) 发展集成、复合、小型化、轻量化元件。随着液压系统复杂化程度和机电一体化要求的提高，要求液压元件具有高可靠性、减少配管、减小压力损失、提高效率、节省安装空间、易维修等特点，为此，必须广泛发展集成、复合、小型化、轻量化元件。继集成块式、叠加阀式、插装式之后，近几年又出现了将液压控制元件附加在液压执行元件或液压泵之上的一体化复合式液压装置。(4) 加强以提高安全性和保护环境为目标的研究开发。包括水基难燃介质、无污染的纯水液压技术的研究、开发和应用，降低噪声，提高密封性能，减小泄漏等。(5) 提高液压元件和系统的可靠性。
16、世界各国都把可靠性作为选择液压产品的首要准则。提高可靠性是一项系统工程，除靠科学的设计、先进的材料及完善的工艺外，还应注意应用和维护的可靠性。开展液压失效机理分析，系统状态监测、故障诊断及可靠性预测，降低元件污染敏感度等方面的研究，加强污染控制与新型工程材料的应用等对提高可靠性都有重要意义。(6) 标准化和多样化。由于技术革新的频繁出现、应用领域不断扩大、产品寿命周期缩短等原因，要求不断开发新型元件，使液压元件的品种越来越多。由于产品多样化，不利于专业化，不宜采用传统的大批量生产方式。为了解决多样化与专业化之间的矛盾，在设计中，应研究满足多样化要求的标准化设计方式，要充分利用最少要素，经过组合
17、达到多品种。即在标准单元组合基础上，附加变化部分形成多样化;构不变，只改变连接安装尺寸;利用成组技术，找出零件的类似性，进行通用化、标准化。在生产中，应采用多样化产品加工方式和生产体系，为此，国外广泛采用数控(NQ、加工中心(MC)和柔性制造单元(FMC)组成的生产线，实现成批生产自动化，提高效率，保证质量。(7) 开拓新的应用领域。广泛采用新材料、新工艺和新的工作介质，提高产品的性能和工作可靠性，开发新型元件，以便满足一些新的应用领域的特殊需要。20世纪初，由于对液压系统的安全性、环保性、节能性以及可持续发展的要求不断增加，特别是新型耐磨耐腐蚀材料的出现，用水(含天然淡水或海水)代替矿物油作
18、为液压系统的工作介质又引起了人们的极大关注，并已成为世界工业发达国家竟相研究的一大热点。水压技术具有抗燃、对环境无污染、成本低廉及功率大、运行平稳、响应速度快等突出优点，特别适用于钢铁工业、矿山、食品加工业、海洋开发以及军事工业，最符合环境保护、安全可靠作业、提高绿色意识和可持续发展的要求，具有十分广阔的前景，是目前国际上流体传动及控制前沿性的研究方向3-4。水压技术采用的工作介质主要有两类：一类是高水基液压液(High Water BasedFluid)，另一类是天然水(含淡水和海水)。水基液压液的开发工作是在二战期间由美国海军开始进行的，主要包括包油乳化液(HFA)、水乙二醇(HFC)及磷
19、酸脂(ITD)流体，而水乙二醇占其40%左右。美国于1947年开发了水乙二醇液压液，日本于1951年完成了水乙二醇液压液的研制工作，并进入市场销售。1970年后，水乙二醇的发展越来越迅猛，我国于1974年开始引进成套设备中的液压系统应用了水乙二醇液压液。近年来，使用高水基介质的柱塞泵的研究，己取得进展。美国汽车工业的组合机床自动线上，压力为70MPa的轻型斜盘泵在高水基液压液系统中得到应用。德国Hermann Hemscheidt公司已经发展了最高压力为32MPa的斜轴式定量和变量高水基泵和马达，流量：16-230L/min，容积效率可达90%。由于高水基介质中要加防腐剂，否则会产生细菌，使介
20、质变质、发臭，这种介质使用维护水平要求较高。此外，高水基液压液仍然存在污染问题，添加剂价格昂贵，经济性相对纯水而言也较差。海水液压动力系统是直接采用海水作为工作介质，用海水压力能来驱动水下工具作业。海水液压系统可以设计成开式系统，直接从海洋中吸、排水，省略了水箱和回水管。因此，系统结构大为简化，效率较高，泵的自吸性能大为改善。海水液压系统还可以直接以淡水为工作介质，用于内陆水库大坝、港口码头和河道工程等的检测与维护5。 我国从20世纪50年代末期开始发展液压工业，特别是80年代到90年代，国家对液压行业进行了重点改造，并先后引进了近五十项国外技术，使我国液压行业的产品水平、科研开发能力和工艺装
21、备水平都有大幅度的提高，液压技术在各工业部门得到广泛的应用。但是与国外先进水平相比差距很大，主要表现在：产品水平低，品种规格少，自我开发能力薄弱，成套性差，特别是对重大技术装备、重点工程的配套率严重不足；产品质量不稳定，可靠性差，寿命短；一些新的应用领域如航天航空，海洋工程，生物医学工程，机器人，微型机械及高温、明火环境下所急需的一些特殊元件，几乎处于空白。我国水压传动技术的研究起步较晚，开始于20世纪90年代。目前一些高等学校如华中科技大学、浙江大学已进行了比较深入的研究，并取得了许多可喜的成果6。1.2塑料阀元件及注水装置的研究现状市场对塑料阀类产品的需求主要源于两方面：一是源于与塑料管材
22、配套使用；二是源于塑料阀门的耐蚀性、耐药性、耐疲劳性、绝缘性、比重轻、加工效率高等独特优点。在国外，塑料阀门已广泛被用于化工、医药、食品加工、室内外给排水、机电产品、农业等领域。如英国的AVT(Advanced Valve Technology)生产的GRP(GLAS SReinforced Plastic)阀，该阀已得到巴西国家石油公司Petrobras的赞许。AVT还生产了纤维增强塑料球阀与高性能的蝶阀，它拥有独特的模具技术。该公司生产了一系列的合成物阀，阀的内部和外部都具有很强的抗腐蚀性，这些阀可以应用于化学、海水、油气等工业场合，且价格便宜，重量轻。澳大利亚高原控制有限公司已成功研制出
23、高原塑料阀体电磁阀，为两位两通常闭阀，通常运用在餐具清洗、农业灌溉和自动售货机上，其工作压力为20-1000KPa，阀体材质采用Nylon尼龙、 Polysulphone聚矾、ABS丙烯睛7。目前，国内已有全塑料的阀元件销售，各种塑料管阀件越来越普及，但多为进口。如全塑料耐酸碱电磁阀、塑料蝶阀、全塑料增强截止阀、全塑料隔膜阀、全塑料球阀等。江苏省计经委列为1993年新产品开发项目的氟塑料衬里球阀，采用壳体熔模精铸，内衬为目前最为理想的防腐蚀材料聚全氟乙丙烯(F46)，密封件采用中科院上海有机所的发明专利氟塑料合金8。它适用于化工、石油、印染、农业等行业的酸、碱等腐蚀性液体的输送和截流，这种阀门
24、启闭迅速，流阻小，可以在一50C-150范围内长期使用，寿命为不锈钢同类产品的五倍。日本的SHIN KOBE ELECTRIC MACHINERY公司也研制了伸缩式注水器，对电动叉式升降机的铅酸蓄电池充液。如图1.1所示。图1.1 电动叉式升降机铅酸蓄电池用伸缩式注水器图1.1中连杆9连接了浮筒10和阀17(a)、17(b)，阀与停止板14(a)、14(b)铰接在一起，浮筒10通过其中心位置的孔15与连杆9连接。该注水器利用浮筒和液面接触产生的浮力，使得阀关闭，停止注水9。日本的YUASA CORD公司为铅酸蓄电池设计了一个注水装置，利用浮力的作用使得阀关闭/打开，进行注水。如图1.2所示。图
25、1.2利用浮力进行关闭的注水阀图1.2中15为注水器盖，16为注水孔，20为阀，27为推杆，25为浮筒，注水孔由阀控制其开和关，浮筒25与液面接触时产生浮力，通过推杆27，使阀20关闭注水孔16停止注水。这一装置实现了利用液面高度自动控制注水的功能10。注水系统具有广几阔的应用范围，如油田的注水系统，蓄电池生产过程中化成工序的注水系统及充放电过程中补充蒸馏水的注水系统等。油田的注水系统己实现了自动化，在油田注水间内通过由硬件和软件构成的测量控制系统对各注水井的注水量及注水压力，按照注水工艺的要求进行连续自动调节，以达到减少注水流量和注水压力误差，实现每日每小时均衡注水；自动采集存储大量的原始数
26、据实现生产管理及试验研究的科学化;降低操作工人的劳动强度；通过流量压力超限报警功能，及早发现井口阀门被盗、井下异常等安全生产问题。我国各大油田均实现了注水系统的自动化，并对注水系统不断优化，以适应各个不同的工作环境11-14。大庆石油学院的张瑞杰等，设计了油田注水系统生产运行优化软件系统，已投入使用，该系统运行稳定、可靠，在满足油田注水要求的前提下，确实能够合理开泵，降低注水能耗15海军工程大学电子工程系的沈建国、洪仕苗等研制了由电磁式液位传感器、隔离开关、单片机控制器及报警系统组成的潜艇蓄电池注水装置，其液面误差控制到了5mm之内，该装置体积小、重量轻、结构紧凑、操作方便，注水精度比较高阅。
27、日本JAPAN STORAGE BATTERY CO LTD公司开发了铅酸蓄电池注水装置，由具有2种不同内径的转换接头连接，以适用F不同的场合，如图1.3所示。图1.3铅酸蓄电池注水装置主转换接头连接了注水管3和注水阀2，其内径设为A，次转换接头连接水箱4和注水管3，其内径设为B，以满足1.3AB0.16的应用场合。该注水装置保证了各个蓄电池电解液液面维持在一定高度，使得各个蓄电池能达到足够的使用寿命17。在德国，1975年就已经开始了针对单个蓄电池进行注水的装置进行设计，1976年开始生产试制，1978年投放市场。同时，该产品也遇到了极大的挑战，因为蓄电池生产厂家需要注水装置控制液面的高度能
28、精确到mm级，而且，众多的蓄电池的电解液面高度要保持一致，这对注水装置的设计要求很高。在他们设计注水装置过程中，考虑了到了以下几点18：(1) 耐酸材料的使用，铅酸蓄电池电解液为酸性溶液，要求装置具有耐酸性，保证其稳定、可靠、持久性。(2) 合理的结构尺寸，以便能放入蓄电池内，补充电解液。(3) 耐热性，工作环境是高温，且存在化学反应放热情况。(4) 注水装置的工作可靠性不受蓄电池内部或外部杂质的影响。该注水装置还附带一个电解液高度显示器，因为当注水装置装到蓄电池上，蓄电池即封闭起来，如果不拆掉注水装置，里面的液面高度就无从知晓，因此引入一个液面显示器，可以随时了解到液面的高度状况。该注水装置
29、中最重要、最精确的元件为一个注水阀，该阀能利用补充的电解液帮助其关闭。其中，关键之处在于注水阀的抗污能力，无论是蓄电池内部产生的，还是所补充的电解液带来的杂质，都不应对注水阀的工作性能产生影响。1.3课题的目的及意义1.3.1课题的目的本课题是针对铅酸蓄电池的注水要求，研究设计一种新型的元件全塑料注水阀，用以组成自动注水系统，能对铅酸蓄电池进行稳定、可靠的注水，满足工业应用要求。本课题的主要目的是研究设计全塑料注水阀，使该阀能应用于自动注水系统中，分析注水阀的注水性能，为自动注水系统的研究实现及实际应用打下基础。计的注水阀参数指标如下：(1) 工作压力范围：0-0.3MPa；(2) 0.2MP
30、a压力下流量：1.8L/min；(3) 能利用浮力稳定、可靠的关闭阀口；(4) 注水阀截止时零泄漏量；(5) 耐酸、耐高温。1.3.2课题的意义本课题研究设计的注水阀，是一种新型的全塑料结构元件，其研究的主要意义在于：(1) 注水阀阀口流动特性的理论研究对其它阀的设计具有借鉴意义注水阀采用锥型阀芯结构，阀芯的形状、大小及阀口大小必然对阀的流量、内部液压力产生影响，从而对整个注水阀的性能产生影响。首先采用质量守恒定律和流体连续性方程，建立阀口处流动的模型，以分析阀的快速响应性。通过进一步计算得到阀内流体压力、速度分布的流体重要参数曲线，进而掌握阀口流动特性、液动力，分析对阀芯动作的影响，及优化设
31、计阀芯、阀口，得出最佳的设计参数。锥阀是液压、水压驱动系统的最基本控制部件，其性能的优劣直接影响系统的品质，是一种重要的元件。本课题采用的阀口处理论设计、分析方法对于其它的锥阀设计具有借鉴意义。(2) 研制注水阀及自动注水系统具有重要意义水压传动发展历史比较短，而且是一项多学科交叉的研究领域。它牵涉到流体力学、摩擦学、材料学、新型材料的加工、控制理论等多种学科。学科的交叉会碰到很多问题，但同时也意味着更多的创新和发现。注水阀是一种新型的全塑料元件，其研制过程为其他全塑料阀元件的设计具有重要的指导性，特别是材料的选择、加工及性能分析，为设计制造其他全塑料阀积累了经验，同时为我国水压元件类型的完善
32、及促进水压元件的实际应用作了一定的工作。采用注水阀设计的铅酸蓄电池自动注水系统，改变了传统的蓄电池注水方式，提高了注水的质量与效率，节省了人力。这为新元件与系统的工程实际应用作出了一定的贡献，因此本课题研究具有重要的理论意义及重大的工程实际意义。1.4本课题的主要研究内容本课题所研究设计的注水阀采用全塑料结构，故在设计制造元件方面与传统的液压、气动及水压元件有所不同。而且该注水阀的工作环境、工作介质特殊，故应选择合适的工程塑料，设计出具有较强耐酸性的注水阀。选择合适的工程材料是制造注水阀的关键，这关系到注水阀的使用寿命，安全、可靠性。材料选好后，根据材料性能，进行注水阀的设计制造。最后，采用注
33、水阀搭建自动注水系统，进行注水阀的注水性能测试。根据本课题的主要目的，结合工程实际需求，课题期间所完成的工作大致概括如下：(1) 根据注水阀酸性、高温的工作环境，比较了几种塑料材料，结合本课题注水阀的加工特点，选用了合适的材料。(2) 根据设计要求，经过多个方案的分析比较，采用合理的结构形式，设计出较为理想的全塑料注水阀。(3) 全面剖析了全塑料注水阀的结构原理，描述了该阀的注水性能。第二章 注水阀技术要求及材料选择2.1注水阀实际工况及技术要求在铅酸蓄电池生产过程中，有一道工序叫化成。化成就是用通入直流电的方法使正极板上的粉膏质发生电化学氧化，生成二氧化铅，同时在负极上发生电化学还原，生成多
34、孔海绵状铅的过程。其中，反应比较复杂，包括化学反应和电化学反应两个方面19-20。化学反应主要是碱性氧化物(Pbo和碱式盐(3Pbo.S04.H20)与硫酸发生中和反应，生成中式盐护bS04)和水。化成的最终目的是要使电池在完成化成充电时，其密度在27时为1.2601.265g/mL，并且所有的单格电池都要达到所需的液面高度。在这一工序中，一个重要的工艺就是充入硫酸溶液，且达到所需的液面高度并保持一定的液面高度。而且，注入硫酸溶液后，负极极板中的一部分氧化铅开始转变成硫酸铅，生成的反应热使液温升高，必须等待液温下降，这期间极板和隔板要吸收一部分酸液，故液面有所下降，这时需要补加一些酸液以维持液
35、面高度21-23。铅酸蓄电池在充、放电过程中，也需要电解液面维持在一定的高度。当蓄电池组放电时，电池液面低的电池会提前放电完毕，若蓄电池组仍处于放电状态时，就会造成低液面电池过度放电，从而使电池极板形成的硫酸铅过多，将极板上的微孔堵塞导致内阻加大、充电困难，影响蓄电池使用寿命。充电时，液面低的蓄电池由于容量提前充电完毕，而整个蓄电池组仍在充电时，低液位的电池中就会发生电解水的反应，其结果使低液位的电池液位变得更低，造成恶性循环。此外，由于低液位电池电解液中水不断被电解消耗，造成硫酸浓度过大，导致缩短极板的寿命24。由此可见，铅酸蓄电池在生产、充电及放电过程中，其电解液液面高度都需要维持在一定的
36、高度，多个蓄电池之间的液面高度应维持一致。因此需要对蓄电池进行注水，使电解液液面达到一定高度，当电解液液面降低时，还应及时补充溶液，使液面维持在一定的高度。传统的蓄电池注水方法是操作人员通过注水管上的胶木阀向蓄电池人工注水，同时经目测控制液面高度。这种注水方式难以确保各块电池液面高度一致，使误差超过规定要求，且易发生电解液外溢或注水不足。操作员的劳动强度大，注水时间长，注性能。注水后还需将渗漏在蓄电池上的蒸馏水多次清除才能擦净，这样又增加了额外工作量16。因此，这种注水方式已不满足现代化生产的要求，需要研制新的注水系统，对蓄电池进行稳定、可靠的注水。注水阀用于注水系统中，对铅酸蓄电池进行充液，
37、铅酸蓄电池电解溶液为硫酸溶液，其工作环境为酸性工作环境，工作温度范围为200C-900C，因此要求注水阀能耐酸、耐高温，保证工作性能稳定、可靠。注水阀的主要技术要求如下：(1) 工作压力范围：0-0.3MPa；(2) 0.2MPa时的流量：1.8L/min；(3) 能利用浮力稳定、可靠的关闭阀口；(4) 注水阀截止时零泄漏量；(5) 耐酸、耐高温。2.2关键技术在整个研究过程中，注水阀的材料选择及结构设计最为关键。合适的材料和结构是保证注水阀能否满足设计要求，能否适用于铅酸蓄电池生产工艺要求及工作环境要求的关键。为了研制出满足设计要求的注水阀，必须采取以下有效措施：(1) 注水阀的工作环境为强
38、酸性，工作温度范围为200C-900C，且考虑到注水阀的加工制造，需选择合适的材料；(2) 从工作原理及结构设计上保证注水阀能自动开启、关闭，阀芯动作要灵敏，达到稳定、可靠的注水要求；(3) 保证各个密封处的密封性能良好，特别是阀口处的密封，直接关系到注水阀的工作性能合格与否，因此阀口处的密封要求达到零泄漏。2.3注水阀材料选择注水阀的工作环境为强酸性，工作温度范围为200C-900C，因此其材料应具有耐酸性、耐高温性。塑料具有许多优良险能，如质轻、比重小、耐磨、减磨、自润滑性好、耐腐蚀、电绝缘性强以及成型工艺简单。工程塑料的力学性能较高或具有耐高、低温及对机械、电气、化学所要求的综合性能。可
39、代替金属制造机器零件，以节省大量的有色金属、不锈钢和各种合金25。塑料阀及塑料管道常用的塑料有聚四氟乙烯、聚甲醛、尼龙等。1. 聚四氟乙烯聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene)，代号PTFE，是氟塑料中应用最广、产量最大的品种，享有“塑料王”之誉。聚四氟乙烯是由单体四氟乙烯经过聚合反应而制成的线型结晶热塑性塑料(结晶度为55 % 75 %)o聚四氟乙烯最大的特点是26-27 。(1) 非常突出的耐高、低温性能。可在一180-2600C的范围内长期使用，而且，在2500C条件下经240小时，其力学性能也不降低，它是目前热塑性塑料中使用温度最宽的一种。(2) 摩擦系数是现有固
40、体中摩擦系数最低的，比两块磨得最光滑的不锈钢摩擦系数小一半。磨损量只有它的百分之一，可作为良好的减磨自润滑材料。加填料后，其耐磨性提高1000倍。(3) 化学稳定性优良。无论强酸、浓碱以及强氧化物对它都不起作用，在侵蚀性极强的“王水”中煮沸也不起变化，化学稳定性之高超过了陶瓷、不锈钢和金、铂等贵金属。(4) 表面不粘性。几乎所有粘性物质都不能粘附其表面。(5) 优异的电绝缘性能，是目前介电常数和介电损耗最小的固体绝缘材料(小于0.0008)。(6) 吸水性低。是高温、高频、高湿条件下使用的良好绝缘材料。(7) 强度较其他工程塑料低，刚性较差。加工时容易引起工件变形，表面粗糙，必须严格控制温度(
41、小于3900C)。(8) 导热性差，热膨胀系数大。2.尼龙聚酞胺(polyamide)塑料又称尼龙(nylon)，代号为PA，是在合成纤维的基础上最早发展起来的一种塑料。尼龙是目前机械工业中应用很广的一种工程塑料，根据胺于酸中的碳原子数或氨基酸中的碳原子数，尼龙有610, 66, 6等品种，尼龙1010是我国独创的一种新型聚酞胺品种。尼龙的性能特点是28：(1) 具有突出的耐磨性和自润滑性。可耐固体微粒的摩擦，甚至可在干摩擦条件下使用是制作轴承、齿轮等零件的较理想材料。(2) 较高的力学强度。若以玻璃纤维增强，其抗拉强度可达200MPa，冲击韧性高，耐折叠。(3) 较好的耐腐蚀性。它不溶于普通
42、溶剂，可耐许多化学药剂，抗霉、抗菌、无毒，不受弱酸、醇、矿物油等影响。(4) 热稳定性差。在有负载的情况下，使用温度为70-80。C。(5) 导热系数低。导热系数只有金属的百分之一。因此在制作轴承、齿轮时，其厚度应尽量减少，并最好与金属配合使用或用润滑剂以免温升过高。尼龙成品使用前要进行退火处理，以减少在使用中变形。(6) 吸水性大(其中以PA6, PA66吸水性最大)，24小时可达2%，尺寸变形化率达2.5%。此外，尼龙的成型收缩率及蠕变值等都较大，因而不适于用来制造精密零件。3.聚甲醛聚甲醛塑料(polyoxymethylene)，代号POM，是20世纪60年代出现的一种新型工程塑料，是继
43、尼龙之后出现的又一优良塑料。按聚合方式不同有均聚甲醛和共聚甲醛两种，相对均聚甲醛而言，共聚甲醛耐热、耐蚀性强。均聚甲醛和共聚甲醛都具有优异的性能，主要体现在2628。(1) 摩擦系数低(0.15-0.35)而稳定，在干摩擦条件下尤为突出。(2) 弹性模量和硬度较高，抗蠕变性能好。可用于阀座、轴承等。(3) 吸水性很低，故聚甲醛制件的尺寸稳定，比尼龙制品优越很多。(4) 耐疲劳性能是所有热塑性塑料中最高的。全塑料注水阀是注水系统中最关键的元件，必须保证各个注水阀注水的一致性，即注水流量、注水后液面高度的一致性，因此要求全塑料注水阀具有较高的加工精度。对于塑料材料，采用模具成型，可以保证各个元件的
44、加工精度 29。目前，全塑料注水阀还处于研究设计阶段，还未形成成熟产品。因塑料模具价格比较昂贵，且设计周期长，不利于产品的设计、测试，因此本课题采用机械加工方式，生产全塑料注水阀原理样机，测试其注水性能是否满足设计要求。上述三种工程塑料中，聚四氟乙烯和尼龙均具有很强的耐腐蚀性，满足注水阀酸性工作环境的要求。其中，聚四氟乙烯的化学稳定性最好，是耐酸的理想材料。但是，聚四氟乙烯强度较低，刚性较差，加工时容易引起工件变形，不适合于机械加工方式。尼龙具有较高的力学强度，冲击韧性高，耐折叠，适合于机械加工。注水阀的阀体结构比较复杂，内部孔、流道较多，需要多次机械加工，因此本课题中注水阀的阀体采用尼龙材料
45、。阀芯和浮杆需要与阀体配合，机械加工后，还需要进行一定打磨，以保证阀芯和浮杆在阀体内动作灵敏。聚四氟乙烯强度较低，摩擦系数低，较容易打磨的，打磨后表面光滑，可作为良好的减磨自润滑材料，因此本课题中注水阀的阀芯和连杆选择聚四氟乙烯材料。第三章 注水阀的结构方案及_分析3.1注水阀阀芯驱动形式液压控制阀大都有可动的阀芯和与之相配合的阀座，它们是控制阀的核心部件。阀芯的动作有手动，机动，电动，液动和电液组合等方式。注水阀是一种纯机械式控制阀，具有自动开/闭功能，阀芯的动作由浮力通过杠杆驱动，以实现自动关闭功能。全塑料注水阀是一种新型的水压元件，采用该元件对容器进行充液，充液到设定高度时，注水阀自动关
46、闭阀口，停止充液。其阀芯动作结构及工作原理如图3.1所示：1.浮筒2.浮杆3.底盖4.主阀体5.阀芯6.连杆7.被充液容器H充液设定高度图3.1注水阀的阀芯动作结构及工作原理虚线位置为注水阀初始状态，浮筒1及浮杆2的重力，通过连杆6，利用杠杆作用原理，将阀芯5抬起，此时阀口开启，可以进行充液，杠杆的摆动幅度受到支点的限制，也就限制了阀芯的开启量，即杠杆与阀芯连接端的摆动最大幅度为阀口的最大开启量。当被充液容器7的液面达到充液设定高度H时，即液体与浮筒1充分接触，对浮筒1产生足够的浮力，克服浮筒1及浮杆2的重力，并推动浮杆2上移，带动连杆6通过杠杆作用原理，驱动阀芯5向下动作，关闭阀口，达到截止
47、液体流通的目的。注水阀的主要功能是截断或接通管道中的液流，其工作状态为常开。被充液容器的液面未达到所设定高度时，注水阀处于常开状态，此时自动充液；被充液容器的液面达到设定高度时，液面对浮筒产生浮力，使得注水阀关闭，截断液流。注水阀的驱动机构为下图3.2所示的杠杆机构：图3.2注水阀的杠杆机构根据杠杆作用原理，力平衡方程如式(3-1)所示。 (3-1)其中，为浮筒及浮杆的重力产生向下的拉力，根据杠杆作用原理，杠杆另一段产生的推力如式(3-2)。 (3-2)其中，为的3倍长，即浮筒及浮杆通过杠杆对阀芯产生了3倍自重的推力，阀芯的重力小于，此时，推力将阀芯向目佳动，直至杠杆与支点上方的挡板接触，限制了阀芯继续向上移动。此时阀芯的向上位移2为最大，亦即注水阀的阀口开启量为最大。浮筒所受浮力的大小与浮筒的排水体积有关，其受力分析如下图3.3所示。图3.3阀芯关闭过程中浮筒受力分析浮筒所受的浮力如式(3-3) （3-3）其中，P为液体的密度，为1000kg/m3 ； d为浮筒直径，为57mm；h为浮筒排水高度。根据（3-1）得
