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1、第一章 绪论1.1 课题的来源与意义1.1.1 液压系统简介液压与气压传动是以流体（液压液或压缩空气）作为工作介质对能量进行传递和控制的一种传动形式，相对于机械传动来说，它是一门新技术。但如从1650年帕斯卡提出静压传递原理，1850年开始英国将帕斯卡原理先后应用于液压起重机、压力机等算起，也已经有二三百年的历史了。而液压与气压传动在工业上的真正推广使用，则是在20世纪中叶以后的事。近几十年来，随着微电子和计算机技术的迅速发展，且渗透到液压与气动技术中并与之密切结合，使其应用领域遍及到各个工业部门，已成为实现生产过程自动化、提高劳动生产率等必不可少的重要手段之一。液压与气动技术在工业中推广应用
2、还是在20世纪中叶以后的事，时间还不很长。由于要使用原油炼制品来作为传动介质，近代液压传动是由19世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的。最早实践成功的液压传动装置是舰艇上的炮塔转位器。第二次世界大战期间，在一些兵器上用上了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置，大大提高了兵器的性能，也大大促进了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，并随着各种标准的不断制定和完善，各类元件的标准化、规格化、系列化在机械制造、工程机械、农业机械汽车制造等行业中推广开来。20世纪60年代后，原子能技术、空间技术、计算机技术、微电子技术等的发展再次将液压技术推向前进，使它在国民经济的各个方面都得到了应用。
3、液压传动在某些领域内甚至已占有压倒性优势。我国的液压工业开始于20世纪50年代，其产品最初只用于机床和锻压设备，后来才用到拖拉机和工程机械上。自从1964年从国外引进一些液压元件生产技术，并自行设计液压产品以来，我国的液压元件已在各种机械设备上得到了广泛的使用。20世纪80年代起更加速了对国外先进液压产品和技术的有计划引进、消化、吸收和国产化工作，以确保我国的液压技术能在产品质量、经济效益、研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪音、经久耐用、高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展，在完善比例控制、伺服控制、数字控制等技术上也有许多新的成
4、就。此外，在液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化以及微机控制等开发性工作方面，日益显示出显著的成就。液压传动有以下一些优点：1） 在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更大的动力。在同等的功率下，液压装置的体积小，质量轻，即其功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和质量只有同等功率电机的12%左右。2） 液压装置工作比较平稳。由于质量轻、惯性小、反应快、液压装置易于实现快速气动、制动和频繁换向。3） 液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达2000），它还可以在运行的过程中进行调速。4） 液压传动易于对液体压力、流量或流动方向进行调节或控制。当将液压控制和电气控制、电子
5、控制或气动控制结合起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，也能方便地实现远程控制和自动化。5） 液压装置易于实现过载保护。6） 由于液压元件已经实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。7） 用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。但液压传动也有自身的缺点：1） 液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损 失等），长 距离传动时更是如此。2） 液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很容易受到温度的影响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。3） 为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价较高，而且对工作介质的污染也比较敏感
6、。4） 液压传动出现故障时不易找出原因。总的来说，液压传动的优点还是主要的，在应用的时候，扬长避短，我们就能在实际生产中发挥出液压装置的巨大优势。1.1.2 工作介质工作介质在传动及控制中起传递能量和信号的作用。流体传动及控制（包括液压与气压传动），它在工作、性能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于载体的不同，前者采用工作介质是他们之间的根本不同。目前90%以上的液压设备采用石油基液压油液。基油为精制的石油润滑油馏分。未了改善液压油的性能，以满足液压设备的不同要求，往往在基油中加入各种添加剂。添加剂有两类：一类是改善油液化学性能的，如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等；另一类是改善油液物理性能的
7、，如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等。但是，为了军事目的，近年来在某些舰船液压系统中，也有以海水或淡水为工作介质的。而且正在逐渐向水下作业、河道工程、海洋开发等领域延伸。在某些有特殊要求的场合，如煤矿用液压支架，也需要用以高水基为传动介质的液压设备，近几十年来，高水基技术逐渐得到了广泛的应用和发展。近几十年来工业上大规模地应用了液压设备，使这种以液压液作为动力传送的技术得到了普遍的应用。多年来，液压系统所使用的液压液全部是矿物油型液压油。七十年代中期，由于石油来源日益紧张，以及人们环境仪式的逐渐提高，发展高水基液压液日益受到重视。1.2 高水基液压液高水基液压液一般是指含水80%以上的液压传动也，它与
8、矿物油型液压液相比有一下优点：1.价格低廉。由于含水80%以上，其价格远远低于矿物油型液压液。2.不易燃。据美国矿务局1959年调查87次使用矿物油型液压液设备着火事故，其中73%是由液压油引起的。3.对生态环境污染小。4.粘-温特性好。由于含水量高，粘度随温度的变化较小。5.冷却性好。高水基液压液具有压缩损失和粘度剪切损失小，比热大，热传导性好的优点。除上述优点外，高水基液压液还有许多亟待改进的不足之处，如粘度低，易泄漏，润滑性差，对金属腐蚀性大等，为了使高水基液压液从性能上达到或超过矿物油型液压液，需要加入抗腐蚀剂防止金属腐蚀；加入挤压剂，以增加抗磨性能，其他如乳化剂，防冻剂，消泡剂，偶联
9、剂等。除了添加各种化学添加剂外，还需要从液压元件和液压系统方面进行相应的研究，以适应高水基液压液的要求。就目前国外研究使用的高水基液压液看，主要分为两大类。一类是乳化液型，另一类是化学溶液型。乳化油型是在水中加入5%20%的矿物油与化学添加剂，油在水中是分散状态，形成水包油型乳化液，化学溶液型是在水中约含5%20%化学合成添加剂的液压液。高水基液压液一般含水量为95% , 含复合添加剂为5%。在复合添加剂中通常含油性剂、防锈剂、消泡剂、防霉剂等等。高水基液体性能优劣主要取决于复合剂的性能。早期的高水基液是以乳化液的形式出现的, 在5% 的复合剂中含有一定量的矿油和适量的乳化剂,与95% 的水混
10、合时形成乳白色的乳化液。这类高水基液最大缺点是稳定性差, 使用一段时间后容易产生分层, 同时润滑性不太理想, 使得其在应用中受到限制。以后, 经过不断地改进, 相继出现半透明的微型乳化液和清亮透明的化学溶液。这两类高水基液体改进了稳定性, 同时提高了润滑性, 使得应用的范围更加扩大。这三类高水基液压液的粘度特征如表1-1所示。表1-1 高水基液的粘度特征1.3 高水基液压液特点1.3.1粘度小高水基液压液的粘度与水的粘度相近, 40时通常为0. 7 2. 0mm 2 s。粘度小, 对于液力传动系统是有利的, 这样可以减少液力损失, 但也容易造成泵的泄漏。1.3.2 抗燃性好由于高水基液压液含9
11、5% 的水, 所以具有好的抗燃烧性, 在高温或明火环境使用时比较安全。热岐管抗燃试验表明: 在704的高温时, 高水基液不发生燃烧。1.3.3 导热性好由于水的传热性好, 所以高水基液的导热性比油好。在相同系统中, 与使用矿油相比, 液压系统的运转温度约低11左右。1.3.4 节能高水基液体节能体现在两个方面: 一是可代替一部分矿油产品使用, 缓解矿油紧张; 二是由于高水基液体压力损失小, 粘性阻力小, 与矿油相比, 系统有效能提高了15% 20%。1.3.5 有利于环保高水基液的主要成分是水, 另外5% 的复合剂也是无毒的水溶性添加剂。一旦溢出或泄漏时容易清除, 不会对环境造成污染, 有利于
12、对环境的保护。1.3.6 价格低在各类油品和液体当中, 高水基液是最便宜的一类, 成本为矿油的1/ 5 1/6, 这是由于生产成本低, 运输和贮存价格低。因为后两者只运送和保管5% 的复合剂, 而不需运输和保存大量的水。1.3.7 剪切安定性好由于通常高水基液体中不含高聚物, 而且液体的粘度又低, 所以剪切稳定性较好。用超声波剪切试验方法对6 种不同的高水基液体进行检测, 其测定结果如表1-2所示。表1-2 高水基液压液超声剪切实验结果表1-2数据表明: 与矿油相比, 各种高水基液剪切后粘度下降较低, 表明高水基液较矿油的抗剪切稳定性好。经过不断发展, 高水基液体的性能不断提高和完善。表1-3
13、给出了两种具有代表性的高水基液体的理化性能, 一种为美国的HWBF5607, 另一种为国产(石油化工科学研究院研制)HWBF2110。可见两种产品理化性能相当。表1-3高水基液理化性能实测数据1.4 选择高水基传动液需注意的问题由于高水基液的组成和性能与矿油产品有较大区别, 所以在使用中要注意有关问题。1) 要选择合适的使用压力。大多数高水基液压系统推荐的最佳压力为6864.66kPa。压力太高, 会使系统部件寿命缩短; 压力越低, 系统部件寿命越长。2) 要选择大排量泵, 以补偿内泄漏。这是针对高水基液粘度低、内泄漏量大(是矿油的10 20倍)而采取的措施。3) 要选择合适的配套材料。这是由
14、于高水基液含有大量的水, 同时要求pH 值在810的原因。配套材料的选择可参照表1-4 进行。表1-4高水基液体与材料的适应性4) 使用高水基液体的系统温度通常控制在60以下为宜。温度过高会造成水分的挥发, 引起不良后果。5) 由于高水基液体密度较矿油大, 一般在1 左右, 所以难从贮罐中抽吸上来和进入泵中。通常是将贮罐架高, 采用压力贮罐或增压泵。如果泵的入口是负压, 可通过每升高油箱0.71 m 获得6.86 kPa 入口压来调整油箱高度。额定速度下, 活塞泵、齿轮泵、叶片泵的最低入口压力为0, 最高入口压不得超过34. 3 kPa。入口管线要尽量短, 并有足够的口径。6) 高水基液体所用
15、水的硬度一般控制在300g/g 以下, 否则在液体中会形成不溶性的钙皂和镁皂, 堵塞滤器和阀门。7) 高水基液在使用过程中要经常检查其pH值, 一般控制pH在8% 10% 为好。过低的pH表明液体有污染, 主要是生物污染。此时应对pH 值进行调整。1.5 毕业设计任务1) 明确高水基液压液的优点和缺点；2) 对液压控制阀的总体情况进行深入了解，并对当时学习内容进行巩固复习；3) 做毕业设计开题报告和调研报告；4) 在图书馆查阅相关的书籍，网上搜集相关的资料，并完成有关的英文论文的翻译；5) 进行方案设计和总体结构的设计，并确定有关的技术参数；为适应高水基液压液的特点，参考其他的液压控制阀，设计
16、高水基液压控制阀的阀体、阀芯、阀套、等主要部件；根据高水基液压系统的要求，正确选择密封和润滑装置，确定插装阀和电磁阀的安装方式，使其能够实现既定的功能；6) 手工绘制主要零件草图等图纸，装配总图草图（包括装配图、主要部件计算、验算、技术经济分析、截面图等）；7) 准备中期检查表，进行预答辩；8) 用计算机绘制正式的装配总图（包括装配图、截面图等），主要零件图等图纸；9) 撰写毕业设计计算说明书；10) 对整个毕业设计内容进行检查，更正错误，准备答辩。第二章 方案设计2.1 设计要求本题目要求设计新型液压控制阀。应用于煤矿机械，煤矿的生产条件恶劣，粉尘多，环境条件决定了对液压阀的密封要求严格；随
17、着国际石油价格的飙升，石油基液压液的价格也随之提升，再使用石油基液压液无形中就增加生产成本和维修费用。因此寻求廉价高性能的石油基液压液被提上日程，近几十年来，高水基液压液的发展收到了很大的重视，本设计选取的液压液正是这种高水基的。基于绪论中对高水基液压液特点的描述，对本设计结构就提出了新的要求，我们要重点解决的问题是：高水基含95%左右的水，容易泄漏，对密封提出了更高的要求；高水基液压液还容易腐蚀阀芯，我们就要考虑传统阀芯的替代材料，防止高水基对阀芯的腐蚀。正如本文的题目，高水基插装式电液换向阀的设计，也就是要设计出适应高水基要求的电液换向阀，该阀由一组插装阀和一个电磁阀组合而成，插装起来的插
18、装阀作为主阀，大量的液压液通过，电磁阀作为控制阀，通过少量液体，对一组插装阀进行控制。另外，本设计要求阀的设计流量为1500L/min，设计压力为35Mpa，插装阀的通经为32mm，其它条件自拟。2.2 预备知识2.2.1 液压控制阀液压阀的作用是控制液压系统的油流方向、压力和流量，从而控制整个液压系统的全部功能，如系统的工作压力，执行机构的动作程序，工作部件的运动速度、方向，以及变换频率，输出力或力矩等等。无论是一个最简单的或非常复杂的液压系统都少不了液压阀。液压阀的性能是否可靠，是关系到整个液压系统能否正常工作的问题。阀是用来控制系统中流体的流动方向或调节其压力和流量的，因此它可分为方向阀
19、、压力阀和流量阀三大类。一个形状相同的阀，可以因为作用机制不同，而具有不同的功能，压力阀和流量阀利用通流截面的节流作用控制系统的压力和流量，而方向阀则是利用通流通道的更换控制流体的流动方向。这就是说，尽管阀存在着各种各样不同的类型，它们之间还是保持着一些基本的共同之处的。压力控制阀主要控制执行机构输出力或输出力矩的大小，并确定液压泵及整个液压系统的工作负载，在过载时起到保护系统的作用，它的主要品种有溢流阀、减压阀、卸荷阀、顺序阀、压力继电器等。流量控制阀的主要用途，是根据执行机构运动速度的要求供给所需的流量。它的主要品种有节流阀、调速阀及分流集流阀等。方向控制阀控制油流的通、切断或者改变油流的
20、方向，以控制执行机构的运动方向等，它的主要品种有单向阀、液控单向阀、电磁换向阀、电液换向阀、手动换向阀、多路换向阀、截止阀、转阀等。以上三类阀还可以互相组合，成为复合阀，以减少管路的连接，使结构更为紧凑，提高系统的效率。系统中所用的阀，应满足下列要求：1.动作灵敏，使用可靠，工作时冲击和振动小，噪声小，寿命长。2.流体流过时压力损失小。3密封性能好。4.结构紧凑，安装、调整、使用、维护方便，通用性大。2.2.2 方向控制阀常见的方向控制阀的类型如表所示。表2-1 方向控制阀的类型换向阀是利用阀芯在阀体中的相对运动，使液流的通路接通、关断或变换流动方向，从而使执行元件启动、停止或变换运动方向。换
21、向阀都有两个或两个以上的工作位置，其中一个是常位，即阀芯未受外部操纵时所处的位置。绘制液压系统图时，油路一般应连接在常位上。电磁换向阀借助于电磁铁吸引力推动阀芯动作来改变液流流向。这类阀操纵方便，布置灵活，易实现动作转换的自动化，因此应用最广泛。电磁阀的电磁铁按所用电源的不同，分为交流型、直流型和交流本整型三种；按电磁铁内部是否有油浸入，又分为干式、湿式和油浸式三种。交流电磁忒使用方便，气动力大，吸合、释放快，动作时间最快约为10ms；但工作时冲击和噪声较大，为避免线圈过热，换向频率不能超过60次/min；启动电流大，在阀芯被卡时会烧毁线圈；工作寿命仅数百万次至一千万次以内。直流电磁铁体积小，
22、工作可靠；冲击小，允许换向频率未120次/min，最高可达300次/min；使用寿命可达两千万次以上；但启动力比交流电磁铁要小，且需要有直流电源。交流本整型电磁铁自身带有整流器，可以直接使用交流电源，又具有直流电磁铁的性能。2.3 电磁换向阀电磁换向阀借助于电磁铁吸引力推动阀芯动作来改变液流流向。这类阀操纵方便，布置灵活，易实现动作转换的自动化，因此应用最广泛。在各种不同的使用场合，电磁阀通电后能可靠的换向，断电后又能可靠地复位（对弹簧复位式而言），这就是它的工作可靠性。由于电磁阀在工作过程中，作用于其阀芯上的也动力和液压卡紧力与通过的流量和压力有关，因此电磁阀只有在一定的流量和压力范围内才能
23、正常工作。这一工作范围通常用工作范围曲线来表示，如图2-1所示。图2-1 电磁阀工作范围曲线由于电磁换向阀的开口量较小，如公称通经6mm，电磁阀开口两仅1.5mm左右，公称通经10mm的电磁阀开口量仅2mm左右；又因电磁阀的体积很小，各通道的通流面积也收到很大限制。这就使液流通过电磁阀时造成较大的压力损失，从而限制了电磁阀的通流能力。如何降低电磁阀的压力损失是国内外普遍重视的问题。一般来说，铸造流道和机加工流道相比，铸造流道的压力损失较小。因为铸造流道可采用非圆截面，充分利用阀体内的空间，尽可能加大通流面积；而且各流道之间可圆滑过渡，避免内流道突然扩大或缩小，有利于压力损失的降低，因而铸造流道
24、已被国内外普遍采用。另外，对同一个电磁阀来说，各油口之间的压力损失也不尽相同，这主要是由于阀体和阀芯加工的对称性和液流所经过的流道不同所致。图2-2是某电磁阀实测得到的各油口间的压力损失曲线。图2-2 电磁阀压力损失曲线电磁阀的内泄漏量是指在规定的工作压力下，处于各个不同的工作位置时，从高压腔到低压腔的泄漏量。测量内泄漏量时，随着测量时间的延长，由于油被水中极化分子堵塞等原因，往往出现泄漏量逐渐减少，甚至完全断流的现象。故在试验标准中通常都规定在某工作压力下进行换向动作到开始测量内泄漏量的间隔时间，以及每次连续测量的时间。内泄漏量是衡量电磁阀性能好坏的一个较重要的指标，内泄漏量过大，不仅会降低
25、系统的效率并引起发热，而且还会影响执行机构的正常工作。电磁阀的换向时间是指从电磁阀通电到阀芯换向终止的时间，复位市静安是指从电磁阀断电到阀芯恢复到初始位置的时间。换向时间和复位时间都由两部分组成。一部分是滞后时间或，它是从电磁铁开始通电或断电至阀芯刚开始移动所需的时间；另一部分是动作时间或，它是从阀芯开始移动到行程终止所需要的时间。如图2-3所示。图2-3 电磁阀的换向和复位时间从提高工作效率和执行机构的反应灵敏度来说，希望尽量缩短换向和复位时间，但换向和复位时间越短，越容易引起液压冲击，产生振动和噪声。所以换向和复位时间是一个供不同使用场合选用时间的参考数据。一般来说交流电磁阀的换向时间较短
26、，约为0.003s，换向冲击较大；而且直流电磁阀的换向时间较长；约为0.1-0.3s，换向冲击较小。另外，换向时间和复位时间都与滑阀机能有关。在通常情况下，复位时间比换向时间略长一些。电磁阀的换向频率是指在其单位时间内的换向次数，它主要取决于所用电磁铁的最高吸合频率。一般来说，交流电磁阀比直流电磁阀的换向频率高。目前单电磁铁电磁阀的换向频率一般为60次/min，有些电磁阀的换向频率可达240次/min。电磁阀的使用寿命是指电磁阀使用到某一零件损坏，不能进行正常的换向和复位动作，或者使用到其主要性能指标明显恶化，超过规定指标时所经历的换向次数。电磁阀的使用寿命在很大程度上取决于电磁铁的寿命。干式
27、电磁铁的使用寿命较短，一般为十万次到数百万次；而湿式电磁铁的使用寿命较长，大多在数千万次，有的甚至可达几亿次。无论干式电磁铁，还是湿式电磁铁，直流电磁铁总要比交流电磁铁的使用寿命长。另外，影响电磁铁使用寿命的另一个因素是复位弹簧的疲劳断裂，而地爱你此法本体对其使用寿命的影响则主要体现在阀体孔和阀芯两配合面的磨损。2.4 电液换向阀液控换向阀是利用控制油路中的压力油推动阀芯，变换流体流动方向的控制阀。电液换向阀是电磁铁换向阀和液控换向阀的组合，它是利用电磁铁换向阀控制液控换向阀的动作，变换流体流动方向的控制阀。电液换向阀和液控换向阀主要用在流量超过电磁换向阀正常工作允许范围的液压系统中，对执行元
28、件（如液压缸、液压马达等）的动作进行控制，或对油液的流动方向进行控制，其使用方法与电磁铁换向阀相同。在电液操控换向阀中，控制主油路的主阀心不是靠电磁铁的吸力直接推动的，是靠电磁铁操控控制油路上的压力油液推动的，因此推力可以很大，操控也很方便。阀心的移动速度也可以有节流阀来调节，能使系统中的执行元件能够得到平稳无冲击的换向。所以这种操控型式的换向性能式较好的，适用于高压、大流量的场合。这种特点正好能满足煤矿环境的要求。图2-4 二位四通电液换向阀 图2-4是一种二位四通电液换向阀的结构图。其上部是一个弹簧复位的二位四通电磁换向阀，下部则是一个二位四通液控主阀。图2-5是其图形符号。该电液换向阀主
29、阀芯的一端有一个弹簧，其作用是在电磁铁断电时和控制油液一起推动上部阀芯复位，并使主阀芯稳定地停留在初始位置上。图2-5 二位四通电液换向阀的图形符号 如果电液换向阀采用无复位弹簧的二位四通电磁阀来操控一个二位三通或二位四通的液控阀，这样的电液换向阀就无固定的初始位置。但在实际使用中，未保证其换向位置的可靠，应总是使一个电磁铁处于通电状态。2.5 二通插装阀2.5.1 插装阀特点传统的液压阀由于是滑阀式结构，其通流能力小，制造精度高，阀芯尺寸大，切换时间长，换向冲击大。这一系列缺点越来越不适应液压设备对高压大流量的要求。所以70年代发展了一种新型的液压控制阀二通插装阀。二通插装阀把作为主控原件的
30、锥阀插装于油路块中，故得名插装阀。因为此阀具有通断两种状态，可以进行逻辑运算，故过去又成为逻辑阀。由于此种阀具有液阻小，通流能力大，动作快，泄露少等一系列优点，因此发展较快，目前已在机械，冶金，汽车，传播等各行业得到了广泛地应用。二通插装阀与传统的控制方式有很大的不同，其特征是：1）单个液控阻力一个插装阀只是一个阻力，一个油池有输入与输出两个阻力，所以要用两个插装阀。2）多机能由于二通插装阀可以配置不同的先导控制级，就能实现方向、压力、流量的多种控制。因此集成度高。3）由于二通插装阀采用锥阀结构，内阻小，响应快，故适用于高压大流量场合。插装阀按控制方式可分为通断式与比例式 按安装方式可分为盖插
31、装板式与螺纹插装式 目前我国生产的均是盖板插装式，而螺纹插装式正处于研制阶段。插装阀在高压大流量的液压系统中应用很广。由于插装元件已经标准化、模块化，将几个插装式元件组合一下便可以组成复合阀。和普通液压阀相比，它有如下特点：1) 流动阻力小，通流能力大，特别适用于大流量和特大流量的场合。一般标准滑阀最大通径为80mm，推荐的额定流量为1250L/min，而同样的锥阀，在压力损失与滑阀相同的条件下，可通过2500L/min的流量，最大通径为200-250mm，通流能力10000L/min。2) 动作速度快，因为它靠锥面密封和切断油路，阀芯稍微一抬起，油路马上接通。此外，阀芯行程较短，质量较滑阀轻
32、，因此反应性好，特别适于高速开启的场合。3) 密封性好，泄漏少，主阀口靠锥面密封，因此基本无泄漏，圆柱配合面处由于保证一定配合间隙，且密封长度较长，因此，泄漏很少。4) 结构简单，制造容易，锥阀单元仅阀套和阀芯两个零件，简单并容易加工。5) 工作可靠，不易卡死。6) 执行元件的进出口流量分别通过相应的进油阀和排油阀，因此可以按照不同的进出流量分别配置不同规格的锥阀，而滑阀必须按进出口流量中较大者选取。7) 易于集成，通径相同的插装阀集成的体积和重量较等效的滑阀集成的体积和重量大为减少，流量越大，效果越显著。8) 在多数情况下，控制油可以采用内控的形式，由系统本身引出，可省去控制油源。9) 插装
33、阀系统所用电磁铁数目较一般液压系统有所增加。10) 对小流量以及各种液压缸无单独调压要求，、动作要求简单的系统，插装阀并不合适，因为增加了零件数量，控制也较复杂。2.5.2 插装阀的构成典型的二通插装阀由插装件1、控制盖板2、先导元件3、三部分组成。图2-6（a）为结构图，图2-6（b）为符号图。图2-6 二通插装阀的结构插装件又称主阀组件，它是由阀芯、阀套、弹簧、密封件组成。有时根据需要在阀芯内设置节流螺塞或其它控制元件，阀套内可设置弹簧挡环等。图是常用主阀组件结构，其主要功能是控制主油路的通断、流量的大小、压力的高低。按阀芯与阀套的配合形式，有开启型与关闭型。按阀芯的形状可分锥阀与滑阀两种
34、。图2-7 常用主阀组件 图2-7中，图（a）、（b）、（c）为标准阀芯。图（a）、（b）多用于换向，图（c）用于换向与压力，图（d）为带阻尼孔的阀芯，用于压力与方向控制。图（e）为带缓冲的节流阀芯。图（i）为滑阀芯，多用于减压。图（j）为常开式锥阀结构，在冶金液压系统中应用于方向控制。控制盖板由盖板体、节流螺塞、先导控制元件及其它附件组成。盖板体的作用是固定主阀组件、安装先导控制元件、沟通阀块体内的控制油路。控制盖板按其功能又可分为方向控制盖板、压力控制盖板及流量控制盖板三类。具有两种以上控制功能的称为复合型控制盖板。盖板有方形和圆形。方形用在公称通径在63mm以下，见图2-8（a）。圆形用
35、在公称通径大于80mm的场合，见图2-8（b）。图2-8 常用控制盖板结构盖板内嵌元件很多，有梭阀、单向阀、单向器、液控单向阀、压力阀等等。由于控制盖板内含液阻、网络、又内嵌各种控制器、外装控制阀，因此在结构及功能上极富有变化，是插装阀中最敏感的部分，常常通过改变控制盖板的结构及功能，就能组合成许多不同功能的组件，改变二通插装阀组件的静、动特性。先导元件安装在控制盖板上，实施对主阀组件动作的控制。如球式或滑阀式电液换向阀。2.6 电磁球阀 电磁球阀是近年来发展的一种电磁换向阀。它以电磁铁的推力为动力，推动钢球来实现油路的通断和切换。电磁球阀的特点是：密封性好，可实现无泄漏；反应灵敏，相应速度快
36、；使用压力高；对工作介质的适应能力强；抗污染能力强。电磁求法的应用与一般电磁换向阀十分类似，在小流量液压系统中可直接控制主油路，在大流量液压系统中则可用作先导控制原件，另外，由于电磁球阀具有很多显著特点，因而在一些特殊应用场合，如无泄漏领域，是一般电磁阀无法取代的。电磁球阀与一般的滑阀比较，其密封性能好，可实现无泄露；工作压力高；也不存在因滑阀配合间隙不好而造成的卡死。工作性能可靠。其主要用途有：1.用于要求保压的系统中。2.在小流量液压系统中，直接控制主油路。3.在大流量的液压系统中，作为先导控制元件用于控制二通插装阀。电磁球阀的密封性能好，可应用于达63Mpa的高压，换向、复位速度快，换向
37、频率高（可达250次/min）,对工作介质粘度的适应范围广，可直接用于高水基、乳化液，由于没有液压卡紧力，以及受液动力影响小、换向、复位所需的力很小，此外，它的抗污染性也好。电磁球阀在小流量系统中可以直接控制主油路，而在大流量系统中作先导阀也很普遍。目前电磁球阀只有两位阀，需用两个二位阀才能组成一个三位阀。这种阀的加工、装配精度要求较高，成本价格也相应增加。2.7 防腐蚀措施2.7.1 不锈钢虽然高水基液压液的添加剂中有抑制剂，能够减少对金属的氧化作用，但并不能根除。为了适应高水基液压液对马达的腐蚀问题，不能采用普通的材料，而需要采用耐腐蚀性能更好的材料，例如不锈钢、耐蚀铸铁等。不锈钢的涵义
38、不锈钢通常是指含铬的质量分数大于12%的高合金钢。“不锈”的含义说明它在空气以及各种耐腐蚀性介质中能耐腐蚀。一般耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢称为不锈钢，而耐酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢称为耐酸钢。通常把不锈钢和耐酸钢统称为不锈钢。不锈钢与耐酸钢在合金化程度上有较大差异。不锈钢虽然具有不锈性，但并不一定耐酸，而耐酸钢一般则均具有不锈性。不锈钢的分类不锈钢的种类很多，性能又各异，常见的分类方法有：按钢的组织结构分类，如马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体铁素体不锈钢等。按钢中的主要化学成分或钢中的一些特征元素来分类，如铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢以及超低碳不锈钢、高钼不
39、锈钢、高纯不锈钢等。按钢的性能特点和用途分类，如耐硝酸（硝酸级）不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、高强度不锈钢等。按钢的功能特点分类，如低温不锈钢，无磁不锈钢，易切削不锈钢、超塑性不锈钢等。目前常用的分类方法是按钢的组织结构特点和按钢的化学成分特点以及两者用结合的方法来分类。例如，把目前的不锈钢分为马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、奥氏体铁素体钢和沉淀硬化型钢等五大类，或分为铬不锈钢和铅镍不锈钢两大类。马氏体低碳铬不锈钢的特点是具有良好的机械性能的同时，还具有相当高的耐蚀性，因此可以用1Cr13制造转子和定子。马氏体高碳铬不锈钢的特点是耐蚀性比低碳铬不锈钢略低，但是硬度和强度比
40、低碳铬不锈钢要高，同时还具有相当好的韧性，因此可以用3Cr13制造轴和叶片。 2.7.2 耐蚀铸铁不锈钢虽然具有良好的机械性能，还具有相当高的耐蚀性，但是因为其含Cr量较多，因此其成本较高，而且不锈钢的铸造性能较差。因此对于需要铸造的零件，可以使用耐蚀铸铁铸造。耐蚀铸铁的特点耐蚀铸铁是在铸铁中加入了硅、铝、铬、镍等元素构成的，如高硅铸铁、铝铸铁、高铬铸铁、镍铸铁、耐碱铸铁等。由于对铸件不进行变形加工，对塑性的要求低，因而在铸铁中加入合金元素的量主要是按照提高耐蚀的要求加以确定，而较少考虑加入合金元素后对变形加工性能的影响。这样，铸铁中加入的合金元素的量可以比一般轧钢中所加入的多，得到耐蚀性能更
41、好的耐蚀铸铁。并且耐蚀铸铁仍然保持了铸铁所具有的优良的铸造性能。铸铁中加入3.5%6%的铝成为铝铸铁，它能在铸件表面形成Al2O3的保护膜，对碱性介质有较好的耐蚀性。因此马达的壳体和配流盘可以采用铝铸铁铸造。表面处理为了增加铝铸铁的耐磨性和耐腐蚀性，可以在铝铸铁的表面进行镀铬、镀镍或者采用铬镍共渗的方法进行表面处理，以降低成本，并适应高水基液压液对材料的腐蚀问题。镀铬铬比铁标准电位负，但由于它在空气中能迅速钝化，钝化的表面电位变得很正，近似于银因此它对钢仍是阴极防护层，况且铬镀层孔隙多，在钢上直接镀铬时，钢不能得到保护，在电解质存在时还能加速钢基体的腐蚀速度。铬在大气中钝化后，钝化膜层为无色透
42、明层，使铬具有高的抗变色能力，而被广泛用于装饰性镀层的面层。铬在碱、碳酸盐、硫化物、硝酸、柠檬酸等有机酸中具有很高的化学稳定性。但易溶于氢卤酸（如盐酸）和热硫酸中。铬镀层性脆，不能承受冲击和弯曲，铬层不易与塑料、橡胶粘接，模具镀铬后易于脱膜。在不同的工艺条件下或溶液中，能够镀出性能与功能不同的铬镀层，有硬铬镀层、乳白铬层、装饰铬层、松孔铬层和黑铬镀层等。镀镍镍镀层对钢为阴极性防护层，对铜及铜合金（除黄铜外）为阳极性防护层，黑镍对钢及铜合金也是阳极性防护层。镍层易于抛光，抛光后具有镜面般的光泽，在含有光亮剂的镀镍溶液中，可以直接镀出光泽的外观，这一光泽在大气中随时间的延长，表面生成氧化膜，使其变
43、暗，在工业大气中氧化速度更至。镍镀层的高反射能力和光亮外观是作为装饰性镀层的中间层的最佳镀层。镍镀层具有良好的耐热性，在中温下可以保护钢不被氧化。镍层有磁性，但加热到3600C时便失去磁性。镍有较好的化学稳定性，耐强碱，在稀的硫酸或盐酸中溶解速度慢。与醋酸、热油类接触后表面会出现斑痕。在浓的过氧化氢介质中也不耐蚀。易溶于硝酸，但在发烟硝酸中则呈钝态。镀镍溶液类型比较多，从不同的镀镍溶液中镀出的镍层不仅其外观不同，镀层的性质也不同。镀层应力比较高（指拉应力）时镀铬后镀层容易出现裂纹。镍镀层多孔，随着镍层厚度的增加，孔隙率降低。当镍镀层厚度达到30m时，孔隙率低到1个/cm2。黑镍镀层用于要求有黑
44、色外观的零件，因不反光而有消除视觉疲劳的作用。黑镍镀层中含有大量的锌和硫，颜色的耐久性比铜镀层化学氧化膜层好，但不耐磨，其腐蚀能力也不高。铬镍共渗钢铁表面可以镀铬或者渗铬，但是渗铬比镀铬铬层厚，无孔，并能在复杂的部件上得到均匀的渗层，与基体的结合也十分牢固，有较高的硬度和较好的耐磨性。加入铬能提高钢耐大气、海水的腐蚀能力，同时提高钢耐CO2、H2S的腐蚀能力, 但是不能提高耐碱腐蚀及硝酸盐的腐蚀。加入镍能提高钢对酸、碱和海水的耐蚀能力，同时提高耐腐蚀疲劳性能。因此定子的表面可以采用铬镍共渗的方法，以适应高水基液压液对材料的腐蚀问题。2.8润滑和密封 由于高水基液压液的粘度很小，因此其润滑性能较
45、差，从而加剧了阀套和阀芯之间的摩擦和磨损，降低了机械效率，减少了使用寿命。由于本设计的高水基液压阀用于煤矿等危险场合，无法采用油润滑，而只能采用减小阀套和阀芯之间的压紧力的方法来减少摩擦和磨损。电液阀工作时进、出油口要对换，原来低压的回油腔将变为高压的进油腔，故不能将泄漏油引到进油腔，而必须从泄漏口引出，经外部配管流回油腔。因此在马达的左右端的壳体上对称设有两个单独的泄漏口。泄漏口外部采用两个旋转轴用密封圈将轴承与马达的主体分开。这样设计是因为轴承是标准件，为了减少高水基液压液对轴承的腐蚀，对与高水基液压液相接触的部件都采用的不锈钢材料。由于本设计的高水基电液换向阀用于煤矿等场合，而煤矿中有大
46、量的灰尘，为了防止灰尘进入液压阀内部，液压阀左端的轴承盖采用全密封的形式，液压阀右端的轴承盖与轴之间使用价格低廉且能防尘的毛毡密封圈。润滑和密封的具体结构详见装配图。2.9 方案确定 通过对国内外相关资料的学习和研究，实现题目要求的方案确定如下：用二位四通的电磁球阀作为先导阀，来控制主阀，主阀用四个插装阀通过某种合理形式的插装来实现要求功能，其中二位四通的电磁球阀用二位三通的阀和一个辅助阀板组成。其原理图如下：图2-9 组合阀原理图当电磁阀不通电时，压力油的控制油源通向2、4插装阀的控制油口，1、3插装阀的控制油口与油箱T相通。则2、4阀闭合，1、3阀打开，这时，油液流通方向为：PB执行元件A
47、T。当电磁阀通电时，压力油控制油源通向1、3插装阀控制油口，2、4插装阀的控制油口与油箱T相通。则2、4阀打开，1、3阀闭合，这时，油液流通方向为：PA执行元件BT。图2-10 电磁球阀结构图当电磁球阀不通电时，P入口通入压力油，压力油通过附加阀板进入二位三通球阀，阀芯在初始位置，P与A相通，A油路与附加阀板上一条通向阀板右边的油路相通，压力油推动阀板阀芯使菱形阀芯左移，封闭P与B的通道，油路T与右边阀芯右侧相通，从而与油口B相通，即，油口A出口为压力油源，压力高；油口B出口为油箱油源，压力很小。当电磁球阀通电时，电磁球阀的阀芯钢球右移，封闭P与A的通道，使A与T相通，P入口通压力油源，推动阀板中阀芯向右移动，使得P与B油路相通，同时，封闭B与T。即，油口A出口为低压油液，油口B出口为压力油源。图2-11 插装阀插装形式 这四个插装阀的插装形式很好的满足了原理图中四个二通插装阀的连接形式，能够实现主阀要求的大流量换向功能。第三章 设计计算3.1 电磁球阀3.1.1 电磁球阀工作原理目前电磁球阀只有二位阀，而且以二位三通阀为基本结构，有常开式和常闭式两种形式；二位四通电磁球阀可由二位三通阀和附加阀板组合而成。三位四
