矿压水自排系统自动换向阀的设计（全套含CAD图纸）
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下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985I摘要在煤矿生产中，突水是仅次于煤矿瓦斯突出的严重事故。因此防治突水灾害的意义重大。而井下预先排水则是防治突水事故的主要措施之一。本设计涉及一种换向阀，尤其涉及一种新型的矿井承压水自排系统中的二位四通自动换向阀，它是该系统的重要组成部分。目前排水设备以离心泵和潜水泵为主，但用泵排水耗电量大，成本很高，且需要专人值班，手动启、停设备，安全性较差。针对这样的技术条件，此二位四通换向阀就发挥了很大的作用，它可以用来传输三种不同压力的矿井承压水，并且有阀片耐磨耐腐蚀，抗冲击能力高并且采用三级平面密封，实现严格的无泄漏等优点，它能适应水质不同、压力不同的矿井承压水的自动传输，且传输过程中承压水的能量损失小，与系统完美配合，实现井下承压水的绿色排放。它设计的目的是将已探查清楚的地下含水层突水，经自排系统工作后排到地面。大大的减少了突水事故发生的可能性。关键词二位四通自动换向阀矿井承压水排放低能耗自排系统下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985IIABSTRACTINCOALPRODUCTION，WATERINRUSHISASERIOUSACCIDENTONLYTHESECONDTOCOALMINEGASOUTBURSTSOTHEPREVENTIONOFSUDDENWATERRELATEDDISASTERSISSIGNIFICANTFUL,ANDTHEUNDERGROUNDPREDRAINAGEISONEOFTHEMAINMEASURESOFPREVENTIONANDCONTROLOFWATERINRUSHACCIDENTTHEDESIGNRELATESTOAVALVE,INPARTICULAR,INVOLVINGANEWTYPEOFMINEPRESSURIZEDWATERFROMTHEDRAINAGESYSTEMINTHETWOFOURWAYAUTOMATICVALVE,ANDITISANIMPORTANTPARTOFTHESYSTEMNOWCENTRIFUGALPUMPSANDSUBMERSIBLEPUMPSISUSEFUL,BUTPUMPSWATERSYSTEMISPOWERCONSUMPTIONANDHIGHCOST，ANDNEEDSOMEONEONDUTY、MANUALSTARTANDSTOPEQUIPMENTFORTHISSPECIFICATION,THETWOFOURWAYDIRECTIONALCONTROLVALVEPLAYSAVERYIMPORTANTROLE，ITCANBEUSEDTOTRANSFERTHREEDIFFERENTMINECONFINEDWATERPRESSUREANDVALVEPLATEWEARRESISTANT,CORROSIONRESISTANT,HIGHSHOCKRESISTANCEANDATHREELEVELFLATSEALING,REALIZETHEADVANTAGESOFSTRICTLYLEAKAGEITCANADAPTTODIFFERENTWATERQUALITYANDPRESSUREOFAUTOMATICTRANSMISSIONOFCONFINEDWATERINMINEANDCONFINEDWATEROFSMALLENERGYLOSSDURINGTRANSMISSION,ANDPERFECTCOORDINATION,IMPLEMENTATIONOFARTESIANWATERINUNDERGROUNDGREENEMISSIONITISDESIGNEDTOBETHEEXPLORATIONOFUNDERGROUNDWATERBURSTINGCLEAR,THROUGHTHEEXHAUSTSYSTEMBACKTOTHEGROUNDSIGNIFICANTLYREDUCETHEPOSSIBILITYOFWATERINRUSHACCIDENTOCCURREDKEYWORDSTWOFOURWAYAUTOMATICVALVEMINECONFINEDWATEREMISSIONSLOWENERGYCONSUMPTIONGREENEMISSION下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985III目录前言11绪论211毕设的目的和意义212选题背景及意义313井下防治突水事故的技术现状314矿井承压水形成的原因415排水装置的发展方向416换向阀在装置中的应用52基本原理简述621矿井承压水自排水系统的工作原理622二位四通自动换向阀的工作原理7221二位四通换向阀基本结构简图7222二位四通换向阀的基本工作原理7223换向阀的种类73承压水自排系统的简要设计931增压装置的简要设计9311活塞杆的简要设计9312缸筒活塞的简要设计9313活塞与活塞杆连接结构型式10314隔离装置的简要设计1032缓冲装置的简要设计11321小液压缸的设计12322油管的选择124二位四通换向阀的设计135二位四通自动换向增压装置的设计1451自动换向增压装置的工作原理1452缸筒的设计15521缸体的材料15522缸筒结构的设计15下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985IV523缸体的技术要求15524缸筒内径D的计算15525缸筒壁厚的计算16526缸盖的设计1753柱塞杆的设计和尺寸计算17531柱塞杆的作用17532柱塞杆的材料17533柱塞杆的技术要求17534柱塞杆的结构设计18535柱塞杆的尺寸计算18536柱塞杆上密封圈的选择1954进出油口直径计算0D1955蓄能器的设计及尺寸的计算19551蓄能器的作用和原理结构19552尺寸的计算20553弹簧的选用2156左右进油口接头的选择2157拨叉的设计22571拨叉的材料22572拨叉的尺寸计算2358自动换向增压装置与左壳体的连接形式236二位四通换向阀换向装置的设计2461换向装置的工作原理和基本结构24611结构简图24612基本原理2462换向轴结构的设计24621换向轴结构设计和作用24622换向轴尺寸大小的选择2563轴承的选择2664左右陶瓷阀片的设计26641陶瓷阀芯的优点26642陶瓷阀芯材料的选择26下载后包含有CAD图纸和说明书,咨询Q197216396或11970985V643陶瓷阀片的工作原理和简图27644尺寸的简单确定28645阀门的结构设计需注意的几点2865右端盖的设计29651右端盖的作用29652右端盖的形状和结构的设计29653右端盖管接头的选择2966右端盖尺寸的计算2967右端盖螺栓个数的确定2968右密封垫圈的选择3169左密封垫圈的选择317油液的选取和污染的控制3271油液的选取3272污染的危害3273污染的原因3274污染控制的主要措施328液压系统中需要重视的几个问题3481液压元件的失效方式3482液压系统设计中的节能问题34821液压系统中的能耗损失的分类34822节能的主要途径3483液压系统中的冲击、震动和噪声控制35831液压冲击35832防止液压冲击的措施3584振动和噪声的污染36841污染的原因和危害36842振动和噪声的防治和改进措施36结论38致谢39参考文献40河南理工大学毕业设计说明书前言毕业设计是大学本科教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程，是对大学期间所学专业知识的全面总结。本人毕业设计题目为二位四通换向阀的设计。在毕业设计前期，我温习了很多的专业知识，并查阅了关于阀体和矿井承压水的很多资料；在毕业设计中期，我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行阀体各个部分的进行了原理的疏通、结构的设计和尺寸的确定等；在毕业设计后期，主要进行设计手稿的电子排版整理，并得到老师的审批和指正，使我圆满地完成了设计任务，在此我表示衷心的感谢。毕业设计的两个月里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算、论文撰写以及外文的翻译，使我加深了对新规范、规程、手册等相关内容的理解，巩固了专业知识，提高了综合分析、解决问题的能力。在绘图时熟练掌握了CAXA、CAD等制图软件，以及多种结构设计软件。以下所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求。由于自己水平有限，难免有不妥和疏漏之处，敬请各位老师批评指正。河南理工大学毕业设计说明书河南理工大学毕业设计说明书1绪论11毕设的目的和意义毕业设计是对大学期间所学知识的一次总的检验和巩固，是一次很好的理论联系实际的锻炼，是大学教学的重要实践性环节，相比以前的几次课程设计，毕业设计对所学基础知识和专业知识的涉及面更加广泛，是知识与实践的有机结合，也是对四年大学生活和学习的一个总结。做好本次毕业设计可以为以后的工作打下坚实的基础和积累丰富的经验因此本次毕业设计具有很重要的意义。1、毕业设计的目的通过本次毕业设计，使达到以下几个效果（1）巩固、扩大、深化学生以前所学的基础和专业知识；（2）培养学生综合分析、理论联系实际的能力；（3）培养学生调查研究、正确熟练运用国家标准、规范、手册等工具书的能力；（4）锻炼进行设计计算、数据处理、编写技术文件、绘图等独立工作能力。总之，通过毕业设计使学生建立正确的设计思想，初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段，从而使学生受到一次工程师的基本训练。2、毕业设计的主要内容和要求本次毕业设计的题目是比较新型的题目，但又同液压缸的工作原理很像，因此本次设计主要是依据液压缸来设计的。具体设计内容和要求如下（1）调查和查阅现在煤矿的防治突水的方法，收集并分析各种防治措施的先进技术、发展趋势以及有关的科技动向；（2）查阅资料并进行本毕业设计的原理分析；（3）进行总装配图的设计和计算；（4）进行零部件的设计和计算；（5）编制设计技术说明书一份和图纸若干。3、本次毕业设计的程序和时间安排毕业设计是实践性的教学环节，由于时间的限制，本次毕业设计不可能按工厂的设计程序来进行，具体的说，可以分以下几个阶段（1）实习阶段，通过毕业实习实地调查、研究、收集有关资料，掌握数控电火花线切割加工技术，了解机床的结构、工作原理和设计的基本要求，花两周时间；（2）制定方案、总体设计阶段，花两周时间；（3）计算和技术设计阶段，绘制图纸，整理设计说明书，花三周时间；（4）答辩阶段，自述设计内容，回答问题。最后，由于专业知识的有限,实际生产经验不足,所以在设计中难免出现了错误与不足。河南理工大学毕业设计说明书12选题背景及意义中国大部分矿区复杂的水文地质和构造地质中比较严重的突水事故，在煤矿的生产中，突水是仅次于煤矿瓦斯突出的严重事故。而我国煤矿突水灾害的基本特点是分布广、发生频次高、破坏损失严重。据初步调查统计，全国统配煤矿的624对矿井中，有272对矿井受水灾威胁。突水灾害广泛发生在十几个省市、自治区的70多个煤矿。19552000年，全国煤矿发生较严重的突水灾害约1500次，造成淹井事故260多次，至少造成4600多人死亡，减少出煤约18亿T。而且还早成了很多的人员伤亡，严重的突水灾害，除造成人员伤亡和经济损失外，还破坏矿区地下水、地表系统，甚至引起地面塌陷，影响矿区及周围生态坏境，因此要高度重视突水的防治。导致我国煤矿突水事故的原因非常复杂，除自然条件、管理水平比较低外，还有与生产技术和防治能力比较差有密切的关系。此题目的设计就是针对这一现状，充分利用地下含水层的压力，然后利用本身水压力将突水排到地面，因此此自排系统可在一定程度减少煤矿的开采成本。而主要部件之一的换向阀也是很重要的一部分。13井下防治突水事故的技术现状目前国内防治突水的技术措施主要有以下几种1、地面防水，包括修筑防洪沟、河流改道或河流防渗、封填老窿井口。2、井下防水治水，包括采掘前钻孔探水、阻断水路隔绝水源（主要采用水闸门阻绝水源、采用水闸墙阻断水源、采用注浆堵水、采用封闭水泵房）。3、预先排水、疏干降压，包括地面钻孔疏干降压、井下钻孔疏干降压、利用巷道疏干。限于技术条件，目前还无法辨识突水前兆信息进而进行预警；因此，预先排水、疏干降压仍是矿井防治水灾害的主要方法。目前排水设备以离心泵和潜水泵为主，但用泵排水耗电量大，成本很高，且需专人值班，手动起、停设备，安全性较差。而在预先排水中利用水泵排水又占有主导地位。现在的水泵排水技术已有很大的进步，如在国外潜水泵的扬程可达351000M，排水量达1265000M3/H。值得称道的是，国外矿井疏干工作正在逐渐采用计算机自动控制，这使疏干技术的水平大大提高了一步。但是，由于矿井排水成本越来越高，更进一步加剧了能源紧张问题。另一方面，矿井排水一直以来都是煤矿用电的大户。据统计，在我国的煤炭行业中，矿井排水用电量占原煤生产总耗电量的1841，一般为20左右。如永荣矿务局1996年矿井原煤生产用电共5230万KWH，其中主排水泵用电986万KWH，占矿井原煤生产用电的1885。又如华丰煤矿属大水矿井，矿井正常涌水量13M3MIN。排水电耗居高不下，2006年矿井全年生产实耗电量42647124万KWH，其中排水耗电量为2200万KWH，占总耗电量的45，吨煤排水电费75元左右，年排水电费1000万元以上。在我国的煤矿生产中，排水装置的运行效率很低。因此，探讨矿井新的排水技术，对于节约能源用电，节约煤矿开采成本具有重大的意义。河南理工大学毕业设计说明书14矿井承压水形成的原因矿井水源分为地面水和地下水（1）地面水引起的矿井水灾。矿井附近有江河、湖泊、池塘、水库、沟渠等积水，以及季节性雨水时，当水位暴涨，超过矿井井口标高而涌入井下，或由裂隙、断层或塌陷区渗入井下造成水灾，这种水源叫地表水。受这种水危害的情况，一般有以下几种1）位于低洼地带的矿井，由地表水冲破矿井周围围堤而流入井口，或由于歼石山、炉灰等推积位置选择不当，被洪水或雨水长年冲刷到附近的江河当中，使河床增高或造成河水超过堤或拦洪坝直接进入井口。这种地表水来势凶猛，而且伴随许多泥沙、砾石。如防备不当，常造成淹井事故；2）地表水与松软的沙砾岩层相通，当井筒掘进穿透冲积层含水层时，地表水将顺着砂砾岩层的裂隙涌入井下造成淹井；3）地表水与煤层顶底板的含水层相连通或由断层沟通，地表水通过含水层或断层进入井巷，致使发生水灾事故；4）煤层采掘以后，冒落带一旦进入老窑或与地表水系沟通，也会发生地表水涌入矿井，造成水灾事故。（2）地下水引起的矿井水灾。地下水包括地下含水层水、溶洞、断层水、老空水等。地下水造成水灾的情况，一般有以下几种1）地下的砾岩层，流沙层和具有岩溶的石灰岩层，都含有大量积水，称为含水层。当采掘工作接近或穿透这种积水区时，就会造成透水事故；2）断层及其附近的岩层均比较破碎，在这种破碎带内有时含水或与地表水、含水层沟通，掘进时，碰到这种情况容易造成突水事故。3）已采掘的旧巷及空洞内，常有大量积水，称为老空水。老空水常为矿井水灾事故的主要原因。老空水特点是水压大，一旦掘透，来势凶猛，具有很大破坏性。15排水装置的发展方向虽然预先排水中利用水泵排水现在占有主导地位，而且水泵排水技术已有很大的进步，但是水泵在井下并不能像我们想象的那样完美，它耗能大、有污染，而且在井下复杂的情况下需要电力的支持才能正常的工作，并不能很好的与现在所提倡的绿色环保的理念完美的结合，这就需要一个更好的方法去完成井下承压水的排放，也就揭示了未来井下排水系统应该努力的方向。本系统就提供了一个很好的方向，此次设计的承压水自排系统就是在这个基础上构思的，它与现在煤矿所用的排水泵有着很大的区别。它不是利用电能带动水泵将地下含水层排出水面，而是利用地下含水层本身的压力经自排泵工作后自行排出水面。它的工作原理类似于液压缸的工作原理。据初步计算自排泵排出的突水可占总突水总量的2/3左右，因此这对煤矿用电量的减少也是十分可观的。我想这是未河南理工大学毕业设计说明书来这方面发展的重要方向之一。16换向阀在装置中的应用所谓的换向阀是为了改变活塞的运动方向的，使活塞能自行的往返运动。此换向装置既不采用利用油泵控制油压来实现换向，也不采用电磁结构实现换向，而是利用自排泵活塞杆自身的动力来实现换向的。因此此换向装置的设计对节省能源，节约成本有着重要的意义,这也是此自排水系统的亮点之一，巧妙的把承压水的压力转化为自身换向的动力，在节能方面起到了很大的作用。河南理工大学毕业设计说明书2基本原理简述21矿井承压水自排水系统的工作原理矿井承压水自排系统总体图如图21所示图21矿井承压水自排系统总体图由图可知，矿井承压水自排系统的工作原理如下本设计的矿井承压水自排系统的工作原理为打开总开关26，矿井承压水通过低压水管22及其上的第一单向阀18、第二单向阀19进入左缸体1和右缸体2，然后打开工作开关25，矿压水通过低压水管22、换向阀套13上的进水口8并经换向阀套13上的进出水口9、水管23进入环形空腔4，推动增压装置活动块3往右运动，使环形空腔5内的水经水管24、换向阀套13上的进出水口10和排水口12流入水仓；增压装置活动块3向右运动使右缸体2里面的水压力升高，迫使第二单向阀19关闭、第四单向阀21打开，高压水经过第四单向阀21流入高压水管道27，再经高压水管道27送到地面。同时第一单向阀18处于打开状态，第三单向阀20处于关闭状态。增压装置活动块3运动到右端，其端部的凹槽推动右液压油油缸的小柱塞7向右运动，通过右输油管17使换向阀套13右端压力升高，由右蓄能器16蓄能，达到一定压力后，换向阀芯14克服限位钢球的阻力向左移动，实现换向。矿井承压水经过换向阀套13上的进水口8和进出水口10、水管24进入环形空腔5，压力推动增压装置活动块3往左运动，环形空腔4内的水经换向阀套13上的水管23、进出水口9、排水口11流入水仓；增压装置活动块3向左运动使左缸体1里面的水压力升高，第一单向阀18关闭，第三单向阀20打开，高压水经过第三单向阀20流入高压水管道27，再经高压水管道27送到地面。同时，第二单向阀19处于打开状态，第四单向阀21处于关闭状态。增压装置活动块3运动到左端，推动左液压油油缸的小柱塞6向左运动使换向阀套13左端压力升高，由左蓄能器15蓄能，达到一定压力后，换向阀套13里河南理工大学毕业设计说明书的换向阀芯14向右移动，实现换向。工作过程如此反复，达到不间断自动排水作业。22二位四通自动换向阀的工作原理221二位四通换向阀基本结构简图二位四通换向阀基本结构简图如图22所示1蓄能器，2换向阀，3油路管道，4水路管道图中、分别为换向阀的五个进出水口图22换向阀222二位四通换向阀的基本工作原理此换向阀为三位四通阀，在阀体上还设计有一个钢球、两个钢球槽和密封圈，如图21所示当活塞杆5运动到与小活塞杆3接触时，小活塞杆就会向左运动迫使小液压缸缸腔内的油液压力增加，如图22所示由于缸腔内的油液压力的增加，油路管道中压力在一定的时间内储存到蓄能器中，当压力增加到足够克服钢球对换向阀阀体的阻力时，就会推动换向阀的阀体向右运动，使阀体堵住出口、，而使出口与进口相通，从而使水经水路管道进入自排泵的缸筒内推动活塞向相反的方向运动，实现换向作用。223换向阀的种类换向阀的操纵方式有机动换向、电磁换向、液动换向、电液换向、电液手动换向、手动换向等。1、机动换向阀有称行程换向阀，它依靠安装在运动部件上的挡块或凸轮来迫使阀芯移动，从而控制油液的流动方向，实现换向。2、电磁换向阀简称电磁阀，它利用电磁铁的吸力控制阀芯动作。3、液动换向阀是利用控制油路的压力油推动阀芯实现换向，由于控制压力可以较高，因此它可以制成流量较大的换向阀。河南理工大学毕业设计说明书4、电液换向阀是由电磁滑阀和液动滑阀组合而成。电磁换向阀起先导作用，它可以改变控制液流的方向，从而改变液动滑阀阀芯的位置。由于矿压水自排系统中可以提供不同压力的承压水来控制换向阀中的压力油的压力方便换向，故换向阀选用液动两位四通换向阀。河南理工大学毕业设计说明书3承压水自排系统的简要设计31增压装置的简要设计增压装置主要由端部缸筒、中间缸筒、端盖、活塞杆、活塞、和隔离装置组成。311活塞杆的简要设计材料活塞杆采用的材料为45钢。活塞杆的尺寸由于此自排泵的内径较大，考虑为减轻自排泵的重量，故选择活塞杆为空心结构，其端盖结构则采用焊接的方式连接，在其端盖处开槽用于推动换向装置。参考液压缸活塞杆的选择依据，自定活塞杆的内径D280MM。其结构简图如图31所示1活塞杆端盖，2活塞杆；图31活塞杆结构图对于活塞杆端盖的焊缝采用V形焊缝，一般焊接即可满足要求。312缸筒活塞的简要设计活塞材料的选取活塞材料的选择要考虑其耐磨性所以选择灰铸铁（HT5007）,并且不与缸筒的材料一样，其力学性能主要数据如表31所示表31灰铸铁的力学性能类别牌号屈服强度（MPA）02抗拉强度B（MPA）硬度HBS灰铸铁HT5007320500170230河南理工大学毕业设计说明书活塞的结构及尺寸活塞的结构形式有整体式和分体式两类，此活塞装置选择分体式活塞。活塞的宽度一般有密封件、导向环（支撑环）的安装沟槽尺寸来决定。活塞密封件的选择在液压系统及其元件中，设计、安装密封件的作用，在于防止工作介质的泄露及外界尘埃和异物的浸入。在液压元件中，对液压缸的密封要求是比较高的，液压缸中不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性能要好，耐磨损，对温度的适应范围广，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度，摩擦阻力小，容易制造和装卸，能随压力的升高而提高密封能力和利于自补偿损失。313活塞与活塞杆连接结构型式活塞与活塞杆之间的连接型式有很多种，但所有的连接结构型式均需有锁紧装置，以防止活塞在作往返运动时有松动。在这里活塞与活塞杆的连接选用螺钉连接，其主要特点是加工、装拆方便，也是最常用的联接方式。其结构图如图32所示1Y形密封圈，2支承环，3缸筒壁厚，4O形密封圈，5活塞本体，6活塞杆壁厚图32活塞与活塞杆连接形式314隔离装置的简要设计隔离装置在两缸筒之间，其两缸筒之间的的连接也采用螺栓连接，在两缸筒之间还采用了一个隔离圈，它的主要作用是隔离两缸筒筒腔和对活塞杆的导向作用，其结构如图33所示河南理工大学毕业设计说明书1缸筒，2缸筒，3螺栓，4隔离圈，5活塞杆，6O形密封圈，7Y形密封圈图33隔离装置隔离圈所用的密封圈为Y形密封圈和O形密封圈32缓冲装置的简要设计自排泵的行程终端缓冲装置可使带着负载的活塞在到达行程终端是减速到零，目的是消除因活塞的惯性力和液压力所造成的活塞杆与端盖之间的机械撞击，同时也为了降低活塞在改变运动方向是液体发出的噪声。一般缓冲装置的工作原理，是当活塞杆在到达行程终端之前的一定距离内，设法把液体腔内之液体的一部分或全部封闭起来，使其通过缝隙排出，从而使被封闭的液体产生适当的缓冲压力作用在活塞杆上，与活塞杆的惯性力相对抗，以达到减速制动的目的。而此系统的缓冲装置则是在缸筒的端盖部位安装一个小液压缸装置来实现缓冲的。1小端盖，2缸筒缸盖，3小活塞杆，4管路，5活塞杆，6进、出水口图34缓冲装置如图34所示，此缓冲装置是利用小液压缸中的小活塞杆对活塞杆的反作用力来实现的，3所河南理工大学毕业设计说明书处的小液压缸腔内充有一定的压力油，图中起缓冲作用是当活塞杆5与3小活塞杆接触时，3对5的反作用力，从而使活塞杆的速度从一定的速度减到为0M/S。此时小活塞杆由于受力而向左移动使3所处的小液压缸腔内压力升高，为下面的换向工作提供动力。321小液压缸的设计此自排泵的换向动力都是有小液压缸提供，因此液压缸的设计也十分重要。如图35所示为小液压缸的设计结构简图。1小活塞杆，2缸筒，3油口，4螺钉孔，5密封圈图35小液压缸的结构图322油管的选择在设计和选用管系元件时，应保证由足够的强度、连接可靠、密封性能好、压力损失小及拆装方便等。液压系统常用的油管有钢管、紫铜管、橡胶软管、尼龙管及塑料管等。中高压系统多采用无缝钢管，黄铜管可承受较高的压力（P25MPA），中低压系统可采用焊接钢管（P16MPA）或紫铜管（P6510MPA）液压系统常用的管道有钢管、铜管、胶管、尼龙管及塑料管等。它们可以承受的油液压力范围，如表32所示表32常用材料的承油压力材料铜管尼龙管塑料管橡胶软管有缝钢管无缝钢管压力（）MPA5高达8051516中高压液压系统工作时的最高压力为6MPA左右。故本设计中液压系统的管道选用10号冷拔无缝钢管。这种钢管耐高压，变形小，耐油、抗腐蚀，可焊性好，虽然装配时不易弯曲，但装配后能长期保持原形。并且需要根据手册选择管子的弯曲半径。根据系统的正常工作压力本设计液压系统的油管选用无缝钢管。河南理工大学毕业设计说明书4二位四通换向阀的设计二位四通换向阀的结构简图如图41所示1端盖2阀体3右密封垫4陶瓷右阀片5陶瓷左阀片6左密封垫7推力轴承8密封垫9挡销10换向轴11左壳体12密封圈13拨叉14盖板15螺母16螺钉17定位套18螺栓19螺栓20承压水常进水管接头21承压水出水管接头图41换向装置总体图如图41所示换向阀的结构包括阀体2、与阀体2一端可拆卸连接的端盖1、与阀体2另一端可拆卸连接的左壳体11、与左壳体11可拆卸连接的盖板14，阀体2内设有阀芯，所述阀芯包括通过右密封垫3与端盖1固定连接的陶瓷右阀片4、与陶瓷右阀片4端面转动配合的陶瓷左阀片5，陶瓷左阀片5通过换向轴10和拨叉13与自动换向增压装置传动连接；而自动换向增压装置由于进出油管压力大小的变换而左右运动，从而代替拨叉和阀片正反的转动，实现不同孔径的流通。二位四通换向阀的设计主要包括两个部分转向装置的设计和二位四通增压换向装置的设计，现在此分开设计。河南理工大学毕业设计说明书5二位四通自动换向增压装置的设计51自动换向增压装置的工作原理自动换向增压装置的结构图如图42所示图51自动换向增压装置自动换向增压装置的工作原理叙述如下左路油管内的油液压力升高，此时右路油管内的油液压力降低，左路压力油经左路油管接头22,当左路油缸23内的油液压力大于左蓄能器的限位力，油液推动柱塞杆24向右运动到最右端，柱塞杆24向右运动过程中，通过传动件50拨动拨叉13进而带动换向轴10旋转，使陶瓷左阀片5上的环形圆弧槽PA与右阀片4上的通孔A和环形圆弧通孔0相连通，陶瓷左阀片5上的环形圆弧槽PB与陶瓷右阀片4上的通孔P和通孔B相连通；承压水通过承压水常进水管接头20流入，从增压缸左腔进出水管接头38流出，该部分承压水可被自动提升排放到地面，而从增压缸右腔进出水管接头39排出的释能后的承压水经承压水常出水管接头21排出到水池。在此过程终止之前，左路油管中的油压降低而右路油管中的油压升高，当油压达到设定值后，即右路油缸35内的油液压力大于右蓄能器的限位力，油液推动柱塞杆24向左运动，通过传动件50拨动拨叉13进而带动换向轴10旋转，使陶瓷左阀片5上的环形圆弧槽PA与陶瓷右阀片4上的通孔A和通孔P相连通，陶瓷左阀片5上的环形圆弧槽PB与陶瓷右阀片4上的环形圆弧通孔0和通孔B相连通；承压水通过承压水常进水管接头20流入，从增压缸右腔进出水管接头39流出，该部分承压水可被自动提升排放到地面，而从增压缸左腔进出水管接头38排出的释能后的河南理工大学毕业设计说明书承压水经承压水常出水管接头21排出到水池。然后工作如上述过程循环往复。另外，排到水池内的水由水泵抽放到地面。52缸筒的设计521缸体的材料液压缸缸体的常用材料为20、35、45无缝钢管。因20钢的力学性能略低，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接时，则应采用焊接性能较好的35钢，并在粗加工后调质。一般情况下，均采用45钢，并应调质到241285HBW。在特殊情况下，也可以用合金钢无缝钢管制造钢筒。本设计选用45钢为缸体材料。522缸筒结构的设计缸筒为活塞的运动提供了密闭的空间，并对活塞的运动起到了导向的作用。由于活塞的内壁与活塞杆相接触属于工作面则活塞内壁的直径、粗糙度、圆度都有较高的要求。柱塞缸的两端有内螺纹用于连接油管接头，系统通过油管接头为活塞缸提供液压油。活塞缸和连接套相连由于有液体压力作用所以需要采用螺栓进行连接。此处用螺栓连接不仅连接稳固而且便于柱塞缸的拆装，便于日常的维护清理。523缸体的技术要求当钢筒与活塞采用橡胶密封圈时，其配合推荐采用H9/F8，表面粗糙度当活塞采用橡胶密封圈密封时，R0104，当活塞采用密封环密封时R0204。且均需要衍磨。AMAM缸体内径D的圆度公差值可按9、10、11级精度选取，圆柱度公差值应按8级精度选取。缸体端面T的垂直度公差值可按7级精度选取。当缸体与缸头采用螺纹连接时，螺纹一般采用中等精度。当缸筒端面与缸盖断面的跳动在直径100MM上不大于001MM。524缸筒内径D的计算根据GB/T23481993液压缸内径系列可得，液压缸的内径系列如表53所示表51液压缸内径系列（单位MM）810121620253240506380100125160200250320400500根据所给数据选取缸筒的内径D25MM由参考文献【液压气动系统设计手册】的公式河南理工大学毕业设计说明书D（1）PF4其中D缸筒内径；F液压缸输出力；P工作压力；这里机械效率一般取值095；供油管提供的压力油取为3MP则P3MP代入数据得F13983N525缸筒壁厚的计算当时，可用薄壁缸筒的实用公式08DM（2）PDP2MAX0当00803时，M（3）MAX032P当时，30DM（4）13402MAX0PDP此类设计一般按薄壁筒计算，壁厚M由参考文献【液压气动系统设计手册】公式计算其中公式内D液压缸内径（M）；液压缸最高工作压力（MPA）；YP缸筒材料的许用应力（MPA）；材料的抗拉强度极限（MPA）；N安全系数，一般取5河南理工大学毕业设计说明书由于P16MPA则15P，这里缸筒的材料为45钢，查得6MPAYP带入数据可算出94MM这里我们圆整为10MM则缸筒外径为DD245MM1526缸盖的设计缸盖的材料液压缸缸盖可用35、45钢或ZG270500，ZG300570以及HT250，HT300等材料制造，但当缸盖自身作为活塞杆导向套时，最好用铸铁，并在导向表面熔堆黄铜、青铜或者其他的耐磨材料，由于本装置缸盖自身作为活塞杆导向套，所以就选用铸铁作为缸盖的材料。缸盖的技术要求（1）与缸筒内径配合的直径采用H8，活塞杆上的缓冲柱塞配合的直径采用H9，和活塞杆密封圈外径配合的直径采用H9，这三个尺寸的圆度和圆柱度误差不大于各自直径公差的一半，三个直径的同轴度误差不大于003MM。（2）与缸筒接触的端面和与活塞接触的端面对轴线的垂直度误差在直径100MM上不大于004MM。（3）导向孔的表面粗糙度应不超过RA16M。53柱塞杆的设计和尺寸计算531柱塞杆的作用柱塞杆上有封闭槽，槽中应选用常用的O型封闭圈；柱塞杆上还开有两个圆球形的凹槽，只要与蓄能器的钢球相作用，起到限位的目的；在柱塞杆的中间有一凸缘，主要与拨叉作用，从而传递能量，实现拨叉的扭转。532柱塞杆的材料常用为35或45钢，空心活塞杆用35或45钢的无缝钢管。空心活塞杆的一端要有焊接和热处理用的通气孔。533柱塞杆的技术要求柱塞杆的工作部分公差等级可取F7F9，表面粗糙度不大于04M。工作表面的直线度误差在500MM长度上不大于003MM。柱塞杆的热处理粗加工后调质到硬度为229285HBW，必要时，再经高频淬火，硬度达到4555HRC。必要时可以镀铬，镀层厚度约为005MM，镀后抛光。河南理工大学毕业设计说明书活塞杆圆度公差值按9、10、11级精度选取。端面T的垂直度公差值，应按7级精度选取。534柱塞杆的结构设计柱塞杆三维结构简图如图52所示图52柱塞杆三维图柱塞杆的作用柱塞杆是液动换向阀的重要部件，它通过柱塞杆两端空腔中的液压油来推动柱塞杆进行轴向移动拨动拨叉通过换向轴为陶瓷换向阀芯提供换向阀换向所需要的运动。柱塞杆上主要有密封凹槽、限位钢球槽和挡块组成。它的尺寸精度严重影响柱塞杆和活塞缸的配合情况，直径过大会使柱塞杆与活塞缸的摩擦增大不利于换向动作的进行且容易造成卡死现象；直径过小则导致缸体中泄露严重影响整个换向装置的使用。活塞杆两端设置密封槽并安装密封环，保证活塞在运动过程中的密封条件有利于活塞的平稳动作。限位钢球槽配合限位钢球能提供良好的换向冲击力，从而保证了换向动作的进行，合适位置的限位钢球槽也起到限位作用使换向运动具有较高的精度。535柱塞杆的尺寸计算取摩擦副之间的微小间隙为05MM则柱塞杆的直径D0124MM1D最后根据手册圆整为标准值24MM1D取拨叉的长70MM，其中有效长度取为50MM，拨叉的转动角度为则柱塞杆的行程长度4L602577MM挡块取宽，则两限位钢球槽间距为577MM0LMD031L取为整数58MM则柱塞杆的长度L22230L23为密封套件的长度取为40MM为限位钢球槽到挡块的距离2L40MM3L222286MMD023L河南理工大学毕业设计说明书536柱塞杆上密封圈的选择O型密封圈密封性能好，摩擦系数小，安装空间小，广泛应用于固定密封盒运动密封之间，这里我们选用O型密封圈根据液压气动技术速查手册表643选取GB/T345212005液压气动用O型橡胶密封圈的规格为23618G54进出油口直径计算0D液压缸的进出油口可布置在端盖或者缸筒上，进出油口处的流速一般不超过5M/S。油口的连接形式为螺纹连接或者是法兰的连接。由参考文献液压气动技术速查手册公式0MAX013VDDD液压缸内径，M；液压缸最大输出速度，M/MIN；AXV油口液流速度，一般不大于5M/S；0根据液压气动技术速查手册取18M/MIN2M/SMAXV0V15MM0AX013DD55蓄能器的设计及尺寸的计算551蓄能器的作用和原理结构常用的蓄能器是将压力液体能转化为势能储存起来，当系统需要时再由势能转化为压力能而做功的容器，因此，蓄能器可以作为辅助的或者应急的动力源；可以补充系统的工作压力，以及吸收泵的脉动和回路上的液压冲击等。蓄能器被广泛利用作辅助能源，与压力继电器组合使用，在间歇工作的场合，可作为辅助能源，实现液压泵的小型化并可节省能源，如钢厂炼钢炉的倾转液压系统。在液压回路中，由于液压阀急速闭合而发生载荷剧变这种剧变会产生很大的瞬间冲击压力会破坏管道、连接接头或其它液压元件，并产生剧烈的振动和噪声使用蓄能器可有效缓和冲击，保护液压装置。如压铸机、高空混凝土输送机中液压系统中使用的蓄能器就很好的体现了这一功能。此换向装置的蓄能器是利用力的平衡原理，进行改进后的装置，组成由螺杆、弹簧和限位钢球。原理此蓄能器的原理简单明了，通过调节螺杆旋入的深度来调节螺杆压缩弹簧的程度，从而达到改变钢球受压力变化的目的，进而改变蓄能器储存能量的能量和大小。简图河南理工大学毕业设计说明书蓄能器结构简图如图53所示图53蓄能器简图552尺寸的计算钢球的受力分析示意图如图54所示图54钢球受力示意图这里钢球的直径选为8MM。图中根据力的平衡原理有如下力的关系（钢球的自身重力在此忽略不计）F2F11又有21COSF33IN几何关系如下409HR（1）5河南理工大学毕业设计说明书式中R钢球的半径（MM）；参照手册这里选钢球的半径为8MM，即R8MM。553弹簧的选用由参考文献机械设计实用手册中GB/20891994选用压缩弹簧的尺寸及参数如表52所示表52弹簧的尺寸及参数材料直径D/MM弹簧中经D/MM节距P/MM一圈弹簧刚度/DK1NM圈数N1051837905选用弹簧的规格为圆柱螺旋压缩弹簧GB/T20891994，规格17979当阀芯完全向上推动钢球时，有以下关系62DKHFN联合各式可得SINCO1DKHR将F20135N，R4MM,790,N5代入上式DKNMH05MM即钢球深入阀芯的深度大约为05MM。56左右进油口接头的选择管接头如图54所示，管接头是用它们是管路与元件、部件或管路之间的相互接通。它的种类很多，根据管接头与油管的连接方式有焊接式管接头、卡套式管接头、扩口式管接头及快速管接头。由于外螺纹管接头适用于油、水、气等非腐蚀性或腐蚀性介质的，密封管接头，配用铝塑管的规格要求比较灵活，与管道连接后，具有连接牢靠、密封性能好等特点，而且此种管接头可省去接管，结构简单，且易于拆卸，故进出水关口均采用外螺纹直通管接头。其结构示意图如图55所示河南理工大学毕业设计说明书图55管接头的结构示意图根据以上的计算出水口的内径为15MM，根据参考文献液压气动设计手册应选用外螺纹直通管接头的尺寸如表53所示表53外螺纹直通管接头的尺寸故外径选为D30MM，总长为L45MM。57拨叉的设计571拨叉的材料拨叉的材料选为铸铁，牌号一般为T200，外形比较复杂，故选择铸造的方法制造毛坯，采用砂型铸造获得铸造件。拨叉零件重要用在操作机构中，比如改变车床滑移齿轮的位置，实现变速或者应用于控制离合器的啮合、断开的机构中，从而控制横向或纵向进给。在二位四通换向阀的转向装置中，拨叉主要就是起到一个传递扭转力的作用。其三维结构示意图如图56所示公称直径（MM）8101520两端内螺纹RC1/4RC3/8RC1/2RC3/4外径（MM）22223034总长（MM）30354550河南理工大学毕业设计说明书图56拨叉的三维图结构示意图572拨叉的尺寸计算由以上的计算和取值得，拨叉的长70MM，其中有效长度取为50MM，拨叉的转动角度为4L，由于挡块的宽度为10MM，取拨叉的开口宽度为16MM，拨叉的宽度为40MM，卡口处的厚60度取15MM，连接处的厚度取30MM。58自动换向增压装置与左壳体的连接形式应该采用焊接的形式，由于材料基本都是铸钢，而且手工电弧焊又有诸多的确定所以这里我们采用埋弧自动焊。埋弧自动焊焊缝的形成过程埋弧自动焊即在焊剂层下进行的电弧焊。焊丝末端和工件之间产生电弧后，电弧热时周围焊剂熔化，焊剂在金属和高温下的蒸汽将熔化的熔渣排开，形成一个封闭空间，使电弧与外界空气隔绝，电弧在此空间内继续燃烧，焊丝熔化低落下来与熔化的母材混合成液态金属熔池，电弧不断向前移动，熔池也随之冷却而凝固形成焊缝，比重较轻的熔渣浮在熔池表面，冷却形成渣壳，覆盖焊缝金属。熔化的焊剂对焊缝金属熔池起保护作用。埋弧自动焊的优点A生产效率高。因焊接电流大，焊丝熔化快，电弧穿透力强，焊缝熔深大，电弧热量集中利用率高，焊接速度快，故焊接生产率比一般手工焊高510倍。B焊缝质量好。因自动焊焊接过程稳定，保护可靠，减少了空气对熔池的不利影响，焊缝外观整齐、光洁，消除了手工焊因焊工技术水平和更换焊条而引起的一些缺陷。C节省焊接和电能。由于埋弧焊熔深大，故可以不开坡口或者开小坡口进行焊接，节约焊丝和由于加工坡口及填充坡口所消耗的金属核电能。焊件变形小。埋弧焊的热量集中，焊接速度快，焊接热影响区小，因此焊接的变形也就小。D改善了焊工的劳动条件。埋弧焊无弧光的有害作用，有害气体少，自动化减轻了劳动强河南理工大学毕业设计说明书度。河南理工大学毕业设计说明书6二位四通换向阀换向装置的设计61换向装置的工作原理和基本结构611结构简图换向装置总体结构示意如图61所示1端盖2阀体3右密封垫4陶瓷右阀片5陶瓷左阀片6左密封垫7推力轴承8密封垫9挡销10换向轴11左壳体12密封圈13拨叉14盖板15螺母16螺钉17定位套18螺栓19螺栓20承压水常进水管接头21承压水常出水管接头图61换向装置总体图612基本原理所述阀芯包括通过右密封垫3与端盖1固定连接的陶瓷右阀片4、与陶瓷右阀片4端面转动配合的陶瓷左阀片5，陶瓷左阀片5通过换向轴10和拨叉13与自动换向增压装置传动连接；所述陶瓷右阀片4和右密封垫3对应位置设有通孔P、通孔A、通孔B和环形圆弧通孔O，分别与端盖L上对应设置的圆形通孔相连通；所述陶瓷左阀片5右端面设有环形圆弧槽PA和环形圆弧槽PB；环形圆弧槽PA和环形圆弧槽PB分别与陶瓷右阀片4上的通孔A、环形圆弧通孔O和通孔P、通孔B相连通，或分别与陶瓷右阀片4上的通孔P、通孔A和通孔B、环形圆弧通孔O相连通。河南理工大学毕业设计说明书62换向轴结构的设计621换向轴结构设计和作用由拨叉产生的扭转力，可以通过换向轴传递给陶瓷阀片，从而使得陶瓷阀片想相对转动，完成两阀片不同通道的联通，从而改变液体的流向，达到换向的目的。换向轴的PROE模型如图62所示图62换向轴的三维结构示意622换向轴尺寸大小的选择轴的扭矩计算TFL20135004080540NM4轴在危险截面的直径确定D4310R由于转向轴为实心轴则R0查得45钢的许用剪切应力为135MPAD4310RTMT1860取连接处最小轴的直径为20MM由于大于极限的尺寸，所以在这里不用校核。取作用处的轴径为40MM，满足使用要求。取换向轴的有效长度为80MM，端部凸缘直径为60MM，十字凹槽的有效总长度取为80MM。取挡销直径为10MM换向轴与左壳体间的密封圈选用比较常用的O型密封圈。根据国标GB3452192O形密封圈内径、截面直径尺寸及公差其尺寸如表61所示表61O形密封圈的尺寸及公差单位（MM）河南理工大学毕业设计说明书D1D2内径极限偏差40530163轴承的选择初取常进水管内径为35MM，左腔出水管口的内径也是35MM，由所给数据，进出水口的压强只差大约为25MPA。故液体水对阀片的压力大概为F（）A2505N153125N由于所选的轴承直径D比较大，初选为210MM根据设计和安装需要选用标准件推力轴承根据参考文献新编机械设计手册表1017推力球轴承（GB/T3011995）查得型号为51420D210MMC动载荷为40089KNC静载荷为1080KN0公差选择根据参考文献简明机械设计手册表1518轴公差带J6，座孔公差带H864左右陶瓷阀片的设计641陶瓷阀芯的优点换向阀一般应具有密封性能、强度性能、调节性能和流通性能。在以上性能中,密封性能最为重要。目前在工业应用领域里所使用的换向阀中,大多数的阀芯材料都是由金属材料所制成。有的换向阀阀芯和阀体分别由不同的金属材料制成。由于换向阀的开启和换向比较频繁,会造成阀芯与阀体间的磨损。如果是两个不同材料的相对摩擦,势必会使材料硬度较低者磨损较快,从而造成两结合面的间隙增加,使得密封性能下降。因此,一对相对运动的摩擦副即阀芯运动副是换向阀门质量好坏的核心问题。642陶瓷阀芯材料的选择金属材料作为阀芯材料具有易腐蚀、易磨损和化学稳定性差等缺陷，选择工程陶瓷材料作为阀芯材料可解决这一问题。工程陶瓷也称作特种陶瓷，它是在成分上，制备工艺上，性能上与传统陶瓷有很大差异的一种新型陶瓷材料。在近三四十年，这类陶瓷材料的应用得到迅速发展，这类特种陶瓷材料中，AL2O3,ZRO2,SIC等陶瓷材料比较适合于工业产品零件，其共同特点是熔点高、硬河南理工大学毕业设计说明书度高、化学稳定性和抗氧化性好等。从表7可看出，几种材料的性能都比较好，适合于制造工业产品的某些元件。但对工业密封件来说，不仅要承受一定的压力，而且还会承受一定冲击力，因此，选用韧性稍好的材料AL2O3比较适合，而且来源广泛，价格低廉，硬度高，耐磨损，适
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