水压节流阀的新型设计与计算.doc

毕 业 论 文 设 计水压节流阀的新型设计与计算 姓 名: 专 业: 班 级: 指导教师： 教 学 站:水压节流阀的新型设计与计算摘 要: 本文介绍了水液压节流阀的新型设计思想和计算过程。通过给定的参数，确定阀口形式及阀口结构，计算进水口、出水口、阀芯、阀芯开口度等尺寸。关键词:节流阀；锥阀；阀芯；水介质NewDesignandCalcuIatoIlofWaterHydrauHcThrottleValveLiangcunfuAbstract: The New Design and calculation process of water hydraulic throttle valve are introduced in this paper. Some necessary date has been offered, we can decide the entrance style and the structure of the valve. Then calculate the appropriate size of infall and way-out, and the size of valve stem, still the size of displacement. Keywords: throttle valve; cone valve; valve stem; water2目录第1章 前言1第2章 阀口形式的选择22.1 参数设计22.2 阀口形式2第3章 结构设计33.1 密封形式3 3.2 节流口形式的选择33.3 节流口进出口压力差Ap的确定33.4 材料的选择4第4章 设计计算5第5章 结论8参考文献9致谢10附录11i1毕业设计（论文） 第1章 前言 水压节流阀是水液压系统中重耍的控制元件之一，其在系统中可用作调节流量、给泵加载等。设计时着重注意两个关键技术:其一，是阀口湍流流功噪声邪空化噪声的控制。湍流流动噪声通过采朋抑H;U空化产生的阀口及流道结构，使流动速度不出现突变以及究化的程度降低。其二是最小稳定流量酌问题。由于水的粘度很低，常温下其运动粘度只有典型液压油的 V40一1/30，因而在压差和流量相同的条件下，冰压节流阀的阀口开度耍比等型号和规格的油压节流阀小很多，在小流量(小开度)时更容易导致阻塞。为避免发生阻塞现象，水压节流阀应依据工作条件设计合理的结构形式、选择合埋的阀芯与阀套组合材料。与矿物油相比，水介质具有腐蚀性强、粘度低、汽化压力高等特点，使得研制水压控制阀面叫饿$决气蚀、拉丝冲蚀、腐蚀作用的破坏以及高压下密封困难等诸多技术难题。因此需要充分考虑水介质特殊的理化性能，对水压节流阀中的摩擦磨损机理、腐蚀气蚀特性及密封技术等关键性问题进行有针对性的研究，从材料选择、新型结构设计、加T制造等万面保证水压控制阀具有优良的性能，才能研制出性肯:优良的水压控制阀。第2章 阀形式的选择2.1 设计参数 本文所研究的水压节流阀按照以下参数要求进行设计: （1)公称压力 Pg=14MPa （2)最大工作压力 Pm=21MPa (3)公称流量 Qg=40L/Min (4)公称压力下的内泄漏允许值 (qnx)=0.4L/Min2.2 阀口形式 传统的油压节流阀阀口的结构型式很多，可按密封形式分为:锥阀式、滑阀式和盘阀式。锥阀式靠阀芯均阀座的锥面密封。滑阀式种类很多，如矩形、三角形、T形、圆形、斜糟、旋转糟以及车专楔形等阀口型式，其共同特点是依靠阀芯与阀套圆柱配合面间的密封带密封。如采用滑阀式结构，由于水的粘度很低，在相同的流量条件下，为获得较高的加载压力，要求阀芯与阀座圆柱配合面的间隙很小。盘阀阀口面积梯度大，在相同流量下，阀口开度的微小变化将使压力发生较大变化，从而导致压力不稳定。 相比之下，锥阀式结构对水介质适应性好。阀口的密封性能好，易获得较高的调节压力，同时能自补偿阀的磨损。本次设计的水压节流阀在阀口结构型式万面采用锥阀式，依靠阀套与阀芯的锥面密封，减小运动部件之间的配合公差，实现零泄漏。 第3章 结构设计3.1 密封形式 水介质的粘度低导致泄漏损失会增大，在间隙和压差相同时，同样规格的水压控制阀的泄漏损失为油压控制阀的数十倍闭。如果仍然采用间隙配合，而且要保证内泄漏不变，则必须减小配合间隙，这给加工工艺提出了相当严格的要求，大大增加了加工难度。因此，简单的减小配合间隙无法适应水介质的特殊要求。目前，在水压控制阀的设计中更多的采用了带有衬套结构的锥阀和球阀形式，运动部件之间的配合公差较小，可实现微小或零泄漏。在阀套和阀体之间的密封，采用直接密封形式。实践证明，橡胶类密封件非常适合于水压控制阀中的密封，0型密封圈、U型密封圈、阶梯型密封圈、方形密封圈等密封件都是理想的选择。 本次设计的水压节流阀中采朋了带有衬套结构的锥阀结构形式，变传统的间隙密封为直接密封，通过阀套与节流阀芯的锥面密封，这可使得运动部件之间得配合公差较小，实现零泄漏。法兰与阀体之间采用0型密封圈加挡圈形式密封，阀体与阀套之间采用0型密封加挡圈形式密封，这种密封形式在高压水介质条件下密封性能可靠。3.2节流口形式的选择 为实现节流阀可以流量微量调节，选用带有阀座面的锥阀式节流阀口形式。锥阀能完全切断液路，对液体中杂质污染的敏感度小，结构简单，容易制造。为减小节流阀在高压下工作时的调节力，在节流芯中部向内开有斜向的泄孔，以使得压力平衡，这不仅能够保证阀芯在低压下工作可靠，而且在高压件下工作调节力小，调节容易。3.3节流口进出口压力差Ap的确定 在工作状态，节流阀进出口压力差的数值是随着系统中执行元件负载拘变化而在很大范围内变化。;设计阀时要确定一个Ap响值，以此作为计算节流开口大小以及通过的最小稳定流量和最大流量的依据。液流流经薄壁 (或锐边)小孔的流量特性公式为:q=CqA式中 A一边流面积:Ap一进出口压差;Cq一阀口流量系数，由节流口形状及流体性质等因素决定; p一液体密度。 由上式知，对一定流量，Ap取值越大，阀的开口面积就越小，阀口就越容易堵塞。因此从获得较小的稳定流量和不易堵塞的角度考虑，Ap应取小一些。但是为了使得节流阀取得较大的刚度，Ap应取大一点。这两个要求互相矛盾。考虑到已有的设计要求，取Ap= 0.20.3MPa。 3.4 材料的选择 由于水具有腐蚀性，其电导率约是液压油的一千多倍，会使大多数油压控制阀材料锈蚀，氏零件强度及表面质量，导致运动件卡死、阀的寿命大大降低等严重后果。因此，选择与水介质具有较好相容性的材料成为研制高性能水压控制阀的关键问题，所选择的材料不仅要有较好的自润滑性能、较强的抗腐蚀性，而且应当具备水介质中性能隐定、良好的抗疲劳性能等特点。 在该水压节流阀中，为防止水介质腐蚀，阀体采用进行过表面镀铬、镍等工艺处理的奥氏体不锈钢，阀芯和阀座采用耐蚀合金材料，详见表3.1。 表3.1阀零部件材质选用零部件阀体阀芯阀套（阀座）螺栓材质LD51Cr18Ni9TiQA19-41Cr18Ni9Ti零部件紧定螺母锁紧螺母垫圈材质LD51Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti第4章 设计计算 水压节流阀的几何尺寸确定时除应满足有关设计要求外，要尽量在保证强度的条件下，减小阀的外形尺寸。4.1 几何尺寸的确定 (1) 进、出口直径DlDl=0.463 （2）取Dl=14mm式中 Qg-公称流量:4OL/min Vg-进、出口直径处流体的流速: 5m/s(一般油压阀Vg二6m/s。考虑到水压元件更容易遭受气蚀破坏，这里取值赂小于一般油阀的Vg值。) （2）阀套径向孔直径dj和孔数Z通常取径向孔的孔数Z=4。阀套径向孔处的流速应小于许用流速，则有dj=0.463=0.655cm=6.55mm (3)取：dj=8mm(3) 阀芯节流口的锥角半角。取=150锥阀半锥角&一般取较小值（100200），见图1所示。因为在流量一定时，较小的&角使得锥阀的开度较大，有利于提高抗污染能力；但是角度过小将导致阀口稳态液动力增大，在数字节流阀设计中，以致需要更大的步进电机。(4) 阀芯大直径D和小直径d根据锥阀半锥角的取值确定D、d的值，见图1所示：取D=18(mm)；d=4(mm) 图1阀芯顶部(5) 节流口最大开口Xmax 先根据节流阀节流口流量压力方程，求出在设定的节流口进出口压力差及额定流量下，节流口的过流面积A， 再根据过流面积的形状转换出相应的最大开口量。 首先，在最大流速已定的情况下，dl一定要大于进出口直径 Dl流量才有可能达到要求值，设定d1=I5mm，阀座倒角为(2mm，2mm)，则:R1=7.5mm，R2=9.5mm。 根据公式 (1) 得到A=q（Cq）带入数值算出：A=130mm2再根据锥阀阀口的过流面积公式计算阀芯位移（开口度）x的值：A=其中: dm=Rl+R2=17mm计算得到: x1=11.25mm; x2=57.75mm(舍去)最终取值: x=l2mm 当dl域值越大时，阀口位移的值越小。例如，若取D1=18mm时，x只需要取x=4mm就足够了。 (6) 阀套沉割槽宽度BJ、B2和截面处尺寸Hl、H2B和H可根据结构布置确定，见图2。在结构允许的范围内，应适当加大B和H，使得液体在沉割槽中的流速小于许用流速。 BH (6) 则有:带入数值得到: 同理: 最后确定: B1=17mm，H1=4mm，B2=17mm，H2=4mm (7) 压力损失Aps 式中:Ap=0.2Mpa; 人y一根据水介质在阀内的流动情况而确定的沿程摩擦阻力系数; y一水介质重量 (kgf/cm3); ly一计算沿程压力损失的流道长度 (cm); ds一计算沿程压力损失的流道水力直径 (cm)，对圆形流道即为直径; Vy-一计算沿程压力损失时流道内水的平均流速 (cm/s)； g一重力加速度 (cm/s2); g一根据水介质在阀内的流动情况而确定的局部阻力系数; Vy-计算局部沿程损失时水介质的平均流速（cm/s）;即可知，满足要求。根据以上的计算和分析结果，可以设计出在给定技术要求下的节流阀结构图。如图3所示。图3水压节流阀结构第5章 结论 锥阀阀口由于其过流能力强，密封性好，有效减轻拉丝侵蚀，从而成为水压阀中最常用的结构型式。设计时还应该考虑到其它因素对阀口流量特性产生的影响。例如，阀芯圆锥顶角和阀座倒角对阀口流量特性的影响;阀芯顶端不同形状对网口流量特性的影响;阀芯与阀座叠合与否对阀口流量特性的影响;若为带球头的锥阀，球头阀口颈部长度L对阀口流量特性响影响;阀口开度、背压对流量特性的影响等。根据实验得知，在选择阀芯锥度和阀座倒角时，应使角度小一些，且两者要相等。在相同压差情况下，带球头响锥阀要比非球头的锥阀流量系数大。阀座无倒角时的流量系数要比有倒角时的流量系数大。在设计球头阀口时，球头颈部的长度短一些比较好。本文中介绍了阀座带倒角的锥阀，希望通过对其结构尺寸的计算，能为研制水压阀类元件提供有益的设计依据。参考文献1 王春行.液压伺服控制系统M.北京:机械工业出版社，1989.2 畅曙东，李壮云，朱玉泉.水压传动的主要课题与研究进展J.中国机械工程，第11卷第9期；3 雷天觉.液压工程手册M.机械工业出版社，9889954 王东.海水液压柱塞泵关键技术及其样机的训究D.华中科技大学.20025 宋鸿尧，丁忠尧等.液压阀设计与计算M.机械工业出版社，19826 杨友胜.新型水压节流阀及水压元件综合性能试验台的研制J.华中科技大学.2003.047 李壮云.液压元件与系统M.机械工业出版社，第二版，2005.088 张铁华，杨友胜等.二级圆锥式节流阀口的设计及试验研究J.液压与气动，20019 Water Hydraulics.A technical databook M.BFPA:P8210 What is currently available in the field of water hydraul