（机械电子工程专业论文）一种温度不敏感型限流切断阀的研制.pdf

，j 蠢 ， 聂 飞 i 、 厂 ， 7 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：当堑坌日期：2 型：互：三三 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：亩俊 导师( 签名) ：刁巧芦铲日期弘删歹盯 k ， t z 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 温度不敏感型限流切断阀的作用是用来限制管路中的流量过大，当管路中 的流量达到其设定值时，能通过机械切断的方法自动切断其后部液路，以防止 由于管道破损或泄漏过大造成液压液大量流失、液压元件出现损坏等事故的发 生，从而提高液压系统的可靠性和安全性。本文针对液压系统对限流切断阀的 技术要求，研制出了一种温度不敏感型限流切断阀。通过结构设计、理论分析 及试验研究，使所研制的温度不敏感型限流切断阀受环境温度和压力波动的影 响较小，满足了某些液压系统对限流切断阀的技术指标和功能要求。 本文所做的工作包括如下内容：( 1 ) 根据温度不敏感型限流切断阀的技术 指标和功能要求，研制出了具有模块化结构的温度不敏感型限流切断阀。该限 流切断阀利用轴向三角槽式的节流区域对其输出流量进行检测，将通过节流截 止阀的流量信号转变为压差信号；在节流截止阀中设置温度补偿装置，利用聚 氯乙烯材料的热胀冷缩性来改变节流区域通流面积的大小，以增大或减小节流 效果，使进出口压差基本保持不变，以保证切断流量值受温度的影响较小。( 2 ) 利用f l u e n t 软件对温度不敏感型限流切断阀进行了数值分析，得出了节流截止 阀的内部流线图、压力及速度分布云图。并在自动工况下，建立了温度不敏感 型限流切断阀的数学模型，基于s i m u l i n k 软件对其动态特性进行了数值仿真， 得出了该阀的切断流量值与温度的变化曲线；同时，将该变化曲线与未采用温 度补偿装置时的切断流量值与温度的变化曲线进行了比较，验证了温度补偿装 置对降低温度对切断流量值影响的有效性。然后，根据仿真结果，确定了温度 不敏感型限流切断阀的主要结构参数。( 3 ) 搭建了试验平台，完成了温度不敏 感型限流切断阀的相关性能试验。试验结果表明：所研制的温度不敏感型限流 切断阀的技术指标和功能满足设计要求。 本文所研制的温度不敏感型限流切断阀，较好地解决了一般限流切断阀切 断流量值易受环境温度影响等问题，且具有功能完善、切断流量迅速、可靠性 及安全性高等特点，在工程实际中具有广泛的应用价值。 关键词：温度不敏感型，限流切断阀，结构设计，数值仿真，动态分析 _0， i f o 一 岛 z 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e m p e r a t u r ei n s e n s i t i v ef l o wl i m i ts h u t 。o f fv a l v ei su s e dt ol i m i tt h e e x c e s s i v ef l o wi nt h ep i p e l i n e ，w h e nt h ef l o wi nt h ep i p e l i n ea c h i e v e si t ss e t t i n gv a l u e ， i tc a l la u t o m a t i c a l l ys h u to f fi t sf l u i di nu p p e rp i p e l i n ew i lt h em e c h a n i c a ls h u t - o f f m e t h o d ，i nw h i c hw a yt op r e v e n tt h o s ea c c i d e n t sc a u s e db yt h eb r e a k a g eo ft h em a i n p i p e l i n eo rt h el a r g el e a k a g e ，s u c h 鹊t h el o s so fh y d r a u l i cf l u i d ，t h eb r e a k a g eo ft h e h y d r a u l i cc o m p o n e n t , t h u st oe n h a n c e sh y d r a u l i cs y s t e m sr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so f t h ef l o wl i m i ts h u t - o f fv a l v e ，w ed e v e l o pa t e m p e r a t u r ei n s e n s i t i v ef l o wl i m i ts h u t - o f fv a l v ei nt h i sp a p e r t h r o u g hs t r u c t u r a l d e s i g n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，t h ed e v e l o p e dt e m p e r a t u r e i n s e n s i t i v ef l o wl i m i ts h u t - o f fv a l v ei sl e s sa f f e c t e db ya m b i e n tt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ef l u c t u a t i o n , f u l f i l l i n gt h es p e c i f i c a t i o n sa n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h e f l o wl i m i ts h u t - o f fv a l v ei ns o m eh y d r a u l i cs y s t e m s t h em a i nc o n t e n t so ft h i s p a p e ra r e 勰f o l l o w s ：( 1 ) a c c o r d i n gt ot h e s p e c i f i c a t i o n sa n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h et e m p e r a t u r ei n s e n s i t i v ef l o wl i m i t s h u t - o f fv a l v e ，w ed e v e l o p e dt h et e m p e r a t u r ei n s e n s i t i v ef l o wl i m i ts h u t - o f fv a l v e w h i c hh a sm o d u l a rs t r u c t u r e i tu s e sa x i a lt r i a n g u l a rg r o o v et h r o t t l i n gr e g i o nt od e t e c t t h eo u t p u tf l o w , c o n v e r t st h ef l o ws i g n a li n t op r e s s u r es i g n a lt h r o u g ht h r o t t l es h u t - o f f v a l v e ；i ts e t su pt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nd e v i c ei nt h et h r o t t l es h u t - o f fv a l v et o c h a n g et h e s i z eo ft h et h r o t t l er e g i o nf l o wa r e ab yt h et h e r m a le x p a n s i o na n d c o n t r a c t i o no fp v cm a t e r i a l ，t oi n c r e a s eo rd e c r e a s et h et h r o t t l ee f f e c t , i nw h i c hw a y t or e m a i nt h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eo ft h ei m p o r ta n de x p o r te s s e n t i a l l yu n c h a n g e d , t o e n s u r et h es h u t - o f ff l o wv a l u ei sl e s sa f f e c t e db yt h et e m p e r a t u r e ( 2 ) n u m e r i c a l a n a l y s i so nt h et e m p e r a t u r ei n s e n s i t i v ef l o wl i m i t s h u t o f fv a l v eb yt h ef l u e n t s o f t w a r e ，o b t a i n i n gt h ei n t e r n a ls t r e a m l i n e dg r a p h ，p r e s s u r ea n dv e l o c i t yc l o u dg r a p h o ft h et h r o t t l es h u t o f fv a l v e s e tu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et e m p e r a t u r e i n s e n s i t i v ef l o wl i m i ts h u t - o f fv a l v e ，i nt h ea u t o m a t i co p e r a t i n gc o n d i t i o n , s i m u l a t ei t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cb a s e do nt h es i m u l i n ks o f t w a r e ，a n do b t a i nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ni t ss h u t - o f ff l o wv a l u ea n dt e m p e r a t u r ei nc u r v e ；a tt h es a m et i m e ，w e c o m p a r et h i s c u r v ew i t ht h a to ft h ev a l v ew i t h o u tt h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n 鼍 武汉理工大学硕士学位论文 d e v i c e ，c o n f i r m i n gt h ee f f e c t i v e n e s so ft h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nd e v i c ei n r e d u c i n gt h ei n f l u e n c eo ft h et e m p e r a t u r ec h a n g et ot h es h u t - o f ff l o wv a l u e t h e n , a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ed e t e r m i n et h em a i ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f t h et e m p e r a t u r ei n s e n s i t i v ef l o wl i m i ts h u t - o f fv a l v e ( 3 ) s e tu pt h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ，a c c o m p l i s ht h er e l e v a n tp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s p r o v e t h a t ：t h e s p e c i f i c a t i o n s a n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p e d t e m p e r a t u r ei n s e n s i t i v ef l o wl i m i ts h u t - o f f v a l v ef u l f i l lt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ed e v e l o p e dt e m p e r a t u r ei n s e n s i t i v ef l o wl i m i ts h u t - o f fv a l v ei nt h i sp a p e r , p r e f e r a b l ys o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h en o r m a ls h u t - o f ff l o wv a l u ei se a s i l ya f f e c t e db y t h ea m b i e n tt e m p e r a t u r e ，a n di tf e a t u r e sc o m p r e h e n s i v ef u n c t i o n s ，q u i c k l ys h u t o f fo f t h ef l o wa n dh i g hr e l i a b i l i t ya n ds a f e t ya sw e l l ，p o s s e s s i n gw i d e l ya p p l i c a t i o nv a l u ei n t h ee n g i n e e r i n g p r a c t i c e k e y w o r d s ：t e m p e r a t u r ei n s e n s i t i v e ；f l o wl i m i ts h u t - o f fv a l v e ；s t r u c t u r a ld e s i g n ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d y n a m i ca n a l y s i s i i i、0 ，j 弋 气 j 0 武汉理工大学硕士学位论文 目录 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 流体流动的数学模型2 2 3 2 3 网格划分2 3 3 2 4 边界条件2 4 3 2 5 利用f l u e n t 程序进行数值计算一2 4 3 2 6 计算数据的处理2 5 3 3 计算结果分析2 8 3 4 本章小结31 第4 章温度不敏感型限流切断阀的动态特性分析3 2 4 1 数学模型的建立3 2 4 2 动态特性的仿真分析3 8 4 2 1m a t l a b 软件简介3 8 4 2 2 仿真模型的建立。3 9 4 2 3 仿真结果及分析4 2 4 3 温度不敏感型限流切断阀结构参数的确定4 7 4 4 本章小结4 9 第5 章温度不敏感型限流切断阀的试验研究5 0 5 1 试验平台的搭建5 0 5 1 1 试验平台的组成5 0 5 1 2 试验平台的工作原理5 0 5 2 试验内容与试验方法5l 5 2 1 试验内容51 5 2 2 试验方法5 2 5 3 试验结果与分析5 2 5 4 本章小结5 3 第6 章总结与展望5 4 6 1 总结5 4 6 2 展望5 4 翌| 【谢5 6 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文6 0 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第1 章绪论 当液压管道突然破裂时，必然会导致管道内的流量突增，限流切断阀可以 检测到这种流量的突变，并及时发出切断油路的指令，从而防止油液的进一步 外泄。因此，限流切断阀的稳定性对于提高整个液压系统的安全性具有重要作 用。在实际使用中，限流切断阀对于温度极为敏感，当温度越高，切断流量越 大，温度越低，切断流量越小，且在温度高和温度低时，切断流量值有较大差 异。切断流量值的变化，将造成系统监控部分发生误报警，不利于系统的正常 工作。有关环境温度对切断流量的影响分析未见相关报道，为此本课题研制一 种温度不敏感型限流切断阀，较好地解决环境温度对切断流量的影响。 1 2 国内外发展概况 1 2 1 流量压差转换元件的综合分析 在限流切断阀中，流量一压差转换元件是用来感应流量信号并将其转换为 压差信号。当流量达到设定值时，压差克服弹簧力切断油路，保护液压系统的 安全。综合国内外研究现状，流量一压差转换元件通常有两种类型。一种采用 阀芯上的节流口来实现，这种方式结构比较简单，切断响应迅速，广泛应用于 工程机械领域。根据液压流体力学可知，液流流经薄壁孔、细长孔或狭缝等节 流口时会遇到阻力，如果改变它们的通流面积或长度，则可以调节通过的流量。 节流口根据形成液阻的原理不同分为三种基本形式：薄壁孔节流、细长孔节流 以及介于两者之间的短管型孔节流。薄壁孔节流以局部阻力损失为主，其流量 稳定性较好。由于流体流经薄壁孔口的流量g 与小孔前后压差的平方根成正比， 所以孔1 3 出流受孔口压差变化的影响较小。由于流经薄壁孔口的流量g 与液体 的粘度无关，因而工作温度的变化对薄壁孔口流量的影响甚微。细长孔节流以 沿程阻力损失为主，流经细长孔的流量受油液粘度的影响较大。当油温升高时， 油液的粘度下降，在相同压差作用下，流经小孔的流量增加。短管型孔节流受 j 武汉理工大学硕士学位论文 局部阻力和沿程阻力共同作用，其流量特性介于上述两种节流口之间【1 1 。 节流口是流量阀的关键部位，节流口形式及其特性在很大程度上决定着流 量控制阀的性能。几种常用的节流口形式，如图1 1 所示 2 1 。 撼添锻兹自 ( d )( c ) 图1 1 节流口的形式 1 ) 针阀式节流口 图1 1 ( a ) 为针阀式节流口。针阀做轴向移动时，改变了环形通道的大小， 由此改变了流量。这种结构加工比较简单，缺点是节流口长度大，水力半径小， 易堵塞，流量受油温影响较大，通常应用于对性能要求不太高的场合。 2 ) 偏心式节流口 图1 1 ( b ) 为偏心式节流口。当转动阀芯时，阀芯上所开的截面为三角形 偏心槽通流面积发生了改变，由此调节其出口流量。这种节流口的性能与针阀 式节流口类似，容易加工制造，其缺点是阀芯上的径向力不平衡，旋转阀芯时 较费力，一般应用在压力较低、流量较大和流量稳定性要求不高的场合。 3 ) 轴向三角槽式节流口 图l l ( c ) 为轴向三角槽式节流口。在阀芯端部开有一个或两个斜的三角 槽，轴向移动阀芯就可以改变三角槽通流面积从而调节流量。这种节流口水力 半径较大，小流量时的稳定性较好。 4 ) 缝隙式节流口 图1 1 ( d ) 为缝隙式节流口。油液通过阀芯上开有狭缝流入阀芯内孔，再 经左边的孔流出，旋转阀芯可以改变狭缝的通流面积大小，从而调节流量。这 种节流口一般做成薄刃结构，可以获得较小的流量，但是由于阀芯受径向不平 衡力作用，一般只在低压节流阀中采用。 2 - 武汉理工大学硕士学位论文 压计负压室。全压感受装置中的流体，通过全压引出管和工艺管道，进入到差 压计正压室。毕托管流量计工作原理为，当有被测流体流过，全压感受孔感受 到全压，而内文丘利感受到低压，两者之间的差值，就是流体通过时产生的差 压。该差压主要受毕托管流量计在管道内所处位置的流速影响，因此，可以用 差压值来衡量流体在该处的速度大小。在通常情况下，流体在管截面上的平均 流速可以用在工艺管道内测得的流速近似表示，而流体通过该管截面上的流量 为平均流速与管截面横截面积的乘积。综上所述，毕托管可以将通过的流量信 号转化为压差信号。 1 2 2 限速切断阀的应用与发展 限速切断阀( 或管道破裂保护阀) ，其工作原理均是以主阀芯上节流口( 或 薄壁小孔) 两端的压差来检测通过主阀的流量，当通过主阀的流量达到其设定 值时，主阀切断其进口液路，达到限速和失压保护的目的。限速切断阀具有结 构简单、使用方便、反应灵敏、切换迅速、动作可靠等优点，正是由于以上的 优点，目前被国内外广泛应用于工程机械、电弧转炉、自顶式液压电梯等设备 中的液压系统川；但其功能单一，切断流量不准确，也无手动和发讯装置。 目前，限速切断阀的种类较多，但其结构大同小异，归纳起来有如下三种结 构形式【5 1 。 1 ) 分体式结构分体式结构限速切 断阀中的切断阀芯2 和加工有阻尼孔7 的单向阀芯6 各自为独立的零件，如图 1 3 所示。该阀中的切断阀芯2 为滑阀， 采用间隙密封，当其切断流量后还存在 一定的泄漏，因而该阀只适用于低、中 压工况。 2 ) 合体式结构合体式结构限速切 断阀中阻尼孔设置在切断阀芯上，该阀 有两种典型的结构形式，如图1 - 4 所 示。图1 4 a 中阻尼孔3 分布在切断阀 p l 图1 3 分体式结构限速切断阀 1 阀体；2 切断阀芯；3 、8 调节杆； 4 、5 弹簧：6 单向阀芯：7 阻尼孔 芯4 的圆周上，切断阀芯左端为锥阀结构，密封性好。图1 4 b 中切断阀芯7 的 阀口兼作阻尼器，该阀口的开度可调，且为锥阀结构；但是阀芯结构不对称， 4 武汉理工大学硕士学位论文 因此阀芯所受的轴向力较大，且切断流量受到切断阀芯液动力的影响。 p 1 6 78 ( a ) l ll o p lf i p 2 9 ( b ) 图l _ 4 合体式结构限速切断阀 1 、9 、1l - 调节杆；2 、8 弹簧；3 、1 0 阻尼孔；4 、7 切断阀芯；5 、6 阀体 浙江大学胡国良等人在综合考虑上述限速切断阀中切断阀芯全周开口结构、 滑阀开口结构以及锥阀结构的基础上，设计出了如图1 5 所示的限速切断阀【6 1 。 该限速切断阀也为合体式结构，主要由弹簧l 、切断阀芯3 、限位螺杆4 等零件 组成。 a a 图1 5 限速切断阀结构简图 l - 弹簧；2 - 阻尼孔：3 切断阀芯；4 - 限位螺杆 切断阀芯3 在正常工况下，与阀体配合组成非全周开口形式的阀口，其圆 周上均布3 个节流槽，x 为阀芯位移，阀口完全关闭时有2 m m 的密封长度( 正遮 盖量) 。限位螺杆4 作用是调整阀口开度和限定弹簧预压缩量，此弹簧力和阀口 开度决定了阀的限定流量，因而通过调节限位螺杆4 的位移可以改变限速切断 阀的限定流量。当阀芯关闭时，阀芯上的阻尼孔2 起到动态阻尼作用，可缓解 阀口关闭时产生的冲击。当阀口开度x 一定，通过阀的流量达到设定值时，阀口 两端压差所形成的液压力足以克服弹簧力，使阀芯向左运动关闭阀口。该限速 切断阀阀口采用圆柱面切割而成，切断阀芯与阀体配合组成三角槽过流形式， 5 武汉理工大学硕士学位论文 具有结构简单、静态性能好以及阀芯运动稳定等特点。由于合体式结构限速切 断阀的切断阀芯均采用锥阀结构，当其切断流量后出液口几乎无泄漏，因而该 类型的限速切断阀适应于中高压液压系统。 3 ) 派生结构图1 - 6 所示的限速切断 阀是由图1 4 b 派生而来，其结构较后者多 一个柱塞7 ，并在切断阀芯4 的轴向方向 上设置了一阻尼孔5 ，其作用是当管道发 生意外破裂后，阀出口压力骤然下降，阀 芯下移，当柱塞堵住阀芯上的小孔时，阀 下腔油液只能由阻尼孔排出，形成阻尼， 使锥阀口逐渐关闭，负载缓慢停下。这种 结构形式的限速切断阀主要用于液压 电梯的液压缸排油口上，它不仅能防止 电梯轿厢坠落事故发生，而且能使其平 稳无冲击地减速停稳。 p 1 图1 6 限速切断阀的派生结构 l - 调节杆；2 、6 - 弹簧；3 阀体； 4 切断阀芯；5 阻尼孔；7 柱塞 在上世纪八十年代，国外就有许多著名液压公司生产出限速切断阀产品， 并已在工程实际中推广应用【7 埘。图1 7 是德国哈威( h a w e ) 液压公司生产的 限速切断阀，该阀有负载全阻尼平衡式和阀片节流孔阻尼负载限速下降两种型 式；此外，德国贺德克( h y d a c ) 公司和美国派克( 脚r ) 公司也生产出 了同类型产品，如图1 8 所示。 图1 7 德国哈威( h a w e ) 液压公司图1 8 美国派克( p a r k e r ) 公司 生产的限速切断阀生产的限速切断阀 此外，国际上各大液压电梯公司都对限速切断阀进行了开发研究。如德国 b l a i n 液压电梯公司开发的r 1 0 型限速切断阀例，具有结构紧凑的特点，起到安 6 l 2 3 4 n 5 6 7 武汉理工大学硕士学位论文 全保护作用，并且在系统发生异常时触发报警信号，便于操作者进行维修；但 其阀芯加速度不可调整，当下降流量接近设定的关断流量时，一般需要几秒的 时间才能完全关闭。瑞士b e r i n g e r 公司开发的液压电梯专用限速切断阀r s g 系 列【l u j ，结构简单紧凑，阀芯与阀体组成全周开口的结构形式使得阀内过流面积 较大，造成关断流量调整范围大，而且端部采用锥面结构，阀口关闭时为线密 封形式，能够很好地控制流量的泄漏。但该阀阀芯面积梯度较大，而调节杆行 程较短造成调节范围却较小，这样易导致阀的关断流量产生较大变化，不利于 操作者设置关断流量；而且阀芯运动时存在阻力过大，导向性不好等问题。 上世纪九十年代初，国内也开始研制限速切断阀，并得到了一定地推广应 用。鉴于限速切断阀在电梯、船舶液压系统中的重要性，国内相关职能部门还 制定出了限速切断阀的行业标准和规范，如船用液压管道破裂保护阀标准 ( c b 3 5 6 6 - 1 9 9 3 ) ，该标准规定了以矿物油为介质的船用液压管道破裂保护阀的 分类、技术要求、试验方法和检验规n t l l 】。电梯限速切断阀型式试验细则( t s g t 7 0 1 5 - 2 0 0 4 ) ，该细则统一电梯限速切断阀型式试验的项目、内容、要求、方法， 适用于具有机械移动部件的破裂阀或单向节流阀【1 2 1 。国内也有一些厂家生产限 速切断阀，比如汉中海航液压科技有限公司，该公司生产的限速切断阀能够有 效防止管路突然爆裂，保证系统压力不受损失的压力控制安全阀，同时它还是 一种能够因管路流量突然增大超出限制而关闭的流量控制阀，产品已成功应用 在液压升降台系统、液压自升式塔式起重机、全液压静力压桩机、电力液压工 具系统、天然气汽车供气系统等众多领域【1 3 1 。 对于限速切断阀的设计应用、静动态特性及其试验分析，国内相关生产厂 家及科研院校进行了较深入地研究。沈阳工业大学王洁和官忠范等人【5 】介绍了近 年来国内外开发的限速切断阀的基本结构型式、工作原理、设计计算要点及典 型应用，导出了设计计算的一些有关准则和计算公式。浙江大学胡国良、徐兵、 杨华勇等人【1 4 j 设计出了如图1 5 所示新型限速切断阀，利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿真模块对其进行了数值仿真，包括流量关断特性以及系统的阶跃响应特性； 对限速切断阀进行了动态仿真分析，重点研究了三个动态特性参数内部黏性阻 尼孔的直径、进油口压力以及电梯负载质量对其动态性能的影响；搭建了液压 电梯实验台架，根据e n8 1 2 标准对限速切断阀进行了试验研究和动态性能指 标考核。结果表明仿真和试验结果基本吻合，符合液压电梯的设计要求。作为 补充，浙江大学冀宏、傅新等人【1 5 】采用r n gk - 湍流模型对图1 5 所示限速切 断阀的流场进行了三维数值仿真，运用了局部网格细化技术对流道进行网格划 7 武汉理工大学硕士学位论文 分，并将理论计算值与试验测试结果进行了对比分析。结果表明流场仿真所预 测的限定流量值与试验测量结果吻合，为同类型阀件的研制提供了参考依据。 1 2 3 流量自动限制器的研究状况 流量自动限制器以其功能多、切断流量快捷以及安全可靠等特点，在工程实 际中获得了应用。目前，国内仅华中科技大学陈耿郎、李宝仁等人【1 6 】开展了流 量自动限制器的研制工作，其结构如图1 - 9 所示。由图可见，该流量自动限制器 是由主阀和先导阀两部分组成，先导阀采用板式结构装于主阀上部的安装面上。 主阀实现感测流量，并判断流量是否超限以及实现超流量自动切断等功能，主 阀上还装有发讯器，能发出主阀完全开启或完全关闭的状态信号；先导阀用于 实现流量自动限制器自动、手动状态的切换，以完成自动切断油路和手动强制 开启或切断油路的控制功能。 进油 p 1 口 图1 - 9 流量自动限制器结构示意图 1 - 比较阀芯弹簧；2 比较阀芯；3 比较阀芯小滑阀；4 阻尼孔； 5 - 主阀芯弹簧；6 - 主阀芯；7 毕托管；8 切断流量调节螺钉 与常规限速切断阀不同，图1 - 9 所示的流量自动限制器对进油路的切断是通 过毕托管8 感测通过进油口的流量值，并将该流量值转化为压力作用于比较阀 芯2 右侧的工作面上；比较阀芯2 左侧的工作面上作用主阀排油口压力。当通 过主阀6 进油口的流量增加，比较阀芯2 两端工作面上的压差增大；当通过主 阀6 进油口的流量增加到其设定值时( 由比较阀芯弹簧l 设定) ，比较阀芯2 动 作，并通过先导阀对油路的切换，使主阀芯6 切断其进口油路。 上述流量自动限制器的优点是功能全面，流量切断迅速，并采用比较阀芯 8 武汉理工大学硕士学位论文 对工作面积的放大来提高对输入流量感测的灵敏度。但是，该流量自动限制器 存在着毕托管不易设置、对流量的感测不准确以及切断流量值过大等缺陷。其 主要原因为i l 豫o j ：1 ) 为了保证毕托管的测量点在均匀流速段，测量点上、下游 的直管长度至少应大于管径的8 1 2 倍；测速时管口截面必须垂直于油液的流动 方向，任何误差都将造成负的偏差；毕托管的外径应不大于进油口管道内径的 1 5 0 。为满足该要求，图i - 9 中的毕托管将不易设置。2 ) 由于进油管道内油液 的流动状态复杂，而毕托管只能检测到其进油口过流面积上其一局部的流量值； 此外，当油液通过毕托管时，都会形成绕流，使流线发生变化，从而改变局部 压力分布，出现所谓的“偏移效应”，从而产生流量检测误差。3 ) 通过流量自动 限制器的流量较小，对提高毕托管的检测精度有利。但是，当流量较小时，毕 托管反馈到图i - 9 中比较阀芯右侧工作面上的压力较小，导致比较阀芯弹簧不易 选配。因此，该流量自动限制器的切断流量值较大( 4 8 0 l m i n ) ，对管道内供油 流量较小或有一定泄漏流量的管道不能实施有效地关断，仅适应于流量较大的 液压系统。 对于图1 - 9 所示流量自动限制器的动态特性及其试验系统，华中科技大学 f e s t o 气动中心进行了较深入地研究。陈耿郎、李宝仁等人建立了流量自动限 制器的数学模型，并以恒定输入流量( 临界切断值) 和斜坡输入流量( 至一定 时间达到临界切断值) 作为输入信号，使用s i m u l i n k 软件对其动态过程进行了 仿真，得出了比较阀芯位移与时间、主阀芯位移与时间以及切断流量与时间等 一系列仿真曲线。上述数学模型的建立及仿真方法可为同类型流量自动限制器 的分析提供参考。朱会学及潘灵永等人【2 m 2 】建立了流量自动限制器在船用冲击 指标下振动冲击特性的数学模型，并对相关试验系统进行了设计和仿真研究， 结果表明该流量自动限制器的抗冲击特性在船用指标下工作状态良好，所设计 的试验系统可为温度不敏感型限流切断阀试验平台的搭建提供一定的参考价 值。 1 3 研究目的与意义 1 3 1 研究目的 针对限速切断阀和流量自动限制器的国内外研究现状与存在的问题，结合 工程实际中液压系统对切断阀相关的技术要求，研制出一种温度不敏感型限流 9 武汉理工大学硕士学位论文 切断阀。通过理论分析和试验研究，使所研制的温度不敏感型限流切断阀的切 断流量值不受环境温度和压力波动的影响，以防止由于管道破裂或泄漏过大造 成液压液大量流失，减小经济损失，从而提高液压系统的安全性。 1 3 2 研究意义 温度不敏感型限流切断阀解决了同类型切断阀切断流量值受温度变化的影 响较大的问题，满足液压系统的功能要求，保证执行器的正常工作，从而提高 系统的安全性。温度补偿装置所采用的结构形式，结合计算机仿真技术对其性 能的相关分析方法以及搭建试验平台完成相应性能试验的研究手段，为后续类 似阀件和装置研制提供了借鉴。 1 4 本章小结 本章提出了选题的背景，通过查阅相关文献资料，对流量一压差转换元件 进行了综合的论述，具体介绍了节流口和毕托管两种转换形式，分析国内外限 速切断阀和流量自动限制器结构形式与工作原理，以及在使用过程中各自的优 缺点，最后提出了本课题研究目的与意义，以上这些工作为温度不敏感型限流 阀的研制指明了方向。 i o 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章温度不敏感型限流切断阀的结构设计 2 1 功能要求及主要技术指标 2 1 1 功能要求 温度不敏感型限流切断阀具有自动控制、手动控制两种工作模式。 1 ) 自动控制在正常工况下，温度不敏感型限流切断阀处于自动控制模式。 当通过系统中管道的流量达到切断阀的设定流量值时，该阀能自动切断其后部 液路，保证系统的安全运行。 2 ) 手动控制当温度不敏感型限流切断阀出现故障不能实现自动控制时， 可手动操作该阀上的手动换向阀，强制向其后管道供液或强制切断其后部液路。 2 1 2 主要技术指标 温度不敏感型限流切断阀的主要技术指标如下。 1 ) 工作压力范围：o 1 6 a ； 2 ) 切断流量值：1 5 l r a i n ； 3 ) 流量控制精度：切断流量值的士3 0 ； 4 ) 压力损失：0 5 m p a ； 5 ) 液压介质：h s 6 2 0 ； 6 ) 工作温度：1 0 “0 ； 7 ) 自动工况下的响应时间：小于1 s ； 2 2 方案的拟定及结构设计 2 2 1 方案的拟定 2 2 1 1 液压原理图的拟定 根据温度不敏感型限流切断阀的功能要求和主要技术指标，所拟定出的液 压原理图如图2 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 l l p i l k l 一 p 2 ) ，p l 和见分别作用在液动换向 阀的左侧阀芯和右侧阀芯的右端面积( s l 、s 2 ) 及液动换向阀的左侧阀芯左端作 用面积s 3 上，由于s 3 = s 1 + $ 2 ，a s 协硇岛互+ 仍s ，因此，液动换向阀的 右侧阀芯保持图2 2 所示的位置不变。 如果通过温度不敏感型限流切断阀a 1 液口的流量达到其设定流量值时，节 流区域两端形成的压差卸增大，a s 互- 卜见s ，实现液动换向阀右侧阀芯换向。 从p l 进入的压力液通过液动换向阀的左侧阀芯的右端面进入到液动换向阀右侧 阀芯的液口，再经过换向阀的中位及液阻r 进入节流截止阀阀芯的下端弹簧 腔，由于s 6 _ s 4 + s 5 ，a 墨撬墨巧+ a s 6 ( f 3 为节流截止阀阀芯下端弹簧腔的预 压力) ，使节流截止阀阀芯向上运动，节流截止阀关闭，从而自动切断从进液口 p l 至排液口a l 的流量。 2 ) 手动关断工况 如图2 2 所示，通过手动操作，使手动换向阀处于右工位，从进液口p l 进 入的压力液通过手动换向阀进液口p 3 、出液口b 3 及液阻r 直接进入到节流截止 阀下端的弹簧腔a 2 ，在压力液p l 的作用下，节流截止阀阀芯关闭，从而实现温 度不敏感型限流切断阀的手动强制关断功能。 3 ) 手动开启工况 如图2 2 所示，通过手动操作，使手动换向阀处于左工位，节流截止阀阀芯 下端弹簧腔的液压液通过液口a 2 、液阻r 、手动换向阀的b 3 和t 3 ，直接回到液 箱。节流截止阀阀芯右端只有很低的背压，进液口在压力液p l 的作用下，节流 截止阀阀芯开启，从而实现温度不敏感型限流切断阀的手动强制开启功能。 2 4 材料选择与加工装配工艺 2 4 1 材料选择 机械零件材料的选择应当遵循的原则如下团】： 1 ) 根据材料的使用性能要求选择材料。 选择零件材料的最基本的原则是材料应当满足零件使用性能要求。材料的 使用性能一般包括力学性能、物理性能和化学性能等。为了使材料更好的满足 零件的使用性能要求，应当明确零件的工作条件，其中包括工作环境( 温度和 介质) 的分析，零件受力情况的分析，以及在特殊工作条件下的性能要求。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 选材时考虑材料的工艺性。 材料的工艺性能是指其适应各种加工方法的能力，包括铸造性能、锻造性 能、切削加工性能、热处理性能、焊接性能等。在几种材料基本都能满足工况 使用要求的情况下，应当重点考虑材料的工艺性作为选材的依据。 3 ) 选材时考虑经济性。 根据以上的选用原则，温度不敏感型限流切断阀中节流截止阀阀芯和液动 换向阀左、右侧阀芯的材料选用4 0 c r 合金钢，材料具有良好的耐磨性、线膨胀 系数和变形量小等优点，有利于提高阀芯的制造精度。阀套材料选用4 5 # 优质碳 素结构钢，具有一定的塑性和韧性，较高的强度，调质处理可获得很好的综合 力学性能。集成块的材料为不锈钢3 1 6 ( 锻件) 。节流截止阀温度补偿装置中的 补偿杆采用聚氯乙烯材料制成，线胀系数为0 0 0 0 0 8 k 1 ，具有较好的热胀冷缩性 1 2 4 1 。 2 4 2 机械加工工艺 机械加工工艺的过程为【2 5 】： 1 ) 分析加工零件的工艺性。 了解零件的各项技术要求，分析产品的零件图和总体的装配图，熟悉加工 产品的性能、用途及工作条件，明确主要技术要求和加工关键部位。 2 ) 确定毛坯的材料种类、形状、加工方法和尺寸偏差。 3 ) 拟定工艺过程，其中包括划分工艺过程的组成、选择定位基准、选择零 件表面的机械加工方法，合理安排加工顺序和组合工序等。 零件表面的加工，一般根据这些表面的加工要求和零件的结构特点以及材 料性质等因素，综合考虑来选择相应的机械加工方法。在选择某一表面的机械 加工方法时，通常总是选定它的最终加工方法，然后再逐一选定相关的前导工 序的加工方法。所选用的加工方法应当考虑每种加工方法与加工表面的精度要 求以及表面粗糙度要求相适宜，能保证加工面的几何形状精度、表面相互位置 精度的要求，并且还要与零件材料的可加工性相适应。 工艺过程一般可划分为三个加工阶段，分别为粗加工阶段、半精加工阶段、 精加工阶段。粗加工阶段，主要是切除各加工表面上的大部分余量。半精加工 阶段，加工达到一定精度要求并留有一定的精加工余量，同时完成一些次要表 面的加工。精加工阶段，加工完成各主要表面达到规定的质量要求。按照“先主 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 后次、先粗后精”的顺序，对精度要求较高的各主要表面进行粗加工、半精加工 和精加工。 根据以上的原则，结合温度不敏感型限流切断阀的结构特点，确定了各零 件的机械加工工艺过程如