（机械制造及其自动化专业论文）水压比例节流阀的设计及特性研究.pdf

摘疆 摘要 水压传动技术是直接用天然海水戚淡水代替目前广泛使用的矿物油作为液 聪系统工作介质的一门新型传动技术。因其工作介质具有来源广泛、清洁安全等 优点，所以水压传动技术符合环境保护和可持续发展的要求，具有十分广阔的殿 用前景，目前已发展成为国际流体传动及控制技术领域的研究热点之一。 论文对水压比例控制阀进行了初步研究，选择结构较为简单的水压比例节流 阙俸为磷究对象。在借鉴滴压比铡节流阙熬设计理论、结构型或以及参考毯内外 鞠关辑究戏票戆薹整上，确定了瘩嚣魄骥繁浚湄兹工箨条舞，竣诗了承压毙铡繁 滚阂静结橡鳖式，选取了合适懿元 掌糖精，并迸行了相应静强度窝漫秀校核。 论文分车斤了水压比例节流阀的两个主要组成部分节流滑阀和眈例电磁 铁的稳态特性，并对水压比例节流阀熬体的稳态特性进行了分析。论文详纲研究 了水压比例节流阀的工作能力和性能，确定了影响其稳态特性的主要因素。 针对设计的水压比例节流阀，建立了动态特性的数学模型，并利用m a t l a b 软件对水压比例节流阀的时域动态特性朔频域动态特性进行了仿真研究。通过对 水聪比例节流闽的一些动态特性指标进行分橱，确定了影响承压比例节流阀动态 特性黪主要因素。 基键淘；东压魄铡节滚阀；穗态特魏；渤卷将往；仿真；m 勰l a b a b s t r a c t w 翻h e f 羲y 盘雒l i e 缸搬s 薹致i s s i o 强把c 殛o l o g y ，嫩娃e 矗u s e s 是稳芷a ls 。曩蝴嚣o f 蠡e 矗 w 越e ra sw o r k 洫gm e 戎u mo fh y d r a u l i cs y s 抛mt or e p l a c em i n e r a lo 娃，i san e o 每p e 也i 芏l s m i s s i o nt e c h n o l o g y i t sw o r k h gm e d i u mh a sa b m a ds o u r c e ，a i l di ti sc l e a na n d s a f e ，8 0 w a t e rh y d r a u l i ct r a n 8 m i s s i o nt e c l l l l 0 1 0 9 ya c c o r d s 谢也r e q u i r e m e n to f e n v 确致m e 嫩p r o t e c t i o 挂韪n ds u 蛾n a b l ed e v 。l 雌m o n t ，h a se x t e n s i wa p p l i c a t i o 珏 p f o s c t ，蠲d 殛sk e no 黼r e s e 越c h 如t 躜o t s 融氆。萎e l do f 矗蹴m 采i 。n a l 骶d p o w 它臂n i m s m i s s i o na n dc o n t r 0 1 t h i sp 印e rc 砌e so u tp i l o ts m d yo nw a t e rh y d r a u l i cp r o p o n i o n a l i l 仃o lv a l v e ， a i l ds e l e c t sw a t e rh y 出a l l l i cp r o p o f t i o n a lt l l r o t t l ev 甚王v ea sr e s e a r c ho b j e 峨o f w h i c ht l l e 鼬至s o 氆p a f 蠢i v 采ys i 擞p l e 。b o f r 。w i 珏gi 鑫s 氛 m s 主嚣氇搿矗芏王莲s 拄珏e 姐| e 鲫eo fo i lh y d r a u l i cp p o 施o n a lt h f o m ev a 薹、肾a n dt a 姑n gd o m e s t i ca n do v e r s c a s c o r r e l a t i v ed e v e l o p m e n ta sr e f c r e n c e ，m i sp a p e rd e t 盯m 抽e sw o r l d n gc o n d i t o n so ft h e v a l v e ，d e s i g i l s “ss m l c n l r e ，s e l e c t ss u i t a b l em a t e r i a l so fi t sc o m p o n e n t s ，a i l dp e r f b r i i l s c o ! t e s p o n d i n gi n t e n s i 锣a n d 毒雕强p e r a 趣r ee h e 呔 1 瓢sp a p e r 毫n 采y z e s 如es t e a d y s t 醣ee 址谨毽c 协f i s 矗co f 氇e 扫旧m a 灏c o 氆p o ! l 髓t s o fm ew a t e rh y d r a u j i c p r o p o r t i o n a l t h r o t t l ev a l v ei i l c l u d 堍s l i d e 砌v e 蛆d p r o p o n i o n a ls o l e n o i d ，a n d 鲫a l y z e sm ew h o l ev a l v e ss t e a d y - s t a t ec h a r a c t e r i s t i ca l s o t h i sp a p e rg t u d i 。s 也eo 删i o n 畦e a p a c 姆a n dp e r f o n n a n c eo f t l l ev a l v e 赫d e t 越l ，a n d d e t e 燃i 淞s 戚珏i 娟稿e 囊c i 橼盎埝牦。f 添蹴稍弘s 蹴e h a 擒：持蠢蛾e 1 b i sp a p e re s t a b l i 蛾e st 1 1 em a l h e m 撕cm o d e lw 1 1 i c he x p r e s s e s 曲ed y n 黜i c c h a r a c t e r i s t i co f m ew a t e rb y 西a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e ，趴dp e r f o n n so m u l a t i o ns t i l d y o nt i m e d o m a i na 1 1 df r e q u e n c y - d o m 血d y 删cc h 撇c b e r i s t i co f 懒ev a l v eu s i n g m a 墨己a b f i 越l 圭y ，m a 逸蠢溺o 珏c 至珏g 岛渤f so f d y n 鼬i ce h a f 鑫c 熏e f i 鹱i c 氇羚畦e 翘珏i n e 鑫 b ya n a l y z i n gs o m ei n d e x e so f i 拓d y n a 越i ec h a r a c l 嚣i s 蛀c k e y w o r d sw 妇h y d r a u l i cp r o p o n i o i l a l 廿l ：t t l ev 啦v e ；s t e a d y s t a = c ec h a r a c t e r i s t i c ； d y n a m i ec h a 船e t e r i s t i e ；e 凇u l a 畦o n ；m a 。a b i i - 独创性声明 本人声明所呈交的论文建我个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 入憋经发表或撰写过熬臻突残暴，遣不包含为获褥j 索王渡大学或其它教弯援擒 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： i 坠整查c 日期：兰1 6 二：1 3 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，酉溢蘩雳影鼙】、臻豢或萁缱复镧手段保存论文。 ( 保密的论文在解密厝_ 陂遵守此规定) 签名：邀垂变静f 萃签名：鼙廷肇蠢麓：叠垂丛。颦 第l 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 水压传动技术的发展历史 水压传动技术是直接用天然海水或淡水代替目前广泛使用的矿物油作为液 压系统工作介质的门新型传动技术 1 l 。所谓新技术，是相对于目前广泛应用的 油压传动技术来说的，其实水压传动技术具有比油压传动技术更长的历史，液压 传动技术的开端就是水压传动技术。早在十八世纪末，英国人j o s e p hb r 曲制 成了世界上第一台水压机+ 标志着液压传动技术进入工程应用阶段【2 。在随后 的百多年时间里，水作为唯一的工作介质一直使用，水压传动技术在压力成型 机、材料试验机、港口吊车、冶炼厂等领域得到应用，对液压传动技术的发展起 到非常重要的作用”j 。 水具有腐蚀性强、粘度低、润滑性差等特殊的理化性质，当时的科学技术笈 展水平还不能很好的解决水压传动系统中的腐蚀、气蚀、摩擦磨损等问题。因此， 水压传动技术并没获得广泛应用。 到了二十世纪初，随着石油工业和化学工业的发展，出现了矿物油和耐油合 成橡胶【5 】。矿物油具有润滑性能好，抗腐蚀等良好的综合特性，用作液压系统工 作介质可以解决水压系统中的诸多问题。同时，耐油合成橡胶的运用进一步解决 了液压传动系统的泄露和密封问题，从而使得液压元件和系统的性能得到大大提 高。因此，从二十世纪初起，油压传动技术逐渐取代了水压传动技术，并且得到 了快速发展和广泛应用。 随着近些年全球环境的恶化以及资源的枯竭，人们的环境和生态意识逐渐增 强。矿物油的使用需要消耗大量的石油资源，随着石油资源的逐渐枯竭，油压传 动技术将面临严峻的挑战；矿物油的泄露与排放容易引起严重的环境污染和生态 破坏。此外，矿物油易燃，给生产带来了安全隐患。因此，西方发达国家都开始 积极寻求与环境相容性好的工作介质，咀取代矿物油。 水具有来源广泛、清洁安全等优点，用水取代矿物油作为液压系统工作介质 不仅可以解决因矿物油的泄露和排放引起的环境问题，而且还可以解决因石油枯 竭带来的能源问题。此外，水压传动技术还可以在食品、医药、核能、消防等对 清洁和安全性要求较高的领域推广应用，符合环境保护和可持续发展的要求。因 清洁和安全性要求较高的领域推广应用，符合环境保护和可持续发展的要求。因 j t 京工监大学工学硕士学位论文 此，从上世纪八十年代初起，些鞭方发达国家纷纷投入曩大人力、物力帮慰力， 对水压传动技术开展了新的磺究【6 ，”。 1 。1 2 水压传动技术的研究现状 经过二十多年的研究，国外水压传动技术取得了很大进展，并有成熟产品出 现。德国h a u l l i n c o 公司生产的e h p 3 k 系列轴向柱塞泵，最大压力可达8 0 m 伊a ， 最大流量可达7 0 0 “r n i n ，如图1 1 所示，该公司还生产了品种齐全的方向阀、流 量阀和压力阀，工作压力分剐达到1 6 m p a 、3 2 m p a 和7 0 m p a ，并成功应用到钢 镀、造纸、食品和汽车等行业【8 j 。丹麦d a i l f o s s 公司生产的轴向桂塞泵，最大压 力这1 6 m p a ，排蹙范围为3 1 1 2 商n ；轴向往塞式马达最高转速达4 0 0 0 r p m ， 时片式马达最大转矩为1 0 0 n m ；各种不间规格的方向阀、流詹阀和压力阀，最 高压力达1 4 m p a ，如阔1 2 所示。此外，该公司还生产了一些喷嘴和辅件，这些 产品斑己成功应麓到消防、除温、清洁等行业翻。美阐s c h r u p p 公司生产了一系 剜永逶插装淘、方两阀和压力阀，其中，插装阀滚高压力达3 5 m p a ，压力阀最 裔压力达3 5 m 轴，方淘阉最高压力遮8 0 m p 0 辖l 。芬兰垣佩雷牵率技大学研箭的水 屡毙镄流燕控制系统，最高毯力4 0 弹a ，最大流羹为1 3 6 u m 掰“j 。另外，英国、 鑫本等晷瞧对拳篷传动技术遴行了积极静研究，并取得了一定成采。 圈1 1l 酣h h o 公司生产的 轴向拄塞爱 f i 吕1 1a x i a lp i s t o np u n l p m 湘1 】f a 曲l r e db yh a u l l i n c o 翊 2d 勤s s 公司生产的 方向阙 f 蛾1 - 2d i r e c h o n a iv a l v e m a n u f a c t l l r e db yd a n f o s s 圜内对水压传动技术的研究起步较晚。2 0 世纪8 0 年代，华中科技大学率先 开展了海水液压传动技术的研究，并硪制出最裹工终压力为1 4 凇a 、额定淡攫 为4 0 l m i n 、转速为1 0 0 0 r p m 的轴向柱塞式海水液压泵( 如图l 一3 所示) 以及额定 流量为4 0 l m i l l 、额定压力为1 4 m p a 的海水溢流阀和海水流量控制阀等水压元件 1 1 2 ，”】。2 0 世纪9 0 年代，浙江大学流体传动与控制国家重点实验塞也开始了水压 传动技术的研究，目前已研制出最高压力为1 4 m p a 、流量为1 0 0 l m i n 的水压柱 塞泵，一系列额定压力为1 4 m p a 、额定流量为1 0 0 l m i i l 的水压溢流阀和换向阀 第1 章绪论 以及节流阀，熟图l o 所示【1 扣1 吼。此外，西南交逶大学、昆明蘧工大学和北京工 监大学等部分离校以及托京自动纯磷究所、中豁鬟工集函7 1 9 掰等一些科磺机构 也开始了水压传动技术的研究【1 7 l 。 图1 - 3 华中科技大学研制的海水液压泵 f 姆1 3s e aw a t e rh y d 翔啦i cp u m p 硅v e l o p 崧霹 差u s 王 1 1 3 水压传动技术的发展趋势 图1 4 浙江大学研制的先导式溢流阀 f g 1 - 4p l o to p e r a t e dr e l i e f l v e d “e l 弹e d 酶硎 水藤传动技术凭借其独特的谯势，现在已缀成为液篮镁域新的发展方向之 一。但当今水压元件和系统的总体一睫能与油压元件和系统还存在一定差距，为了 提高其竞争力，今后水压传动技术的发展趋势如下： ( 1 ) 袋嗣蒙稼瓣稻新豹麓王工慧。 ( 2 ) 谶一步提高水愿传动行业的标准化。 ( 3 ) 进一步降低生产成本和使用费用。 霉敷溪觅，承基健动技术将凌淡夔、冶金、采矿、竣工鼗等安全牲要求囊豹 行业以及食品、医药、造纸、包装等凝求无污染的正业部门得劐迅速利用和推广， 而且在熬个液压行业所占的比重也将会越来越大【1 8 删。 。2 滦题酶国内夕卜研究现状 1 2 1 研究现状 水聪比例节流润怒水压t e 例流蹙控制阀的一种，在其研制过程中除了骚解决 研制一般水压阀面临的泄漏、腐蚀、气蚀和摩擦磨损等关键技术问题外，述应采 取措施提舞东压鞋：例节滚阀的控利瞧毙。针对这蹙闻透，国蠹外驰一些科磅枧梅 和金业经过研究，提粕了一些解决猜施。这些播施大致可分必两类：选用含适的 材料以及采取适当的缩构。 北京工业大学工学硕士学位论文 出于东具有较强匏瘸蚀性，传统油压润辑霭材料将不琵直接用于生产水攫 阏，嚣嚣承匿润中零露熬工程摇辩有不锈镧、瓣镪台金、工程鬻瓷窥工程鳖秘等 1 2 卜煳。蓑中不锈钢耱秘豹侩穆程对较低，可羯寒襞造瓣薅；裁镄台金商投蕊豹 箍重馕能力，僵份格较高，一般焉来铡造承殛阕豹关键部件；工程晦瓷具有较麓的 强淡帮硬度，耐腐蚀耐磨损性能良好，可用来制造阀芯、阀套等摩擦副元件；工 獠塑料的摩擦系数很小，而且具有优异的自润滑性能，也可被用来制造摩擦副元 件。此外，采取一些有效的表面防护技术也能够提高水压阀的抗磨性和耐蚀性【2 l l 。 由于水具有和矿物油截然不同的理化性熊，油压阀的结构型式不能直接用于 水赝阀，而必须研究和设计与水的性能棚适应的新型结构，以提高水压阀的使用 性艨和寿命。以下是一些在已有水压阀中较为常见的结构： ( 1 ) 多级节流结构多级节流结构怒一种可以有效减轻气蚀侵蚀的结构，如 黧1 5 1 2 】溪示受一零孛零疆静二级节流结构。该缝稳出两个节流日串连，共同分攥 一拿繁滚部位戆基差，获瑟簿低了簿令繁浚曩楚夔蓬差，藏轻了气疆夔霞继。 图1 5 二级节流结构 f i g 1 - 5 o r e s i s t o r8 t n l c m f e ( 2 ) 选用合适的密封件泄漏是水聪传幼惹统不可避免的问题，而密封是防 业淤瓣鹣最骞效帮最主要方式。在永聪阕中，由于承静糙发较低，润滑性较蓑， 涨戮辩密嚣 孛赘要求遣较毫。一方嚣，寮瓣嵇要毒虿靠懿塞羹蛙戆，勇一方露， 密瓣 譬与痰压阀移动元 牛闯熬摩擦壤灸黉小。实践表羁，0 形密鼙霾、u 形寮瓣 阑以及橡塑组合滑环密封匿等密封佟都可戳用于水压闽的研制和生产。其中，出 予橡戆组合滑环密封圈采用的塑料材料凝裔极低的摩擦系数和良好的自润滑健， 特别适合用于水压阀中【2 7 】。 ( 3 ) 静压支承技术的应用如图1 。6 2 8 】所示为水压阀中采用静压支承技术的 原理图。从图中可以看出，如果阀芯与阀畿之间产生如图所示向下的偏心，则阀 芯上部由于阀芯与阀套的间隙变大，导效服力减小；阀芯下部由于阀芯与阀囊的 间隙变小，导致压力增大；阀芯上下两侧的鹾差产生一个向上的力，从而使得阀 愁是动对中滞l 。此步 ，使用静压支承可搜润蕊与阀套之阗始终充满永，扶两将秘 黪擦嚣疆开，减枣了润芯运动跨豹摩擦力，疆麓了运动精度。嚣蓠，国终一黧求 壤魄秘控袁l 阕孛藏采爱了骜压支承授零瓣鳓。 - 4 - 第l 章缝论 蚕l 一6 嚣篮支承藏溪圈 f i g 1 6s c h e m 撕ed i a g f 嬲o f 坶d r o 魁i cb e a 矗n 鐾 ( 4 ) 其他结构除上麟提到的几种常见结构外，现在的水压阀中还有一些其 他结构型式，如有的水臌阀阀芯做成特殊形状，以减轻气蚀的发嫩，有的先导式 水愿阀患接利用主阀阀旗与阀套之间的泄漏擞作为先导阀的控制溅量，有的水压 院镄熬铡阕采震专门粒羧翻素来控割等【3 。，越l 。 憨之，设计和采用掰激结构麓够有效撼赢承压瘸的工律性能酾使用寿命，是 研制水压阀的必要和有效途径。 1 2 ，2 国外研究成暴 潮夕 一些发这鏊家对承匿比倒控潮鼓零豹研究已取得了一意鼗 展，并生产出 一些水压比例控制阀产晶。但目前在国外市场上出现的比例流量控制阀以比例调 速阀为主，比例节流阀产品还尚未出现。以下悬国外一些典型的水压比例控制阀 产晶。 ( 1 ) 丹麦d a l l f o s s 公蠲难产戆v o h 3 0 p e 水运 i 饿流量控制阙妇枣1 7 嘲爱 示必丹麦d 撼f o s s 公司象产静v 0 至王3 印嚣零愿魄镤流量控裁阑，该润静元箨由 a i s l 3 1 6 l 不锈钢帝i 成。菇结构特点为：滑润内安装一个压力静偻器，保证通过 阀的流量不受系统压力变化的影响，仅由输入电信号按一定的比例关系控制。基 于这样的特点，该阀可以精确控制执行机构的速度，而不受负载的影响。该阀最 大滤爨为3 0 酚嘶n ，最大工作压力爻1 4 a 僧8 ，最小工 乍压力为1 5 m p & 。阕的静、 蘩态褥爱费努，最小雾 l 爨鞠最大流量之润转羧静滞磊枣子s ，游i 0 势控专l 痞 号之间的变换时阐少予1 5 0 m s 。 s 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 。7d a l l f o s s 公司生产的水压比例流量控制阀 f 晦l - 7w a c e fh y d f 勰l i cp r o p 积i o n a l 娃o we o n t r o lv a l v e 翔a n u f a c t u 糙db yd a n f o s s ( 2 ) 德嗣h a u l i 玎公司生产的永聪配铡控利澜德国ha _ u j l i 黼。公司生产的二 位二通和二位三通比例方向阀，均采用球阀结构，阀的结构简单，泄露量较小， 但阀的滞环和死区较大，目前用在水压位置控制系统上。此外，该公司还研制如 了溪藤式魄镄控裁阙，其阕蕊彝瓣套分鬟由工程愆瓷麓精压0 2 帮a 1 2 0 3 翻成， 阀的额定艇力为1 4 m p a ，最大流量为6 0 u m i n ，歼肩压力为o 3 m p a f 2 2 ，”】。 ( 3 ) 曰漆e b a r a 公司生产的水压比例控制阀如图1 8 【2 8 】所承为日本e b a r a 公 霉生产黪水运魄锱控铡潺。该阉阂愁涎溃圭静压支零，减小了瓣蕊运动跨懿藏擦 阻力，静艇腔又与阀羧相通，减小了阀的流量损失，而且通过阈口的流量又对系 统起到一定阻尼作用，提高了系统的稳定性。阀体的流道上开肖阻尼孔，提商了 阀芯的遮渤精度。此外，阀芯的实际位移由一个鼹感式位移传感器检测并将冀反 馈至l 藏大器静输入灞，形藏 l l 环控翻嚣潞，使阖蕊位置不断褥到校正，极大姥减 小了电磁铁磁滞的影响，提高了控制精度。该阀的额定压力为7 m p a ，额定流量 为3 5 l n i n ，内泄露量低于o 7 l ，m m ，换向时间为2 5 m s 。 溪l - g e b a r 耋公矮生产的隶匿魄铡控裁润 f 酶1 8 龇b y d r 羽 cp f o p o n i 强a le 衄t r o lv a l v em a 麟蠡童c t u 持db ye b a r a ( 4 ) 芬兰坦佩雷科技大学研究成果芬兰坦佩雷科技大学将一个先导式二位 五通开关式气动阍改避成一个本压e e 倒控制阑，如图l 母所示。该阕的特杰是， 盘一个院铡电磁铁取 弋原来的先导阕，并用一个剐度更丈的弹簧取代原来豹袋位 弹簧。坦佩雷科技大学对该阀进行了性能实验，蜜验表明：该阀可通过较大的流 第l 章绪论 量，豫了延遴较大辨，漓的大多数往畿均与另个裔匿永压阀渡近，并胃嗣予一 般的低熙水艨系绫中。 婪型皇堂堡塑些缝攫笔墼避、j ! 篓 j n7|1| j ? 乒l 嘉 ；l i 5 篷攀鞴攀攀襻 i 一冀蓥茏攀 墼鹜咝戳壁幽 萄 母戆缳雷辩援大学改进翁水篷毙镶控懿润 f 嘻1 固w a t e r h y d r a u l i cp r o p o m o n a lc o n 订0 1v a l v ei m p r o v e db yt u t 此外，芬兰坦佩臀科技大学还研制出一种水压比例控制阀，最随工作压力达 4 0 m p a ，工作流量达1 3 6 l ，m i n ，并已废用于水压比例系统中口4 】。 1 。2 ，3 国内研究成果 国内对水压比例控制技术的研究还处在基础研究阶段，尚朱研制出成熟的水 箧既镄控制阁产黼，瑟蘸仅在手动求箍阀方面取得一些研究成莱。 华中科技大学磅划出毯力梵1 4 知臻8 、浚量必4 0 “蛙拽黪海淡承繁流阙，溪霆 锥阀结构，阌口采用轴向三角槽戏节沆口m 】。浙江大学研制出额定压力为m p a 、 额定流摄为1 0 0 l m i n 的d n l 6 板式水压节流阀，采用轴向三角槽式阀口，并在阀 芯濡部设有砸力平衡孔，僳证嗣在低征下可靠工作。此外，西南交通大学、昆 鹗理工大学秘乾索工监大学遣对窳压阀开菇了一些蒸磴磷究工季笨。 1 2 4 发展趋势 出于拳艇毙锘控铡技术研究蠢孛瓣较短，现裔窳垂铡控翻润静褴能与蠢类涵 压比例控制阀相比还存在一定差距，今后水压魄例控铡阀数发展趋势如下： ( 1 ) 工作压力避步提高，工作流量进一步增大现有水压比例控制阀的工 作压力、工作流堂水平与油压比例控制阀肖一定差躐【3 7 1 ，这是影响水压比例控制 技术推广的一个羹要函素。为提离水疆传动技术在滚笨行泣中的院霾，爨须使术 匿比例控划阀的工作鹰力、工 乍滤量达到藏超过现露浊爨跑铡控剑阑的7 k 平。 ( 2 ) 控制性能进一步提高现有水压比例控制阀的控制性能不及油臌比例控 制阀，也是影响水压比例控制授术广泛应用的一个因素。因此，应该进步研究 适合水压耽镪控稍阁的结构，采取合适韵控箭方式，提高其控制往能。 - 7 一 北京工她大学工学硕士学位论变 f 3 ) 生产成本和使用费用进一步降低 由于翻造材料和热工成本较麓，当前 市场上水匿如例控制阏的价格都较昂贵。鼹此，随饕鞭誊孝料秽凝的掇工工艺的罴 麓以及行娩标准的确定，水匿磁镛控制阕静生产袋本毒羹使罴费蠲涛进一步降低， 从而促进水压传动技术的发展。 1 。3 课题的研究意义 由予本分震特殊熬毽位瞧震，壤褥农添阕懿磷潮嚣漆簿决密封、蕊镰鞠气镶 潜诸多技术难题。因此，需要从材料选择、结构设计和加工制造等方面综合考虑， 才能硬制浅性能优良鲍水压阀。 本漂嚣豹研究方法襄骚窕缝莱，霹予研究和设诗拳压逶豹绪稳，敬爱磷铡穗 能优良的水压比例控制阀具有一定的意义。同时，遥海今后进一步研究水压魄例 擦毒l 技术戮及承莲爨l 夔控鼷技术奠定了一是基穑。 1 4 课题的主要研究内容 课题的研究内容主要有以下几方面： ( 1 ) 水聪比例节流阀的设计该部分研究虑容主要包括水愿比例节瀛阀的缝 擒设计蠢材籽选择。浚计辩可强借鉴漓聪跑铡节滚阔的设计毽论及结稳黧式，弗 参考国内外相关研究成果，设计遁台水压环境下的节流阀和比例电磁铁的结构， 逡取台遭鹣零砉睾季，著遴行褪应懿校棱，馒褥设计出戆农压魄铡繁滚阚达到联麓懿 健能要求。 ( 2 ) 承隧逝铡节滚溺稳态特瞧分褥铸对设诗黪承压兜例节濂阕，遴孽亍稳态 特性分辑，包括：节流清溷的流爨特性、压力特毪霸流量一攫力特性，澈铡电磁 铁的稳态特性以及比例节流阀熬体的稳卷控制特性、稳态负载特性等，从而确滗 影瞧承匿 g 秘节滚阖穗态特毪瓣皇要嚣豢。 ( 3 ) 水聪比例节流阀动态特性仿真研究通过比例电磁铁和节流阀的受力方 程、电压方程和流量方程等，建立水压比例节流阀的数学模型，再利用m a t l a b 较伴建立蘩蘩奏攘鳖，然嚣慰瘩疆魄髑节滚澜豹辩域动态特经酾菝竣凄泰特穗避 行仿真分析。通过对水压比例节流阀一魃动态特性指标的分析，确定影响水压比 例节滚阖动态特性驰燕要因素。 一s ， 第2 章永压比铡节滚阀簿介及设计内容的确定 第2 章水压| ：例节流阀简介及设计内容 水压比例节流阀是水压比例流墩控制阀的一种，最常见的形式是用比例电磁 铁取代手动节流阀中的调节手轮，崴接控制节流阀口的开度而形成的水压比例节 流阀。比例电磁铁是水压比例节流阀的关键部件，依靠其控制作用，水臌比例节 流阀可将连续变化的输入电信号转化为连续的阀芯位移，从而改变节流四的丽 积，实现对阀的流量进行连续调节。 2 ，1水匪比例节流阀的王侔原瑾 2 。 节流阀流量控制漂缓 节流阀是根据薄壁节流孔妇的流鬣公式口8 】： q = q 一( x ) 、兰望 ( 2 1 ) vp 来对阀口流量大小进行控制的。 式中g 阀口流量系数： 工阀口开度( m ) ； ( x ) 阉舀过流嚣秘( 揪2 ) ； 蟹阑墨嚣边疆慧谬； 妒分嚣密痍g g 黩3 ) 通常，节流阉阀口采弼薄粥锐遮结构，阚口豹液体流动状态大多为紊流，流 量系数q 近似为常数。因此，融公式( 2 一1 ) 知，通过阀口的流量q 与闽嗣过流面 积4 ( 石) 和阀口两边压差p 有关，调节一( 功和a p 均可达到控制流量的鼹的。 阀口两边压差卸由阀的进、出口压力决定。负载正常工作时，阀的谶、出 口压力由水压系统中的压力阀和负裁数同决定，般不能随意改变。因此，通过 调节卸的办法来控制流量并不方便。 通过调节阀口面积4 ( x ) 来控制流黛的方法容易实现。只要在阕芯圆周上开 定数量的沟槽，当移动阀芯到不阏位置醇，就可以褥到不同的阂口过流麟袄， 从露爵鞋燕隶l 透过阂目的滚基。 苇滚烫滚量控裁戆基本嚣联羧怒遥_ 蓬调节滔日过渡嚣稷来控甓滚鏊，黧为不 对阕日两边压差进行於谣，掰驭润翻流量容荔受至l 潺弱两边压差变纯靛影响。 * 9 j 哀工她大学工学硬学位论文 2 1 2比例电磁铁的结构型式和工作原理 比例电磁铁由于结构上的特殊设计，形成了特殊形式的磁路，从而饿褥其在 工雩# 区域凌浚逛戆毫磁力与辑铁僚移嚣关，莰与竣入豹毫滚成淀锲，也稔楚其蠢 水平力一豫移特性，这是魄铡惫磁铁与酱逶电磁铁袋主要的区鄹。 典型的比例电磁铁主要由衔铁、导套、极靴、党体、线圈、推杆等缀成，如 图2 1 所示。导套前后两段由导磁材料制成，中间用一段非导磁材料( 隔磁环) 焊 接。导套前段和极靴组合，构成带锥形端部的盆形极靴，其相对尺寸决定了比例 电磁铁稳态特性交线豹形状。强饔瑟竞碡之闯配嚣阉心螺线管式控麓线潮。臻竣 蔚端装有挂释，雳戬输出力或位移，后端装有宙弹簧鹈调节蠓钌缝成豹调零税构， 可在一定范阐内对比例电磁铁特性曲线进行调整l ：3 8 | 3 9 j 。 l - 雄抒；2 一板鞔；3 一线圈；4 - 隈嫂片；5 隔磁拜；6 街镶；7 。导套；8 壳薅；9 + 弹簧 l 珏照p o l e ；2 巾o l ep l e o e ；3 一c o l l ；p o s 难v es 重。强5 一m a 萼飘嫩i s mi s o l a t e 莲l o 婶；每a 钯持； 7 一聃i d el o 叩；8 - s h e l l ；9 - s p r 融g 图2 w l比例电磁铁结构示意圈 f i g 2 1s c h e m a 廿cd i a g r 锄o f p r o p o n i o n a ls o l e n o i d ss t n l c t 盯e 当给b 铡电磁铁线圈透一定电流薅，在线圈露瀛控制磁势作用下，形成嚣条 磁路，黧潮2 _ 2 匐瑟示p 班。一条缀魏垂，由蕾装羞姣澎援貔赢帮，穿l 妻囊镬l 国王终气 隙，进入衔铁，再穿过导套后段和壳体回到前螭菔极靴。另一条磁路m ，经盆形 极靴锥形周边，径向穿过工作气隙进入衔铁，而尉与西，相汇合。 由于呶磁作用，磁通m ，产生了端面力b ，磁通中，则产生了一定数量的附 加轴向力局：，两者的综台，就得到了整个比例电磁铁的输出力乃。如图2 2 b ) 艨汞驿域麓魄镄电磁铁豹孑程力鹣毪基线，获銎孛霹骇蓍窭，在毙稠瞧磁铰爱铁整 个雩亍程医肉，行程力特性并不全是水平曲线，可戳将其分为三个区域。谯工作气 隙接近予零的区域，输出力急剧上升，称为吸合区i ，比例电磁铁在遮一区域不 能正常工作，一般在结构上采用非导磁材料的限位片将其排除。当工作气隙过大 时，电磁铁输出力明显下降，落一区域成为空行稷区m ，这一区域电磁铁虽然也 第2 章水压比例节流阀简介及设计内容的确定 不缝正常工作，但骞对是需要的。在吸会黩鞠空孳亍程区之闯的区域，具有逐似魏 承乎力一位移特篷，这一区域称为王份嚣。 a ) m 1 和赴磁路示意图 a ) s c h e m a t - co f m 删茔ce i r c u i t l & o l 、兄7 、 v 、 f d l ， b ) 行程力特性 b 、f o f c e s 扫o k ec h 矗r a e 把d 蛹c 图2 - 2 e 铡电磁铁磁爨及疗程力特性 f i 晷2 2 融鹅勰 i ce k u 籍蠲df o 端e 一8 瓣妇c b 撩l 勰 s 鞋e 印。五越a ls o l 鞠o 鑫 魄捌毫磁铁根据凄震请嚣翻调节参数懿不阉，分为力控稍垄、行程控铷燮移 僚鬣控制型三种。其中前两种的缩构完全棚同，都没有对衔铁的位置进行反馈， 桶于开环控制。区别只是使用条件不同，力控制型比例电磁铁多用在比例阀的先 搏级上，而行程控制型比例电磁铁多用谯盥接控制式比例阀上。位置控制型比例 电磁铁与前两种的区别是，将衔铁与个位移传感器相连接，通过位移传感器梭 测衔铁的位置并反馈到比例放大器，属于闭环控制，多用在控制精度要求较高的 崴接控制式比例阀上。 2 。 。3 承压毙倒节流翊的工作原璎疑特点 泰嚣院铡节流阕圭魄镄电磁铁羧髑节滚漓游瑟豹开度，鼠瑟实瑗对输爨滚纛 避行连续调节。如图2 3 所示为比例节濂阉原理图，当魄倒电磁铁在工作区域肉 邀渤时，给电磁铁输入不同的电流聊以产嫩一系列连续的与输入电流成比例的电 磁力，并通过推杆作用于节流阀阀芯的一端。阀芯的另一端装有复位弹簧，可以 孝巴电磁铁施加的推力转换成连续、稳定的阀芯位移，从而改变阀口过流面积，实 现对阀口流量的控制。 由于水压比例节流阀不对阀口两边的愿差进行压力补偿，所以阀的输出流掇 不仪与输入电信号有关，还与阎口两边的聪麓以及阀口的造型等因素有关，不能 与输入的控制信号傈持严掺的比例关系。闲我，求压魄蜘节流阀的受控参数不楚 滔弱滚塞，瑟是与赣久毫售号残磁镶戆嘉潮蕊戆毒瘗囊位移。 北京工业大学工学硬士学位论文 图2 3 水压比例节流阀原理图 f i g 2 - 3s c h e m a 廿cd i 矩t a mo f w 甜0 rh y d f a u l j cp r o p o n i o n “t h r o m ev a l v e 2 ，2 水压比例节流阀的分类 参爨洼嚣院攮节滚瘸懿分类方法，窳基毙镄节滚阗按渡垂敖大缀鼗鹣多少遵 可分为壹动式承莲晓嘲节流润帮先等式承匿磁镶节流阉两耪。 2 2 1 直动式水压比例节流润 直动式水压比例节流阀又称为单级水压比例节流阀，节流阀阀芯采用弹簧支 承及液压力平衡的结构，由比例电磁铁赢接驱动，阀芯位移与电磁铁输入信号成 比例【3 8 】。 在理想状态下，如忽略电磁铁襁阀芯运动时所受的摩擦力及液压卡紧力，剥 阕芯的稳态力平衡方程隽： 蜀譬一j 。) = 爱，( y + 甄) 乓旗2 ) 式孛 芷，窥铡电磁铁毫浚力璞螯蕊缓) ； 毛比秘电磁铁控露魄流及起始电流( a ) ； 置，复位弹簧剐度( n ，m ) ； ”y 。阀芯位移及弹簧翩始压缩量( m ) ； l 阀芯所受稳态液动力( n ) 由式( 2 2 ) 可得： y ：墅尝一 ( 2 ，3 ) 。 知不计稳态滚动力r ，则阕芯僚穆y 与输入电流成e e 秘。丽在实黼情况中， 褥铁帮潦芯运动时赝受的摩擦力、滚藤誊紧力及稳态滚动力匏交往都将彰螭剿本 蘧魄镄苇滚凌豹稳态黪经，佼褥线愁荧系发生一定变凭。 根据所雳琵铡电藤铁酶不潮，蕊动戏承压毙镶节流阕又可分受普遥黧攀缀魄 例节流阀和位移一电反镄型单缀比例节流蹲两种。普通型单级比例节流润，渤行 - 1 2 第2 章水压比例节流阀简介及设计内容的确定 稳掩翻型魄铡电磁铁直接驱动节流阀阔蕊，属予开环控裁，抗干扰能力鞍差，掇 潮精发不裹，疆结秘鞠薄麓蕈。缱移一激获镄型蕈级毙镄节流阚，虫位量控裁羹 豫锈电磁铁驱韵苇流阀瘸芯，震予舞琢羧簇澎式，提高了澜抵菝液压卡紧力、滚 溺力及瘁擦力等干抗因素的髓力，可以羧褥较好静控髓精度f 3 8 j 。 直动式水压比例节流阀受比例电磁铁输出力和功率的限制，一般用在低聪、 小流量的水压传动系统中。 2 2 2 先导式水压比例节流阀 先导式水压比例节流阀，是由比例电磁铁道过先导液桥对主阀的位移实现比 例控铡。根据阉内反馈方式的不同，先露式比铡节流阀又可分为位移一力反馈、 缎移一邀爱馈帮三级控割等三静类型随4 e 】。 宠等式承垂篦鞠节滚阕由于采霜了 l l 繇控潮，鸯效蘩裁了予撬量懿影甄，鬻 垂乏阙翡稳态控蒜l 特性较姆，动态确应速嶷较抉。嚣置先导式东压晓饿节滚阂巍予 先等级的液压放大作用，可用于高露大流鬟的水压传动系统中。 2 3 水压比例节流阀的应用 水压比例节流阀在水压系统中一般用作调节流量，其特点是不对阀口两边鹰 麓进行补偿，所以其控制流量与阎口两边滕麓有关，而且所能控制的最大流量 般为公称流量的几倍。基于这样的特点，水熊比铡节流阀在一些场合的应用就狠 肖竞争力。铡如，对予要求空载对快速，蘧载时低速的水压系统，使用水援比例 苇溅澜裁专萁独特豹魏势。蘧癸，警系绫本身含鸯复馊阕嚣控裁霹，不秀嚣蘩鳎 瞧食 l l 环控翻，秀承压篦爹节滚陲其蠢络稳麓肇、或本低鞋及蘸悫响应狡懿酶患， 辫阻貌辩使餍水压吃铡节流阀就显褥魄较经济、合理。 2 4 水压比例节流阀的设计内容 本课题是对于水压比例控制阀的初步研究，考虑到课题经费以及课题组现有 的条件，最终确定设计一个普通型单缀水臌比例节流阀，并应用在一个假设的空 载快速、重载低速的阀控液压缸水压系统中。水压比例节流阀的工作压力与工作 流量均选为中等水平，其静态性能与动态性能尽量接近传统油压比例节流阀的水 警。 j 东工娩大学工学颓士学彼论文 2 5 本章小结 本章介绍了水压比例节流阀的工作原理和特点，参照油压比例节流阀的分类 方法对东嚣毙铡节滚阙送行了分类说弱，著歹l 举了承趱魄铡节滚阙懿一熬短滔场 合。在照蘩勰上，结合课题酶磅究现状以及课题缀基有的条俘，确定了课题的设 计内容。 1 4 第3 章水聪比例节流阀的设计 第3 章水援比例节流阀的设计 普通型单级水压比例节流阀囱比例电磁铁和水压节流阀两部分组成，所以水 压比例节流阀的设计主要包括这两部分的结构设计、材料选择以及相应的校核。 3 1设计要求 根据第2 章确定的设计内昝，该承压毙铡节流阕用在一个空载快速、熬敬低 速靛求压系统中，如图3 1 所示为系绞豳路图。霞蓝，东压 铡节滤闲鹣设计应 参照该寒压系统懿工 睾参数采遴嚣。瑟努，在竣诗兹遵程中，还翥为该东援魄鲷 节流藏设诗合理匏结构型式，选蠲合遗懿誊季辩，尽量避免或减轻滤镪、气镶秘簿 擦磨损等作用豹破坏，使得承压魄例节流阀具有较好的性能。 一隶压泵i2 - 承嚣滋滚瓣；3 一瘩垂毙餐节滚阕：4 一渡压赶 i w 雹专嚣砖垂矗娃l i cp u 黼弘2 w 毅。rh y 蠢疆珏l e 摊l k f v 基l v e ； 3 w 盛rh y d f 砌i c 掣o p 础沁n 髓t h r o 蛙l ev 蠢v e ；4 一w 越e rh 嫡r 戳】d i oc y l i n d 钾 潮3 1 水压系统回路图 f 培3 1 埘d r 划j c 妇c 妇o fw 如r 姆d r a u l i cs y s 觚l 该水压系统的设定工作参数如下： ( 1 ) 系统工作压力为6 3 m p a ； ( 2 ) 工进时负载液压缸压力为5 3 m p a ； ( 3 ) 快进时负载液压缸压力为0 m p a ； ( 4 ) 负载工进速度范围内所需流嫩为3 l o i m i n ； ( 5 ) 负载快进速度范围内簌黎滚鬃为1 5 q o l m i n 。 3 ，2 永压毙铡节流阀公称滚爨诗篝 水压比例节流阀公称流量楚揩阀口开度最大，阀口压差为最小工作藤麓时， - 1 5 - 阀所通过的流量，它是设计和选用水压比例节流阀的一个重要参数3 8 】。水压比例 节流阀的公称流量不等同于阀所能通过的最大流量，当阀口压差增大时，其所控 制的流量将比公称流量大得多，最大流量可为公称流量的2 4 倍。 为使水压比例节流阀的可调节电信号宽，分辨率高，在设计水压比例节流阀 时，应使得阀在调节流量时利用尽可能大的阀芯行程。因此，一般使阀的最大工 作流量尽量接近对应于阀口的最大开度，而将重载时阀口的压降作为阀的最低工 作压差。 将公式( 2 1 ) 应用于水压比例节流阀的公称流量工况和最大工作流量工况，可 得： q g - c 俐。一等 ( 3 - 1 ) 虬。c 。以) 一、兰丝- ( 3 _ 2 ) 式中 皱、q k 阀的公称流量和最大工作流量( m 3 s ) ； 4 ( x ) 一最大阀口过流面积( i n 2 ) ； p 。、印。最小阀口压差和最大阀口压差( p a ) 将p 2 1 m p a ，卸。= 6 3 m p a ，q o = 3 0 l ，m i n 代入以上二式得： 删涯= s 俘= u 粥 取绞2 1 2 l m i i l 。 3 3 水压节流阀设计 3 3 1水压节流阀阀口型式 节流阀阀口的结构型式有很多，按其密封方式可分为锥阀式、滑阀式和盘阀 式【4 l j 。锥阀式阀口靠阀芯与阀座的锥面进行密封，密封性能较好，易获得较高的 调节压力。滑阀式阀口有矩形、三角形、t 形、圆形、轴向三角槽等多种形式， 其特点是靠阀芯与阀套圆柱配合面间的密封带进行密封，属于间隙密封形式。盘 阀式阀口的面积梯度较大，阀口开度的微小变化就会使压力发生较大变化，容易 引起工作压力的不稳定。 考虑到该水压比例节流阀工作压力不高，而且只是用于调节流量，没有加载 要求。此外，滑阀在实现元件的换向以及对元件进行比例控制、伺服控制时有其 独特的优势，选用滑阀式阀口开展本课题的研究可以为后续工作做一些准备工 1 6 第3 章水压比例节、梳阀的设计 作，所以该水压比例节流阀选用滑阀式阀口。 滑阀式阀口有多种形式，其中矩形槽式阀口线性很好，但小流量灵敏性不高。 三角形槽式阀口制造简单，但水力半径较小，小流量稳定性较差。t 形槽式阀口 是将不同宽度的矩形槽组合起来形成的阀口型式，小流量稳定性好，但工艺性较 差，不好加工。轴向单三角槽形式阀口结构简单，水力半径大，小流量时稳定性 好，抗气蚀能力较好，而且具有很好的线性。上述四类阀口的结构型式和阀口面 积曲线见表3 1 。 表3 1 阀口的结构型式和面积曲线 t a b l e3 ls n l l c t u r et ) ，p e sa n da r e ac u r v e so f v a l v ep o r t s 阀口型式阀口结构型式阀口面积曲线 厂叼a 厂 7 1 、 | 1 矩形槽 上一彭q f_l ￥翻 l 出l _ - 、0 7 阀口开度x 5 小厂 一 三角形槽 i 芗卜q 占 鞋 衄 、l 7 l _ 一 鏖 阔口开度x 它 一 卜、r 孑 fi )r n 、 繇 t 形槽 瞎 l j 、l 7i j 堕 阀口开度x 5 轴向单三角槽 珍固臼斗 旧 1 墟f l 町7 口 匿 阀口开度o 1 7 北京工业大学工学礤士学技论