YF3-10L 溢流阀的设计

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321 毕业设计用纸第1章 绪论液压技术作为一门新兴应用学科，虽然历史较短，发展的速度却非常惊人。液压设备能传递很大的力或力矩，单位功率重量轻，结构尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸仅为直流电机的10%20%左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现无级变速；易实现功率放大；易进行过载保护；能自动润滑，寿命长，制造成本较低。因此，世界各国均已广泛地应用在锻压机械、工程机械、机床工业、汽车工业、冶金工业、农业机械、船舶交通、铁道车辆和飞机、坦克、导弹、火箭、雷达等国防工业中。液压传动设备一般由四大元件组成，即动力元件液压泵；执行元件液压缸和液压马达；控制元件各种液压阀；辅助元件油箱、蓄能器等。液压阀的功用是控制液压传动系统的油流方向，压力和流量；实现执行元件的设计动作以控制、实施整个液压系统及设备的全部工作功能。1.1 液压技术的发展历史 液压技术作为一门新兴应用学科，虽然历史较短，发展的速度却非常惊人。液压设备能传递很大的力或力矩，单位功率重量轻，结构尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸仅为直流电机的10%20%左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现无级变速；易实现功率放大；易进行过载保护；能自动润滑，寿命长，制造成本较低。因此，世界各国均已广泛地应用在锻压机械、工程机械、机床工业、汽车工业、冶金工业、农业机械、船舶交通、铁道车辆和飞机、坦克、导弹、火箭、雷达等国防工业中。液压传动设备一般由四大元件组成，即动力元件液压泵；执行元件液压缸和液压马达；控制元件各种液压阀；辅助元件油箱、蓄能器等。液压阀的功用是控制液压传动系统的油流方向，压力和流量；实现执行元件的设计动作以控制、实施整个液压系统及设备的全部工作功能。1.2 我国液压阀技术的发展概况 我国的液压工业及液压阀的制造，起始于第一个五年计划（19531957年），期间，由于机床制造工业发展的迫切需求，50年代初期，上海机床厂、天津液压件厂仿造了苏联的各类低压泵、阀。随后，以广州机床研究所为主，在引进消化国外中低压元件制造技术的基础上，自行设计了公称压力为2.5MPa和6.3MPa的中低压液压阀系统（简称广州型），并迅速投入大批量生产。60年代初期，为适应液压工程机械从中低压向高压方向的发展，以山西榆次液压件厂为主，引进了日本油研公司的公称压力为21MPa的中高压液压阀系列，以及全部加工技术和制造、试验设备，并据此发展、设计成我国的中高压液压闪系统（简称榆次型）。1968年，当时的一机部组织有关单位，在公称压力21MPa液压阀的基础上，设计了我国一套公称压力为31.5MPa的高压阀系列，并投入批量生产。为使产品实现标准化、通用化、系列化，我国于1973年再次组成“液压阀联合设计组”，在总结国产高压阀设计、生产经验的基础上，借鉴了国外同类产品的结构，性能、工艺特点，又增补了多种规格和新品种，并使国产阀的安装连接尺寸首次符合国际标准。并于1977年正式完成了公称压力为31.MPa的高压阀新系列的设计。1978年起，通过全系列图纸的审查、试制、鉴定等工作，并在全国推广使用。1982年，通过了全系列的定型工作。故上述产品简称为“82年联合设计型高压液压阀系列”。为适应高压、大流量的液压传动要求，济南铸锻研究所、上海704研究所和北京冶金液压机械厂等单位，自1976年开始，还引进、消化和研制了二通插装阀（简称CV阀），并在80年代初期，完成了自己的系列。二通插装阀作为不同于常规阀的另一类液压阀类，也正在开拓着它的使用范围。此外，随着组合机床在机械制造行业中的广泛应用，1975年，大连组合机床研究引进、消化、吸收和研制了叠加式液压阀。建国以来，我国液压行业及液压阀的制造生产，从无到有，发展很快，取得了巨大的成绩。但与国外同类产品相比，品种和性能指标还有较大差距。为了提高我国液压行业的综合素质，国家机械部制定了以下调整原则：A类重点发展产品（包括国产的电液伺服阀、比例阀和数字控制阀以及引进、消化德国力士乐公司的压力为21、35、63MPa，通径为632mm的三大类液压阀和我国自行开发的叠加阀、插装阀及GE系列阀等）；B类允许保留和过渡产品（包括目前应用面广、市场需求最大，一时尚无替代产品；国内70年代、80年代开发的，现在已成为主导产品，虽然技术上达不到国际80年代水平，但需要保留一段时间的产品。）C类限制发展和逐步淘汰产品。（指水平低，性能差，耗能耗材的产品，不符合标准的落后产品，不符合标准的老产品，具体指我国50、60年代设计的广州型中低压系列，及与之相仿的早期产品。）1.3 本课题的目的及研究范围 作为工科类院校，特别是机械专业，液压技术是一门必不可少的课程，但由于学科本身内容的复杂程度和教学条件的限制，不能轻易地使教师讲得清楚，学生听得明白。有监于此，本课将重点对溢流阀部分进行加工与设计，主要研究对象为溢流阀。在进行加工的同时，对溢流阀部分零件进行编程。最后，针对溢流阀的理论研究进行讨论，内容包括溢流阀的工作原理、结构特点、型号说明、应用情况以及各种阀的比较等，此外还对卡盘进行分类和工具的夹紧。第2章压力控制阀的分类与型号 液压系统中，用来控制系统的压力、流量和液流方向的元件均称为液压控制阀，简称液压阀。液压阀品种繁多，规格复杂，按工作原理可划分为以下几种： 通断式控制元件（即开关或定值控制阀）：这是常用的一类液压阀，又称普通液压阀。 伺服式控制元件：压力伺服阀、流量伺服阀等。 比例式控制元件：比例压力阀、比例流量阀和比例方向阀等。 在液压传动系统中，液流的压力是最基本的参数之一，执行元件的输出力或输出扭矩的大小，主要由供给的液压力所决定。为了对油液压力进行控制，并实现和提高系统的稳压、保压、减压、调压等性能或利用压力变化实现执行机构的顺序动作等，根据油液压力和控制机构弹簧力相平衡的工作原理，人们设计制造了各种压力控制阀。常见种类如下： 第3章 溢流阀3.1溢流阀的结构溢流阀的基本功用是：当系统的压力达到或超过溢流阀的调定压力时，系统的油液通过阀口溢出一些，以维持系统压力近于恒定，防止系统压力过载，保障泵、阀和系统的安全，此时的溢流阀常称为安全阀或限压阀。溢流阀的根据结构可分为直动型和先导型两种。一直动型溢流阀图3-1 直动型溢流阀结构简图 （a）锥阀式 (b)球阀式 (c)滑阀式 (d)溢流阀的基本符号 1-调压螺栓 2-弹簧 3-阀芯 4-阀体（含阀座） 锥阀式和球阀式又叫座阀式溢流阀，特点是动作灵敏，密封性能好，配合没有泄漏间隙，但导向性差，冲击性较强，阀座阀芯易损坏。滑阀式由于阀口有一段密封搭合量，稳定性较好，不易产生自激振动，但动作反应较慢。 下面以锥阀式DBD直动型溢流阀为例说时其工作原理：图3-2 锥阀式DBD直动型溢流阀（插装式）（a）结构图 （b）局部放大图 （c）简化符号 （d）详细符号1-偏流盘 2-锥阀 3-阻尼活塞 4-调节杆 5-调压弹簧 6-阀套 7-阀座（1）工作原理: 设弹簧预紧力为Ft,活塞底部面积为A则：当PA Ft时,阀口打开,PT,稳压溢流或安全保护。 锥阀开启后,由1得锥阀的力平衡方程为： PAK(+)+G F+Fs Fj即： P= K(+)+G F+Fs Fj/A (3-1)式中 ： K、分别为弹簧刚度和预压缩量（m）;G为阀芯自重（水平时不考虑）:F为阀芯与阀套间的摩擦力（N）；Fs为稳态液动力（N）；Fj为射流力(N)。此处 Fs=0, Fj=KX(N) P=( K+G F)/A (3-2)（2） 调压原理：调节调压螺帽改变弹簧预压缩量,便可调节溢流阀调整压力。（3） 特点：从式（3-2）可知这种阀的进口压力P不受流量变化的影响,被控力P变化很小,定压精度高。但由于Ft直接与PA平衡,若 P较高,Q较大时,K就相应地较大,不但手调困难,且Ft略有变化,p变化较大,所以一般用于低压小流量场合。二先导式溢流阀 先导阀 -直动式锥阀，硬弹簧。（1）组成 : 带有导向圆锥面的锥阀（二级同心式）和软弹簧 主阀 滑阀和软弹簧。 带有多节导向圆锥面的锥阀（三级同心式）和软弹簧图3-3 YF型三节同心先导溢流阀（板式）1、阀体 2、主阀座 3、主阀芯 4、阀盖（先导阀体）5、先导阀座 6、先导阀锥式阀芯 7、调压弹簧 8、调节杆 9、调压螺栓 10、手轮 11、主阀弹簧先导型溢流阀的先导阀是一个小规格的锥阀式直动溢流阀，其弹簧用于调定主阀部分的溢流压力。主阀的弹簧不起调压作用，仅是为了克服摩擦力使主阀芯及时回位而设置。(2) 工作原理：设Ac为先导阀阀座孔面积（m）,Fx、Kx为先导阀弹簧预紧力、刚度,Ft、G、Ff、Ky为主阀弹簧预紧力、自重、摩擦力。当P2Ac Fx时,导阀打开,主阀两端产生压差:p当 p Ft+G+F时,主阀打开稳压溢流或安全保护。由1得主阀芯和导阀的力平衡方程分别为：由上两式可得溢流阀进口压力为： （Pa）(3-3)调压原理：调节调压螺帽,改变硬弹簧力,即可改变压力。特点: 溢流阀稳定工作时,主阀阀芯上部压力小于下部压力。 即使下部压力较大,因有上部压力,弹簧可做得较软,流量变化引起阀心位置变化时,弹簧力的变化量较小,压力变化小。 又 调压弹簧调好后,上部压力为常数。 压力随流量变化较小,克服了直动式溢流阀的缺点。 还 先导阀的溢流量仅为主阀额定流量的1%左右 先导阀阀座孔的面积AC、开口量x、调压弹簧刚度KX都不必很大 先导型溢流阀广泛用于高压、大流量场合。3.2溢流阀的主要性能一静态特性：(1) 压力调节范围定义：调压弹簧在规定范围内调节时，系统压力平稳（压力无突跳及迟滞现象）上升或下降最大和最小调定压力差值。（2）启闭特性定义：溢流阀从开启到闭合全过程的被控压力p与通过溢流阀的溢流量q之间的关系。 一般用溢流阀处于额定流量、额定压力Ps时，开始溢流的开启压力Pk和停止溢流的闭合压力P分别与Ps的百分比来表示。开启压力比： =(Pk/Ps)100% 闭合压力比： =( P/Ps)100% 两者越大及越接近,溢流阀的启闭特性越好。一般规定：开启压力比应不小于90%，闭合压力比应不小于85%，其静态特性较好。(3) 卸荷压力：当溢流阀作卸荷阀用时，额定流量下进、出油口的压力差称为卸荷压力。(4) 最大允许流量和最小稳定流量：溢流阀在最大允许流量（即额定流量）下工作时应无噪声。二动态特性（1）压力超调量：最大峰值压力与调定压力的差值。（2）响应时间：指从起始稳定压力与最终稳态压力之差的10%上升到90%的时间。(即图3-4中A、B两点的间的时间间隔)（3）过渡过程时间：指从调定压力到最终稳态压力的时间。(即图3-4中B点到C点间的时间间隔)（4）升压时间：指溢流阀自卸荷压力上升至稳定调定压力所需时间。（即图3-5的t1）（5）卸荷时间：指卸荷信号发出后由稳态压力状态到卸荷压力状态所需的时间。(即图3-5中的t2)图3-4流量阶跃变化时溢流阀的进口压力响应特性图3-5溢流阀升压与卸荷特性三先导型溢流阀的静态特性分析：以本次设计中绘制型溢流阀为例：具体尺寸见相关装配图及零件图。 （1）开启过程：设额定排放压力pn=16MPa，开启压力pk=14MPa，先导阀弹簧刚度为Kx=2mm、预压缩量为X0=mm，主阀弹簧刚度y20N/mm、预压缩量y0=40mm额定流量qn=120L/min，主阀芯与阀孔间的摩擦力为Ff，上、下腔的液压力分别为p2和p1，而其上下有效作用面积分别为A2和A1A2=1055 mm2； A1=1016 mm2=1.04 (符合在1.031.05 之间的条件)主阀芯自重为：G=mg=0.189.8=1.764N，先导阀孔座面积为：Ac=14.85 mm2稳态时的主阀开度y=0.4mm，则：A. 当液压系统压力p1低于先导阀的开启压力pk时，先导阀保持关闭。根据1此时主阀芯受力条件为A1 p1 A2 p1+Kyy0+G+Ff (3-4)式中KX、Ky分别为先导阀弹簧和主阀弹簧的刚度（N/m）；X0、y0分别为先导阀弹簧和主阀弹簧的预压缩量（m）。此时阀口仍关闭。B. 当系统压力上升到先导阀的开启压力时，先导阀处于即将开启但未开启的状态，主阀芯受力关系仍为式（3-4）C. 当系统压力升高超过先导阀开启压力时，先导阀打开，液压油经由阻尼孔流向先导阀再流回油箱。此时主阀芯上下两腔将产生压力差，但尚未到达足以抬升主阀芯的程度，根据1主阀芯的受力方程为：A1 p1q A2 p2q+Kyy0+G+Ff （3-5）D. 当系统压力上升到主阀开启压力时，通过阻尼孔的流量增大，产生的压力差使主阀芯处于平衡状态：根据1有力平衡方程：A1 p1n = A2 p2n + Kyy0+G+Ff （3-6） 图3-6 先导型溢流阀示意图E. 当系统压力高于主阀开启压力时，主阀开启，根据1其受力为= A2 p2+Ky（y0+y）+G+Ff （3-7）式中，y 为主阀口的开度（m）；为液体入射角，近似等于维阀半维角=38.5（0）；D1=16为主阀座孔直径（m）; 根据7主阀口流量系数C1=0.77.8(取.8)为。F. 当系统压力升到调定压力时，阀内通过额定流量，根据1此时主阀芯受力方程为：= A2 p2n+Ky（y0+y）+G+Ff （3-8）到此，溢流阀开启完成。(2) 闭合过程：其过程与开启过程相反，但各关键点相似，不同的是由于摩擦力方向改变，造成阀口的关闭压力比相应的开启压力要小。(3) 静态特性关系式先导型溢流阀在稳态溢流条件下，满足下列关系式：A.根据1，主阀口出流方程式为（m3/s） (3-9)式中，p1为受控压力（a），油液密度=900（kg/m3）,其他参数意义同前。.主阀芯受力平衡方程式： A2 p2Ky（y0+y）+GFf（）（3-10）式中，Ff开启时取正号，闭合时取负号；其余参数意义同前。C. 通过主阀芯阻尼孔的流量方程式：阻尼孔结构为细长孔，根据3其流量q= (m3/s) (3-11)式中阻尼孔截面积A0=0.785（m2）; 根据3阻尼孔的流量系数C=0.82。D. 先导阀口出流方程式根据1有：q= (m3/s) (3-12)式中，根据3先导阀流量系数C2=0.77，先导阀阀座孔直径d=4 (mm);x为先导阀阀口的轴向开度（m）；先导阀芯的半锥角=20（0）。E. 先导阀芯受力平衡方程式根据1有：Ac p2Kx（x0+x）（） （3-13）式中，各参数意义同前。(4) 溢流阀内泄漏量：根据10按偏心环状缝隙的流量公式来计算： q= (cm3/s) (3-14)式中，主阀芯直径 D=4（cm）主阀芯直径与阀体间的单边配合间隙 r=0.005（cm）公称压力 Pg=16Mpa=16/0.09807163.15（kgf/cm2）油液动力粘度 （kgf.s/cm2）主阀芯与阀体的配合长度 =1.5（cm）处均压槽数 Z=7均压槽宽 B=0.05（cm）则： q=1.7610-3 (cm3/s)3.3溢流阀的基本应用（1） 稳压溢流回路：溢流阀和定量泵、节流阀并联，阀口常开。（如图3-7所示）在采用定量泵的液压系统中，溢流阀与节流元件及负载并联，泵的供油量大于节流阀通道的需求量，此时，溢流阀作定压阀使用，阀口常开，使多余的油液回油箱，以保持节流阀进口的系统压力基本为恒定值。（2） 安全限压回路：溢流阀和变量泵组合，正常工作时阀口关闭,过载时打开压力油经阀口回油箱，油压不再升高,起安全保护作用,故又称安全阀。（如图3-8所示） 图3-7稳压溢流回路 图3-8 安全限压回路（3）远程调压回路：将先导式溢流阀的远程控制口K接远程调压阀进油口，并 p远程 p主调（如图3-9所示）（4）系统卸荷回路：溢流阀和二位二通阀组合（先导式）（如图3-10所示）将先导式溢流阀的遥控口K通过二位二通电磁换向阀直接与油箱连接，当换向阀的P、O口处于联通状态时，系统卸荷（5）多级调压回路（如图3-11所示）（6）形成背压 图3-9远程调压回路 图3-10系统卸荷回路图3-11多级调压回路 34 溢流阀的组成部分溢流阀由溢流阀和单向阀组成。当系统压力达到溢流阀的开启压力时，溢流阀开启，泵卸荷；当系统压力降至溢流阀的关闭压力时，溢流阀关闭，泵向系统加载。使泵卸荷时的压力称为卸荷压力，使泵处于加载状态的压力称为加载压力。溢流阀包括调节杆、调压螺帽、先导阀心、先导阀座和主阀座。3 5溢流阀的零件351 调节杆及其加工1 . 调节杆的加工编程： O0001 %1 M3 S 600 T0101G0 X18 Z0G1 X-0.5 F80G0 X16 Z2G71 U1 R1 P10 Q20 X0.5 Z0.1 F100G0 X100 Z2M3 S1500 T0101N10 G0 X0 Z2 G1 Z0 F100 G3 X8 Z-2 R5 G1 Z-32 X12X14 Z-33Z-68N20 X16 G0 X100 Z100 M5 M0 M3 S500 T0202 G0 X15 Z-46 G1 X8 F20 G4 P1 G0 X16 Z-67 G1 X5.3 F20 X15 F150 Z-64 X5.3 F20 X15 F150 Z-61 X5.3 F20 X15 F150 Z-58 X5.3 F20 X15 F150 Z-56 X14 X12 Z-57 F20 X5 Z-67 X-0.5 F15 G0 X100 Z100 M5 M302.工具夹紧 应用在数控车床上的卡盘有很多种,包括二爪卡盘、三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘等。此零件加工应用的是三爪自定心卡盘（以下零件都是应用三爪自定心卡盘）。如图： （1） 将卡盘夹住工件的右边15mm17mm，先加工直径为14mm，长度42mm的圆柱。然后加工直径为8mm，长度为32mm的圆柱。再加工半径为5的球。最后倒角。（2） 拆卸工件，用卡盘夹住左边32mm，先加工直径为14mm，长度为21mm的圆柱。然后加工直径为5mm，长度为10mm的圆柱。再倒角。换一把切槽刀，最后切直径为8mm，长度为4mm的槽。3.5.2调压螺帽及其加工 1. 调压螺帽的加工编程： O0002 %1M3 S600 T0101G0 X45 Z0G1 X-0.5 F100G0 X44 Z2G71 U1 R1 P10 Q20 X0.5 Z0.1 F100G0 X100 Z2M3 S1500 T0101N10 G0 X40 Z2 G1 Z0 F100 X42 Z-1 Z-18 N20 X44G0 X100 Z100 M5M30 O0002 %2M3 S600 T0101G0 X45 Z0 G1 X18 F100G0 X44 Z2 G71 U1 R1 P10 Q20 X0.5 Z0.1 F100G0 X100 Z2 M3 S1500 T0101N10 G0 X30 Z2G1 Z0 F100X32 Z-1 Z-18 X40X42 Z-19N20 X44G0 X100 Z100M5M0M3 S600 T0404G0 X20 Z2G71 U1 R1 P30 Q40 X-0.5 Z0.1 F100G0 Z5M3 S1500 T0404N30 G0 X24.5 Z2G1 Z0 F100X22.5 Z-1Z-18N40 X20G0 Z2 X100 Z100M5M0M3 S600 T0303G0 X22 Z4G76 C1 A60 I0 P0 K0.93 X24Z18 U-0.1 V-0.1 Q0.4 FI.5G0 Z2X100 Z100M5M302. 工具夹紧(1) 将卡盘夹住工件的左端10mm-13mm，用外圆刀加工直径为32mm，长度为18mm的圆柱。然后倒C2的角。换一把内镗刀，加工直径为22.5mm，长度为18mm的孔。再加工直径为20mm，长度为10mmd的内孔。换一把内螺纹刀加工M241.5，长度为18mm.。(2) 拆卸工件，将卡盘夹住右端12mm14mm。用外圆刀加工直径为42mm，长度为17mm的圆柱。3.5.3先导阀芯及其加工1. 先导阀芯加工编程:O0003%1M3 S600 T0101G0 X13 Z0 G1 Z-0.5 F100G0 Z12 X2 G71 U1 R1 P10 Q20 X0.5 Z0.1 F100G0 X100 Z2 M3 S1500 T0101N10 G0 X5 Z2 G1 Z0 F100Z-10N20 X10G0 X100 Z100M5 M30O0003%2M3 S600 T0101G0 X13 Z0 G1 Z-0.5 F100G0 X12 Z2G71 U1 R1 P10 Q20 X0.5 Z0.1 F100G0 X100 Z2M3 S1500 T0101N10 G0 X0 Z2 G1 Z0 F100X10 Z-14 N20 X12 G0 X100 Z100M5M302. 工具夹紧 （1） 将卡盘夹住工件的左端面，用外圆刀加工角度为39。换一把切槽刀，加工直径为5mm，长度为10mm的圆柱。在切断长度为24mm 。3.5.4 先导阀座及其加工1. 先导阀座的加工编程:O0004%1 M3 S600 T0101G0 X21 Z0G1 X-0.5 F100G0 X20 Z2 G71 U1 R1 P10 Q20 X0.5 Z0.5 F100G0 X100 Z2M3 S1500 T0101N10 G0 X12 Z2 G1 Z0 F100X14 Z-1Z-12 X18Z-25N20 X20 G0 X100 Z100M5M0 M3 S500 T0202G0 X18.5 Z-24G1 X-0.5 F15(切断)G0 X100Z100M5M30 2. 工具夹紧 （1） 将卡盘夹住工件的左端3mm5mm ,用外圆刀加工直径为18mm，长度为8mm的圆柱。在用内镗刀加工直径为2mm，长度为12的孔。 （2） 拆卸工件，卡盘夹住右断5mm，用外圆刀加工直径为14mm，长度为12mm的圆柱。再倒角。用内镗刀加工直径为4mm，长度为9mm的孔。在倒内角。在加工角度39。长度为2mm。3.5.5主阀座及其加工1 主阀座的加工编程:O0005%1M3 S600 T0101G0 X43 Z0 G1 X10 F100G0 X42 Z2G71 U1 R1 P10 Q20 X0.5 Z0.1 F100G0 X100 Z2M3 S1500 T0101N10 G0 X38 Z2G1 Z0 F100X40 Z-1Z-20 N20 X42G0 X100 Z100M5M0 M3 S600 T0404G0 X15 Z2G71 U1 R1 P30 Q40 X0.5 Z0.1 F100G0 Z5M3 S1500 T0404N30 G0 X30 Z2G1 Z0 F100X16 Z-7.5006Z-16X15Z2X100 Z100M5 M30 O0005%2M3 S600 T0101G0 X43 Z0G1 X15 F100G0 X38 Z2G1 Z0 F100X40 Z-1G0 X100 Z100M5M0M3 S600 T0404G0 X15 Z2G71 U1 R1 P10 Q20 X-0.5 Z0.1 F100G0 Z5M3 S1500 T0101N10 G0 X20 Z2G1 Z0 F100X16 Z-2N20 X15G0 Z2X100 Z100M5M30(以上程序中T0101为外圆刀,T0202为切槽刀,T0303为外螺纹刀,T0404为内螺纹刀。)2 工具夹紧（1） 先加工直径为40mm, 长度为15mm的工件。将卡盘夹在工件的左端8mm，用镗刀加工直径为16mm的