矿压水自拍系统换向阀设计

本 科 毕 业 设 计（论文） 题目 矿压水自排系统自动换向阀设计院（系部） 机械与动力工程系 专业名称 机械设计制造及其自动化 年级班级 机制08五班 学生姓名 孙开元 指导教师 郑建新 年 月 日河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘要地下水有两种不同的埋葬类型，即埋葬在第一个稳定隔水层之上的潜水和埋葬在上下两个稳定隔水层之间的承压水。随着矿井开采深度的不断增加，当达到承压水位置时，因受到静水压力的影响，则承压水会涌入矿井，造成突水事故，其突水后水位的高度有承压水的压力决定。在煤矿生产中，突水是仅次于煤矿瓦斯突出的严重事故。因此对矿井突水的防治就尤为重要。其中主要措施有1.地面防水，包括修筑防洪沟、河流改道或河流防渗、封填老井口；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、利用巷道疏干降压。限于技术条件，目前还无法辨别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，但是用泵排水耗电大，成本高，且需要专人值班，手动启停，安全性差。矿压水自排系统可以解决这一技术问题，它可以自动的激昂承压水排到井上，无需额外的能源，也无需人工管理。本设计就是矿压水自排系统中的重要部件，它承载着系统换向的关键功能。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AbstractIn coal production，Water inrush is a serious accident only the second to coal mine gas outburst。So the prevention of sudden water-related disasters is significantful，and The underground pre- drainage is one of the main measures of prevention and control of water inrush accident。The design relates to a valve , in particular, involving a new type of mine pressurized water from the drainage system in the two four-way automatic valve，and it is an important part of the system。Now centrifugal pumps and submersible pumps is useful，but pumps water system is power consumption and high cost，and need someone on duty、 manual start and stop equipment。For this specification, the two four-way directional control valve plays a very important role，it can be used to transfer three different mine confined water pressure and valve plate wear-resistant, corrosion resistant, high shock resistance and a three-level flat sealing, realize the advantages of strictly leakage。It can adapt to different water quality and pressure of automatic transmission of confined water in mine and confined water of small energy loss during transmission, and perfect coordination, implementation of artesian water in underground green emission。It is designed to be the exploration of underground water bursting clear, through the exhaust system back to the ground. Significantly reduce the possibility of water inrush accident occurred.Key words two four-way automatic valve mine confined water emissions low energy consumption green emission目录1绪论11.1毕业设计的意义11.2选题背景及意义21.3矿压水形成的原因31.4基本原理简述52二位四通换向阀的设计72.1换向阀种类的选取72.2换向阀的基本结构82.3自动换向系统的工作原理123二位四通自动换向增压装置的设计143.1缸筒的设计143.1.1缸体的材料143.1.2缸体的技术要求143.1.3缸筒内径D的计算153.1.4结构的设计153.1.5缸筒的壁厚选取163.2缸盖的设计163.2.1缸盖的材料163.2.2缸盖的技术要求173.3柱塞杆的设计和尺寸计算173.3.1柱塞杆的作用173.3.2柱塞杆的材料173.3.3柱塞杆的技术要求183.3.4柱塞杆的结构设计183.3.5柱塞杆的设计计算193.3.6柱塞杆上密封圈的选择193.4液压缸油口的设计203.4.1管接头的选用203.4.2进出油口直径计算203.5蓄能器的设计及尺寸的计算213.5.1蓄能器的作用和原理结构213.5.2弹簧与限位钢球223.6螺纹连接的选用223.7柱塞杆上密封圈的选择233.8拨叉的设计233.8.1拨叉的材料233.8.2拨叉的尺寸计算243.9自动换向增压装置与左壳体的连接形式243.9.1埋弧自动焊焊缝的形成过程243.9.2埋弧自动焊的优点：244二位四通换向阀换向装置的设计264.1换向装置的工作原理和基本结构264.2换向轴的设计274.2.1换向轴的作用和结构274.2.2换向轴尺寸大小的选择284.3轴承的作用与选择294.3.1推力轴承的选择304.4左右陶瓷换向阀片的设计304.4.1陶瓷换向阀片的优势304.4.2陶瓷阀芯的特点324.4.3结构设计334.4.4陶瓷阀片的工作原理和简图334.4.5 阀门的结构设计需注意的几点354.4.6尺寸的简单确定364.5右端盖的设计364.5.1右端盖的作用364.5.2右端盖的形状和结构的设计364.6右端盖管接头的选择374.7右端盖尺寸的计算384.8右密封垫圈的选择384.9左密封垫圈的选择395油液的选取和污染的控制405.1油液的选取405.2污染的危害405.3污染控制的主要措施416液压系统中需要重视的几个问题436.1液压元件的失效方式436.2液压系统设计中的节能问题446.2.2液压系统中的能耗损失的分类446.2.3节能的主要途径446.3液压系统中的冲击、震动和噪声控制456.3.1液压冲击：456.3.2防止液压冲击的措施456.3.3振动和噪声的污染476.3.4振动和噪声的防治和改进措施47结 论49致 谢51参考文献5271绪论1.1毕业设计的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。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。1.2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。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。1.3矿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。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18%41%，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18.85%。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。1.4基本原理简述矿井承压水自排水系统的工作原理矿井承压水自排系统的工作原理为：先通过左注油单29以规定的压力向换向阀套24左端注入压力油，推动换向阀芯25至右端，再通过右注油单向阀32以规定的压力向换向阀套24右端注入压力油（亦可通过右注油单向阀32以规定的压力向换向阀套24右端注入压力油，推动换向阀芯25至左端，再通过左注油单向阀29以规定的压力向换向阀套24左端注入压力油）。打开总开关50，矿井承压水管道52内的承压水通过水管42及其上的第一单向阀34、水管43及其上的第二单向阀35进入左缸体3和右缸体5，然后打开工作开关49，矿压水通过进水管48、换向阀套24上的进水口19并经换向阀套24上的进出水口20、水管46进入环形空腔11，推动左柱塞8、中间活塞9和右柱塞10体往右运动，使环形空腔12内的水经水管47、换向阀套24上的进出水口21和排水口23流入水仓；右柱塞10向右运动使右缸体4里面的水压力升高，迫使第二单向阀35关闭、第四单向阀37打开，高压水经过第四单向阀37流入高压水管道51，再经高压水管道51送到地面。同时第一单向阀34处于打开状态，第三单向阀36处于关闭状态。右柱塞10运动到右端，其端部的凹槽18推动右液压油油缸14的小柱塞16向右运动，通过右输油管33使换向阀套24右端压力升高，由右蓄能器31蓄能，达到一定压力后，换向阀芯25克服限位钢球26的阻力向左移动，实现换向。矿井承压水经过换向阀套24上的进水口19和进出水口21、水管47进入环形空腔12，压力推动右柱塞10、中间活塞9和左柱塞8一体往左运动，环形空腔11内的水经换向阀套24上的水管46、进出水口20、排水口22流入水仓；左柱塞8向左运动使左缸体3里面的水压力升高，第一单向阀34关闭，第三单向阀36打开，高压水经过第三单向阀36流入高压水管道51，再经高压水管道51送到地面。同时，第二单向阀35处于打开状态，第四单向阀37处于关闭状态。左柱塞8运动到左端，推动左液压油油缸13的小柱塞15向左运动使换向阀套24左端压力升高，由左蓄能器28蓄能，达到一定压力后，换向阀套24里的换向阀芯25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。2二位四通换向阀的设计2.1换向阀种类的选取换向阀是利用阀芯与阀体的相对运动，改变阀体上各油路的通断状态，从而控制油路连通、断开或改变液流方向，实现液压执行元件及其驱动机械的启动、停止或变换运动方向。液压传动系统对换向阀性能的主要要求是：油液经换向阀时压力损失要小；互不相通的油口间的泄漏要小；换向要平稳、迅速且可靠。换向阀的种类很多这里我们选用两位四通的换向阀即可满足设计要求。两位四通换向阀的职能符号如1图1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。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。2.2换向阀的基本结构本矿压水自排系统换向阀是一种二位四通的液动换向阀，包括阀体（2）、与阀体（2）一端可拆卸连接的阀盖（1）、与阀体（2）另一端可拆卸连接的左壳体（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；本设计用来传输三种不同压力的矿井承压水，阀片采用陶瓷材料，耐磨耐腐蚀，抗冲击能力高：采用三级平面密封，可实现严格的无泄漏；换向通过自动换向增压装置来实现。1. 二位四通自动换向阀，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，阀芯传动连接有自动换向增压装置，其特征在于：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(0),分别与端盖(1)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(0)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(0)相连通。2.二位四通自动换向阀的箱体，其特征在于：所述端盖(1)与阀体(2)通过螺栓19固定连接，端盖(1)外端分别设有与通孔(P)、通孔(A)、通孔(B)和环形圆弧通孔(0)相连通的承压水常进水管接头(20)、增压缸左腔进出水管接头(38)、增压缸右腔进出水管接头(39)和承压水常出水管接头(21)。3.二位四通自动换向阀的增压装置，其特征在于：所述自动换向增压装置包括柱塞杆(24)、左路油缸(23)、左路油管接头(22)、右路油缸(35)、右路油管接头(37)、左蓄能器、右蓄能器、左连接套(26)、右连接套(34)；柱塞杆(24)轴线与阀芯轴线垂直，柱塞杆(24)设在左路油缸(23)和右路油缸(35)内，柱塞杆(24)上设有与左路油缸(23)和右路油缸(35)密封配合的密封圈(27),左路油缸(23)左端与左路油管接头(22)相连，右路油缸(35)右端与右路油管接头(37)相连；左路油缸(23)和右路油缸(35)通过螺栓(25)和(36)固定连接在左连接套(26)和右连接套(34)上；左连接套(26)和右连接套(34)焊接在左壳体(11)上；柱塞杆(24)中部设有与拨叉(13)传动连接的传动件(50)。4.二位四通自动换向阀换向装置，其特征在于：所述换向轴(10)设在左壳体(11)内，换向轴(10)上设有控制换向轴(10)的旋转角度的挡销(9),挡销(9)与左壳体(11)上的缺口配合，换向轴(10)右端设有十字凸台，陶瓷左阀片(5)左端设有十字凹槽，换向轴(10)与陶瓷左阀片(5)通过十字凸台和十字凹槽旋转配合，换向轴(10)左端通过螺母(15)与拨叉(13)固定连接；换向轴(10)通过径向安装的密封圈 (12)与左壳体(1 1)密封配合。5.二位四通自动换向阀密封连接，其特征在于：所述左壳体(11)和阀体(2)连接处设有密封垫(8),左壳体(11)通过螺栓(18)与阀体(2)固定连接；左壳体(11)右端通过设在阀体(2)内的推力轴承(7)、左密封垫(6)与陶瓷左阀片(5)配合，推力轴承7内圈与定位套(17)配合；左壳体(11)左端通过螺栓(16)与盖板(14)固定连接；左壳体(1 1)左端通过焊接方式与自动换向增压装置固定连接。6.二位四通自动换向阀换向左储能装置，其特征在于：所述左蓄能器包括左限位钢球(28),左弹簧(29)和左螺杆(30),左螺杆(30)通过左弹簧(29)与左限位钢球(28)顶压配合，柱塞杆(24)上设有四个限位钢球槽(51),左限位钢球(28)与左侧两个限位钢球槽(51)配合。7.二位四通自动换向阀换向右储能装置，其特征在于：所述右蓄能器包括右限位钢球(33),右弹簧(32)和右螺杆(31),右螺杆(31)通过右弹箦(32)与右限位钢球(33)顶压配合，柱塞杆(24)上设有四个限位钢球槽(51),右限位钢球(33)与右侧两个限位钢球槽(51)配合。8.二位四通自动换向阀中的孔，其特征在于：所述通孔(P)、通孔(A)、通孔(B)、环形圆弧通孔(0)、环形圆弧槽(PA)和环形圆弧槽(PB)的中心线均与阀体(2)的中心线平行且距离相等。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37-右路油管接头 36-螺栓 35-右路油缸 34-右连接套 33-右限位钢球 32-右弹簧 31-右螺杆 11-左壳体 18-螺栓 13-拨叉 15-螺栓 30-左螺杆 29-左弹簧 28-左限位钢球 27-密封圈 28-左连接套 25-螺栓 22-左路油管接头 23-左路油箱 24-柱塞杆 50-传动件 51-限位钢球槽2.3自动换向系统的工作原理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。3二位四通自动换向增压装置的设计3.1缸筒的设计3.1.1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，且不能够调质，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，粗加工后调质。一般情况下，均采用45钢，并应调质到241285HBW。所以本设计选用45钢为缸体材料。3.1.2缸体的技术要求缸体的内径采用H8、H9配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封圈密封时，R=0.10.4，当活塞采用密封环密封时R=0.20.4。且均需要衍磨。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，螺纹应取为6级精度的米制螺纹。为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内表面应镀以厚度为3040的铬。3.1.3缸筒内径D的计算根据公式D= （31-1）其中D为缸筒内径 F为液压缸输出力 P为工作压力取弹簧钢珠提供的阻力则F=2=150N供油管提供的压力油没3mp则P=3mpD=8mm取摩擦副之间的微小间隙为0.02mm则柱塞杆的直径=7.98mm3.1.4结构的设计活塞缸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。 计算缸筒L=2+2+2 （31-2）为密封套件的长度 为限位钢球槽到挡块的距离 取=20mm =20mmL=2+2+2=104.6mm3.1.5缸筒的壁厚选取根据参考文献【4】由于工作压力p16mpa系统为低压系统选取公式 （31-3）由于p16Mpa则=1.5p计算出=4.5Mpa缸筒选用45钢查表得=6Mpa=3mm则缸筒外径为D=D+2=14mm3.2缸盖的设计3.2.1缸盖的材料液压缸缸盖可用35、45号钢或ZG270-500，ZG300-570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。3.2.2缸盖的技术要求 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0.03mm。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0.04mm。导向孔的表面粗糙度应不超过Ra1.6m。3.3柱塞杆的设计和尺寸计算3.3.1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。3.3.2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。3.3.3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0.4m。工作表面的直线度误差在500mm长度上不大于0.03mm。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0.05mm，镀后抛光。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。3.3.4柱塞杆的结构设计柱塞杆如图所示1-密封槽 2-限位钢球槽 3-传动件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。3.3.5柱塞杆的设计计算取拨叉的长=24mm拨叉的转动角度为则柱塞杆的行程长度=12.3mm挡块取宽mm直径mm则两限位钢球槽间距为=12.3mm计算柱塞杆L=2+2为限位钢球槽到挡块的距离取=20mmL=2+2=64.6mm3.3.6柱塞杆上密封圈的选择因为工作压力不大就经济性选择O型密封圈根据参考文献【4】表6-43选取80.14 G GB 3452.1923.4液压缸油口的设计3.4.1管接头的选用管接头的作用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。由于焊接式管接头适用于油、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，故进出水关口均采用焊接式管接头。管接头3.4.2进出油口直径计算 （34-1）D液压缸内径液压缸最大输出速度m/min油口液流速度，m/s，一般不大于5m/s根据参考文献【4】取=18m/min =1m/s=4.4mm3.5蓄能器的设计及尺寸的计算3.5.1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：蓄能器3.5.2弹簧与限位钢球钢球直径取2mm因为F=75N压力角为45则计算出弹簧作用于钢球的压力F=75N根据参考文献【5】中GB/28891994选用压缩弹簧3.6螺纹连接的选用缸筒承受的最大拉应力=3Mpa=300N/mm选用螺纹为M5普通螺纹=19.6mm （36-1） 其中Q为外载荷Z为螺栓数Q=A=5880N=1470N根据螺栓的受力情况选用合适的标准件即可3.7柱塞杆上密封圈的选择因为工作压力不大就经济性选择O型密封圈根据参考文献【4】表6-43选取80.14 G GB 3452.1923.8拨叉的设计3.8.1拨叉的材料拨叉的材料为铸铁，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，拨叉只要就是起到一个传递扭转力的作用。3.8.2拨叉的尺寸计算由前面的计算和取值得，拨叉的长=50mm，其中有效长度取为34mm，拨叉的转动角度为，由于挡块的宽度为3mm，取拨叉的开口宽度为4mm，拨叉的宽度为10mm，卡口处的厚度取4mm，连接处的厚度取12mm。3.9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。3.9.1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。3.9.2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5-10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度。4二位四通换向阀换向装置的设计4.1换向装置的工作原理和基本结构结构简图如下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基本结构：所述阀芯包括通过右密封垫(3)与端盖(l)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(0)，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(0)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(0)相连通。4.2换向轴的设计4.2.1换向轴的作用和结构本设计中的换向轴承担了传递换向动力的作用。首先为了和拨叉连接需要在换向轴的右部设计出一个连接用的凸台，凸台的端面需攻出内螺纹用于螺栓连接固定拨叉。在凸台上设计出键槽用于和拨叉配合。换向轴中部设置两个密封环保证密封性能。换向轴上做出一个挡销配合左壳体上的槽来精确控制换向轴的转动角度。换向轴右端有十字形的凸台，陶瓷左阀片左端设有十字形凹槽，换向轴与陶瓷左阀片通过十字凸台和十字凹槽旋转配合。换向轴的外圆为工作平面，则换向轴外圆表面需有一定的粗糙度和圆度来保证换向轴与左壳体的配合精度。右侧的十字形凸台需要与陶瓷左阀片配合也需要一定的配合精度。另外换向轴承受换向扭矩需要计算出轴在危险截面的最小直径并对轴的疲劳强度、扭转刚度进行校核，从而保证换向轴工作的安全性。换向轴的结构如图所示换向轴4.2.2换向轴尺寸大小的选择计算换向轴危险截面的直径轴的扭矩计算T=FL=1.50.024=3.6 (42-1)轴在危险截面的直径确定d （42-2）由于转向轴为实心轴则r=0查得45钢的许用剪切应力为6mpad=mm则根据设计制造需要选取d=10mm 大直径d=20mm取挡销直径为4mm取换向轴的有效长度为62mm，端部凸缘直径为10mm，十字凹槽的有效总长度取为35mm。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GB3452.1-92O形密封圈内径、截面直径尺寸及公差其尺寸如下表：单位：mmd1d2内径极限偏差204.3轴承的作用与选择由于换向轴带动陶瓷左阀片做旋转运动来进行换向动作，为了减小旋转运动的阻力，减小陶瓷阀片与左壳体的摩擦在左阀片的左平面选择安装轴承来减小摩擦。且为了使左右两陶瓷阀片紧密配合需要一定的压力作用，那么这个轴承需要选用推力轴承来满足设计要求。推力球轴承采用高速运转时可承受推力载荷的设计,由带有球滚动的滚道沟的垫圈状套圈构成。另外，这种轴承可承受轴向载荷，但不能承受径向载荷。这样推力轴承既可以减小阀片与壳体的摩擦又能承受压力使左右两陶瓷阀片紧密配合减少承压水的泄露。在推力内圈中设置定位套保证推力轴承固定在阀体中。4.3.1推力轴承的选择初取常进水管内径为16mm，左腔出水管口的内径也是16mm，由所给数据，进出水口的压强只差大约为2.5mpa。故液体水对阀片的压力大概为F=（-）A =2.50.5N (43-1) =1531.25N 由于所选的轴承直径D比较大，初选为90mm根据设计和安装需要选用标准件推力轴承根据参考文献【4】表15-25推力球轴承（GB/T30195）8400型51210D=90 d=55 T=22 C动载荷为41.89KNC静载荷为96.92KN公差选择根据简明机械设计手册表15-18轴公差带j6 座孔公差带H84.4左右陶瓷换向阀片的设计4.4.1陶瓷换向阀片的优势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。金属材料作为阀芯具有易腐蚀、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可解决这一问题。工程陶瓷作为特种陶瓷，它在成分上，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，等陶瓷材料比较合适于工业产品零件，其共同特点是熔点高、硬度高、化学稳定性和抗氧化性好等。 从表1可看出，集中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，选用韧性稍微好的材料比较合适，而且来源广泛，价格低廉，硬度高，耐磨损，适合于制造相互接触型的密封件。密度硬度抗弯强度耐压强度断裂韧性最高使用温度热膨胀系数3.729635020688.061758.25.658473521007.1321009.63.19355031384.616504.8表1 几种陶瓷材料的主要性能4.4.2陶瓷阀芯的特点 密封性能好 阀门密封元件的主要功能是阻止或限制液体的泄露,阀门的密封性能是评价产品质量的一个重要指标.采用工程陶瓷材料作为密封的副材料,可充分利用陶瓷材料的表面特性.与金属材料表面一样,尽管陶瓷材料表面经研磨加工后表面粗糙度较低,在表面上仍存在微观不平衡性,也存在很多微凸体.在密封面结合的初始阶段,也会经历微凸点磨合和整个平面磨合和整个表面磨合的阶段.经过一段时间后,两接触面进入正常的密封状态,这时的接触间隙减少到最低限度,从而保证换向阀良好的密封性能. 换向性能好 此换向阀的换向动作主要是通过心轴带动转动活动阀芯的.由于两阀芯的接触面为表面粗糙度很低的平面,因而在阀芯转动时,其摩擦力小,又由于心轴的转动角度为30度,换向阀动作迅速,灵活,无噪声使液体进入阀芯后能使出口的流量由零调到最大值,或由最大值调到零. 耐腐蚀性能强 由于选择了工程陶瓷材料