机械毕业设计1570液压控制阀的理论研究与设计 (2).doc
机械毕业设计1570液压控制阀的理论研究与设计 (2)
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机械毕业设计1570液压控制阀的理论研究与设计 (2),机械毕业设计论文
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1 1 引言 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。 2008年 1月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。本文是我在指导老师和同学们的帮助下，结合自身所学知识所得拙劣之作，主要记录了关于 液压控制阀的理论研究与设计 的过程，论文附有系统装配图，以便于使用人员对系统有更加直观的了解。在学校的图书馆，我查阅了许多有价值的资料，对于其中的英文文献 部分，由于鄙人外文水平有限，理解上有可能存在偏差或者错误，有幸的是在毕业设计的过程中，老师和同学的帮助使我有机会更正了其中的部分偏差和错误，这对我以后的成长无疑是有帮助的。通过这次设计实践，我对液压系统的组成、结构有了深入的了解。在对 液压控制阀 装配图的绘制过程中，我遇到了许多实际性的问题，明白作为一个设计人员，不仅要对理论原理有所了解，还要考虑实际的装配工艺性问题，这是我此次设计的最大体会。由于设计时间和本人的设计水平有限，还有很多方面考虑不是很周详，敬请阅读本文的各位专家予以指正。 1.1 液压技术的发展 历史 nts 2 液压传动和气压传动称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。 1795 年英国约瑟夫 布拉曼 (Joseph Braman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质 ,以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905 年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。 第一次世界大战 (1914-1918)后液压传动广泛应用，特别是 1920 年以后，发展更为迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的 20 年间才开始进入正规的工业生产阶段。 1925 年维克斯发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动 的逐步建立奠定了基础。 20 世纪初康斯坦丁 尼斯克对能量波动传递所进行的理论及实际研究 ;1910 年对液力传动 (液力联轴节、液力变矩器等 )方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。 第二次世界大战 (1941-1945)期间，在美国机床中有 30%应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后，日本迅速发展液压传动， 1956 年成立了 “液压工业会 ”。近 2030 年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。 20 世纪 60 年代以来，液压技术随着原子能、空间技术、计算机技术的发展而迅速发展，并渗透到各个工业领域中。液压技术开始向高速、高压、大功率、高效率、低噪声、经久耐用、高度集成化的方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助设计 (CAD)、计算机辅助测试 (CAT)、计算机直接控制 (CDC)、机电一体化技术、可靠性技术等方面也是当前液压传动及控制技术发展和研究的方向。 1.2 我国液压阀技术的发展概况 我国的液压工业开始于 20世纪 50年代，最初只应用于机床和锻压设备上，后来又用于拖拉机和工程机械。现在，我国的液压元件随着从国外引进一些液压元件、生产技术以及进行自行设计，现已形成了系列，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。尽管如此，我国的液压元件与国外先进的同类产品相比，在性能上，在种类上、在规格上仍存在着较大的差距。 nts 3 液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用 的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。 我国已瞄准世界发展主流的液压元件系列型谱，有计划地引进、消化、吸收国外最先进的液压技术和产品，大力开展产品国产化工作。我国的液压技术在 21世纪必将获得更快的发展。 1.3 本课题的目的及研究范围 本课题的目的是为了对 液压控制阀的理论 进行深入的 研究 ，找出他们原理，结构，性能之间的联系和区别，提炼出重点的内容，为设计和优化 液压控制阀打下坚实的基础。本课题 研究范围 是 液压控制阀，重点对溢流阀 1、减压阀及顺序阀 的 工作原理、结构特点、型号说明、应用情况进行阐述， 以及结合 CAD 技术对液压阀的设计 2，重点是对溢流阀的优化设计，使溢流阀的静、动态性能得到了明显的改善 ,取得了显著的经济效益。 1.4 本章小结 通过本章的介绍，主要讲述了国内外 液压技术的发展以及应用的各个领域，为本设计做 了一个详细的开题报告。 nts 4 2 压力控制阀的 调压原理与 分类 2.1 压力控制阀的 调压原理 在压力阀控制压力的过程中，需要解决压力可调和压力反馈两个方面的问题。 2.1.1 压力可调 调压是指以负载为对象，通过调节控制阀口（或调节油泵的变量机构）的大小，使系统输给负载的压力大小可调。调压方式主要有以下三种： （ 1）流量型油源并联溢流式调压 定量泵 Q0 是一种流量源（近似为恒流源），液压负载可以用一个带外部扰动的液压阻抗 Z 来描述，负载压力 pL 与负载流量 QL 之间的关系为 pL=QLZ 显然，只有改变负载流量 QL 的大小 才能调节负载压力 pL。用定量泵向负载供油时，如果将控制阀口 Rx 串联在油泵和负载之间，则无论阀口 Rx 是增大还是减少，都无法改变负载流量 QL 的大小，因此也就无法调节负载压力 pL。只有将控制阀口 Rx 与负载 Z 并联，通过阀口的溢流（分流）作用，才能使负载流量QL 发生变化，最终达到调节负载压力之目的。这种流量型油源并联溢流式调压回路如图 2-1(a)所示。 （ 2）压力型油源串联减压式调压 nts 5 图 2-1 不同油源的调压方式 (a)流量型油源并联溢流式调压 (b)压力型油源串联减压式调压 如果油源换成恒压源 ps（例 如用恒压泵供油），并联式调节不能改变负载压力。这时可将控制阀口 Rx 串联在压力源 ps 和负载 Z 之间，通过阀口的减压作用即可调节负载压力 pL： pL=pS/（ RX+Z） 式中： pR 控制阀口 RX 上的压差。 压力型油源串联减压式调压回路如图 2-1(b)所示。 2.1.2 压力负反馈 压力的大小能够调节，并不等于能够稳压。当负载因扰动而发生变化时，负载压力会随之变化。压力的稳定必须通过压力负反馈 4来实现。 压力负反馈控制的核心是要构造一个压力比较器。压力比较器一般是一个减法器，将代表期望压力大小的指令信号与代 表实际受控压力大小的压力测量信号相减后，使其差值转化为阀口液阻的控制量，并通过阀口的调节使期望压力与受控压力之间的误差趋于减小，这就是简单的压力负反馈过程。 nts 6 2.2 压力控制阀的分类 压力控制阀 分为 溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器 2.3 我国引进的德国力士乐公司压力阀系列 Rexroth 力士乐压力阀 溢流阀： DBD， ZDB， Z2DB， DB-4X/W65， DBW-4X/W65， DB-5X， DBW-5X， 减压阀： DR6DP， DR10DP， ZDR， DR-4X， DR-5X， DR10K， 流量控制阀： 2FRM， 2 通流量控制阀，（插装阀），通径 6。 2FRM， 2 通流量控制阀。 Z2FRM，流量控制阀（叠加板阀） Rexroth 力士乐比例阀 比例换向阀： 4WRA， KKDSR1， 4WRE， 4WRZ， 4WRH， 5WRZ， 5WRH， 4WRK。 比例压力阀：比例溢流阀： DBE， ZDBE， DBEP， DBET， KBPS.9， DBETR。 比例减压阀： DRE， ZDRE， 3DREP， 3DRE。 Rexroth 力士乐伺服阀 伺服换向阀： 4WS2E， 4WSE2E， 4WSE3E。 控制换向阀： 4WRS， 4WRSEH， 4WRG， 4WRD， 4WRT。 2.4 本章小结 本章主要介绍了压力负反馈的调压原理以及我国引进德国博士力士乐公司的产品，以及比较典型的液压阀，大致介绍了 压力控制阀 的概况。 nts 7 3 溢流阀 3.1 溢流阀的结构和工作原理 根据“并联溢流式压力负反馈”原理设计而成的液压阀称为溢流阀。溢流阀的主要用途有以下两点： 1）调压和稳压。如用在由定量泵 5构成的液压源中，用以调节泵的出口压力，保持该压力恒定。 2）限压。如用作安全阀，当系统正常工作时，溢流阀处于关闭状态，仅在系统压力大于其调定压力时才开启溢流，对系统起过载保护作用。根据结构不同， 溢流阀可分为直动型和先导型两类。 3.1.1 直动型溢流阀 直动式溢流阀是作用在阀芯上的主油路液压力与调压弹簧力直接相平衡的溢流阀。如图 3-1 所示，直动型溢流阀因阀口和测压面结构型式不同，形成了三种基本结构：图 3-1(a)所示阀采用滑阀式溢流口，端面测压方式；图 3-1(b)所示阀采用锥阀式溢流口，同样采用端面测压方式；图 3-1(c)所示阀采用锥阀式溢流口，锥面测压方式，测压面和阀口的节流边均用锥面充当。但无论何种结构，直动型溢流阀均是由调压弹簧和调压手柄、溢流阀口、测压面等三个部分构成。 锥阀式直动型溢流阀 的结构如图 3-2 所示。阀芯在弹簧的作用下压在阀座上，阀体上开有进出油口 P 和 T，油液压力从进油口 P 作用在阀芯上。当液压作用力低于调压弹簧力时，阀口关闭，阀芯在弹簧力的作用下压紧在阀座上，溢流口无液体溢出；当液压作用力超过弹簧力时，阀芯开启，液体从溢流口 T流回油箱，弹簧力随着开口量的增大而增大，直至与液压作用力相平衡。调节弹簧的预压力，便可调整溢流压力。 当阀芯重力、摩擦力和液动力忽略不计，令指令力（弹簧调定力） F 调 S=KSxS0 时，直动式溢流阀在稳态下的力平衡方程为 nts 8 图 3-1 直动型溢流阀结构原 理图 (a)滑阀节流口，端面测压； (b)锥阀节流口，端面测压； (c)锥阀节流口，锥面测压 图 3-2 锥阀式直动型溢流阀 F=F 指 pA=Kx (3.1) 即 p=K(x0+x)/A Kx0/A（常数） (3.2) 式中： p（或 pL） 进口压力即系统压力（ Pa）； F 指 指令信号，即弹簧预压力（ N）； F 指 控制误差，即阀芯上的合力（ N）； A 阀芯的有效承压nts 9 面积（ m2）； K 弹簧刚度（ N m）； x0 弹簧预压缩量（ m）； x 阀开口量（ m）。 由式 (6.1)可以看出，只要在设计时保证 xJg 并且 JrJb 并且 JrJw nts 31 说明单纯形太大 ,则需要收缩 ,由最好点 Mg 与其余极点计算新的极点 Mi Mi=Mg+Mi/2i=0,1,?,8,i 然后由最好点 Mg 与新的极点 Mi 构成新的单纯形。不论在哪一种情况下 ,新的单纯形构造完成之后都重新确定最坏点、次坏点、最好点、反射点及相应的目标函数值 ;或通过数字仿真重新计算溢流阀的静、动态指标 ,计算各个极点的目标函数值。然后按照上述 4 种情况作出判断 ,再构造新的单纯形 ,如此反复 ,直 到完成优化过程。判断优化设计完成的准则是由 Ji-Jw 组成的向量的 2 范数小于某一预定值 ,即 (Ji-Jw)， i=0 这时说明 Jg为极小值 ,Mg 为极小点 ,则组成向量 Mg的溢流阀的结构参数为最优参数 ,优化过程结束。 动态优化设计是在静态结构设计的基础上进行的 ,假设 M 是由静态设计得到的被优参数组成的向量 ,则对优化设计变量的约束条件为 Mi-M100Hi=0,1,2,8,? 为了满足的不同静、动态性能要求 ,可以选取不同的权系数 w1、 w2;针对不同型号的溢流阀 ,可以使用不同的优化步长 H;考虑不同的优 化设计精度 ,可以设定不同的预定值。当取 w1=07 w2=03， =0001 =10 时 ,得到的优化设计结果如图所示 图 a 溢流阀 优化设计结果图 nts 32 6.2 结论 (1)基于 CAD 开发环境的液压元件设计 ,简便易行 ,可靠性高。 (2)使用单纯形法 ,针对溢流阀进行成功的优化设计 ,使溢流阀的静、动态性能 ,得到了明显改善。 (3)结合 CAD17技术、数字仿真技术和工程优化技术完成产品的设计能够大大缩短设计周期显著 nts 33 参考文献 1 陈奎生 .液压与气压传动 M.（第 2 版） .武汉：武汉理工大学出版社， 2001 2潘陆原溢流阀计算机辅助设计软件研究北京航空航天大学硕士学位论文 ,1942 3 成大先 . 机械设计手册（第四版 第 4 卷） M. 北京：化学工业出版社，2002-1 4 沈鸿 . 机械工程手册（第 5 卷） M. 北京：机械工业出版社， 1982-3 5 刘震北 . 液压元件制造工艺学 M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1992-12 6 杨培元，朱福元 . 液压系统设计简明手册 M. 北京：机械工业出版社，1999.12 7 陆培文 . 实用阀门设计手册 M .北京：机械工业出版社， 2002-10 8 徐灏 . 机械设计手册（第二版 第 3 卷） M. 北京：机械工业出版社，2000-6， 9 吴宗泽 . 机械设计课程设计手册（第二版） M. 北京：高等教育出版社， 1999 10 范存德 . 液压技术手册 M. 沈阳：辽宁科学技术出版社， 2004-5 11 何存兴，张铁华 . 液压传动与气压传动（第二版） M. 武汉：华中科技大学出版社， 2000-8 12 徐灏 .机械设计手册 M.（第 1.3， 4， 5 册） .北京：机械工业出版社， 1991 13 李培元，朱福元 .液压系统设计简明手册 M.（第 1 版） .北京：机械工业出版社， 1999 nts 34 14 何存兴 .液压元件 M.（第 1 版） .北京：机械工业出版社， 1991 15 孙文质 .液压控制系统 M.（第 1 版） .北京：冶金工业出版社， 1991 16 Kenichi Harada, Haruyuki Ohba. 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