多种连接方式的单向阀的优化设计.doc

毕 业 设 计 （基础研究报告） 题 目 多种连接方式的单向阀的优化设计 学 院 机电及自动化学院 专 业 机械电子 级 别 2010级 学 号 1011115037 姓 名 邱宗建 指导老师 林添良 副教授 华侨大学教务处 2014年6月摘 要本报告借鉴北京华德液压S型单向阀针对管式连接、板式连接和插入式连接这三种连接方式的单向阀进行研究，分析其不同的结构特点，设计阀口结构和阀体结构。设定一个40L/min的流量，完成其相应的通径、阀口结构、最大开口量、弹簧性能参数和阀芯受力等参数的计算，并利用仿真软件AMESim建立单向阀的仿真模型，根据计算出的单向阀结构参数和性能参数对其进行仿真，对设计单向阀的流量性能及阀芯移动的平稳性和灵敏性进行分析，力求在达到设定流量的前提下实现单向阀的低开启压力、反向密封性好、正向压力损失小、运动平稳、无振动、无噪声等要求。随着科学技术的发展、仿真理论及计算机技术的不断发展，仿真技术不断提高。在如今的科学研究中，仿真技术提高了科学研究的水平，缩短了研究周期、降低了科学研究的成本及风险、促进了各个不同领域的融合、加速了科研成果转化为生产力的饿进程。现有的液压仿真软件多是基于系统级的仿真，而对于元件级的仿真功能较弱，特别是元件结构方面的仿真。法国IMAGINE公司开发的AMESim不但可以进行系统级仿真，而且还可以利用该软件提供的液压组件设计库对液压元件的结构进行设计和优化。关键字：单向阀，设计优化，多连接，AMESim仿真ABSTRACT The report reference Beijing Howard hydraulic connection for the S-type check valve tube, plate and plug-in connection connected to the three-way valve connections were analyzed for their various structural features, the structure and design of the valve structure of the valve port .Set a 40L/min flow to complete the calculation of the corresponding diameter, valve port structure, the maximum amount of opening, the valve spring force performance parameters and other parameters, and using simulation software AMESim simulation model of a one-way valve, its simulation of a check valve based on the calculated structural parameters and performance parameters for the smooth flow properties of the check valve and the valve body designed to move and carry out sensitivity analysis seeks to achieve unidirectional under the premise of the set flow rate low valve opening pressure, reverse sealing, positive pressure loss is small, smooth motion, no vibration, no noise requirements. With the continuous development of science and technology development, theory and computer simulation technology, simulation technology continues to improve. In todays scientific research, simulation technology to improve the level of scientific research and shorten the research cycle, reduce the costs and risks of scientific research, and promote the integration of different areas to accelerate the scientific research achievements into productive forces hungry process. Existing hydraulic simulation software are mostly based on system-level simulation, and for component-level simulation function is weak, especially in the simulation component structures. France IMAGINE AMESim developed not only for system-level simulation, but also can use the software to provide hydraulic component design library of hydraulic components for structural design and optimization.Keywords: one-way valve design optimization multi-connection AMESim simulation 目录 第一章 单向阀的介绍.1 1.1 单向阀的工作原理介绍.1 1.2 单向阀的开启条件.1 1.3 单向阀的主要性能要求.2 1.4 单向阀的应用.2 第二章 单向阀的设计要求.3 第三章 单向阀的结构设计与计算.4 3.1 结构设计.4 3.2 单向阀的计算.5 第四章 AMESim仿真分析.9 4.1 单向阀流量随用户定义的工作周期压力变化分析.9 4.2 阀芯位移随时间变化分析.9 4.3 阀芯移动速度随时间变化分析.10 4.4 阀芯移动加速度随时间变化分析.11 4.5 正向压力损失特性分析.11 4.6 阀芯锥半角变化对流量和最大开口量的影响分析.12 第五章 单向阀设计图.14 5.1 管式单向阀图.14 5.2 板式单向阀图.14 5.3 插装式单向阀图.15 第六章 参论文总结.16致谢.17参考文献.18第一章 单向阀的介绍 1.1 单向阀的工作原理介绍 普通单向阀的作用，是使油液只能沿一个方向流动，不许它反向倒流。图1-1（a）所示是一种管式普通单向阀的结构。压力油从阀体左端的通口P1流入时，克服弹簧3作用在阀芯2上的力，使阀芯向右移动，打开阀口，并通过阀芯2上的径向孔a、轴向孔b从阀体右端的通口流出。但是压力油从阀体右端的通口P2流入时，它和弹簧力一起使阀芯锥面压紧在阀座上，使阀口关闭，油液无法通过。图1-1（b）所示是单向阀的职能符号图。 图1-1 单向阀 (a)结构图(b)职能符号图 1阀体2阀芯3弹簧 1.2 单向阀的开启条件要使阀芯开启，液压力必须克服弹簧力，摩擦力和阀芯重量G，即 （-）A +G （1-1）式中 油腔1油压力（）； 油腔2油压力（）； 弹簧力（N）； 阀芯与阀座的摩擦力（N）； G阀芯重量（N）（水平放置时为0）； A阀座口面积（） 1.3 单向阀的主要性能要求 1）正向最小开启压力=（+G）/A，国产单向阀的开启压力有0.04MPa和0.4MPa，通过更换弹簧，改变刚度k来改变开启压力的大小。 2）反向密封性好。 3）正向流阻小。 4）动作灵敏。 1.4 单向阀的应用 主要用于不允许液流反向的场合。 1）单独用于油泵出口，防止由于系统压力突升油液倒流而损坏油泵。 2）隔开油路间不必要的联系。 3）配合蓄能器实现保压。 4）作为旁路与其它阀组成复合阀。常见的有单向节流阀、单向顺序阀、单向调速阀等。 5）采用较硬弹簧作为背压阀。 第二章 单向阀的设计要求 单向阀的设计要求如下： 1）最大压力 =31.5Mp=315bar 2）公称流量 =40(L/min) 3）低开启压力 =0.03Mp=0.3bar 4）高开启压力 =0.05Mp=0.5bar 5）低开启压力下，通过公称流量是的压力损失 =0.28Mp=2.8bar 6) 高开启压力下，通过公称流量是的压力损失 =0.42Mp=4.2bar第三章 单向阀的结构设计与计算 3.1 结构设计 （1）单向阀芯 单向阀芯有锥阀式和球阀式两种。虽然球阀式的结构比较简单，但钢球会转动，常影响密封性，工作中也容易产生振动和噪声：而锥阀式的密封性较好，阀芯有导向面，工作时动作平稳。这就是单向阀芯常采用锥阀式结构的原因。 （2）阀座 在单向阀阀口线接触处，常有很大的接触应力，所以当阀体材料为铸铁时，就要加钢阀座。阀座在与单向阀芯的接触为尖角，以保证线接触，实际上尖角处受力后是要变形的，但这种受力后产生变形而成为很小的面接触能保证很好的密封性。一般在公称流量不大时，阀座在与单向阀芯的接触处成直角，如图所示，而在公称流量较大和公称压力较高时，为改善阀口处油液流动状况和受力情况，阀座与单向阀芯的接触处成钝角，如图3-1所示。 图3-1 阀座 (3) 弹簧 单向阀的弹簧是进行通用化设计的，即只要是同一公称通径，不管直通单向阀，直角单向阀和液控单向阀，其弹簧均为通用。弹簧应按单向阀正向流动时的两种作用来设计：一种是要尽量使油液能正向自由通过，这时的开启压力要越低越好，常定为0.04Mp左右。另一种是油液正向流过时要造成一定的压力损失，以作为背压阀使用，这时的开启压力要保证达到设计值，常定为0.4Mp。 3.2 单向阀的计算 （1） 几何尺寸的确定 1）进出油口的直径 根据进出油口的直径计算公式： d0.463（cm） （3-1）式中 公称流量（L/min）； 进出油口直径d处油液流速，一般可取=6（m/s）则 d0.463(cm)=0.463(cm)=1.195cm,取进出油口直径d=1.2cm=12mm。 2) 阀座内孔直径 =d-（0.10.3）(cm)=1(cm)=10(mm) （3-2） 式中 d进出油口直径（cm） 3) 阀芯锥角的半角和阀座锥角的半角 阀芯锥角的半角和阀座保持线接触，同时也要考虑过流面积问题。对于单向阀一般取 =45 =+（23）=48 （3-3） 4） 最大通流面积 以5bar压差时流量为40L/min对阀口的最大过流面积进行估算，根据公式： （3-4）式中 Q流量（/s）； 流量系数，取0.77； A阀口通流面积（）； 液体密度，取900kg/； 阀口压差（Pa）；则 =2.6 =26 5）最大开口量 由液压传动锥阀通流面积计算公式 （3-5） 如图1-3所示： 图3-2 最大开口量 则 26=，解得x=1.25mm （2）受力计算和性能计算 1）阀芯将开始移动时所受的液压作用 =（N） （3-6）式中 阀座内孔直径（mm） 开启压力设计要求（MPa）则 =2.36(N)设阀芯重量为0.05kg，则弹簧在0位移是的弹簧力为: =-G=2.36-0.5=1.86(N) 2）弹簧刚度k 高开启压力 下，阀芯所受的液压力为 =3.93（N） 弹簧力变化为-=3.93-2.36=1.57(N) 则 弹簧刚度为k=1.256（N/mm） 3）锥阀阀口处在设定的压力损失下，油液作用于阀芯上的液压力 = （3-7）式中 阀座内孔直径（cm）则 =21.6（N） 4） 阀芯径向直径 只对直通式单向阀计算阀芯径向孔直径，其他单向阀可根据结构情况确定。按油液流速要求，阀芯径向孔直径为 （cm） （3-8）式中 公称流量（L/min） 阀芯径向孔油液流量（m/s），可取=6（m/s）； 阀芯径向孔数。则 =0.84(cm) =8.4mm第四章 AMESim仿真分析 液压阀标准件与液压元件设计库设计单向阀如图（4-1）所示： 图4-1 单向阀 4.1 单向阀流量随用户定义的工作周期压力变化分析 图4-2 流量随压力变化图 如图设置设置用户定义的工作周期压力变化为05s压强由0到5bar的渐变，图中曲线呈现三段变化。第一段压力由0逐渐升至最低开启压力，阀芯没打开，无液压油通过，流量为零；第二段压力由最低开启压力逐渐增大，阀芯逐渐打开至最大开口量，流量逐渐增大；第三段压力继续增大至设置的最大开启压力，流量随着压强的增大逐渐增大，阀芯不再运动而处于稳定位置。下图为第一段至第二段的局部放大图，即阀芯开启处的曲线图。 图4-3 阀芯开启部分如图，在第一段至第二段曲线处存在略微的波动，原因是单向阀阀芯开启时，P1处液压油留至P2处时压力存在突变，可能导致单向阀出现细微的振动和噪声。 4.2 阀芯位移随时间变化分析 图4-4 阀芯随时间变化4.3 阀芯移动速度随时间变化分析 图4-5 阀芯移动速度随时间变化 4.4 阀芯移动加速度随时间变化分析 图4-6 阀芯移动加速度随时间变化 由阀芯运动的速度图像和加速度图像可以看出，速度和加速度连续变化，都没有出现突变，可以看出阀芯运动较为平稳。 4.5 正向压力损失特性分析 将阀芯质量、弹簧刚度及弹簧在0位移处的弹簧力设为极小值，并设置流量随时间05s由0逐渐升至40L/min，模拟仿真单向阀在高开启压力下，正向压力损失随流量变化的分析。阀芯位移随时间图像如下： 图4-7 阀芯随时间移动图正向压力损失随流量变化图像如下： 图4-8 正向压力损失图 4.6 阀芯锥半角变化对流量和最大开口量的影响分析 图4-9 锥半角变化对流量和开口量的影响如图分别设置锥半角为30、35、40、45、50、55、60，随着锥半角的增大，单向阀的流量也逐渐增大。30354045505560公称流量（L/min）29.459333.629837.574941.292944.7848.024851.025最大开口量()18.572221.201423.685526.032528.239930.278832.168随着锥半角的增大，公称流量和最大开口量都逐渐增大。第五章 单向阀设计图 5.1 管式单向阀图 5.2 板式单向阀图 5.3 插装式单向阀图 第六章 论文总结 从毕业论文的写作开始，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。 在与导师的交流讨论中我的题目定了下来，是：多种连接方式的单向阀的优化设计。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。林添良老师给我的提供了思路，还帮助我找到了许多宝贵的资料。在图书馆我也收集了许多关于液压阀，单向阀及AMESim仿真的书籍，在将收集的资料认真整理分类以后便着手开始自己的毕业设计了。在完成毕业设计的过程了也碰见了许多问题和瓶颈，也因为这些困难瓶颈苦恼过，是林添良老师的细心指导和循循善诱，才让我得以顺利的完成毕业设计。在这过程中也有研究生学长、学姐以及共同做毕业设计的同学们的帮助，是你们的热情和耐心让我能够克服我所遇到的问题。 在做毕业设计的过程中我收获了很多，不仅巩固了大学所学的知识，而且学会了不少关于AMESim仿真的知识，也收获了不少友谊。而脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。致 谢 大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种