溢流阀专业设计说明书.doc

2013-2014学年度第一学期专业设计说明书姓名：武佳乐 专业方向：流体传动与控制 班级：10级机电2班 学号：20100055 指导教师：郭津津 完成日期：2013年11月25日 前言 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。液压传动产品等在国民经济和国防建设中的地位和作用十分重要。它的发展决定了机电产品性能的提高。它不仅能最大限度满足机电产品实现功能多样化的必要条件，也是完成重大工程项目、重大技术装备的基本保证，更是机电产品和重大工程项目和装备可靠性的保证。液压技术具有独特的优点，具有功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好，可柔性传送动力，易实现直线运动等优点，因此液压技术广泛用于国民经济各部门。 一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助无件和液压油。动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。控制元件(即各种液压阀)在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。 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。 目录1、溢流阀总体设计.32、溢流阀的主要性能.53、溢流阀的设计要求.64、溢流阀的结构设计.65、结构尺寸设计.76、静态特性计算.97、弹簧刚度和预压缩量计算.128、其他相关特性.16参考文献.181、 溢流阀总体设计（1）溢流阀的作用和分类 溢流阀是压力控制阀中最基本的一种，以它为基础可以组合成各种进行阀前（进口）压力控制的压力控制阀。溢流阀在液压系统中使用极为普遍，所有液压系统都要至少使用一个溢流阀作为定压阀或安全阀。 溢流阀的主要功用是： （a）、维持液压系统中的压力近于恒定；（b）、对液压系统实行调压；（c）、防止液压系统超载，起安全作用；（d）、对液压系统进行卸荷，以降低系统的功率损耗和热量。 （2）溢流阀的工作原理 溢流阀由主阀和先导阀两部分组成，如图1，3为主阀阀芯，6为导阀阀芯，右边的进油口与压力油路想通，下部的出油口与回油路相通。在油路压力未达到溢流阀调定的压力时，导阀、主阀在各自的弹簧7与11作用下处于关闭状态，主阀芯活塞下腔、主阀芯活塞上腔、先导阀芯前腔压力相等。当油路压力升高到接近调定的压力时，导阀被推开，便有小量油液通过节流孔、导阀阀口、主阀阀芯的中心孔从出油口流出。这样，由于节流孔中有油液通过，便在主阀芯活塞下腔和上腔之间形成压力差，给主阀阀芯造成一个向上的力。但此力还不足以克服主阀弹簧11的预压缩力，因此主阀还不能打开。当油路压力继续升高，导阀开口量加大，通过节流孔的流量加大，主阀芯活塞下腔与上腔之间的压力差加大，便可克服主阀弹簧的力和阀芯摩擦力，使主阀打开。压力油便通过主阀阀口从出油口溢流，使油路压力不再升高而保持此时的数值，这就是调定的压力值。溢流阀就起到了控制油路压力的作用。当油路压力下降，与上述过程相反，主阀与导阀就将依次关闭，溢流阀停止溢流。导阀调压，主阀起着溢流。通过调压手轮10，改变导阀弹簧7的作用力，改变了整个溢流阀控制的压力。如果从导阀前腔向外开一个远控口（去掉螺堵即可形成远控口），用导管连接一个远处的直动式溢流阀（相当于导阀），而将本身的导阀弹簧压到最紧位置，则此先导式溢流阀便成为远控溢流阀，可用作远距离控制。 图1、 YF型三节同心先导式溢流阀1、 阀体 2、主阀座 3、主阀芯 4、先导阀盖 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2、 溢流阀的主要性能（1）静态特性（a）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。（b）启闭特性定义：溢流阀从开启到闭合全过程的被控压力与通过溢流阀的溢流量之间的关系。 一般用溢流阀处于额定流量、额定压力时，开始溢流的开启压力和停止溢流的闭合压力分别与的百分比来表示。开启压力比： 闭合压力比： 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，闭合压力比应不小于，其静态特性较好。(c) 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。(d) 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。(2) 动态特性（a）压力超调量：最大峰值压力与调定压力的差值。（b）响应时间：指从起始稳定压力与最终稳态压力之差的上升到的时间。（c）过渡过程时间：指从调定压力到最终稳态压力的时间。（d）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。（e）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。3、 溢流阀的设计要求(1) 额定压力 pe=16。(2) 额定流量 Qe=60 L/ min 。(3) 调压范围p1minp1max=16 MPa 。(4) 调成最高调成压力p1min时，导阀的开启压力p2a0.9p1max 。(5) 调成最高调成压p1max时，主阀的开启压力p1a0.95p1max；此时的溢流量Qa0.01Qe。(6) 调成最高调成压p1max时，主阀的闭合压力p1a0.9p1max；此时的溢流量Qb0.01Qe。(7) 卸荷压力px=0.4 MPa。(8) 内泄流量q 0.0015 L/ min。4、 溢流阀的结构设计（1）溢流阀的结构型式,有下列三种：（a）直动滑阀型（b）无平衡面积的座阀式先导控制型（c）具有平衡面积的座阀式先导控制型。（2）先导式溢流阀主要零件 三级同心式和二级同心式溢流阀总体结构均由主阀和先导阀两部分组成。（a）主阀部分主阀由阀体、阀芯、阀座等主要零件组成。（b）先导阀部分先导阀由阀芯、阀座、调压弹簧、调压装置等零件组成。先导阀的结构一般分为直动式和差动式二种。5、 结构尺寸设计（1）进油口直径 d,由额定流量和允许流速来决定d = V取6m/s，Qe=60L/min 计算得 d=14.62 mm，取 d= 15.00 mm(2) 主阀座孔径D1=d-(0.030.04)cm=12mm(3) 主阀芯直径D2=D1,取D2=10mm(4) 主阀芯活塞直径 D0，按经验取（1.62.3）d1，取 D0= 22.00mm(5) 主阀芯与阀体的配合长度L由公式 L=（0.6 1.5）D0 ，得L=D0=22.00mm（6）节流孔直径 d0，长度 l0按经验取 d0= 0.82mm，l0=（719）d 0，取d0= 1.00 mm， l0= 15 mm（7）主阀芯半锥角，按经验取=46（8）导阀芯的半锥角，按经验取=20 (9) 导阀座的孔径 d2 和 d6，按经验取 d2=（25）d0，d6= 1.6mm， 取 d2= 4mm，d6= 1.6mm(10) 主阀芯溢流孔直径 d3和长度l3d3和l3可根据结构确定，但d3不能太小，以免产生压差过大，不利于主阀的开启。在此，取d3=4 mm（11）尾蝶（消振尾）直径d4、长度l4、过渡直径d5尾蝶的作用是消除液动力引起的振动。在此取d4=8mm，l4=17mm，d5=6mm。（12） 阀体沉割直径 D3，沉割深度S1，按经验取D3= D0+(1 15) mm，S1按结构确定，应保证进油口直径的要求。可以取D3= 26.00mm；S1=15 mm。（13） 主阀芯与阀盖的间距 S2，应保证主阀芯的位移要求，S2 X max 式中：X max主阀的最大开度，X max的大小见静态特性计算。(14) 主阀弹簧的装配长度 l1l1= L1 - h1式中：L1主阀弹簧的自由长度，见静态特性计算部分； h1主阀弹簧预压缩量，见静态特性计算部分。l1的数值要在主阀弹簧设计后才能确定。(15) 导阀弹簧的装配长度 l2 l2= L2+(1 2) mm式中：L2导阀弹簧自由长度。l2的数值要在导阀弹簧设计后才能确定，见静态特性计算部分。(16) 溢流阀阀体壁厚（m） 式中： 阀体壁厚（m）； D阀体内径（m）,D=0.022m； Py-试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（MPa）； 阀体材料的许用应力，铸钢：=100110MPa。代入，得： 0.0022（m）6、静态特性计算（1）基本方程式先导式溢流阀的静态特性决定于导阀、主阀和节流口结构参数。因此，计算静态特性时要列写流量方程式和力平衡方程式，作为计算静态特性的基础。（a）主阀阀口节流方程式 式中：通过主阀的流量； 主阀流量系数； 主阀节流面积， x为主阀开度。 （b）主阀芯受力平衡方程式主阀芯轴线方向所受的作用力包括弹簧力、重力、摩擦力、主阀芯溢流孔压降引起的作用力、主阀芯活塞下腔和主阀芯活塞上腔压力的作用力、阀口溢流时产生的液动力。如主阀芯等速上升，则可列出受力平衡方程式为: 式中：p1主阀芯活塞下腔作用力；主阀弹簧刚度；主阀弹簧预压缩量；主阀芯重量；主阀芯所受的摩擦力；主阀芯溢流孔压降引起的作用力；主阀芯所受的液动力；根据图所示液流情况，可按下式计算: 式中：阀口流速；尾碟处液体流出速度的轴向分量。因为尾碟附近过流面积远大于阀口截面积，而且尾碟与主阀芯轴线垂直。所以，尾碟附近流速的轴向分量接近于零，即0。阀口流速可按下式计算： 在局部阻力系数时，流速系数。因此可得：由式可知，的作用方向于相同。设计尾碟和选取半锥角时要加以注意。将上式联立可得主阀芯平衡方程式： （c）节流孔流量方程式可按下述经验公式计算，式中的单位必须是米、千克、秒制。 式中：p1主阀芯活塞下腔作用力；P2主阀芯活塞上腔作用力；通过节流孔的流量； 节流孔截面积； 油的运动粘度； 油的重度。（d）导阀阀口节流方程式 式中：通过导阀得流量； 导阀流量系数； 导阀节流面积； 式中：导阀得开度。将压力看成近似等于零，则： （e）导阀芯受力平衡方程式导阀芯轴线方向所受得作用力有弹簧力、液动力、导阀前腔C中压力得作用力等。受力平衡方程为： 式中：导阀座孔径处的截面积 导阀弹簧刚度； 导阀弹簧预压缩量；导阀芯所受的液动力。液动力的求法与相似，得： 在阀的不同工作情况下，流量系数又不同的数值。主阀与导阀的阀口处的流量系数可分别取为：C1=0.8；C2=0.777、弹簧刚度和预压缩量计算（1）主阀弹簧刚度K1和预压缩量h1当主阀刚要打开，还未打开时： 利用上式可求出K1和h1，但必须先做以下工作：a) 主阀刚要打开，还未打开，p1为主阀的开启压力,取p1为最高调定压力p1max下的开启压力，即： b) 由节流孔流量方程式求p2，取节流孔流量Q0=Qa，得: 其中v是运动粘度，是油液重度，c）主阀芯摩擦力F1包括主阀芯上段直径D2处和活塞直径D0处得摩擦力，可表示为: 式中：摩擦系数； FD2D2处的侧压力； FD0D0处的侧压力。侧压力与缝隙两端压力差、缝隙长度、圆柱直径成正比。将其他因数用系数表示，并取摩擦系数，则P1可表示为： 将压力p3看成近似等于零，为系数，直径小、接触长度短时取大值，则： d) 求主阀芯溢流孔d3压降引起的作用力F2溢流孔d3压降p3由沿程阻力和进口、出口处的局部阻力所组成，可表示为： 式中：进口处局部阻力系数； 出口处局部阻力系数； 沿程阻力系数。通过主阀芯溢流孔的流量等于通过导阀的流量Q2，取近似Q2=0.01 Qe。于是，主阀芯溢流孔流速为： 雷诺数的表达式为：由于Q2很小，Re很小，主阀芯溢流孔内流动为层流，可以， 。于是，由压降p3引起的作用力为： e) 在最高调定压力p1max下主阀芯的开口量x10 在最高调定压力下，其开口量为4.6f）求出主阀最大开度xmax在卸荷情况下（通过额定流量Qe）主阀有最大开度，由此可得：式中：C1主阀流量系数； 油液重度； 公称流量； 卸荷压力；g重力加速度。取 C1=0.8，=0.903103（N/ m 3），带入上式计算然后按经验取： g) 主阀芯重量主阀芯可以做简单的估计，主阀芯质量大约：M=（0.0052*0.018+0.0112*0.015+0.0072*0.022+0.0032*0.01-0.0032*0.03-0.00152*0.035）*7.85*103=0.074 kg所以其重量为：G=Mg=0.074*9.8=0.73 N将上式子带入主方程可得：其中：A3=3.14/4*(0.0222-0.0112)=2.85*10-4 m2A4=3.14/4*(0.0222-0.012)=3.01*10-4 m2所以：主阀弹簧的选择：自由长度为L1=54，其弹性刚度为13.523 N/mm。由已知初选结构尺寸计算，活塞面积A3和A4之比按经验取为。（2）导阀弹簧刚度K2和预压缩量h2由公式可知：当导阀刚要打开，还未打开时， 此时p2为导阀的开启压力。取p2为最高调定压力p1max下的开启压力，p2在前面已经算出为14.99 y为开启压力下的弹簧开度，由（3-2）式求出的p2代入式子并取Q2=Q00.01Qe，即得出导阀弹簧在开启压力为p1a0.95 p1max时的导阀开度。系统压力为开启压力p1时导阀的开口量y 将已知量带入得：则h2=0.16/0.01=16 mm =12.5 N/mm导阀弹簧的选择：自由长度为L2=50，其弹性刚度为12.5 N/mm。8、其他相关特性（1）最高调定压力是的主阀闭合压力 一般来说，在闭合过程中，把通过的溢流阀量为公称流量的1%时的溢流阀进口压力视为闭合压力，所以 （2）最低调定压力最低调定压力时将调压手轮全松，使调压弹簧的预压缩量=0，主阀的开口量达到卸荷时的开口量，设导阀油腔的压力， （3）最小溢流