课程设计液控单向阀的设计

1、.工程技术大学课程设计题目：液控单向阀设计作者：指导教师：专业：机械工程及自动化 ( 液压传动与控制 )时间：二零一五年一月.摘 要为了控制流液的流动、压力和方向及工程机械中的应用，使其能够很好地利用液压系统来控制机械的稳定工作， 需要掌握更多的流体力学知识来研究液压油液及有压流动对液压阀而产生的影响，从而设计双向液控单向阀实现实践的依据，本文主要介绍双向液控单向阀的详细设计、理论计算及研究方法。关键词 :液控单向阀设计.Abstract: In order to control the flow of fluid flow,pressure and direction andapplicat

2、ionof engineeringmachinery,which can work stablyto good use hydraulicsystem to control the machine.Need to master more knowledge offluid mechanicsto study thehydraulic oiland pressure flow effectsproduced on hydraulic valve,so as the basis of design double hydraulic control check valve to bepractice

3、d.This paper mainly introduces the detailed designof doublehydraulic control check valve,theoretical calculation and research methods.Keywords: hydraulic controlcheck valvedesign.目录1 液控单向阀基本情况 .11.1液控单向阀的类型及应用： .11.2液控单向阀的工作原理 .31.3液压阀的具体工作情况 .62.液控单向阀的初步设计 .92.1总体设计方案 .92.2液控单向阀的设计要求 .92.3液控单向阀的结构设

4、计 .93.重要零件基本尺寸的确定 .123.1阀前孔面积计算设定 .123.2实际流速的设定 .12.3.3 控制活塞与单向阀面积之比133.4 弹簧最小工作负荷 Ft1 和最大工作负荷 Ft 2 .144. 弹簧的设计计算154.1 弹簧的参数设定154.2 弹簧的材料选择164.3 弹簧的变形量和节距164.4 弹簧的线径174.5 弹簧所需的刚度和圈数174.6 弹簧刚度、变形量和负荷校核174.7 试验负荷和试验负荷下的高度和变形量174.8 特征校核：184.9 结构参数184.10 弹簧的工作图及技术要求194.11 弹簧的数据205 阀体及活塞顶杆的厚度与校核215.1 阀体壁

5、厚计算校核215.2 活塞顶杆稳定性验算21致.22参考文献 .23.1 液控单向阀基本情况1.1液控单向阀的类型及应用：液控单向阀有普通型和带卸荷阀芯型两种。每种液控单向阀又按其控制活塞的泄油腔的连接方式分为泄式和外泄式两种。液控单向阀在液压系统中可作为普通单向阀使用，也可通过先导控制压力油，使控制活塞推开单向阀芯实现油液的反向流动，在系统中实现保压、液压缸锁紧、大流量排油等功能。液控单向阀因泄漏量少、闭锁性能好、工作可靠而运用广泛。液控单向阀具体应用场合如下：1) 保压持力。滑阀的式换向阀有一个间隙泄漏现象, 压力保持只有一个短的时间。(2) 液压缸“支持”。在垂直液压缸 , 阀门和管道泄

6、漏 , 活塞和活塞杆的严重性 , 可能导致活塞和活塞杆。(3) 液压缸锁。当换向阀在中间 , 两个液压控制止回阀关闭, 可以紧闭液压缸两腔油, 当活塞由于外力不能移动。(5) 对石油天然气阀门。液压控制单向阀用于填充油阀 , 完成补油的功能。.1.2液控单向阀的工作原理液压控制止回阀是由一个普通止回阀和微观控制液压缸的底部的液压控制止回阀口 K 控制石油 , 控制油口不通压力油时 , 阀门的作用一样普通的止回阀, 油会是积极的、扭转不通。控制石油K 的访问控制压力油时 , 将控制活塞顶 , 和开阀核心力量 , 使油可以在两个方向上自由流动。图 1-1 液控单向阀原理图液压控制止回阀泄漏的不同方

7、法 , 可以分为部排水和泄漏两种类型。控制活塞造成石油进口压力高背压较大, 可以使用单独的泄漏口, 回油箱 , 减少油压力控制。液压控制单向阀没有一个排水洞, 称为部泄漏类型液压控制单向阀, 常用的回水管路上没有背压。因为液压控制止回阀在一个方向上具有良好的密封性能, 广泛应用在液压系统中 , 常用的时间执行组件的控股锁, 等等 , 也用于防止垂直液压缸停止自动滑快换接头。在循环等系统设计和使用中需要注意的问题:(1) 电路和管道的设计 , 采用部泄漏的液压控制单向阀 , 必须确保当前出口方面不能影响高压的控制活塞动作 , 否则控制活塞反向行动能力。如果你不能避免这种高压.力、泄漏类型液压控制

8、止回阀应该采用; 落回座位(2) 止回阀核心 , 控制石油成为控制活塞返回排水打开 , 所以快速回到考虑 , 使用O(如图 1 - 2所示 ) 换向阀 , 很难快速返回 , 应该而不是 Y 型阀 ( 如图 1 - 2所示 b) 。希望更快地返回 , 可以使用泄漏类型液压控制单向阀、压力油泄漏, 强制控制活塞返回 ( 如图1 - 3 所示);(a) 误 （ b）正图 1-2 背压阀图 1-3外泄式液控单向阀.(3) 在图 1- 4 中所示的闭锁回路中，当周围的温度变化较大时，由于液压油的热膨胀，处于封闭状态的回路（油缸至两液控单向阀之间）中的压力会异常升高，有破坏管路系统或液压元件的危险。 在这

9、种情况下，应在紧靠油缸的管路处设置安全阀，起保护作用。但安全阀应选用泄漏量少的，否则液压锁的锁紧作用将减弱；图 1-3 锁闭回路(4) 作充液阀使用时，应选用开启压力尽可能小而通径足够大的阀。这样吸油阻力小，另外尽量升高供给充液阀油液的油箱的液面，装在设备较高位置处(如图1-5) ；.图 1-5 充液阀(5) 由于液控单向阀的开启，压力从高压骤然降低而发生冲击的情况下，应考虑带释压机构的液控单向阀。 或者在控制管路中装设截流阀使活塞动作减慢， 慢慢推开阀芯( 如图 1-6) ；.图 1-6释压机构的液控单向阀（7）液控单向阀既有普通阀的功能，并且只要在远程控制卡通以一定压力的控制油液，液流反向

10、也能通过。在工程应用中常用两个液控单向阀组成液压锁。图 1-7 双向液控单向阀1.3液压阀的具体工作情况这里只介绍液控单向阀的工作原理，并做必要说明。图 1-9 为液控单向阀的工作原理图，其中a）为泄式， b）为外泄式。在无控制压力的情况下， 来自进油口只要能克服弹簧力及单向阀芯自重，便能推开单向阀芯而流向出口，但反向油液却不能通过。如从控制口引入控制压力油，则只要控制压力作用在控制活塞承压面上所造成的向上液压力能克服向下的各种力，控制活塞便能推开单向阀芯而实现油液的反向流动。.图 1-9两种控制回路液压止回阀控制是必要的以下细节:（1）作用在液控单向阀控制活塞上所需的控制压力的高低，与反向进

11、口和反向出油液的压力有关，也与控制活塞处的泄油形式（即泄式和外泄式）有关。这里我们列出单向阀芯的受力方程为：pk Ak( p2 p1 ) A1 p1Ak F式(1-1)式中pk 控制压力；Ak 控制活塞承压面积；p2 反向进口压力；p1 反向出口压力；A1单向阀芯承压面积，即阀座孔面积；F 其他阻力之和，如弹力、单向阀芯摩擦阻力、控制活塞液压卡紧阻力、单向阀芯和控制活塞自重。由式 1 可得泄式液控单向阀必要的控制压力为：.pkp2p1 A1 p1F式 (1-2 ）AkAK外泄式情况，单向阀芯的受力方程为：pk Akp2p1 A1 p1 k F式(1-3 ）式中k控制活塞承压面积，其他符号含义与

12、式1 相同。由式 3 可得外泄式液控单向阀必要的控制压力为：p2p1A1p1 kF式(1-4 ）pkAkAkAk比较式 1-2 和式 1-4 ：在式 1-2 中，随着反向出口压力的力高，所需控制压力也将很快提高，如果反向出口值很高，会无法实现反向流动；在式1-4 中，因为控制活塞杆承压面积比控制活塞承压面积小得多， 所以即使反向出口压力很高， 所需控制压力也提高的不多。显然，泄式液控单向阀值适用于反向出口压力较低的场合，当反向出口压力较高时宜采用外泄式液控单向阀。（2）液控单向阀常用于高压封闭回路的释压场合。当控制活塞推开单向阀芯时，高压封闭回路油液受压后所储存的压缩能将突然释放，这时会产生很

13、大的冲击， 并伴随很响的释压声。为避免这种情况，可以在单向阀芯装个小阀芯（即卸荷阀），以推开卸荷阀芯，使高压封闭回路释压一部分，接着再推开单向阀芯，使高压封闭回路完全释压，这是一个分级释压过称。（ 3）如果把带有卸荷阀芯的液控单向阀用于反向进油口作用者一定的压力，控制活塞推开单向阀芯后要使反向通过的流量为公称流量的场合， 那么所需的最低控制压力和释压情况不能真实地反映带有卸荷阀芯的液控单向阀所需的最低控制压力； 这种液控单向阀，只有用在封闭回路的释压中才能对控制压力和缓和冲击有良好的效果.2. 液控单向阀的初步设计2.1总体设计方案根据假定流速确定阀口尺寸的大小，根据阀口尺寸的大小确定大概的阀

14、前孔面积，然后计算校核准确的正反向流液的流速，根据所给的要求参数，确定控制活塞与单向阀面积比，同时进行弹簧的设计计算，画出各个零件图，并加以校核，最后要对主要零件的强度、刚度校核，最后进行装配图的设计绘制。整个过程要保持科学严谨的学习态度。2.2液控单向阀的设计要求（1）公称压力 p ；（2）公称流量 Q；（3）低开启压力pk 1 ；（4）高开启压力pk 2 ；（5）低开启压力下，当通过公称流量时的压力损失p 1 ；（6）高开启压力下，当通过公称流量时的压力损失p 2 ；（7）反向出口无背压时推卸荷阀所需的最低控制压力pkmin；（8）反向出口无背压时推单向阀芯所需的最低控制压力pk min；

15、（9）控制活塞处泄漏量允许值qk ；2.3液控单向阀的结构设计单向阀芯由锥阀和球阀两种。球阀流体阻力小，全通径的球阀基本没有流阻。结构简单、体积小、重量轻。紧密可靠。它有两个密封面，而且球阀的密封面材料.广泛使用各种塑料，密封性好，能实现完全密封。操作方便，开闭迅速，便于远距离的控制。维修方便，球阀结构简单， 密封圈一 般都是活动的，拆卸更换都比较方便。在全开或全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，介质通过时，不会引起阀门密封面的侵蚀。适用围广，通径从小到几毫米，大到几米，从高真空至高压力都可应用。本课题双向液控单向阀，由于通径小，故选用球阀式。图2-1单向阀图 2-2固定式球阀.（2）阀座图

16、 2-3 单向阀、阀座配合在止回阀口线接触 , 经常有很多的接触应力, 所以当身体材料是铸铁, 将增加钢的座位。座位应当指向与单向阀核心, 为了确保线接触 , 实际应力变形角后 , 但压力畸变和后变得非常小的表面接触, 以确保良好的密封。 通常当名义流量不大 , 阀座接触正确的止回阀芯 , 如图 2- 3 所示 ), 和名义流量更大 , 公称压力高 , 为了提高阀门进口流体和压力条件下 , 阀芯阀座接触单向钝角 , 如图 3 - 3所示 ) 。.3. 重要零件基本尺寸的确定3.1阀前孔面积计算设定根据阀前孔流速平均在5m/s7m/s，最高瞬时流速可达到8m/s10m/s，假设阀前孔流速为 8m

17、/s。则，vQ已知， Q 20l10 3 m3Amin 1L=Q20l2010 3 / 60 m3522所以， A正mins4.210m42mmv8 m8mssD4 A正7.3mm圆整为 =7.5mm即由单向阀座的尺寸可已知实际阀前孔直径D=7.5mm，错误 ! 未找到引用源。 则正向流通面积，即阀前孔面积D 23.14 7.5244.16mm2443.2实际流速的设定圆整后，阀前孔直径为7.5mm，阀前孔面积为D 23.14 7.5244.16 mm244则正向流通速度为 vQ20l2 7.5 mAmins44.16 mm.已知顶杆直径 d=3mm，则顶杆面积d 23.14 97.07 mm

18、244即环形面积 AD 2d 244.167.137.06mm244按 Q20 l（Q为公称流量）minQ20 l20 10 3/609 m（瞬时最高速度）vmin25A37.06mm3.710s则反向流通速度为 vQ20 l8.98mminA37.06mm2s3.3控制活塞与单向阀面积之比控制活塞直径12.7mm ，则控制活塞面积d 212.72126.6mm244阀前孔直径7.5mm ，错误 ! 未找到引用源。 则阀前孔面积d 27.5244.16 mm244（弹簧力的计算，根据胡克定律： F=KX F 是弹簧的压力， K 是劲度系数单位N/m，1N=1kg ? m s2Gd 4k 8 N

19、cD 3 G-刚性模数，Nc-有效圈数，D-中经，d- 线径， X 是弹簧的变形量。 )2）（开启压强 0.2MPa,1MPa=10kg/cm表 3-1 面积比控制活塞与单K弹簧力1弹簧力2.向阀面积比( 开启压强 )（全开启压强）3:11.892 kgcm25.73 kgcm23.4弹簧最小工作负荷Ft1 和最大工作负荷 Ft 2弹簧最小工作负荷Ft 1 应根据开启压力的设计要求来确定，可以略去阀芯与阀体孔的静摩擦阻力和阀芯的自重。当低开启压力pkq 1 时，弹簧最小工作负荷应为Ft1Fkq1式中 F 按上式求得的相应于pkq1 时的液压作用力。当高开启压力pkq2 时，kq1应保证设计要求

20、pkq 2 ，这时弹簧最小工作负荷应为：Ft 2Fkq 2式中 Fkq 2 按上式求得的相应于 pkq2 时的液控作用力。弹簧的最大工作负荷应根据球阀阀口压力损失设定值p （进出阀的损耗值， 进油口与出油口的压力差）来确定，阀芯在压差p 的作用下，球阀阀口应保证必要的开口量 ，使通过的流量达到公称流量。在设计液控单向阀的弹簧时，一般把阀口最大开口量max 作为弹簧的最大工作行程，同时应保证弹簧的最小工作负荷，以保证开启压力的设计要求。至于弹簧的最大工作负荷的确定则比较灵活。先导压力 =P出- P进kP进弹簧压力面积比P出 P进 自由流动进出口压力设 P进 =0，先导压力（开单向阀）=210/3

21、+2=72 kg cm2.先导压力（全开单向阀）=210/3+5.73=75.73 kg cm2kg( 出口压强即为额定压力，21MPa=210 cm2 )4. 弹簧的设计计算液压阀以采用圆柱形螺旋压缩弹簧居多，这里根据圆柱螺旋压缩弹簧的实际制造情况，设计与计算液控单向阀所用的弹簧。在液压阀的设计与计算方法中已经指出：为了保证液压阀所给定的技术性能指标，必须设计出符合液压阀的动作和性能要求的弹簧。因为在阀的静态特性方程中常包含着弹簧刚度、预压缩量、以及工作行程这些量，所以在弹簧设计时必须给以保证。在液压阀的设计中，对弹簧常有如下要求：(1 ）弹簧的外径要考虑到阀的结构布置；(2 ）弹簧的工作行

22、程要适应阀的开口量；(3 ）弹簧刚度和预压缩量要满足平衡方程的要求；(4 ）弹簧的最小工作负荷和最大工作负荷要适应阀的动作要求；4.1弹簧的参数设定弹簧， 线径 0.69mm， 中径 5.31mm， 自由长 11，有效圈数 6，预压缩 3，刚度2.5N/mm已知：开启压强P=0.2MPa有效面积A=37.06mm2由阀体计算面积时得到弹簧预紧力 F P A 0.2MPa 37.06mm22 105 Pa 3.7 10 5 m27.4N假设预压缩量是3mm。刚度 =预紧力 / 预压缩量.刚度： PF7.42.5 N33mm假定，有效圈数n=6 Gd 4由 P8 D3 nG为弹性模量 =80000

23、N2d 线径 D 中经 =外径 - 线径 =6-d P2.5 NmmmmPGd 480000d 42.5 Nmmd 0.69mm8 D 3 n 8 (6 d )36D=6-0.69=5.31mm4.2弹簧的材料选择8D外弹簧材料切应力K ? d 3K(曲度系数 )=(4C-1)/(4c-4)+0.615/c由线径 d=0.69 查表知 C=512C=D/d=5.31/0.69=7.69K(曲度系数 )=(4C-1)/(4c-4)+0.615/c=1.192材料切应力：K ? 8D1.19285.3149.09 N2d33.140.693mm4.3弹簧的变形量和节距8D 3 n8 5.313 6

24、0.396N弹簧变形量： F480000 0.694Gd弹簧节距： t= H 01.5dn弹簧，有效圈数 n=6，弹簧端面结构型式：两端圈并紧并磨平，则支撑圈数 n2 =12.5总圈数 n1nn2 =6+2=8. 即 n1n2 。所以，自由高度H (mm)nt1.5d ）查表 8.取 H =11mmt H 0 1.5d11 1.5 0.691.66n6根据弹簧材料工作选用阀门用GB 4357 碳素弹簧钢丝。4.4弹簧的线径弹簧高径比bH=11/5.31=2.075.3(两端固定式弹簧，高径比5.3则正确 )D稳定性满足要求。4.5弹簧所需的刚度和圈数 Gd弹簧所需刚度按 P4 n 式计算8CP

25、Gd80000 5.312.53N8C 4 n8 7.694 6mmGd 4 FGD800005.31（圈）弹簧的有效圈数 n8C4 P8 7.69468D3 P2.5即，弹簧的有效圈数 n=6p2.5 Nmm4.6弹簧刚度、变形量和负荷校核弹簧刚度由式=Gd 4计算Gd 480000 0.6942.5 NpD 3 nP3388D n8 5.31 6mm基本与所需刚度 错误 ! 未找到引用源。 相符。.4.7试验负荷和试验负荷下的高度和变形量按类负荷考虑，取图2 中所示值 d=0.69mm取试验切应力：错误 ! 未找到引用源。最大试验切应力：1060 N mm2 错误 ! 未找到引用源。由此未

26、超过最大值。由下式计算试验负荷：（实验符合 PS 为测定弹簧特性时，弹簧允许承受的最大符合）d 33.140.69325.73Ps8D s810605.31得试验负荷切应力：错误 ! 未找到引用源。8PSD1059.6 N2s3dmm4.8特征校核：F1 工作负荷下变形量FS实验负荷下的变形量校核满足 0.2FSF1 则正确FSDns3.145.316 10600.172F1 0.396mmGd80000 7.69F10.3960.2满足 0.2的要求。F S0.1724.9结构参数自由高度： H 0 =11mm安装高度 ( 工作高度 ) ：错误 ! 未找到引用源。.工所负荷下的高度：H SH

27、FS110.17210.83mm压并高度： H b = n1dmax80.965.52mm螺旋角：错误 ! 未找到引用源。符合推荐值 5 74.10弹簧的工作图及技术要求弹簧的工作图（如图5-1 ）所示，当弹簧外径导向时，则标注D；当径导向时，则标注 D1 。在图中还应标注重要尺寸的公差。因为在液压阀中弹簧对性能有很大的影响，所以这些重要尺寸的公差应按一级精度要求选取。D1 、 D 和 H0的不同精度等级公差值见附表1 和表 2。图 4-1 弹簧工作图弹簧的技术要求应包含下列容：（1）钢丝展开长度L=113mm；（外径 =6，周长 =18.84 ，共六圈 =113）.（2）旋向：左旋；（3）有

28、效圈数： 6 圈；（4）总圈数： 8 圈；（5）热处理：回火；（6）表面处理：喷丸；4.11弹簧的数据弹簧的计算数据如下表：序号参数名称1 旋绕比2 曲度系数3 中径4 压并高度5 试验负荷下的高度6 材料直径7 有效圈数8 总圈数9 自由高度表 4-1 计算数据代号CKDH bH sdnn1H 0数据单位7.691.1925.31mm5.52mm10.83mm0.69mm6811mm.10刚度P2.5N mm5 阀体及活塞顶杆的厚度与校核5.1阀体壁厚计算校核当阀体壁厚 错误 ! 未找到引用源。 与径 D比值小于 0.1 时，称为薄壁阀体，壁厚按材料力学薄壁公式计算：pD（b ）式2n（6-1 ）式中p 液压阀最大工作压力；错误 ! 未找到引用源。 阀体材料的抗拉强度极限；n安全系数，一般取n=5; 错误 ! 未找到引用源。 活塞杆材料的许用应力。当阀体壁厚 错误 ! 未找到引用源。 与径 D比值大于 0.1 时，称为厚壁阀体，壁厚按材