铝合金液压阀岛中溢流阀结构设计和静态特性计算.pdf

2 0 1 2年 1 1月 第 4 O卷 第 2 l 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 21 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 1 ． 0 3 3 铝合金液压阀岛中溢流阀结构设计和静态特性计算 朱海燕 ，曹文琴 ，向毅。 1 ．华 东交通大学轨道 交通学院，江西南昌 3 3 0 0 1 3 ；2 ．华东交通大学机 电学院，江西南昌 3 3 0 0 1 3 ； 3 ．美的制冷设备有限公司，广 东佛 山 5 2 8 3 0 1 摘要分析溢流阀在铝合金液压阀岛中的作用及其设计时须考虑的参数；根据铝合金液压阀岛的要求确定溢流阀为直 动式 ，通过对直动式溢流阀工作原理的分析及其各种结构的性能比较，确定阀芯结构为锥形。计算了溢流阀的通径 d 、阀 芯与阀套之间的间隙 △ r 和锥阀锥角O t 等主要几何尺寸以及在最高调定压力P l m a 下阀芯额定开口量 液压卡紧力 和阀 的弹簧刚度 及预压缩量 ‰，为溢流阀的设计提供参考。 关键词 铝合金液压阀岛；溢流阀；阀芯结构；静态特性 、、 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 1 1 2 3 4 St r uc t ur e De s i g n a n d Ch a r a c t e r i s t i c Ca l c ul a t i o n f o r Re l i e f Va l v e o f t he Al u mi n u m - a l l o y Hy dr a ul i c Va l v e Te r mi na l Z HU Ha i y a n ，C A0 We n q i n ，XI A NG Yi 1 ． S c h o o l o f R a i l w a y T r a c k s a n d T r a n s p o r t a t i o n ，E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，N a n e h a n g J i ang x i 3 3 0 0 1 3 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c al E n g i n e e r i n g， E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，Na n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 1 3 ，C h i n a ； 3 ． Mi d e a R e f r i g e r a t i o n E q u i p m e n t C o ． ，L t d ． ，F o s h a n G u a n g d o n g 5 2 8 3 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e r o l e s a n d t h e p a r a me t e r s n e e d e d t o b e c o n s i d e r e d i n d e s i g n i n g o f t h e r e l i e f v a l v e i n t h e a l u mi n u m all o y h y d r a u l i c v alv e t e r mi n al we r e a n aly z e d ． Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t s o f alu mi n u m all o y h y d r a u l i c v alv e t e r mi n a l ， t h e d i r e c t l y o p e r a t e d r e l i e f v a l v e w a s s e l e c t e d ．T h e v alv e c o r e s t r u c t u r e o f t h e r e l i e f v a l v e wa s d e t e r mi n e d a s c o n e t h r o u g h analy z i n g t h e wo r k i n g p rin c i p l e o f t h e t y p e a n d c o mp a r i n g i t s v a r i o u s s t r u c t u r e s p e r f o rm a n c e s ． Th r e e ma i n g e o me t r y p ara me t e v a l u e s t h e d i a me t e r o f t h e r e l i e f v alv e ， t h e g a p b e t we e n t h e v alv e c o r e a n d t h e v alv e s e t ，t h e c o n e a n g l e o f t h e c o n i c a l v a l v e we r e c a l c u l a t e d ． Th e s t a t i c c h a r a c t e ri s t i c s p a r a me t e r s v al u e s t h e r a t e d o p e n i n g o f v al v e c o r e u n d e r t h e h i g h e s t a d j u s t m e n t p r e s s u r e ，t h e h y d r a u l i c t i g h t f o r c e ，t h e s p ri n g s t i ff n e s s o f t h e r e - l i e f v a l v e a n d the p ri o r c o mp r e s s i o n we r e c alc u l a t e d， t o o ． Al l t h e s e p r o v i d e r e f e r e n c e f o r d e s i gn i n g r e l i e f v a l v e ． Ke y wo r d s Al u mi n u m- all o y h y d r a u l i c v alv e t e r mi n al ； R e l i e f v alv e ； V a l v e c o r e s t ruc t u r e；S t a t i c c h ara c t e ris t i c 阀岛技术是 由著名的德国 F E S T O公 司最先发明 并引人使用的，其英文为 “ V a l v e T e r m i n al” ⋯。液压 阀岛被定义为新一代电液一体化控制元器件- z J 。铝合 金液压阀岛被应用到一些需减重的军事机械设备传动 系统 中提供一个稳定 的压力源 的重要 液压部 件 ，是 一 个小型液压集成 系统 。在 欧洲各 国 ，铝合金 液压元 件 得到 了较广泛 的研制 和应用 。现今 国内液压元 件 ， 如各类溢流阀、液压阀、液压泵等几乎都是采用铸铁 材料等加工制成，基本上没有采用铝合金材料来研发 液压元件 。当前，国内尚无铝合金液压阀岛这方面 的引进 技术 ，且与欧洲 发达 国家存 在较 大 的差距 。 因此有必要系统深入地对铝合金液压阀岛各组成元件 的开发 进行基础理论和试验研究 ，作者针对铝合金液 压阀岛最为重要的部件溢流阀，对其进行结构设 计 和计 算 。 1 溢流 阀设计的要求 溢流阀是压力控制之中使用最多的阀，是构成液 压 回路不可或缺 的元 件。其作 用是通 过 阀 口的溢 流 ， 使被控系统和回路的压力保持恒定，防止系统过载； 使系统产生背压，从而实现调压、控压 、限压 的 目 的 。 溢流阀的设计计算主要包括 以下几个方面内容 根据已经确定的工作压力要求，合理选择阀的结构形 式；根据额定流量以及其他静态特性指标要求，确定 阀的结构尺寸；根据已经确定的阀的结构尺寸估计阀 的静态性能 的好坏 ，进行必要 的修改设计 。溢流 阀设 计应考虑 的参数 为 1 公称压力 P P a ； 2 公称 流量 Q m ／ s 或 L ／ m i n ； 3 调压范围 p ～ P 一 P a ； 4 压力不均匀度 艿 。 ％ ； 5 卸荷 压力P P a ； 6 工作介质。 收稿 日期 i 2 0 1 1 1 01 8 作者简介朱海燕 1 9 7 5 一 ，男，硕士，讲师，主要从事机械设计与控制工程的研究 工作。Ema i l z h u p e t r e l c a o 1 6 3． c o m。 机床与液压 第4 0卷 2溢流阀结构形式的确定 对 溢流阀进行结 构设计 时 ，在满足工作性能 的基 础上，尽可能使溢流阀的结构简化 ，易制造 ，使用便 利 。溢流 阀结构形式 的选择主要取决于阀 的额定工作 压力 ，中低压的定压溢流阀采用直动式结构，高压的 定压溢 流阀采用先导式结构 。由于铝合金液压 阀岛要 求满足压力为6 ． 3 M P a 、流量为 4 0 L ／ m i n的工作性 能。所以设计的溢流阀属于中压大流量型的溢流阀。 对该类溢流阀，通常会选择先导式溢流阀结构，会取 得较好的启闭特性和动态特性。但先导式溢流阀相对 直动式溢流阀的结构复杂、体积庞大，不符合铝合金 液压阀岛体积小、结构紧凑的要求，所以溢流阀的类 型确定 为直动式 。 2 ． 1 直动 式溢 流 阀阀芯 结构及 工作 原理 分析 直动式溢流阀按其阀芯的形状可分为球阀式、圆 柱滑阀式、锥阀式、圆柱锥阀式等形式 ，其结构示 意图和工作原理见图 1 。 l 一 调节 螺钉2 一 弹 簧3 一 阀芯 a 球阀式 b 锥阀式 c 滑阀式 d 圆柱锥阀式 图 1 直动式溢流 闽结构 图 图 a 、 b 、 C 中，当压力油从 P口进入作 在间隙，容易导致大的泄漏 。球阀式阀芯密封球面加 用在球阀芯或锥阀芯上，设阀芯承压面积为A 球阀 工难度较大，极易导致泄漏，而且球阀的过流面积较 芯为球冠面积 、锥阀芯为圆锥表面积 、圆柱阀芯为下 大 ，使得阀芯动作不太稳定，易出现振动，从而使溢 端圆面积 ，则压力油作用于阀芯的向上的力为p A， 流阀过渡时间过长。锥阀式的阀芯与阀套之间是一种 调压弹簧2作用于阀芯上的力 方 向向下为 F 。 线接触，阀芯与阀座都加工为锥面，但二者的角度稍 若忽略阀芯自重和摩擦力，则阀芯上的受力平衡方程 有不同，它具有以下优点 1 可使接触接近于线 为 接触 ； 2 通过合理设置二者锥角的大小，可改变 P AF 1 根 据液压 知识及 受力分 析可知 ，溢 流阀是利用 弹 簧力的平衡原理，并借助溢流功能去除系统多余的油 液来控制系统压力的 ，用调节螺 钉 1调节弹 簧力 F ， 即可调 节系统 压力的大小 。 图 1 d 为差动式溢流阀的结构简图及工作原理。 显然，如果需要调节的压力高，弹簧力 F 就要大， 此力 由调节螺 钉 1 调节 ，因而调节力矩大 。为减小调 压力矩 ，将阀芯做成图 1 d 的差动式结构。根据 力平衡 原理可得 P 2 丽 2 式 中 D为阀芯的大直径 ，d为 阀芯 的小直径 。 由该式易知阀芯的承压面积变小，平衡同样大小 的进油压力，差动式的弹簧力可以减小，所以弹簧的 刚性可以降低，能够减小调节力矩，也可使阀芯具备 较好 的启 闭特性 。 2 ． 2 直 动式 溢流 阀 阀芯具体 结 构的确 定 直动式溢流 阀的阀芯结构 中，圆柱滑 阀式是最常 见的结构形式 ，其工艺性好 ，但是 阀芯与 阀套之间存 油液经过阀口的状态； 3 锥阀式结构所需密封力 小，容易达到密封要求 ； 4 阀芯只要很小的行程 就能通 过很 大的流量 ，通流 能力 大 ，可获得较好 的流 量特性 及动态特性 。因此 ，溢 流阀阀芯采用锥式 阀芯 结构 。 通过改变直动式溢流阀内部的形状结构实现中压 大流量的要求 ，具体结构如图2所示。 厂 。～ ‘ ．＼ ＼ ＼ ＼ ＼ L 月 ＼＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 、 l 一偏 流盘2 一锥 阀3 一 活 篝 图2 直动式锥型溢流阀结构 在锥阀的下部有一阻尼活塞 3 ，活塞的侧面被铣 扁，以便将压力油引到活塞底部，该活塞除了能增加 运动阻尼以提高阀的工作稳定性外，还可以使锥阀自 动导向而在开启后不会倾斜 。此外 ，锥 阀上部有 一个 偏流盘 1 ，盘上 的环形槽用来 改变液 流方 向 ，一方 面 用 以补偿锥 阀 2的液动力 ；另一 方面 由于液流方 向的 第 2 1 期 朱海燕 等 铝合金液压阀岛中溢流阀结构设计和静态特性计算 1 2 5 改变 ，产生一个与弹簧力方 向相反 的射流力 ，当通 过溢流阀的流量增加时，虽然因锥阀阀口增大引起弹 簧力增加 ，但由于与弹簧力方向相反的射流力同时增 加 ，结果抵消了弹簧力的增量，有利于提高阀的通流 流量和工作压力 。 3溢流阀的计算 溢流 阀的计算包括几何尺 寸的确定 和静 态特性计 算两部分。几何尺寸的确定主要包括 溢流阀孔径尺 寸的确定 ；溢流阀阻尼孑 L 尺寸的确定 ；锥阀芯锥角的 确定等。初步确定这些几何尺寸后，就可以根据设计 要求计算溢流阀的静态性能。 3 ． 1 几何 尺 寸 的确定 3 ． 1 ． 1 确定 阀的通径 d 通径 d是指溢流 阀进油 口的直径 。如 d取得 大 ， 则 阀的结构尺寸将 变大 ，既浪费 材料 ，又 占用空 间 。 d取得过小 ，则节流 口处油液不稳定 ，会使阀芯振动 而发出噪声 。这里考虑到溢流 阀的力平衡原理 即阀 芯底部的液压推力 p AF F 。 为弹簧力 。考虑到 此 处 P 较大 ，如 阀芯 尾部底 面 积较大 ，必将产 生 较 大 的推力 ，这就势必造成选用弹簧的倔强系数过高或 弹簧长度过长 。由于阀岛 的整体结构要求弹簧 的长度 不得超过5 0 m m。因此在确定阀芯直径的时候 ，必须 充分考虑 到设计弹簧的合理性及可能性。参照文献 [ 7 ]中直动式溢流阀设计 ，可预先确定 d0 ． 8 c m 另外 ，必须 设计 一 个 与溢 流 阀 阀芯 相对 应 的 阀 套 ，为 了便 于阀套 的安装 ，阀套 与阀体之 间为问隙配 合 ，其间隙取 0 ． 0 0 5～ 0 ． 0 1 m m。 3 ． 1 ． 2 阀芯与阀套之间的间隙 △ r 由于阀芯直径较小 ，不宜在阀芯中开阻尼孔 ，因 此选择在阀芯与阀套之间保持一定的间隙，以便控制 压 力油流至阀芯底部而对阀芯施加一个推力来与弹簧 力 共同控制溢流 阀的溢流 。适 当地增大间隙有利于提 高溢流阀 的灵敏度 ，但是如果 间隙过大 ，则可能使溢 流 阀定压 不 易稳 定下 来 ，压 力 振摆 加 大 ；而 间 隙太 小，溢流阀的动态响应性能又势必变差 ，将使溢流阀 开启 时的超调量增 大 、动态过 渡时间加长。根据实 际 经验 ，选定 间隙 △ r 为 6 0～7 0 m，阀芯与 阀套 间隙 配合长度为 1 2 m i l l 。 3 ． 1 ． 3 锥 阀锥 角 的确定 阀芯过流面积与 阀芯和 阀座 间的接触应力 的大小 和 值有关 ， 值小 ，接触应力就大 ，过流面积变 小。反之，如 值大，接触应力就变小，过流面积变 大。过流面积的大小涉及到阀工作性能的好坏，接触 应力的大小涉及到 阀的使用寿命 的长短 。因此 ， 值 不 宜过 大也不宜 过小 。设 计 中溢 流 阀的额定 流量 Q 3 ． 2 ． 1 在最高调定压力 P l m x 下 阀芯额定开 口量 。 Q s 。 盯 ‘ d s in a x 1 ／ l 3 将式 3 中 的 P 。 换 成 P ， ， ， 换成 。 。 就 可 以 一 4 s i n 的间隙流动，而阀芯与阀体孔都有锥度，之间还存在 附加阻力 ，该力为液压卡紧力 。 可减少到不开均压槽时的6 ％；开有等距离的7条均 1 2 6 机床与液压 第 4 0卷 0 ． 5 m m，宽 0 ． 5 m m。由于考虑到依靠间隙过油到阀 芯底部，故阀体与阀芯间的间隙较大，间隙大小选为 6 0～ 7 0 m，所以油液流经阀芯与阀体间的间隙后的 压力损失很小 。由公式 F 0 ． 2 △ p 5 式中 ，为摩擦因数；A 为卡紧系数； L为间隙长度； d为阀芯直径 ；a p为油液在通过缝隙时的压力差 。 这里 A 取 0 ． 0 6 ， f0 ． 0 6 ，且 L 、d及 △ p等较 小 ，故而液压卡紧力将会很小 ，故可不予考虑。 3 ． 2 ． 3 阀的弹簧 刚度 及预压缩量 ‰ 的确定 对 阀芯进行受力分析可得下式 K1 o p A AGF K 6 式 中 G为 阀芯的重力。 因为阀芯材料为铝合金材料 ，且阀芯体积很小， 因此 阀芯的重力可以不予 考虑 。同样 ，前面 已证实液 压卡紧力可忽略不计。由式 6 转化并代入相应值 有 ．A 6 ． 33 ． 1 41 5 9 x 8 2 31 6 ． 6 7 N 所以可得 K1 ‰ 31 6 ． 7 N 弹簧在溢流阀中既要保证阀芯有足够的复位力， 又要使阀芯在开启过程中弹簧力的变化较小。通过减 小弹簧 的刚度 ，有利于提高 阀的启闭特性 ，提高阀的 压力稳定性。但是， 值过小，又会使溢流阀的动 态过渡时间延长，降低阀的动态性能。考虑到阀体与 确定好 的整 体结 构 ，弹簧 预压 缩 量最 终 确定 为 1 ． 3 c m。故得 出 K131 6 ． 7 ／ 1 ． 32 4 3 ． 61 N／ c m 至此 ，溢流 阀的主要结构尺寸设计完毕 ，其他次 要参数可根据情况具体决定。 4结论 通过分析溢流 阀在铝合金液压 阀岛中的作用及其 设计 时所需 参数 ，根据铝合金液压 阀岛的工作要求确 定溢流 阀为直动式 ；通过对直动式溢流阀各种结构的 性能比较，确定阀芯结构为锥形；最后通过对溢流阀 的主要几何尺寸的计算以及静态特性的计算 ，确定了 计算的相关参数数值 ，为铝合金液压阀岛溢流阀的设 计奠定 了扎实的理论基础。 参考文献 【 1 】Z H A O Y， C O N G D C， H A N J w． A n I n t e g r a t e d A p p r o a c h f o r T he r e ali z a t i o n o f t he Re a l -- t i me Co n t r o l i n El e c t r o--hy d r a u l i c S e r v o s y s t e m[ J ] ． A p p l i e d Me c h a n i c s a n 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