帶位移電反饋的二級(jí)電液比例節(jié)流閥設(shè)計(jì).doc

帶位移電反饋的二級(jí)電液比例節(jié)流閥設(shè)計(jì)1緒論由于本畢業(yè)設(shè)計(jì)屬于電液比例閥這一大類(lèi)，故此先簡(jiǎn)略介紹一下電液比例閥：1.1 電液比例閥概述電液比例閥是以傳統(tǒng)的工業(yè)用液壓控制閥為基礎(chǔ)，采用模擬式電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)，連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)中工作介質(zhì)的壓力、方向或流量的一種液壓元件。此種閥工作時(shí)，閥內(nèi)電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置根據(jù)輸入的電壓信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量輸出。閥芯位移可以以機(jī)械、液壓或電的形式進(jìn)行反饋。當(dāng)前，電液比例閥在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用。1.2 電液比例閥的特點(diǎn)與分類(lèi)比例閥把電的快速性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)與液壓傳動(dòng)力量大的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，能連續(xù)地、按比例地控制液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的力、速度和方向，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，減少了元件的使用量，并能防止壓力或速度變換時(shí)的沖擊現(xiàn)象。比例閥主要用在沒(méi)有反饋的回路中，對(duì)有些場(chǎng)合，如進(jìn)行位置控制或需要提高系統(tǒng)的性能時(shí)，電液比例閥也可作為信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大元件組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。比例閥與開(kāi)關(guān)閥相比，比例閥可簡(jiǎn)單地對(duì)油液壓力、流量和方向進(jìn)行遠(yuǎn)距離的自動(dòng)連續(xù)控制或程序控制，響應(yīng)快, 工作平穩(wěn)，自動(dòng)化程度高，容易實(shí)現(xiàn)編程控制，控制精度高，能大大提高液壓系統(tǒng)的控制水平。與伺服閥相比，電液比例閥雖然動(dòng)靜態(tài)性能有些遜色，但使用元件較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造較電液伺服閥容易，價(jià)格低，效率也比伺服高(伺服控制系統(tǒng)的負(fù)載壓力僅為供油壓力的23)，系統(tǒng)的節(jié)能效果好，使用條件、保養(yǎng)和維護(hù)與一般液壓閥相同，大大地減少了由污染而造成的工作故障，提高了液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性。下面是開(kāi)關(guān)閥、比例閥和伺服閥幾種閥的特性比較：表1-1電液比例元件和伺服、數(shù)字、開(kāi)關(guān)元件的特性比較類(lèi)別類(lèi)別性能比例閥伺服閥開(kāi)關(guān)閥過(guò)濾精度()2532550閥內(nèi)壓降()0.5270.2550滯環(huán)(%)1313重復(fù)精度(%)0.510.5頻寬(Hz/3dB)2520200中位死區(qū)有無(wú)有價(jià)格比130.5比例控制元件的種類(lèi)繁多，性能各異，有多種不同的分類(lèi)方法。(1) 按其控制功能來(lái)分類(lèi)，可分為比例壓力控制閥，比例流量控制閥、比例方向閥（比例方向流量閥）和比例復(fù)合閥。前兩者為單參數(shù)控制閥，后兩種為多參數(shù)控制閥。比例方向閥能同時(shí)控制流體運(yùn)動(dòng)的方向和流量，是一種兩參數(shù)控制閥，因此有的書(shū)上稱(chēng)之為比例方向流量閥。還有一種被稱(chēng)作比例壓力流量閥的兩參數(shù)控制閥，能同時(shí)對(duì)壓力和流量進(jìn)行比例控制。有些復(fù)合閥能對(duì)單個(gè)執(zhí)行器或多個(gè)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)壓力、流量和方向的同時(shí)控制，這種分類(lèi)方法是最常見(jiàn)的分類(lèi)方法。(2) 按液壓放大級(jí)的級(jí)數(shù)來(lái)分，又可分為直動(dòng)式和先導(dǎo)式。直動(dòng)式是由電一機(jī)械轉(zhuǎn)換元件直接推動(dòng)液壓功率級(jí)。由于受電一機(jī)械轉(zhuǎn)換元件的輸出力的限制，直動(dòng)式比例閥能控制的功率有限，一般控制流量都在15L/min以下。先導(dǎo)控制式比例閥由直動(dòng)式比例閥與能輸出較大功率的主閥級(jí)構(gòu)成。前者稱(chēng)為先導(dǎo)閥或先導(dǎo)級(jí)，后者稱(chēng)主閥功率放大級(jí)。根據(jù)功率輸出的需要，它可以是二級(jí)或三級(jí)的比例閥。二級(jí)比例閥可以控制的流量通常在500L/min以下。比例插裝閥可以控制的流量達(dá)1600L/min.(3) 按比例控制閥的內(nèi)含的級(jí)間反饋參數(shù)或反饋物理量的形式來(lái)分可分為帶反饋或不帶反饋型。不帶反饋型一類(lèi)，是從開(kāi)關(guān)式或定值控制型的傳統(tǒng)閥上加以改進(jìn)，用比例電磁鐵代替手輪調(diào)節(jié)部分而成；帶反饋型一類(lèi)，是借鑒伺服閥的各種反饋控制發(fā)展起來(lái)的。它保留了伺服閥的控制部分，降低了液壓部分的精度要求，或?qū)σ簤翰糠种匦略O(shè)計(jì)而構(gòu)成。因此，有時(shí)也被稱(chēng)作廉價(jià)伺服閥。反饋型又分為流量反饋、位移反饋和力反饋。也可以把上述量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的其它量或電量再進(jìn)行級(jí)間反饋，又可構(gòu)成多種形式的反饋型比例閥。例如，有流量一位移一力反饋、位移電反饋、流量電反饋等。凡帶有電反饋的比例閥，控制它的電控器需要帶能對(duì)反饋電信號(hào)進(jìn)行放大和處理的附加電子電路。(4) 按比例閥主閥芯的型式來(lái)分，又可分為滑閥式和插裝式?；y式是在傳統(tǒng)的三類(lèi)閥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的；而插裝式是在二通或三通插裝元件的基礎(chǔ)上，配以適當(dāng)?shù)谋壤葘?dǎo)控制級(jí)和級(jí)間反饋聯(lián)系組合而成。由于它具有動(dòng)態(tài)性能良好，集成化程度高，流通量大等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的比例元件。(5) 按其生產(chǎn)過(guò)程還可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是在電液伺服閥的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低制造精度，從而以低頻寬和低靜態(tài)指標(biāo)換得成本的低廉，用于對(duì)頻寬和控制精度要求不高的場(chǎng)合。另一類(lèi)是在傳統(tǒng)的液壓閥基礎(chǔ)上，配上廉價(jià)的螺管式比例電磁鐵進(jìn)行控制。盡管上面己列舉了幾種不同的分類(lèi)方法，但并未能把不同的比例閥的性能、特征都詳盡無(wú)遺地反映出來(lái)。例如，還可按控制信號(hào)的形式來(lái)分，它又分為模擬信號(hào)控制式，脈寬調(diào)制信號(hào)控制式和數(shù)字信號(hào)控制式。特別是在機(jī)電一體化方面的需要，很多新型的比例元件不斷出現(xiàn)，為比例閥的家族增添新成員。1.3 電液比例閥的發(fā)展階段比例控制技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代末，當(dāng)時(shí)，電液伺服技術(shù)已日趨完善，由于伺服閥的快速響應(yīng)及較高的控制精度，以及明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，迅速在高精度、快速響應(yīng)的領(lǐng)域中，如航天、航空、軋鋼設(shè)備及實(shí)驗(yàn)設(shè)備等中取代了傳統(tǒng)的機(jī)電控制方式，但電液伺服閥成本高、應(yīng)用和維護(hù)條件苛刻，難以被工業(yè)界接受。在很多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合并不要求太高的控制精度或響應(yīng)性，而要求發(fā)展一種廉價(jià)、節(jié)能、維護(hù)方便、適應(yīng)大功率控制及具有一定控制精度的控制技術(shù)。這種需求背景導(dǎo)致了比例技術(shù)的誕生與發(fā)展。而現(xiàn)代電子技術(shù)和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展為工程界提供了可靠而廉價(jià)的檢測(cè)、校正技術(shù)。這些正為電液比例技術(shù)的發(fā)展提供了有利的條件。1967年瑞士Beringer公司生產(chǎn)的KL比例復(fù)合閥標(biāo)志著比例控制技術(shù)在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的正式開(kāi)始，主要是將比例型的電- 機(jī)械轉(zhuǎn)換器(比例電磁鐵) 應(yīng)用于工業(yè)液壓閥。比例技術(shù)的發(fā)展由此往下大致可分為三個(gè)階段：(1) 從1967年瑞士Beringer公司生產(chǎn)Kl比例復(fù)合閥起，到70年代初日本油研公司申請(qǐng)了壓力和流量?jī)身?xiàng)比例閥專(zhuān)利為止，標(biāo)志著比例技術(shù)的誕生時(shí)期。這一階段的比例閥，僅僅是將比例型的電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器(如比例電磁鐵)用于工業(yè)液壓閥，以代替開(kāi)關(guān)電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄。閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則幾乎沒(méi)有變化，大多不含受控參數(shù)的反饋閉環(huán)。其工作頻寬僅在1-5Hz之間，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)在4-7%之間，多用于開(kāi)環(huán)控制。(2) 1975年到1980年間，可以認(rèn)為比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了第二階段。采用各種內(nèi)反饋原理的比例元件大量問(wèn)世，耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術(shù)上也日趨成熟。比例元件的工作頻寬己達(dá)5-15Hz,穩(wěn)態(tài)滯環(huán)亦減小到3%左右。其應(yīng)用領(lǐng)域日漸擴(kuò)大，不僅用于開(kāi)環(huán)控制，也被應(yīng)用于閉環(huán)控制。(3) 80年代，比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了第三階段。比例元件的設(shè)計(jì)原理進(jìn)一步完善，采用了壓力、流量、位移內(nèi)反饋、動(dòng)壓反饋及電校正等手段，使閥的穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性都有了進(jìn)一步的提高，頻寬達(dá)到3-50Hz，滯環(huán)在19/6-3%之間。除了因制造成本所限，比例閥在中位仍保留死區(qū)外，它的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均己和工業(yè)伺服閥無(wú)異。另一項(xiàng)重大進(jìn)展是，比例技術(shù)開(kāi)始和插裝閥相結(jié)合，己開(kāi)發(fā)出各種不同功能和規(guī)格的二通、三通型比例插裝閥，形成了電液比例插裝技術(shù)。同時(shí)，由于傳感器和電子器件的小型化，還出現(xiàn)了電液一體化的比例元件，電液比例技術(shù)逐步形成了80年代的集成化趨勢(shì)。第三個(gè)值得指出的進(jìn)展是電液比例容積元件，各類(lèi)比例控制泵和執(zhí)行元件相繼出現(xiàn)，為大功率工程控制系統(tǒng)的節(jié)能提供了技術(shù)基礎(chǔ)，而且計(jì)算機(jī)技術(shù)同液壓比例技術(shù)相結(jié)合已成為必然趨勢(shì)。近年來(lái)比例閥出現(xiàn)了復(fù)合化趨勢(shì)，極大地提高了比例閥(電反饋) 的工作頻寬。在基礎(chǔ)閥的基礎(chǔ)上，發(fā)展出先導(dǎo)式電反饋比例方向閥系列，它與定差減壓閥或溢流閥的壓力補(bǔ)償功能塊組合，構(gòu)成電反饋比例方向流量復(fù)合閥，可進(jìn)一步取得與負(fù)載協(xié)調(diào)和節(jié)能效果。今天，隨著微電子技術(shù)和數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，比例閥技術(shù)已達(dá)到比較完善的程度，已形成完整的產(chǎn)品品種、規(guī)格系列，并對(duì)已成熟的產(chǎn)品，為進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用，在保持原基本性能與技術(shù)指標(biāo)的前提下，向著簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性、降低制造成本及“四化”（通用化、模塊化、組合化、集成化）的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，降低制造成本。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，由電液伺服閥、電液比例閥，以及配用的專(zhuān)用電子控制器和相應(yīng)的液壓元件，組合集成電液伺服比例控制系統(tǒng)的相互支撐發(fā)展，已綜合形成液壓工程技術(shù)，它的應(yīng)用與發(fā)展被認(rèn)為是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平的重要標(biāo)志，是液壓工業(yè)又一個(gè)新的技術(shù)熱點(diǎn)和增長(zhǎng)點(diǎn)。1.4 電液比例技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展在我國(guó)，有一大批主機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展需要應(yīng)用電液比例技術(shù)，因此，該技術(shù)被列為促進(jìn)我國(guó)液壓工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國(guó)電液伺服技術(shù)始于上世紀(jì)六十年代，到七十年代有了實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品，目前約有年產(chǎn)能力2000臺(tái)；電液比例技術(shù)到七十年代中期開(kāi)始發(fā)展，現(xiàn)有幾十種品種、規(guī)格的產(chǎn)品，約形成有年產(chǎn)能力5000臺(tái)?？偟目?，我國(guó)電液伺服比例技術(shù)與國(guó)際水平比有較大差距，主要表現(xiàn)在：缺乏主導(dǎo)系列產(chǎn)品，現(xiàn)有產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格雜亂，品種規(guī)格不全，并缺乏足夠的工業(yè)性試驗(yàn)研究，性能水平較低，質(zhì)量不穩(wěn)定，可靠性較差，以及存在二次配套件的問(wèn)題等，都有礙于該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大應(yīng)用，急待盡快提高。1.5 比例流量閥按上述分類(lèi)方法中的第一類(lèi)方法，本畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)課題屬于比例流量閥這一大類(lèi)。比例流量閥是一種輸出流量與輸入信號(hào)成比例的液壓閥，這類(lèi)閥可以按給定的輸入電信號(hào)連續(xù)的、按比例的控制液流的流量。1.5.1 比例流量閥分類(lèi)(參見(jiàn)文獻(xiàn)1 443-445頁(yè)) (1) 電液比例節(jié)流閥 電液比例節(jié)流閥屬于節(jié)流控制功能閥類(lèi)，其通過(guò)流量與節(jié)流口開(kāi)度大小有關(guān)，同時(shí)受到節(jié)流口前后壓差的影響；(2) 調(diào)速閥一般由電液比例節(jié)流閥加壓力補(bǔ)償器或流量反饋元件組成。壓力補(bǔ)償器使節(jié)流口兩端的壓差基本保持為常值，使通過(guò)調(diào)速閥的流量只取決于節(jié)流口的開(kāi)度，屬于流量控制功能閥類(lèi)。(3) 電液比例流量壓力復(fù)合控制閥將電液比例壓力閥和電液比例流量閥復(fù)合在一個(gè)控制閥中，構(gòu)成了一個(gè)專(zhuān)用閥，也稱(chēng)為PQ閥，在塑機(jī)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)將要設(shè)計(jì)的是上述分類(lèi)中的第一類(lèi)電液比例節(jié)流閥。1.5.2 電液比例節(jié)流閥的分類(lèi)(1) 直動(dòng)式電液比例節(jié)流閥（詳細(xì)介紹參見(jiàn)文獻(xiàn)1348-352頁(yè)）a.普通型直動(dòng)式電液比例節(jié)流閥力控制型比例電磁鐵直接驅(qū)動(dòng)節(jié)流閥閥芯，閥芯相對(duì)于閥體的軸向位移與比例電磁鐵的輸入電信號(hào)成比例。此種閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉?；y機(jī)能有常開(kāi)式、常閉式，但由于沒(méi)有壓力或其他檢測(cè)補(bǔ)償措施，工作時(shí)受摩擦力及液動(dòng)力的影響以致控制精度不高，適宜低壓小流量系統(tǒng)采用。b.位移電反饋型直動(dòng)式電液比例節(jié)流閥與普通型直動(dòng)式電液比例節(jié)流閥的差別在于增設(shè)了位移傳感器，用于檢測(cè)閥芯的位移。通過(guò)檢測(cè)閥芯的位移，通過(guò)電反饋閉環(huán)消除干擾力的影響，以得到較高的控制精度。此種閥結(jié)構(gòu)更加緊湊，但由于比例電磁鐵的功率有限，所以此種閥主要用于小流量系統(tǒng)的控制。(2) 先導(dǎo)式電液比例節(jié)流閥有位移力反饋型、位移電反饋型及位移流量反饋型和三級(jí)控制型等多種形式。a.位移力反饋型先導(dǎo)式電液比例節(jié)流閥整個(gè)閥的基本工作特征是利用主閥芯位移力反饋和級(jí)間（功率級(jí)和先導(dǎo)級(jí)間）動(dòng)壓反饋原理實(shí)現(xiàn)控制。位移力反饋型先導(dǎo)式電液比例節(jié)流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，主閥行程不受電磁鐵位移的限制，但由于也未進(jìn)行壓力檢測(cè)補(bǔ)償反饋，所以其通過(guò)流量仍與閥口壓差相關(guān)。b.位移電反饋型先導(dǎo)式電液比例節(jié)流閥 由帶位移傳感器的插裝式主閥與三通先導(dǎo)比例減壓閥組成。本設(shè)計(jì)將要設(shè)計(jì)的就是這一類(lèi)閥。c.三級(jí)控制型大流量電反饋電液比例節(jié)流閥對(duì)于32通徑以上的比例節(jié)流閥，為了保持在一定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、較好的穩(wěn)態(tài)精度，可采用三級(jí)控制方案，即通過(guò)經(jīng)二級(jí)液壓放大的液壓信號(hào)，再去控制遞三級(jí)閥芯的位移（詳見(jiàn)文獻(xiàn)2350頁(yè)）。2流量閥控制流量的一般原理本閥是電液比例節(jié)流閥，最終控制的是液壓系統(tǒng)中的流量，即實(shí)現(xiàn)節(jié)流，故下面將對(duì)流量控制的基本原理進(jìn)行闡述。2.1 流量控制的基本原理不管各類(lèi)流量閥結(jié)構(gòu)有何不同，其依據(jù)的控制原理都是一樣，查文獻(xiàn)的102頁(yè)，得以下這個(gè)公式： （2-1）式中：流量閥控制的流量；與節(jié)流口形狀、油液密度和和油溫相關(guān)的系數(shù)，具體數(shù)值應(yīng)該由實(shí)驗(yàn)得出。在一定的溫度下，對(duì)確定的閥口和工作介質(zhì)，可視為常數(shù)；為節(jié)流口的通流截面積，與閥口的形狀與閥芯位移有關(guān)；節(jié)流口前后的壓差； 由節(jié)流口形狀決定的節(jié)流閥參數(shù)，其值在0.51.0之間，應(yīng)由實(shí)驗(yàn)求得。由式(2-1)可知，通過(guò)節(jié)流閥的流量是和節(jié)流口前后的壓差、油溫以及節(jié)流口的形狀等因素密切有關(guān)的。2.2 流量閥的控制方式(1) 節(jié)流控制如式(2-1)中，C為常數(shù)，因此一般不能對(duì)它進(jìn)行調(diào)節(jié)，而控制來(lái)調(diào)節(jié)流量很不方便，一般只能通過(guò)調(diào)節(jié)的辦法來(lái)控制流量。當(dāng)只調(diào)節(jié)來(lái)控制流量時(shí)就是所謂的節(jié)流控制。在這種方式下，當(dāng)節(jié)流閥的通流截面積調(diào)整以后，在實(shí)際使用時(shí)由于負(fù)載及其他不穩(wěn)定的因素的存在，節(jié)流口前后的壓差也在變化，就會(huì)干擾節(jié)流閥通流，使流量不穩(wěn)定。式中越大，的變化對(duì)的影響也就越大。一般來(lái)說(shuō)節(jié)流口為薄壁孔時(shí)0.5，細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)1。故為增大流量控制準(zhǔn)確性，減小對(duì)的影響，本設(shè)計(jì)中的節(jié)流口采用薄壁孔形式。(2) 調(diào)速控制在要求較高的場(chǎng)合，采用減壓閥來(lái)保持節(jié)流口前后的壓差恒定。由于不會(huì)有不穩(wěn)定的壓差對(duì)流量造成影響，因而流量將與通流截面積成較好的線性關(guān)系，這就是所謂的流量控制或調(diào)速控制，相應(yīng)的閥稱(chēng)為調(diào)速閥。2.3 本設(shè)計(jì)中節(jié)流閥的參數(shù)如前所述，由于本設(shè)計(jì)中節(jié)流閥的節(jié)流口采用薄壁孔的形式，故式（3-1）中為0.5，因而式（3-1）變?yōu)橄率剑?(2-2)本設(shè)計(jì)擬定調(diào)節(jié)的方法為將閥芯置于閥套之中，閥芯圓周上開(kāi)有一定面積梯度的溝槽，移動(dòng)閥芯將得到不同的，進(jìn)而將得到不同的流量，這就是本設(shè)計(jì)中節(jié)流主閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流的基本原理。2.4 主閥閥芯節(jié)流口形式確定節(jié)流口的形式及其特性在很大程度上決定者流量控制閥的性能。是流量閥的關(guān)鍵部位，幾種常用節(jié)流口形式為（參見(jiàn)文獻(xiàn)4109頁(yè)）:(1) 針閥式節(jié)流口 針閥做軸向移動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)了環(huán)形通道的大小，由此改變了流量。這種結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)單，但節(jié)流口長(zhǎng)度大，水力半徑小，易堵塞，流量受油溫影響較大。一般用于對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合。(2) 偏心式節(jié)流口 在閥芯上開(kāi)一個(gè)截面為三角形（或矩形）的偏心槽。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯時(shí)，就可以改變通道大小，由此調(diào)節(jié)流量。這種節(jié)流口的性能與針閥式節(jié)流口相同，但容易制造。其缺點(diǎn)是閥芯上的徑向力不平衡，旋轉(zhuǎn)閥芯時(shí)較費(fèi)力，一般用于壓力較低、流量較大和流量穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。(3) 軸向三角槽式節(jié)流口 在閥芯端部開(kāi)有一個(gè)或兩個(gè)斜三角槽,軸向移動(dòng)閥芯就可以改變?nèi)遣弁髅娣e從而調(diào)節(jié)流量。在高壓閥中有時(shí)在軸端銑兩個(gè)斜面來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)流。這種節(jié)流口水力半徑較大。(4) 縫隙式節(jié)流口 閥芯上開(kāi)有狹縫，油液可以通過(guò)狹縫流入閥芯內(nèi)孔，從旁側(cè)的孔流出。旋轉(zhuǎn)閥芯可以改變縫隙的通流面積大小。這種節(jié)流口可以做成薄刃結(jié)構(gòu)，從而獲得較小的流量，但是閥芯受徑向不平衡力作用，故只在低壓節(jié)流閥中采用。(5) 軸向縫隙式節(jié)流口 在套筒上開(kāi)有軸向縫隙，軸向移動(dòng)閥芯就可改變縫隙的通流面積大小。這種節(jié)流口可以做成單薄刃或雙薄刃式結(jié)構(gòu)，流量對(duì)溫度不敏感。在小流量時(shí)水力半徑大，故小流量時(shí)穩(wěn)定性好，可用于性能要求較高的場(chǎng)合，但節(jié)流口在高壓下易變形，使用時(shí)應(yīng)改變結(jié)構(gòu)剛度。由于本設(shè)計(jì)中閥的設(shè)計(jì)要求為通徑32mm，屬于大流量應(yīng)用場(chǎng)合，且流量控制精度要求較高，故針閥式節(jié)流口不適用；該閥擬定工作壓力為31.5MPa，屬于高壓應(yīng)用場(chǎng)合，因此縫隙式節(jié)流口和軸向縫隙式節(jié)流口這兩種只適合在低壓的情況下的節(jié)流口不適合；由于閥芯運(yùn)動(dòng)形式為軸向運(yùn)動(dòng)，故需要轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯才能可以改變通道大小，并以此調(diào)節(jié)流量的偏心式節(jié)流口不適合。因此，本設(shè)計(jì)中節(jié)流口最終確定采用軸向三角槽式節(jié)流口。3 比例節(jié)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于本設(shè)計(jì)中電液比例節(jié)流閥的設(shè)計(jì)參數(shù)要滿足的要求為：電液比例節(jié)流閥通徑32mm，最大流量480L/min,因此該閥屬于高壓大流量閥，而今天在高壓大流量范圍領(lǐng)域內(nèi)，插裝閥以其通流能力大、密封性能好、組裝靈活，已取代滑閥式結(jié)構(gòu)成為該領(lǐng)域內(nèi)的主導(dǎo)控制閥品種。因此，在本設(shè)計(jì)中節(jié)流閥的主閥采用插裝式結(jié)構(gòu)，而不采用傳統(tǒng)的滑閥式結(jié)構(gòu)?；诖?，有必要在此對(duì)插裝閥作簡(jiǎn)要介紹。3.1 插裝閥介紹插裝閥的主要產(chǎn)品是二通蓋板式插裝閥，它是在20世紀(jì)70年代，根據(jù)各類(lèi)控制閥閥口在功能上或是固定、或是可調(diào)、或是可控液阻的原理，發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)覆蓋壓力、流量、方向以及比例控制等的新型控制閥類(lèi)。插裝閥的基本構(gòu)件為標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化程度很高的插裝式閥芯、閥套、插裝孔和適應(yīng)各種控制功能的蓋板組件，具有涌流能力大、液阻小、密封性好、響應(yīng)快及控制自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。由于插裝閥是一種標(biāo)準(zhǔn)化的閥，所以閥的一些關(guān)鍵尺寸必須符合相關(guān)規(guī)定。在我國(guó)，插裝閥必須符合GB2877-81二通插裝閥安裝尺寸。 3.1.1 插裝閥的組成一般由插裝主閥、控制蓋板、通道塊三部分組成。插裝主閥由閥套、彈簧、閥芯（一般為錐閥芯）及相關(guān)密封件組成，可以看成是兩級(jí)閥的主級(jí)，有多種面積比和彈簧剛度，主要功能是控制主油路中油流方向、壓力和流量；控制蓋板上根據(jù)插裝閥的不同控制功能，安裝有相應(yīng)的先導(dǎo)控制級(jí)元件；通道塊既是插入元件及安裝控制蓋板的基礎(chǔ)閥體，又是主油路和控制油路的連通體。3.1.2 插裝閥的優(yōu)點(diǎn)(1) 插裝閥有許多滑閥不具有的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)即標(biāo)準(zhǔn)化程度高，系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用靈活。將一個(gè)或若干個(gè)插裝元件進(jìn)行不同組合，并配以相應(yīng)的先導(dǎo)控制級(jí)，就可以組成方向控制、壓力控制、流量控制或復(fù)合控制等控制單元，內(nèi)阻小，適宜大流量工作；(2) 由于是閥座式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部泄漏非常小，沒(méi)有卡死現(xiàn)象。插裝閥被直接裝入集成塊的內(nèi)腔中，所以減少了漏油、振動(dòng)、噪聲和配管引起的故障，提高了可靠性； (3) 有良好的響應(yīng)性，能實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換；(4) 由于實(shí)現(xiàn)了液壓裝置緊湊集成化，可大幅度地縮小安裝空間與占地面積，與常規(guī)的液壓裝置相比結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，且成本降低而可靠性提高，工作效率也相應(yīng)提高；(5) 對(duì)于乳化液等低粘度的工作介質(zhì)也適宜，污染耐受力比滑閥式結(jié)構(gòu)更大。 3.2 控制蓋板的設(shè)計(jì)控制蓋板是總個(gè)閥各個(gè)元件的承載體，其上裝有插裝式主閥、先導(dǎo)閥、位移傳感器及比例電磁鐵。因?yàn)椴逖b閥的各安裝尺寸都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，各尺寸需查表按標(biāo)準(zhǔn)化尺寸來(lái)定；控制蓋板的各部分尺寸如下：圖3-1 控制蓋板查文獻(xiàn)第11章“二通插裝閥的安裝連接尺寸”一節(jié)，查得公稱(chēng)通徑為32mm的二通插裝閥控制蓋板相關(guān)尺寸如下： b1102mm，b2=102mm, b363mm，d1=60mm, m1=70mm, m2=70mm, m3=35mm, m4=35mm。由于控制蓋板右側(cè)將安裝先導(dǎo)閥，故將b1延長(zhǎng)為122，將其中的m4延長(zhǎng)為50。本閥中，控制蓋板將用四個(gè)緊固螺釘固定在通道塊上，此為四個(gè)四個(gè)緊固螺釘為圓柱頭內(nèi)六角螺釘，其公稱(chēng)直徑根據(jù)閥的要求選用M16。查文獻(xiàn)6第二章螺紋連接中表緊固件的通孔及沉孔尺寸，確定控制蓋板上四個(gè)內(nèi)六角螺釘?shù)陌惭b孔的尺寸為：d2=26mm，d3=20mm, d4=17mm, t=10.5mm。本設(shè)計(jì)中控制蓋板中有三條油液通道，第一條為主閥控制腔至先導(dǎo)閥K口的孔道，第二條為X口至先導(dǎo)閥的I口的孔道，第三條為先導(dǎo)閥的O口至Y口的孔道，由于此三條均為先導(dǎo)控制油通道，通過(guò)流量不會(huì)很大，故直徑不需要太大，但太小可能會(huì)容易堵塞，且流道太小也難以加工出來(lái)。故最終擬定三條通道直徑均采用mm,且建議加工時(shí)可采用電火花加工出來(lái)。綜合以上所述，確定控制蓋板相關(guān)尺寸如下：圖3-2 控制蓋板尺寸3.3 插裝式主閥設(shè)計(jì)插裝式主閥由主閥閥套、閥芯、主閥彈簧及相關(guān)密封件組成。3.3.1 主閥閥套的設(shè)計(jì)該閥套頭部插裝入控制蓋板中，下部裝入通道塊中。由于插裝閥的一些尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因而主閥閥套的外部尺寸必須符合標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)，插裝閥必須符合GB2877-81二通插裝閥安裝尺寸。主閥閥套的各尺寸如下：圖3-3 主閥閥套的尺寸示意圖因?yàn)楸敬萎厴I(yè)設(shè)計(jì)的要求為通徑32mm，最大流量480L/min，主閥芯帶位移電反饋型先導(dǎo)控制， 故尺寸d2為32mm。查文獻(xiàn)5第11章“二通插裝閥的安裝連接尺寸”一節(jié)，查得公稱(chēng)通徑為32mm的二通插裝閥控制蓋板尺寸如下：d1=45, t1=12.5, t2=85, d3=60由于主閥閥套頭部插裝入控制蓋板中，下部裝入通道塊中，因此如何防止油液的內(nèi)、外泄漏，減小在閥上的能量損失，提高閥的效率，對(duì)液壓閥來(lái)說(shuō)是很重要的問(wèn)題。因此密封件的選用是很重要的。密封件有多種，如油封氈圈、骨架式旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈、O形橡膠密封圈等。一般對(duì)密封件的主要要求是：(1) 在一定的壓力、溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能；(2) 有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因密封件所引起的摩擦力應(yīng)盡量小，摩擦系數(shù)應(yīng)盡量穩(wěn)定；(3) 耐腐蝕、耐磨性好，不易老化，工作壽命長(zhǎng)，磨損后能在一定程度上自動(dòng)補(bǔ)償；(4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便，成本低廉。由上述要求，選用 o形橡膠密封圈做為閥體中的密封件。o形橡膠密封圈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能好、壽命長(zhǎng)、摩擦阻力較小、成本低，既可以作靜密封，也可作為動(dòng)密封使用。在一般情況下，靜密封可靠使用壓力可達(dá)35MPa，動(dòng)密封可靠使用壓力可達(dá)10MPa，當(dāng)合理采用密封擋圈或其它組合形式，可靠壓力將成倍提高。因此在本設(shè)計(jì)中閥套與控制蓋板、閥套與通道塊之間的密封都采用o形橡膠密封圈。查文獻(xiàn) 第八章液壓輔件，確定o形橡膠密封圈的型號(hào)及其安裝尺寸。綜合以上所述，得到閥套的尺寸如下： 圖3-4 主閥閥套尺寸3.3.2 主閥閥芯的設(shè)計(jì) 主閥閥芯為錐閥，頂端帶有軸向三角槽式節(jié)流口，上部有裝主閥彈簧的孔，中心具有連接位移傳感器的螺孔，與位移傳感器的檢測(cè)桿相連。按上述要求初步擬定的主閥閥芯的示意圖如下：圖3-5主閥閥芯結(jié)構(gòu)圖3.3.3 插裝式主閥面積比的確定如圖3-6，插裝閥中有三個(gè)面積會(huì)影響閥芯在閥套中的開(kāi)啟及關(guān)閉，即、。其中、分別為閥芯主油口A口和口處的面積，為控制腔腔的面積，很明顯有 （3-1）面積比是指閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，、分別與的比值和，它們表示了三個(gè)面積之間數(shù)值上的關(guān)系，通常定義為面積比。錐閥中，面積比大體分為(1:1.2)、(1:1.5)、(1:1.0)、(1:1.07)、(1:2.0)等類(lèi)型。在本閥中的面積比選用類(lèi)型，即1:1.2，由于本畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求是通徑為32，此處即面積的直徑為32，因此口的半徑為16。圖3-6 插裝閥面積比的示意圖令控制腔的半徑為，則由面積比的公式得所以=803.842=0.2*=0.2*803.84=160.7682964.60823.3.4 主閥閥芯的受力分析首先在主閥關(guān)閉時(shí)對(duì)主閥閥芯進(jìn)行靜力分析。本設(shè)計(jì)中主閥采用兩種通流方式： 正向通流（A通流）：節(jié)流閥的總進(jìn)油口接A口，總出油口接B口，油液從口流向口； 反向通流(通流)：節(jié)流閥的總進(jìn)油口接B口，總出油口接A口，油液從B口流向A口。 在正向通流即通流且閥芯關(guān)閉時(shí)，對(duì)閥芯進(jìn)行受力分析如下：往上的力往下的力 其中： 節(jié)流閥進(jìn)油口處的工作壓力；口的面積；節(jié)流閥出油口處的工作壓力；B口的面積； 閥芯受閥座向上的反力； 控制腔油液的壓力； 主閥閥芯自重； 在主閥閥芯關(guān)閉時(shí)，彈簧的預(yù)緊力建立主閥閥芯關(guān)閉時(shí)的靜力平衡方程如下：即 (3-2)而當(dāng)閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，必有大于或等于0，忽略閥芯自重，得： ()() 0 (3-3)轉(zhuǎn)換得 (3-4)這正是要使主閥關(guān)閉，控制腔壓力必須滿足的條件。代入?yún)?shù)：本畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求為節(jié)流閥額定進(jìn)口壓力為31.5MPa，額定出口壓力為30.5MPa.,壓差為MPa, 即為31.5MPa，為30.5MPa。由文獻(xiàn)6 初步擬定主閥彈簧選擇剛度為362N/mm的彈簧，并擬定其預(yù)壓縮量為20mm，那么主閥彈簧的預(yù)緊力20mm7240(3-5) 將上述參數(shù)代入式 (3-4)中，得由上式可知，必須大于23.8MPa，主閥閥芯才能關(guān)閉，或者說(shuō)23.8MPa正是主閥閥芯的臨界關(guān)閉壓力。在反向流通即通流且閥芯關(guān)閉時(shí)，對(duì)閥芯進(jìn)行受力分析如下：往上的力 往下的力 建立主閥閥芯關(guān)閉時(shí)靜力平衡方程：即 (3-6)忽略閥芯自重，要使主閥閥芯關(guān)閉得：()() 0轉(zhuǎn)換為(3-7)上式是反向通流下,主閥要關(guān)閉控制腔必須滿足的條件。將參數(shù)代入得： 可見(jiàn)在反向通流情況下，主閥閥芯關(guān)閉的臨界壓力為23.2MPa。主閥閥芯開(kāi)啟時(shí)的動(dòng)力分析設(shè)閥芯質(zhì)量為，為閥芯位移隨時(shí)間變化的函數(shù)，其方向的正向?yàn)殚y芯向上運(yùn)動(dòng)方向，起點(diǎn)為主閥芯關(guān)閉時(shí)的位置。在正向通流情況下，建立閥芯運(yùn)動(dòng)方程如下：(3-8)式中：主閥彈簧對(duì)閥芯施加的壓力； 為閥芯所受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，是閥芯移動(dòng)完畢，開(kāi)口固定之后，液流通過(guò)閥口時(shí)因動(dòng)量變化而作用在閥芯上的力； 閥芯受到的摩擦力； 彈簧力的計(jì)算公式如下：(3-9)式中為主閥彈簧預(yù)緊力，為主閥彈簧剛度，為主閥閥芯相對(duì)于關(guān)閉時(shí)的位移。在工作狀態(tài)下，閥芯一般處于平衡位置。很明顯此時(shí)有閥芯加速度 為0。由于穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力與閥芯所受其他力相比之下較小，因此將其忽略。同樣，忽略閥芯自重及閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力，則式(3-9)可簡(jiǎn)化為下式： (3-10)轉(zhuǎn)化為 (3-11)這就是正向通流情況下主閥節(jié)流口開(kāi)度的決定公式。由該公式可見(jiàn)，如果在額定工作狀況下，進(jìn)、出油口工作壓力、 等都是固定的，則節(jié)流口開(kāi)度將主要決定于控制腔壓力。也可以將上式這樣轉(zhuǎn)化: (3-12)由上式可見(jiàn)與成線性關(guān)系，比例系數(shù)為。 將各常數(shù)值代入式(3-12)中，得: +2.66563.5mm (3-13) 上式說(shuō)明，若增大，則閥芯將向下運(yùn)動(dòng)，閥芯開(kāi)度將減?。?若減小，閥芯將向上運(yùn)動(dòng)，則閥芯開(kāi)度將增大。在反向通流情況下，閥芯運(yùn)動(dòng)方程將變?yōu)椋?(3-14)簡(jiǎn)化如下： (3-15)所以 (3-16)這就是在反向通流情況下，主閥節(jié)流口開(kāi)度的決定公式，此公式也可轉(zhuǎn)化為：(3-17)將各常數(shù)值代入，得+2.66561.7 mm(3-18)主閥閥芯開(kāi)度增量表達(dá)式 在正向通流情況下，由式(3-11)得閥芯開(kāi)度增量： = = (3-19)代入?yún)?shù)得：2.665 (3-20) 上式的數(shù)學(xué)含義為：當(dāng)控制腔的壓力增量為時(shí)，對(duì)應(yīng)的閥芯開(kāi)度增量將為或2.665。 將上式中自變量與變量調(diào)位，轉(zhuǎn)化為： (3-21) 代入?yún)?shù): 0.375(3-22) 上式的數(shù)學(xué)含義為：在A-B通流情況下，當(dāng)閥芯開(kāi)度增量為時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制腔的壓力增量為或0.375。在反向通流情況下，閥芯開(kāi)度增量： (3-23) 可見(jiàn)在反向通流情況下的閥芯開(kāi)度增量公式與AB通流情況下是一樣的。3.4 先導(dǎo)閥設(shè)計(jì)由第三章分析可知，節(jié)流閥的流量應(yīng)由控制主閥閥芯的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而欲控制主閥閥芯的開(kāi)度，則必須調(diào)節(jié)控制腔的壓力，那么如何實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制腔的壓力呢？在我們所有已學(xué)過(guò)的知識(shí)中，減壓閥可完成此功能，油液流經(jīng)液壓系統(tǒng)中的減壓閥后，壓力降低，并基本恒定于減壓閥調(diào)定的壓力上。故本閥將采用減壓閥來(lái)作為節(jié)流閥的先導(dǎo)閥。因此，下面將深入的分析減壓閥的工作原理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.4.1 減壓閥的分類(lèi)（參見(jiàn)文獻(xiàn)2146147）(1) 用于減小液壓系統(tǒng)中某一支路的壓力，并使其保持恒定。例如，液壓系統(tǒng)的夾緊、控制潤(rùn)滑等回路。這類(lèi)減壓閥因其二次回路（出口壓力）基本恒定，稱(chēng)為定值減壓閥。 (2) 有的減壓閥其一次壓力（進(jìn)口壓力）與二次壓力之差能保持恒定，可與其它閥于節(jié)流閥組成調(diào)速閥等復(fù)合閥，實(shí)現(xiàn)節(jié)流口兩端的壓力補(bǔ)償及輸出流量的恒定，此類(lèi)閥稱(chēng)之為定差減壓閥。 (3) 還有的減壓閥的二次壓力與一次壓力成固定比例，此類(lèi)閥稱(chēng)之為定比例減壓閥。由上述可知，本畢業(yè)設(shè)計(jì)中先導(dǎo)閥應(yīng)采用定值減壓閥。 3.4.2 減壓閥的工作原理圖3-7 直動(dòng)式減壓閥工作原理示意圖上圖所示為直動(dòng)式定值減壓閥的結(jié)構(gòu)圖，由圖可以看出，閥上開(kāi)有三個(gè)油口：一次壓力油口（進(jìn)油腔）P1、二次壓力油口（出油腔，下同）和外泄油口K。來(lái)自液壓泵或高壓油路的一次壓力油從P1腔，經(jīng)閥芯（滑閥）3的下端圓柱臺(tái)肩與閥孔間形成常開(kāi)閥口（開(kāi)度X），從二次油腔P2流向低壓支路，同時(shí)通過(guò)流道a反饋在閥芯（滑閥）底部面積上產(chǎn)生一個(gè)向上的液壓作用力，該力與調(diào)壓彈簧的預(yù)調(diào)力相比較。當(dāng)二次壓力未達(dá)到閥的設(shè)定壓力時(shí)，閥芯上移，開(kāi)度X減小實(shí)現(xiàn)減壓，以維持二次壓力恒定，不隨一次壓力變化而變化，該力與調(diào)壓彈簧的預(yù)調(diào)力相比較以對(duì)閥芯進(jìn)行控制。當(dāng)出口壓力未達(dá)到調(diào)定壓力時(shí)，閥口全開(kāi)，閥芯不工作。當(dāng)出口壓力達(dá)到調(diào)定壓力時(shí)，閥芯上移，閥口關(guān)小，整個(gè)閥就處于工作狀態(tài)了。如忽略其它阻力，僅考慮閥芯上的液壓力和彈簧力相平衡的條件，則可以認(rèn)為出口壓力基本上維持在某一定植調(diào)定值上。這時(shí)如出口壓力減小，閥芯下移，閥口開(kāi)大，閥口處阻力減小，使出口壓力回升到調(diào)定值上。反之，如出口壓力增大，則閥芯上移，閥口關(guān)小，閥口處阻力加大，壓降增大，使出口壓力下降到調(diào)定值上。由上述分析可知，減壓閥的輸出壓力是由彈簧來(lái)調(diào)定的，即彈簧力越大，減壓閥的輸出壓力也就越大。在本設(shè)計(jì)中可采用比例電磁鐵的輸出推力來(lái)替代彈簧力調(diào)定減壓閥，即讓減壓閥的輸出壓力與比例電磁鐵輸出推力成比例關(guān)系。但是這樣會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題，即當(dāng)比例電磁鐵輸入電流為0時(shí)，則意味著減壓閥的出口壓力也為0，而在本閥中減壓閥的出口連著控制腔，那樣就意味著控制腔的壓力也將會(huì)變?yōu)? ，而由3.3.4節(jié)的分析可知，控制腔壓力為0時(shí)，主閥閥芯的開(kāi)度為最大。而液壓閥在使用過(guò)程中，由許多難以預(yù)測(cè)的原因（如電網(wǎng)的斷電，控制系統(tǒng)的故障及比例電磁鐵自身電路故障等等）會(huì)導(dǎo)致比例電磁鐵突然斷電，而如果此時(shí)比例電磁鐵輸出力為0，閥芯開(kāi)度為最大。那這樣將是很危險(xiǎn)的，因?yàn)榭赡軙?huì)導(dǎo)致一些難以預(yù)料的嚴(yán)重事故發(fā)生。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使比例電磁鐵斷電即輸出力為0時(shí)，主閥閥芯是關(guān)閉的，以避免意外情況的發(fā)生。為達(dá)到此目的，本設(shè)計(jì)中在減壓閥閥芯的下方加了一個(gè)復(fù)位彈簧，并使此復(fù)位彈簧的力足夠大，當(dāng)比例電磁鐵斷電時(shí)，使控制腔的壓力大到可以使主閥關(guān)閉。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖3-8 先導(dǎo)閥示意圖控制腔油液對(duì)先導(dǎo)閥閥芯的壓力方向與比例電磁鐵剛好相反，這樣原來(lái)由比例電磁鐵單獨(dú)來(lái)控制先導(dǎo)閥閥芯的情形現(xiàn)在變?yōu)橛杀壤姶盆F和先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧共同控制。 3.4.3 先導(dǎo)閥閥芯詳細(xì)受力分析下圖為先導(dǎo)閥閥芯受力示意圖：圖3-9 先導(dǎo)閥閥芯受力示意圖 (1) 先導(dǎo)閥閥芯受力分析如前面的插裝閥一樣，建立先導(dǎo)閥閥芯的平衡方程如下： (3-24) 式中： 控制腔油液壓力； 閥芯上端面積，為控制腔油液對(duì)閥芯的壓力； 先導(dǎo)閥閥芯在移動(dòng)過(guò)程中受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力； 先導(dǎo)閥閥芯在移動(dòng)過(guò)程中受到的摩擦力； 先導(dǎo)閥閥芯所受比例電磁鐵向下的推力； 閥芯自重。忽略閥芯自重及閥芯移動(dòng)過(guò)程中的摩擦力，將閥芯移動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力也忽略，式（3-24）變?yōu)椋?(3-25)轉(zhuǎn)化為 (3-26)上式即控制腔壓力的決定因素。式中的計(jì)算公式為： (3-27)其中，為處于中位時(shí)先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)緊力，為先導(dǎo)閥彈簧剛度，為先導(dǎo)閥閥芯相對(duì)于中位時(shí)的位移。由于先導(dǎo)閥閥芯相對(duì)于中位時(shí)的位移相對(duì)于先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)壓縮量較小，因此在不作精確計(jì)算時(shí)可將其忽略，故式(3-26)可化為： (3-28)或 (3-29)上式即為控制腔壓力與比例電磁鐵輸出力的關(guān)系式。(2) 彈簧預(yù)緊力的確定如3.4.2節(jié)所述，比例電磁鐵斷電的時(shí)候主閥應(yīng)當(dāng)關(guān)閉，即此時(shí)比例閥應(yīng)滿足使主閥閥芯關(guān)閉的條件。由3.3.4節(jié)所述，要使主閥關(guān)閉，應(yīng)滿足即 (3-30)而此時(shí)=,故 (3-31)其中的半徑為，在本閥中擬定為4mm =50.24 mm2 代入式(3-31)中,得23.8 =50.2423.8 =1195.7 N (3-32)上式表明當(dāng)比例電磁鐵輸出力為0時(shí)，欲使主閥關(guān)閉，先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)緊力必須大于1195.7。而在本設(shè)計(jì)中，先導(dǎo)閥彈簧擬選擇如下：彈簧簧絲直徑=2.0 mm，彈簧中徑D=10 mm，剛度=158 N/mm。所以=7.57 mm (3-33)上式說(shuō)明要使比例閥具斷電保護(hù)功能，先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)壓縮量（此預(yù)壓縮量是指先導(dǎo)閥閥芯處中位時(shí)，先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)壓縮量）必須大于7.57 mm，實(shí)際應(yīng)用時(shí)為保有一定保險(xiǎn)系數(shù)，復(fù)位彈簧的預(yù)緊力應(yīng)高于此值，故在本設(shè)計(jì)中采用mm的預(yù)壓縮量。所以，先導(dǎo)閥閥芯處于中位時(shí)，先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)緊力為：計(jì)算出先導(dǎo)閥的彈簧的預(yù)緊力后，將其與代入式(3-29)得：MPa(3) 先導(dǎo)閥調(diào)定壓力的增量表達(dá)式 由式(3-28)得控制腔壓力增量： (3-34) 代入?yún)?shù)得： (3-35)上式的數(shù)學(xué)含義為比例電磁鐵增量為時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制腔壓力的增量為或。將上式中自變量與因變量調(diào)換得：=或 50.24上式的數(shù)學(xué)含義為當(dāng)控制腔的壓力增量為時(shí)，對(duì)應(yīng)的比例電磁鐵的增量必為或50.24。 3.4.4 先導(dǎo)閥溢流部分的設(shè)計(jì)減壓閥能夠保持其出口壓力（在本設(shè)計(jì)即控制腔的油液壓力）不會(huì)低于比例電磁鐵的設(shè)定值，但是如果減壓閥由于某種原因?qū)е驴刂魄坏膲毫ν蝗辉龈撸ㄈ缫簤合到y(tǒng)的沖擊）或者是比例電磁鐵調(diào)定力突然下降都將導(dǎo)致閥芯迅速下移，控制腔的油液還未來(lái)得及泄出就被封閉起來(lái)，這樣的后果是控制腔壓力在一段時(shí)間內(nèi)高于先導(dǎo)閥的調(diào)定值，而由前所述，主閥閥芯開(kāi)度是由控制腔壓力決定的，因此也將導(dǎo)致主閥閥芯開(kāi)度偏離調(diào)定值，而造成電液比例閥失調(diào)。為解決這個(gè)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)再在減壓閥之上復(fù)合了一個(gè)溢流閥，而且使該閥的開(kāi)啟壓力剛好等于前面減壓閥的調(diào)定壓力，這樣當(dāng)出現(xiàn)控制腔的壓力突然高于比例電磁鐵調(diào)定壓力的情況出現(xiàn)時(shí)，溢流閥開(kāi)啟讓油液泄出，以使控制腔的壓力回復(fù)到調(diào)定值上。其結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖3-10 先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)示意圖圖 同樣將閥芯自重及閥芯移動(dòng)過(guò)程中的摩擦力及穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力忽略，建立閥芯運(yùn)動(dòng)方程，得： (3-36)或 (3-37)或 (3-38)由上式可知，先導(dǎo)閥的溢流部分的開(kāi)啟壓力為，可見(jiàn)溢流部分的開(kāi)啟壓力正好將等于減壓部分的調(diào)定壓力，這樣就滿足了前面提到的控制要求，使控制腔的壓力能恒定先導(dǎo)閥的調(diào)定值上，且這個(gè)值將與成線性關(guān)系。3.4.5 先導(dǎo)閥的連接方式當(dāng)主閥為正向（即節(jié)流閥的總進(jìn)油口接A口，總出油口接B口，油液從口流向口）時(shí)，X口接A口，口接油箱，此連接在通道塊中實(shí)現(xiàn)（通道塊上加工有具專(zhuān)門(mén)通油道，本閥安裝時(shí)就是要插入通道塊中）；當(dāng)主閥為反向通流（即節(jié)流閥的總進(jìn)油口接B口，總出油口接A口，油液從B口流向A口）時(shí)， X口接口，口接油箱。 3.4.6 先導(dǎo)閥的原理分析本設(shè)計(jì)中先導(dǎo)閥全稱(chēng)應(yīng)當(dāng)稱(chēng)為電液比例三通減壓溢流閥。在先導(dǎo)閥內(nèi)部，當(dāng)油液從口流向K口時(shí)為減壓閥功能，當(dāng)油液從K口從流向Y口時(shí)為溢流閥功能。該先導(dǎo)閥也可以看為一個(gè)三位三通滑閥式換向閥，其有上、中、下三個(gè)位置，有K、X、Y三個(gè)口。當(dāng)閥芯處于中位時(shí)，三個(gè)通口全關(guān)閉；當(dāng)閥芯處上位時(shí)， K口和X口相連；當(dāng)閥芯處下位時(shí)， K口和Y口相連。下圖為先導(dǎo)閥示意簡(jiǎn)圖：圖3-11 先導(dǎo)閥的示意簡(jiǎn)圖控制腔的油壓力由比例電磁鐵的輸出推力及先導(dǎo)閥彈簧共同決定，但由于先導(dǎo)閥彈簧的各參數(shù)如預(yù)緊力及剛度等是一定的，故控制腔的油壓力最終決定于比例電磁鐵的輸出力設(shè)定值。當(dāng)控制腔的油壓力小于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，由3.4.3 “減壓閥詳細(xì)受力分析”一節(jié)可知，先導(dǎo)閥閥芯將上移，控制腔與X口（X口與進(jìn)油口相連）之間的通道被打開(kāi)，高壓油液（主閥進(jìn)油口的工作壓力達(dá)到31.5MPa）從主閥進(jìn)油口進(jìn)入控制腔中，引起控制腔中油液壓力升高，這樣又會(huì)引起閥芯逐漸下移，閥口減小，當(dāng)控制腔中油液壓力最終回升到設(shè)定值時(shí)，控制腔與X口之間的通道也將被關(guān)閉，先導(dǎo)閥閥芯將回復(fù)到中位狀態(tài)。當(dāng)控制腔的油壓力大于這個(gè)設(shè)定值時(shí)，先導(dǎo)閥芯將向下移，控制腔與口，即油箱（口與油箱相連）之間的通道打開(kāi)，即溢流通道被打開(kāi)，控制腔中油液流回到油箱中，控制腔中油液壓力逐漸降低，閥芯逐漸上移，閥口減小，當(dāng)控制腔中油液壓力最終下降到設(shè)定值時(shí)，控制腔與進(jìn)油口之間的通道也將被關(guān)閉，先導(dǎo)閥閥芯將回復(fù)到中位狀態(tài)。上述就是三通比例減壓溢流閥可以恒定控制腔油壓力的原理。3.5 彈簧的選用由于彈簧的性能參數(shù)對(duì)液壓閥的性能參數(shù)將產(chǎn)生很大影響，故彈簧參數(shù)的選擇比較重要，在此用單獨(dú)一節(jié)列出:3.5.1 主閥彈簧參數(shù)的確定：在前面已經(jīng)確定部分主閥彈簧參數(shù)為：簧絲直徑d1選用為3.5mm，彈簧中徑D0為16mm，彈簧預(yù)壓縮量為20mm，彈簧剛度為362 N/mm，彈簧工作長(zhǎng)度H2為77mm。彈簧其余參數(shù)確定如下：彈簧內(nèi)徑 D1D0d1163.5=12.5mm彈簧外徑 D2D0d1163.5=19.5mm為了使壓縮彈簧工作時(shí)受力均勻并增加彈簧的平穩(wěn)性，將彈簧兩端并緊，且將兩端端面磨平，而這些并緊磨平的各圈僅起支承作用，因而稱(chēng)為支承圈。支承圈有1.5圈、2.0圈、2.5圈三種。本設(shè)計(jì)中支承圈采用2.5 圈。在本設(shè)計(jì)中彈簧有效圈數(shù)選用為12圈，故彈簧的總?cè)?shù)n1為14.5圈。彈簧的自由長(zhǎng)度: H0 = H2 = 77+20=97mm彈簧節(jié)距: P（H02d1）/ n = (97-23.5)/12=90/12=7.5螺旋角(自由狀態(tài)下）：= 彈簧材料的展開(kāi)長(zhǎng)度（即彈簧坯料長(zhǎng)度）L114.5736.9mm彈簧材料的選擇：由于該彈簧為主閥彈簧，故要求強(qiáng)度高，性能好，因此采用油淬火回火碳素彈簧鋼絲中的B類(lèi)，牌號(hào)為60Mn。 3.5.2 先導(dǎo)閥彈簧參數(shù)的確定 前面已經(jīng)確定部分先導(dǎo)閥彈簧參數(shù)為：簧絲直徑d2選用為2.0mm，彈簧中徑D0為10mm，彈簧預(yù)緊力為1422N，彈簧預(yù)壓縮量為9mm，彈簧剛度=158 N/mm，彈簧工作長(zhǎng)度H2為16mm。彈簧其余參數(shù)確定如下：彈簧內(nèi)徑: D1=D0-d1=10-2=8mm彈簧外徑: D2=D0+d1=102=12mm先導(dǎo)閥彈簧的支承圈數(shù)采用1.5 圈，有效圈數(shù)選用為6圈，彈簧的總?cè)?shù)n1為7.5圈。在先導(dǎo)閥減壓閥部分開(kāi)啟狀態(tài)下，先導(dǎo)閥相對(duì)于中位狀態(tài)最大行程為3.5mm，對(duì)應(yīng)的彈簧力為 =當(dāng)先導(dǎo)閥溢流閥部分開(kāi)啟時(shí)，先導(dǎo)閥最大行程也為3.5mm，對(duì)應(yīng)的彈簧力為=N 彈簧的自由長(zhǎng)度： H0=H2=16+9=25mm彈簧節(jié)距：P=(H0-d2)/n=(25-2)/6=3.83mm螺旋角（自由狀態(tài)下）：= 彈簧材料的展開(kāi)長(zhǎng)度（即彈簧胚料長(zhǎng)度）L2=7.5=237.2mm彈簧材料的選擇： 先導(dǎo)閥彈簧同樣采用油淬火回火碳素彈簧鋼絲中的B類(lèi)，其牌號(hào)為60Mn。3.6 公差與配合的確定本設(shè)計(jì)的課題為液壓閥，而液壓閥屬精密機(jī)器設(shè)備，故對(duì)公差與配合的要求較高，查文獻(xiàn)7 可知，公差I(lǐng)T5（孔到IT6）級(jí)用于高精度和重要的配合處，IT7IT8級(jí)則用于一般精度要求的配合。故在本設(shè)計(jì)的配合中孔用公差等級(jí)擬定為IT6級(jí)，軸用公差等級(jí)擬定為IT級(jí)。由于要達(dá)到相同的精度級(jí)，孔比軸難加工，故在設(shè)計(jì)中無(wú)論主閥閥芯與閥套之間還是先導(dǎo)閥閥芯與閥套之間的配合均采用基孔制；又因?yàn)橹鏖y閥芯與閥套之間的運(yùn)動(dòng)形式為軸向滑動(dòng)，