帶位移電反饋的二級(jí)電液比例節(jié)流閥設(shè)計(jì)【2013年最新整理畢業(yè)論文】

帶位移電反饋的二級(jí)電液比例節(jié)流閥設(shè)計(jì) 摘要： 電液比例技術(shù)發(fā)展迅猛，以其控制精度較高、結(jié)構(gòu)簡單、成本合理等優(yōu)點(diǎn)在 工業(yè)生產(chǎn)中獲得了越來越來廣泛的應(yīng)用，它的 發(fā)展程度也可從一個(gè)側(cè)面反映一個(gè)國家液壓工業(yè)技術(shù)水平，因而日益受到各國工業(yè)界的重視。 本設(shè)計(jì)的課題是電液比例閥中的一類 二級(jí)電液比例節(jié)流閥。在對(duì)該閥各部分的結(jié)構(gòu)、原理及性能參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，完成了 功率級(jí)為二通插裝閥，先導(dǎo)級(jí)為電液比例三通減壓溢流閥， 通徑為 32mm，最大流量為 480L/min，進(jìn)油口額定工作壓力為 31.5MPa，出油口額定工作壓力為 30.5MPa 的電液比例節(jié)流閥的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)設(shè)計(jì) 。 關(guān)鍵詞： 電液比例節(jié)流閥； 插裝閥； 比例電磁鐵 The design of two stage electro-hydraulic proportional throttle valve with displacement electricity feedback Majority:Machine Design Manufacturing and Automation Abstract: The technology of electro-hydraulic proportional develops swiftly and violently, it has more and more come the widespread application in the industrial production by its precision control, the simply structure, the reasonable cost and so on, its degree of development also might reflect a national hydraulic pressure industrial technology level from a side, so this technology received more and more value by the various countries industrial field. The topic of this graduation project is precisely one kind of electro-hydraulic proportional valve-two stage electro-hydraulic proportional throttle valve. This design will first carry on detailed analysis to the structure, principle and function parameter of various part of this kind of valve, then complete the structural design and the parameter design of the two stage electro-hydraulic proportional throttle valve ,this valves main stage is cartridge valve ,its forerunner stage is three contacts reduced pressure overflow valve .This valves rectum is 32mm,and its max regulated flow is 480L/min,the oil input port fixed working pressure is 31.5MPa, the output port fixed working pressure is 30.5MPa. Keyword: Electro-hydraulic proportional throttle valve； Cartridge valves； Proportion electro-magnet ratio electromagnet 1 1 目錄 前言 1 正文 2 1 緒論 2 1.1 電液比例閥概述 2 1.2 電液比例閥 的特點(diǎn)與分類 2 1.3 電液比例閥的發(fā)展階段 3 1.4 電液比 例技術(shù)在我國的發(fā)展 5 1.5 比例流量閥 5 2 流量閥控制流量的一般原理 7 2.1 流量控制的基本原理 8 2.4 主閥閥芯節(jié)流口形式的確定 8 3 比例節(jié)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 3.1 插裝閥介紹 9 3.2 控制蓋板的設(shè)計(jì) 9 3.3 插裝式主閥設(shè)計(jì) 11 3.4 先導(dǎo)閥設(shè)計(jì) 21 3.5 彈簧的選用 30 3.6 公差與配合的確定 31 3.7 比例放大器 33 3.8 比例電磁鐵 36 3.9 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小結(jié) 37 4 節(jié)流閥工作總原理分析及其 性能參數(shù)指標(biāo) 38 4.1 原理分析 38 4.2 靜 態(tài)性能指標(biāo) 39 4.3 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) 40 5 比例控制系統(tǒng) 41 5.1 反饋的概念 41 5.2 閉環(huán)控制與開環(huán)控制 41 5.3 電液比例控制系統(tǒng)的組成 42 5.4 電液比例控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 43 5.5 比例控制系統(tǒng)的分類 43 2 2 5.6 比例控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 44 5.7 小結(jié) 44 結(jié)論 45 參考文獻(xiàn) 46 致謝 47 3 3 前言 現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)液壓閥在自動(dòng)化、精度、響應(yīng)速度方面提出了愈來愈高的要求，傳統(tǒng)的開關(guān)型或定值控制型液壓閥已不能滿足要求，電液伺服閥因此而發(fā)展起來，其具有控制靈活、精度高、快速性好等優(yōu)點(diǎn)。而電液比例閥是在電液伺服技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)伺服閥進(jìn)行簡化而發(fā)展起來的。電液比例閥與伺服閥相比雖在性能方面還有 一定差距 , 但其抗污染能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，形式多樣，制造和維護(hù)成本都比伺服閥低，因此在液壓設(shè)備的液壓控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。 今天，一個(gè)國家的電液比例技術(shù)發(fā)展程度將從一個(gè)側(cè)面反映該國的液壓工業(yè)技術(shù)水平，因此各發(fā)達(dá)國家都非常重視發(fā)展電液比例技術(shù)。 我國在電液比例技術(shù)方面，目前已有幾十種品種、規(guī)格的產(chǎn)品，年生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，但總的看，我國電液比例技術(shù)與國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。 基于以上所述，本設(shè)計(jì)將對(duì)電液比例閥中的一類 二級(jí)電液比例節(jié)流閥進(jìn)行設(shè)計(jì)。 該閥的功率級(jí)為二通插裝閥，先導(dǎo)級(jí)為電液比例三通減壓溢流閥。 本說明書各章節(jié)安排如下： 第一章給出了電液比例電液閥的定義，概述了電液比例閥特點(diǎn)、分類及其發(fā)展階段。另外還對(duì)電液比例流量閥、電液比例節(jié)流閥作了簡單的介紹。 第二章對(duì)流量控制的基本原理進(jìn)行闡述，是本設(shè)計(jì)理論依據(jù)的基礎(chǔ)。 第三章是本閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的詳細(xì)過程，依次對(duì)閥的組成部分如控制蓋板、插裝式主閥、先導(dǎo)閥進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算 ，并對(duì)比例放大器、比例電磁鐵也進(jìn)行了介紹與分析。此章是整個(gè)說明書的核心章節(jié)。 第四章在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后對(duì)閥的具體控制原理和性能參數(shù)進(jìn)行了闡述。 第五章是對(duì)比例控制系統(tǒng)的介紹。由于比例閥在液壓系統(tǒng)中最終應(yīng)用效果將很大一部分取決于比例控制系統(tǒng)，故單獨(dú)一章對(duì)比例控制系統(tǒng)做一個(gè)介紹。 由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我的第一次綜合性設(shè)計(jì)， 在設(shè)計(jì)的過程中，將有一定的困難， 無論設(shè)計(jì)概念上的模糊或經(jīng)驗(yàn)上的缺乏都可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失誤與不足，在此，懇請(qǐng)各位老師給以指正。 相信我一定會(huì)圓滿完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)的。 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 1 緒論 由于本畢業(yè)設(shè)計(jì)屬于電液比例閥這一大類，故此先簡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 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，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 主要用在沒有反饋的回路中，對(duì)有些場合，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)。 比例閥與開關(guān)閥相比，比例閥可簡單地對(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) 9 9 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 2 3)，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、開關(guān)元件的特性比較 性能 比例閥 伺服閥 開關(guān)閥 過濾精度 ( m ) 25 3 25 50 閥內(nèi)壓降 (MPa ) 0.5 2 7 0.25 50 滯環(huán) (%) 1 3 1 3 重復(fù)精度 (%) 0.5 1 0.5 頻寬 (Hz/3dB) 25 20 200 中位死區(qū) 有 無 有 價(jià)格比 1 3 0.5 比例控制元件的種類繁多，性能各異，有多種不同的分類方法。 (1) 按其控制功能來分類，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，因此有的書上稱之為比例方向流量閥。還有一種被稱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，這種分類方法是最常見的分類方法。 (2) 按液壓放大級(jí)的級(jí)數(shù)來分，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。前者稱為先導(dǎo)閥或先導(dǎo)級(jí)，后者稱主閥功率放大級(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分可分為帶反饋或不帶反饋型。不帶反饋型一類，是從開關(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 ，是借鑒伺服閥的各種反饋控制發(fā)展起來的。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，又可類別 10 10 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分，又可分為滑閥式和插裝式。滑閥式是在傳統(tǒng)的三類閥的基礎(chǔ)上發(fā)展起 來的；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)過程還可分為兩類：一類是在電液伺服閥的基礎(chǔ)上簡化結(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合。另一類是在傳統(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方法，但并未能把不同的比例閥的性能、特征都詳盡無遺地反映出來。例如，還 可按控制信號(hào)的形式來分，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)和測試技術(shù)的發(fā)展為工程界提供了可靠而廉價(jià)的檢測、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)了壓力和流量兩項(xiàng)比例閥專利為止，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，不僅用于開環(huán)控制，也被應(yīng)用于閉環(huán)控制。 11 11 (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)伺服閥無異。另一項(xiàng)重大進(jìn)展是，比例技術(shù)開始和插裝閥相結(jié)合，己開發(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)國家，由電液伺服閥、電液比例閥，以及配用的專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)和增長點(diǎn)。 1.4 電液比例技術(shù)在我國的發(fā)展 在我國，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)我國液壓工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。 我國電液伺服技術(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?，我國電液伺服比例技術(shù)與國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 按上述分類方法中的第一類方法，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。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 (參見文獻(xiàn) 1 443-445頁 ) (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，其通過流量與節(jié)流口 開度大小有 12 12 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，使通過調(diào)速閥的流量只取決于節(jié)流口的開度，屬于流量控制功能閥類。 (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)專用閥，也稱為 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)的是上述分類中的第一類 電液比例節(jié)流閥。 1.5.2 電液比例節(jié)流閥的分類 (1) 直動(dòng)式電液比例節(jié)流閥（詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn) 1348-352 頁） 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)簡單、價(jià)廉。滑閥機(jī)能有常開式、常閉式，但由于沒有壓力或其他檢測補(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，用于檢測閥芯的位移。通過檢測閥芯的位移，通過電反饋閉環(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)行壓力檢測補(bǔ)償反饋，所以其通過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（詳見文獻(xiàn) 2350 頁）。 13 13 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，得以下這個(gè)公式： pCXppCXq RRT )( 21 （ 2-1） 式中： Tq 流量閥控制的流量； C 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)， C 可視為常數(shù)； TA 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)； p 節(jié)流口前后的壓差； 14 14 由節(jié)流口形狀決定的節(jié)流閥參數(shù)，其值在 0.5 1.0 之間，應(yīng)由實(shí)驗(yàn)求得。 由式 (2-1)可知，通過節(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 p 來調(diào)節(jié)流量很不方便，一般只能通過調(diào)節(jié) RX 的辦法來控制流量。當(dāng)只調(diào)節(jié) RX 來控制流量時(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， p 的變化對(duì) Tq 的影響也就越大。一般來說節(jié)流口為薄壁孔時(shí) 0.5，細(xì)長孔時(shí) 1。故為增大流量控制準(zhǔn)確性，減小對(duì) Tq 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 在要求較高的場合，采用減壓閥來保持節(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?pCXq RT (2-2) 本設(shè)計(jì)擬定調(diào)節(jié) RX 的方法為將閥芯置于閥套之中，閥芯圓周上開有一定面積梯度的溝槽，移動(dòng)閥芯將得到不同的 RX ，進(jìn)而將得到不同的流量 Tq ，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（參見文獻(xiàn) 4109 頁 ） : (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)加工簡單，但節(jié)流口長度大，水力半徑小，易堵塞，流量受油溫影響較大。一般用于對(duì)性能要求不高的場合。 (2) 偏心式節(jié)流口 在閥芯上開一個(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 15 15 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)定性要求不高的場合。 (3) 軸向三角槽式節(jié)流口 在閥芯端部開有一個(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 閥芯上開有狹縫，油液可以通過狹縫流入閥芯內(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)。 基于此，有必要在此對(duì)插裝閥作簡要介紹。 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)展起來的一類覆蓋壓力、流量、方向以及比例控制等的新型控制閥類。 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，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。 16 16 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)化尺寸來定； 控制蓋板的各部分尺寸如下： 17 17 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)，查得公稱通徑為 32mm的二通插裝閥控制蓋板相關(guān)尺寸 如下： b1 102mm， b2=102mm, b3 63mm， 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 延長為 122，將其中的 m4 延長為 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。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。 綜合以上所述，確定控制蓋板相關(guān)尺寸如下： 18 18 YX 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，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： 19 19 控制蓋板d2d1 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)液壓閥來說是很重要的問題。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，磨損后能在一定程度上自動(dòng)補(bǔ)償； (4) 結(jié)構(gòu)簡單，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)簡單、密封性能好、壽命長、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 20 20 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： 6 0 2 . 6 5 G G B 3 4 5 2 . 1 - 9 24 5 2 . 6 5 G G B 3 4 5 2 . 1 - 9 2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桿相連。 按上述要求初步擬定的主閥閥芯的示意圖如下： 21 21 裝主閥彈簧的孔裝位移傳感器檢測桿的螺孔節(jié)流口 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啟及關(guān)閉，即 A 、 BA 、CA。其中 A 、BA 分別為閥芯主油口 A 口和口處的面積， CA 為控制腔腔的面積，很明顯有 BAC AAA （ 3-1） 面積比是指閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)， A 、 BA 分別與CA的比值CA AA和CB AA，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CA AA /。 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)等類型。 在本閥中的面積比選用類型，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 A的直徑為 32，因此口的半徑 AR 為 16。 22 22 ABP BPkA AA BA CPk控制腔P A 圖 3-6 插裝閥面積比的示意圖 令控制腔的半徑為CR，則由面積比的公式 2.116 2222 CCACA RRRAA 得 5.17CR 所以 A = 216 =803.84 2 BA =0.2* A =0.2*803.84=160.768 2 23 23 CA 2CR 964.608 2 3.3.4 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 B2A1X APAP F RF 往下的力 gF SC 1CKW F A P F 其中： 1P 節(jié)流閥進(jìn)油口處的工作壓力； A 口的面積； 2P 節(jié)流閥出油口處的工作壓力； BA B 口的面積； RF 閥芯受閥座向上的反力； KP 控制腔油液的壓力； gF 主閥閥 芯自重； SC1F 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： XF WF 即 B2A1 APAP RF gF SC1CK F A P (3-2) 而當(dāng)閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，必有 RF 大于或等于 0，忽略閥芯自重， 得： (gF SC1CK F A P) ( B2A1 APAP ) 0 (3-3) 24 24 轉(zhuǎn)換得 KP CASC 1B2A1 FAPAP (3-4)這正是要使主閥關(guān)閉，控制 腔壓力KP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AP為 31.5MPa，BP為 30.5MPa。由文獻(xiàn) 6 初步擬定主閥彈簧選擇剛度1SK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 SC1F1SK1CX1SK 20mm 7240 (3-5) 將上述參數(shù)代入式 (3-4)中，得 KP 608.964 7240-1 6 0 . 7 6 8*3 0 . 58 0 3 . 8 4*3 1 . 5 608.964 72404 9 0 3 . 4 2 42 5 3 2 0 . 9 6 MPa8.23 由上式可知， KP 必須大于 23.8MPa，主閥閥芯才能關(guān)閉，或者說 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 B1A2X APAP F RF 往下的力 gF SC 1CKW F A P F 建立主閥閥芯關(guān)閉時(shí)靜力平衡方程： XF WF 即 B1A2 APAP RF gF SC1CK F A P (3-6) 忽略閥芯自重，要使主閥閥芯關(guān)閉得： (gF SC1CK F A P) ( B1A2 APAP ) 0 轉(zhuǎn)換為 KP CASC 1B1A2 FAPAP (3-7) 25 25 上式是反向通流下 ,主閥要關(guān)閉控制腔KP必須滿足的條件。 將參數(shù)代入得： KP 608.964 7 2 4 0-1 6 0 . 7 6 83 1 . 58 0 3 . 8 43 0 . 5 608.964 72405 0 6 4 . 1 9 22 4 5 1 7 . 1 2 608.964 724029581.312 608.964 312.22341 MPa2.23 可見在反向通流情況下，主閥閥芯關(guān)閉的臨界壓力為 23.2MPa。 主閥閥芯開啟時(shí)的動(dòng)力分析 設(shè)閥芯質(zhì)量為 1m ， )(tx 為閥芯位移 1RX 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： 1S1CKB2A1 )FA P()APAP( mFFF bsfg dttxd )(2 (3-8) 式中： S1 F主閥彈簧對(duì)閥芯施加的壓力； bsF 為閥芯所受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，是閥芯移動(dòng)完畢，開口固定之后，液流通過閥口時(shí)因動(dòng)量變化而作用在閥芯上的力； fF 閥芯受到的摩擦力； 彈簧力S1F的計(jì)算公式如下： S1F111 RSSC XKF (3-9) 式中1SCF為主閥彈簧預(yù)緊力， 1SK 為主閥彈簧剛度， 1RX 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 1m dttxd )(2 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)過程中的摩擦力， 26 26 則式 (3-9)可簡化為下式： 1CKB2A1 APAPAP SCF11 RS XK (3-10) 轉(zhuǎn)化為 11B2A11 APAPSSCCKR K FAPX (3-11) 這就是正向通流情況下主閥節(jié)流口開度的決定公式。由該公式可見，如果在額定工作狀況下，進(jìn)、出油口工作壓力 1P 、 2P 等都是固定的，則節(jié)流口開度將主要決定于控制腔壓力 KP 。 也可以將上式這樣轉(zhuǎn)化 : 11B2A111APAPSSCKSCR K FPKAX (3-12) 由上式可見 KP 與 1RX 成線性關(guān)系，比例系數(shù)為1SCKA。 將各常數(shù)值代入式 (3-12)中，得 : 1RX 362608.964 KP+362 7240-30224.384 2.665 KP 63.5mm (3-13) 上式說明，若 KP 增大，則閥芯將向下運(yùn)動(dòng)，閥芯開度將減??； 若 KP 減小，閥芯將向上運(yùn)動(dòng)，則閥芯開度 1RX 將 增大。 在反向通流情況下，閥芯運(yùn)動(dòng)方程將變?yōu)椋?1S1CKB1A2 )FA P()APAP( mFFF bsfg dttxd )(2 (3-14) 簡化如下： 1CKB1A2 APAPAP SCF11 RS XK (3-15) 所以 11B1A21 APAPSSCCKR K FAPX (3-16) 這就是在反向通流情況下，主閥節(jié)流口開度的決定公式，此公式也可轉(zhuǎn)化為： 27 27 11B1A211APAPSSCKSCR K FPKAX (3-17) 將各常數(shù)值代入，得 1RX362608.964 KP+362 7240-29581.312 2.665KP 61.7 mm (3-18) 主閥閥芯開度增量表達(dá)式 在正向通流情況下，由式 (3-11)得閥芯開度增量： 111 RRR XXX 11B2A11APAPSSCKSC K FPKA )APAP(11B2A11 SSCKSC K FPKA =1KCSPAK 1()KCSPAK =KSC PKA 1 (3-19) 代入?yún)?shù)得： 1RX 362608.964 KP 2.665 KP (3-20) 上式的數(shù)學(xué)含義為：當(dāng)控制腔的壓力增量為 KP 時(shí)，對(duì)應(yīng)的閥芯開度增量將為1SCKKAP或2.665 KP 。 將上式中自變量與變量調(diào)位，轉(zhuǎn)化為： KP CRS A XK 11 (3-21) 代入?yún)?shù) : KP 608.964362 1RX 0.375 1RX (3-22) 上式的數(shù)學(xué)含義為：在 A-B 通流情況下，當(dāng)閥芯開度增量為 1RX 時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制腔的壓力增量為CRS A XK 11 或 0.375 1RX 。 28 28 在反向通流情況下，閥芯開度增量： 111 RRR XXX 11B2A11APAPSSCKSC K FPKA )APAP(11B2A11 SSCKSC K FPKA KSC PKA 1 (3-23) 可見在反向通流情況下的閥芯開度增量公式與 A B 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度來實(shí)現(xiàn)，而欲控制主閥閥芯的開度，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（參見文獻(xiàn) 2146 147） (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、控制潤滑等回路。這類減壓閥因其二次回路（出口壓力）基本恒定，稱為定值減壓閥。 (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，此類閥稱之為定差減壓閥。 (3) 還有的減壓閥的二次壓力與一次壓力成固定比例，此類閥稱之為定比例減壓閥。 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 29 29 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閥口（開度 X），從二次油腔 P2 流向低壓支路，同時(shí)通過流道 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，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)?0 ，而由 3.3.4 節(jié)的分析可知，控制腔壓力為 0 時(shí)，主閥閥芯的開度為最大。而液壓閥在使用過程中，由許多難以預(yù)測的原因（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， 30 30 而如果此時(shí)比例電磁鐵輸出力為 0，閥芯開度為最大。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： A DK口X口連控制腔比例電磁鐵推桿復(fù)位彈簧Pk先導(dǎo)閥節(jié)流口 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，這樣原來由比例電磁鐵單獨(dú)來控制先導(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： 31 31 FbPK A DF S2 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： DKAP bbsS FFF 2 fg FF (3-24) 式中： KP 控制腔油液壓力； DA 閥芯上端面積， DKAP 為控制腔油液對(duì)閥芯的壓力； bsF 先導(dǎo)閥閥芯在移動(dòng)過程中受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力； fF 先導(dǎo)閥閥芯在移動(dòng)過程中受到的摩擦力； bF 先導(dǎo)閥閥芯所受比例電磁鐵向下的推力； gF 閥芯自重。 忽略閥芯自重gF及閥芯移動(dòng)過程中的摩擦力fF，將閥芯移動(dòng)過程中穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力bsF也忽略，式（ 3-24）變?yōu)椋?DKAP bS FF 2 (3-25) 轉(zhuǎn)化為 32 32 DbSK A FFP 2 (3-26) 上式即控制腔壓力的決定因素。 式中2SF的計(jì)算公式為： 2SF222 RSSC XKF (3-27) 其中，SC2F為處于中位時(shí)先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)緊力，2SK為先導(dǎo)閥彈簧剛度， 2RX 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 2RX 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： KP DbSCA FF 2 (3-28) 或 KP DSCDb AFAF 2 (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SC2F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， KP 應(yīng)滿足 KP MPa8.23 即 DbS A FF 2 MPa8.23 (3-30) 而此時(shí)bF= ,故 DSAF2 MPa8.23 (3-31) 其中 DA 的半徑為 DR ， DR 在本閥中擬定為 4mm 33 33 DA= 24 =50.24 mm2 代入式 (3-31)中 ,得 2SF DA 23.8 =50.24 23.8 =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 2d =2.0 mm，彈簧中徑 D2 =10 mm，剛度2dK=158 N/mm。所以 2CX=22dSKF 1587.1195=7.57 mm (3-33) 上式說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： NNXKF CdSC計(jì)算出先導(dǎo)閥的彈簧的預(yù)緊力后，將其與 DA 代入式 (3-29) 得： KP 24.50142224.50 1 bF 24.50bF 30.28 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： KKK PPP 2XC bDFFA 2XC bDFFA ()bbDDFFAA bDFA (3-34) 34 34 代入?yún)?shù)得： KP24.50bF (3-35) 上式的數(shù)學(xué)含義為比例電磁鐵增量為KP時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制腔壓力的增量為bDFA 或 24.50bF 。 將上式中自變量與因變量調(diào)換得： bF=DKAP 或 bF 50.24 KP 上式的數(shù)學(xué)含義為當(dāng)控制腔的壓力增量為KP時(shí)，對(duì)應(yīng)的比例電磁鐵的增量必為DKAP 或50.24 KP 。 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得及泄出就被封閉起來，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，主閥閥芯開度是由控制腔壓力決定的，因此也將導(dǎo)致主閥閥芯開度偏離調(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： A DK口X口f 圖 3-10 先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)示意圖圖 35 35 同樣將閥芯自重及閥芯移動(dòng)過程中的摩擦力及穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力忽略，建立閥芯運(yùn)動(dòng)方程， 得：DKAPbSC FF 2 (3-36) 或 KPDbSCA FF 2 (3-37) 或 KP DSCDb AFAF 2 (3-38) 由上式可知，先導(dǎo)閥的溢流部分的開啟壓力 KP 為DbSCA FF 2，可見溢流部分的 開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bF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門通油道，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)閥全稱應(yīng)當(dāng)稱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)閥示意簡圖： 36 36 YX比例電磁鐵K 圖 3-11 先導(dǎo)閥的示意簡圖 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，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，即溢流通道被打開，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 RCX 為 20mm，彈簧剛度1dK為 362 N/mm，彈簧工作長度 H2 為 77mm。 37 37 彈簧其余參數(shù)確定如下： 彈簧內(nèi)徑 D1 D0 d1 16 3.5=12.5mm 彈簧外徑 D2 D0 d1 16 3.5=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。 彈簧的自由長度 : H0 = H2RCX = 77+20=97mm 彈簧節(jié)距 : P（ H0 2 d1） / n = (97-2 3.5)/12=90/12=7.5 螺旋角 (自由狀態(tài)下）： 01arctan PP = 24.50 5.7arctan 49.8 298 彈簧材料的展開長度（即彈簧坯料長度） L1 220 )(1 PDn 14.5 222 5.716 736.9mm 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，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 2SCF 為 1422N，彈簧預(yù)壓縮量 1RCX 為 9mm，彈簧剛度2dK=158 N/mm，彈簧工作長度 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=10 2=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 5.3222 dSCS KFF = 5.31581422 =869 當(dāng)先導(dǎo)閥溢流閥部分開啟時(shí)，先導(dǎo)閥最大行程也為 3.5mm，對(duì)應(yīng)的彈簧力為 5.3222 dSCS KFF = 5.31581422 =1975 N 彈簧的自由長度： H0=H2 1RCX =16+9=25mm 彈簧節(jié)距： P=(H0-d2)/n=(25-2)/6=3.83mm 38 38 螺旋角（自由狀態(tài)下）： 02arctan PP = 1014.3 83.3arctan 95.6 576 彈簧材料的展開長度（即彈簧胚料長度） L2 220 )(1 PDn =7.5 222 83.310 =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，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 IT5（孔到 IT6）級(jí)用于高精度和重要的配合處， IT7 IT8 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)，故為降低摩擦力，采用間隙配合，而為防止泄漏，以降低在閥上面的能量損失，此間隙應(yīng)該盡量的小，查文獻(xiàn) 7第11 頁，采用基本偏差系列中間隙最小的 g。 故最終擬定主閥閥芯和閥套及先導(dǎo)閥閥芯與閥套之間的配合均為56gH，其中主閥閥芯和閥套的配合采用 3556gH， 而先導(dǎo)閥閥芯與閥套之間的配合采用 1656gH和 856gH。 3.7 比例放大器 比例放大器是電液比例閥的控制和驅(qū)動(dòng)裝置，比例閥的基本電控單元，能夠根據(jù)比例閥和比例泵的控制需要對(duì)控制電信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算和功率放大。閉環(huán)控制閥和控制泵使用的放大器可完成對(duì)整個(gè)比例元件的控制。 電液比例控制系統(tǒng)既有液壓元件傳遞功率大，響應(yīng)快的優(yōu)勢(shì)，又有電器元件處理和運(yùn)算信號(hào)方便，易于實(shí)現(xiàn)信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸（遙控）的優(yōu)勢(shì)。發(fā)揮二者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在很大程度上依賴于 比例放大器。 比例放大器要具有斷電保護(hù)功能；控制信號(hào)中要迭加高頻小振幅的顫振信號(hào)，以克服摩擦力 ,保證控制靈活；要有斜坡信號(hào)發(fā)生器，以便控制壓力變化、速度或位移部件的加速度，有效防止慣性沖擊；要有函數(shù)發(fā)生器 ,以補(bǔ)償死區(qū)特性。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的任務(wù)除了根據(jù)確定的比例閥選用配套的比例放大器外，還要設(shè)計(jì)或選用比例放大器供電電路、系統(tǒng)控制信號(hào)及系統(tǒng)控制電路。 39 39 3.7.1 比例放大器的分類 (1) 按放大器輸出控制電流的通路數(shù)可將比例放大器分為單通路和雙通路兩種類型。單通路比例放大器用于控制單個(gè)電磁鐵的比例元件，例 如比例壓力閥或比例流量閥，以及單電磁鐵驅(qū)動(dòng)的比例方向閥等；雙通路比例放大器用于控制三位比例方向閥、壓力 流量復(fù)合控制閥（稱 pq 閥）等帶有兩個(gè)比例電磁鐵的比例元件。需要注意的是，雙通路比例放大器工作時(shí)，只有其中一個(gè)比例電磁鐵起實(shí)質(zhì)性的控制作用：當(dāng)控制三位比例方向閥時(shí)，比例放大器根據(jù)信號(hào)的極性選通一個(gè)起作用的比例電磁鐵。當(dāng)對(duì)壓力 流量復(fù)合控制閥進(jìn)行壓力控制時(shí)，壓力閥電磁鐵起作用，流量閥電磁鐵的控制信號(hào)是一個(gè)定值。 (2) 按放大器內(nèi)是否帶反饋通路可將比例放大器分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種類型。開環(huán)控 制比例放大器沒有測量電路，反饋單元和反饋通路 PID 調(diào)節(jié)器，通常帶有顫振信號(hào)發(fā)生器；閉環(huán)放大器用來控制帶電反饋比例閥，設(shè)置有測量放大電路，反饋比較環(huán)節(jié)和信號(hào)調(diào)節(jié)器。 (3) 按放大器內(nèi)運(yùn)算信號(hào)的類型，可將比例放大器分為數(shù)字式和模擬式。模擬式比例放大器按連續(xù)信號(hào)的方式工作，加在比例電磁鐵線圈兩端的信號(hào)為連續(xù)直流電壓，功耗較大；數(shù)字式比例放大器又分為數(shù)字信號(hào)放大器和開關(guān)式放大器。開關(guān)式放大器的功放管工作在截止或飽和區(qū)，即開關(guān)狀態(tài)，加在比例電磁鐵線圈兩端信號(hào)為脈沖電壓，功耗小。開關(guān)式比例放大器以 PWM 式為主 。數(shù)字信號(hào)放大器內(nèi)部采用數(shù)字芯片完成信號(hào)運(yùn)算。 此外，根據(jù)所控制比例電磁鐵的類型還有單向和雙向比例放大器。單向放大器用來控制單向比例電磁鐵，雙向放大器用來控制雙向比例電磁鐵，兩者采用不同的放大電路。 3.7.2 電液比例控制元件對(duì)比例放大器的要求 (1) 實(shí)現(xiàn)從電壓信號(hào)到電流信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并提供與輸入電壓成比例且功率足夠的控制電流。因?yàn)楸壤姶盆F需要輸出力去控制發(fā)生的運(yùn)動(dòng)，而磁場中銜鐵的輸出力又與電流成比例。比例放大器中，輸出電流的單元稱為功率放大級(jí)，處理和運(yùn)算電壓信號(hào)的單元稱為控制級(jí)或前置級(jí)。為克服比例電磁鐵線圈電感反電動(dòng)勢(shì)對(duì)頻寬的影響，比例放大器中大多采用帶深度電流負(fù)反饋的恒流源作為功率放大級(jí)。 (2) 具有足夠的功率驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵中銜鐵上的負(fù)載其輸入阻抗大，輸出阻抗與比例電磁鐵線圈阻抗匹配。 (3) 輸入端有各種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的接口，易于實(shí)現(xiàn)與不同信號(hào)發(fā)生裝置的連接采用標(biāo)準(zhǔn)電源供電。 (4) 信號(hào)的波形、幅值、頻率符合電液比例閥的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能要求。 (5) 易于檢測控制信號(hào)和反饋信號(hào)，具有基本的故障診斷和元件保護(hù)功能。 (6) 能產(chǎn)生正確有效的控制信號(hào)（含手動(dòng)控制信號(hào)）。這意味著除了有信號(hào)發(fā)生裝置 外，還必須有邏輯控制與信號(hào)處理裝置。如為了減小比例元件死區(qū)的影響，放大器因能夠提供幅值可調(diào)的初始電流；為減小滯環(huán)（含磁滯）的影響，放大器的輸出電流因含有一定頻率和幅值的顫振電流分量。為減小系 40 40 統(tǒng)過度過程產(chǎn)生的沖擊，對(duì)階越輸入信號(hào)能自動(dòng)生成速率可調(diào)的斜坡信號(hào)，等等。 生產(chǎn)比例閥和比例泵的廠家均生產(chǎn)了配套的比例放大器，可隨比例閥和比例泵一起供貨。不同廠家之間，或同一廠家不同型號(hào)的比例閥，其比例放大器沒有互換性。 3.7.3 比例放大器的基本控制電路 不同控制元件組成的比例放大器，其具有的電路形式和參數(shù)不同，但它們 都是由基本的控制電路組成的。集成運(yùn)算放大器組成的電路具有溫漂小、體積小、可靠性高、設(shè)計(jì)和使用方便的優(yōu)點(diǎn)，比例放大器都采用集成運(yùn)算放大器來組成基本的控制電路。 需要指出的是，微電子技術(shù)的快速發(fā)展加速了比例放大器的更新?lián)Q代，也使其基本的控制電路具有多種多樣的形式。 下面將對(duì)比例放大器常用的基本控制電路的工作原理進(jìn)行分析。 一個(gè)完整的比例閥或比例泵電控系統(tǒng)包含的基本電路如下圖所示： 系 統(tǒng)控制電路+執(zhí)行元件 傳 感 器控制元件 傳 感 器 反 饋 檢 測與處理電路放大器穩(wěn)壓 電 源 電 路 放 大 器供電電路系統(tǒng) P I D調(diào)節(jié)器比例放大器信號(hào)處理電路 信 號(hào)發(fā)生電路顫振信號(hào)執(zhí)行元件比例閥比例泵電磁鐵 功 率放大電路放大器 P I D控制信號(hào)信號(hào)處理+-+ 系 統(tǒng)控制信號(hào) 圖 3-12 比例元件電控系統(tǒng)基 本電路框圖 由圖可見，比例放大器包括穩(wěn)壓電源電路、信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)處理電路、功率放大電路、反饋檢測與處理電路、邏輯控制電路等。 3.8 比例電磁鐵 前面多次提到過在比例閥中占很重要地位的驅(qū)動(dòng)控制部分將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào)的電 - 機(jī)械轉(zhuǎn)換器。那么此節(jié)將對(duì)它作一個(gè)詳細(xì)的介紹。 液壓控制系統(tǒng)中最主要的被控參數(shù)是壓力與流量，而控制上述兩個(gè)參數(shù)的最基本手段是對(duì)流阻 進(jìn)行控制。一種控制流阻的技術(shù)途徑是直接的電液轉(zhuǎn)換。它是利用一種對(duì)電信號(hào)有粘性敏感的流體介 41 41 質(zhì)一電粘性液壓油，實(shí)現(xiàn)電液粘度轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到控制流阻、實(shí) 現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的壓力和流量控制的目的。顯然，這種流阻控制方式更為簡便，它無需電機(jī)轉(zhuǎn)換元件。但是目前這種技術(shù)還未達(dá)到實(shí)用階段和要求。 目前生產(chǎn)技術(shù)上能實(shí)現(xiàn)的可控流阻結(jié)構(gòu)形式是通過電 -機(jī)械轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)間接的電 -液轉(zhuǎn)換。將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械量。這種電 -機(jī)械轉(zhuǎn)換器是電液比例閥的關(guān)鍵組件之一，它的作用是把經(jīng)過放大后的輸入信號(hào)電流成比例的轉(zhuǎn)換成機(jī)械量。 根據(jù)控制的對(duì)象或液壓參數(shù)的不同，這個(gè)力或者傳給壓力閥的一根彈簧，對(duì)它進(jìn)行預(yù)壓縮，或者輸出的力、力矩與彈簧力相比較，產(chǎn)生一個(gè)與電流成比例的小位移或轉(zhuǎn)角，操縱閥芯動(dòng)作，從而改 變可控流阻的液阻。可見，電一機(jī)轉(zhuǎn)換器是電液比例閥的驅(qū)動(dòng)裝置。它的靜態(tài)，動(dòng)態(tài)特性對(duì)整個(gè)比例閥的設(shè)計(jì)和性能起著重要的作用。 3.8.1 電 - 機(jī)械轉(zhuǎn)換器分類 a. 按其作用原理和磁系統(tǒng)的特征分，主要有：電磁式、感應(yīng)式、電動(dòng)力式、電磁鐵式、永磁式、極化式；動(dòng)圈式、動(dòng)鐵式；直流、交流。 b. 按其結(jié)構(gòu)形式和性能分，主要有：開關(guān)型電磁鐵、比例電磁鐵、動(dòng)圈式馬達(dá)、力矩馬達(dá)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。 3.8.2 比例電磁鐵 本設(shè)計(jì)屬于電液比例閥一大類，顧名思義其應(yīng)用的電 - 機(jī)械轉(zhuǎn)換器應(yīng)是比例電磁鐵。 比例電磁鐵的功能是將比例控制放 大器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成力或位移。比例電磁鐵推力大，結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)油液清潔度要求不高，維護(hù)方便，成本低，銜鐵腔可做成耐高壓結(jié)構(gòu)，是電液比例控制元件中廣泛應(yīng)用的電 - 機(jī)械轉(zhuǎn)換器件。比例電磁鐵的特性及工作可靠性，對(duì)電液比例控制系統(tǒng)和元件的性能具有十分重要的影響，是電液比例控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。 3.8.3 比例電磁鐵的分類 比例電磁鐵的類型按照工作原理主要分為如下幾類 : (1)力控制型 這類電磁鐵的行程短 , 輸出力與輸入電流成正比 , 常用在比例閥的先導(dǎo)控制級(jí)上； (2)行程控制型 由力控制型加負(fù)載彈簧共同組成 , 電磁鐵輸出的力先通過彈簧轉(zhuǎn)換成輸出位移 , 輸出位移與輸入電流成正比 , 工作行程達(dá) 3mm, 線性好 , 可以用在直控式比例閥上； (3)位置調(diào)節(jié)型 銜鐵的位置由傳感器檢測后 , 發(fā)出一個(gè)閥內(nèi)反饋信號(hào) , 在閥內(nèi)進(jìn)行比較后重新調(diào)節(jié)銜鐵的位置。在閥內(nèi)形成閉環(huán)控制 , 精度高 , 銜鐵的位置與力無關(guān)。精度高的比例閥如德國的博世、意大利的阿托斯等都采用這種結(jié)構(gòu)。 42 42 在本設(shè)計(jì)中，由于比例電磁鐵將用于控制先導(dǎo)閥三通減壓閥，以間接控制主閥，故采用第一類即力控制比例電磁鐵。 3.8.4 比例電磁鐵應(yīng)滿足的要求 (1) 具有水平吸力特性， 即輸出的機(jī)械力與電信號(hào)大小成比例，與銜鐵位移無關(guān)，能把電氣信號(hào)按比例地、連續(xù)地轉(zhuǎn)換成機(jī)械力輸出給液壓閥； (2) 有足夠的輸出力和行程，結(jié)構(gòu)緊湊，體積??； (3) 線性好，死區(qū)小，靈敏度高； (4) 動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快； (5) 比例閥在長期工作中，其溫升不得超過要求。在允許溫升下能穩(wěn)定工作； (6) 能承受液壓系統(tǒng)的高壓，抗干擾性好； 對(duì)于以上這些要求，很多情況下難以同時(shí)得到滿足，這時(shí)應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場合加以考慮。對(duì)某些應(yīng)用場合，可能輸出的有效作用力及行程最為重要。 3.8.5 比例電磁鐵的結(jié)構(gòu) 推桿線圈導(dǎo)套銜鐵隔磁環(huán) 圖 3-13 比例電磁鐵的結(jié)構(gòu) 比例電磁鐵結(jié)構(gòu)如上圖，它由線圈、銜鐵、推桿、外殼等組成。 當(dāng)有信號(hào)輸入線圈時(shí) , 線圈內(nèi)磁場對(duì)銜鐵產(chǎn)生作用力 , 銜鐵在磁場中按信號(hào)電流的大小和方向成比例、連續(xù)地運(yùn)動(dòng) , 再通過固連在一起的銷釘帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng) , 從而控制滑閥閥芯的運(yùn)動(dòng)。 3.8.6 比例電磁鐵的位移力特性 比例電磁鐵是一種濕式直電磁鐵，普通電磁換向閥所用電磁鐵只要求有吸合和斷開兩個(gè)位置，并且為了增加電磁吸引力，磁路中幾乎沒有氣隙，而比例電磁鐵根據(jù)電磁原理，在 結(jié)構(gòu)上進(jìn)行特殊設(shè)計(jì) , 使之形成特殊的磁路（這種磁路在銜鐵的工作位置上磁路中必須保證一定的氣隙），以獲得基本的吸力特性，即水平的位移力特性，能使其產(chǎn)生的機(jī)械量 (力或力矩和位移 )與銜鐵的位移無關(guān)，而與輸入 43 43 電信號(hào) (電流 ) 的大小成比例。這個(gè)水平力再連續(xù)地控制液壓閥閥芯的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)的壓力、方向和流量。由于比例電磁鐵可以在不同的電流下得到不同的力 (或行程 ) , 因此可以無級(jí)地改變壓力、流量。其原理見下圖： o y o 圖 3-14 比例電磁鐵的 特性 3.8.7 比例電磁鐵位移力特性的實(shí)現(xiàn)原理 比例電磁鐵的磁路在工作氣隙附近被分為兩個(gè)部分，其中的一部分沿軸向穿過工作氣隙進(jìn)入極靴，產(chǎn)生端面力 Fm1；而另一部分穿過徑向間隙進(jìn)入導(dǎo)套前端，產(chǎn)生軸向附加力 Fm2。兩者的綜合就得到了比例電磁鐵的水平位移力特性。該特殊形式磁路的形成，主要是由于采用了隔磁環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了一個(gè)帶錐形周邊的盆形極靴。 3.8.8 比例電磁鐵電流力特性 由于本設(shè)計(jì)中用的比例電磁鐵是力控制型，這種比例電磁鐵的銜鐵工作在有效行程區(qū)域內(nèi)時(shí)，改變控制線圈的電流，可調(diào)節(jié)輸出電磁力的大小。由 于在比例放大器中設(shè)置了電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)，在電流設(shè)定值恒定不變時(shí)，即使磁阻變化，也可使電磁力保持不變。下圖為相應(yīng)的電流力特性曲線。 44 44 圖 3-15 比例電磁鐵的電流力特性曲線 3.9 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小結(jié) 至此，比例節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就完成了，最終完成的結(jié)構(gòu)圖及連接圖詳見附錄。 由圖可見，插裝式主閥閥芯上連有耐高壓電感式位移傳感器，以反饋回主閥閥芯位移參數(shù)，該位移參數(shù)經(jīng)調(diào)制、放大、解調(diào)反饋至比例放大器的 P2 輸入引腳。比例放大器的另一個(gè)輸入引腳是整個(gè)閥的外部控制 接口，整個(gè)比例閥的參數(shù)將此引腳來控制。比例放大器對(duì) P1、 P2 兩引腳傳來的值進(jìn)行比較。當(dāng)主閥閥心的實(shí)際位移值小于調(diào)定值時(shí)，比例放大器將通過輸出引腳 P3 對(duì)比例電磁鐵發(fā)出控制信號(hào)，使主閥閥心開口向著增大的方向移動(dòng)；反之若主閥閥心的實(shí)際位移值大于調(diào)定值時(shí)，比例放大器將使主閥閥心開口向著減小的方向移動(dòng)，因而最終使閥心精確的處于調(diào)定值上。 45 45 4 節(jié)流閥工作總原理分析及其 性能參數(shù)指標(biāo) 4.1 原理分析 ABX Y比例電磁鐵位移傳感器插裝式主閥比例放大器P1P2P3先導(dǎo)閥K口口口口 圖 4-1 電液比例節(jié)流閥的連接圖 上圖為整個(gè)比 例閥的連接示意圖，比例節(jié)流閥工作時(shí)，比例放大器不斷比較從其引腳傳來的對(duì)節(jié)流閥的閥芯開度的設(shè)定值及由 P2 引腳反饋回的主閥閥芯的位移實(shí)際值，如果兩者相等，當(dāng)然比例控制系統(tǒng)不動(dòng)作，維持原樣不變。但二者會(huì)因?yàn)閮?nèi)外因素導(dǎo)致不相等，外部因素如外部對(duì)比例閥進(jìn)行了重新調(diào)定，而內(nèi)部原因則可能是液壓系統(tǒng)的沖擊、負(fù)載的變化及其它不穩(wěn)定的因素導(dǎo)致主閥閥芯偏移了設(shè)定值。 當(dāng)比例放大器檢測到主閥閥芯實(shí)際值與比例放大器的設(shè)定值出現(xiàn)差值時(shí)，很明顯控制系統(tǒng)的下一步任務(wù)就是要去除該差值，正如第二章所述，反饋控制的原理即為“檢測偏差用以糾正 偏差”，那么，怎么樣消除這一偏差呢？ 由前 3.3.4“主閥閥芯的受力分析”一節(jié)所述可知，不管在正向通流情況下還是在反向通流情況下，主閥閥芯的增量為 1RX 時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制腔壓力增量 KP 都為： KP CRS A XK 11 （ 4-1） 46 46 這就是說要消除調(diào)定值與實(shí)際值之間的差值1RX，應(yīng)當(dāng)使控制腔的壓力產(chǎn)生一個(gè)增量值CRS A XK 11，而由前所述，控制腔的壓力是由本閥的先導(dǎo)閥電液比例三通減壓溢流閥來調(diào)定的，先導(dǎo)閥的出口壓力即為控制腔的壓力，而先導(dǎo)閥的出口壓力又受比例電磁鐵的輸出力來調(diào)定，故要使控制腔的壓力發(fā)生變化，必須要使比例電磁鐵的輸出推力變化一個(gè)增量。 而由 3.4.3 “先導(dǎo)閥閥芯詳細(xì)受力分析”一節(jié)可知比例電磁鐵的輸出推力增量與控制腔壓力的關(guān)系為： bF=DKAP （ 4-2） 將式（ 4-1）代入 式（ 4-2） ，得到比例電磁鐵的輸出推力增量值bF與主閥閥芯的增量 1RX 之間的關(guān)系式 bF=DKAP )(11CKSD A XKA CRSD A XKA 11 (4-3) 將參數(shù)代入得： bF608.964 36204.50 1RX608.964 48.18114 1RX 18.779 1RX (4-4) 該式的數(shù)學(xué)意義為要使閥芯開度變化 1RX ，對(duì)應(yīng)的比例電磁鐵的輸出推力應(yīng)變化CRSD A XKA 11，舉例說明，要想使閥芯開度變化 1mm，則 比例電磁鐵的輸出推力應(yīng)變化 18.799N。 綜合上面所述，比例放大器在經(jīng)比較得出閥芯開度的實(shí)際值與經(jīng) p1 引腳輸入的設(shè)定值之間的差值1RX 后，在比例放大器內(nèi)經(jīng)一系列特定運(yùn)算，如應(yīng)用 PID 算法，經(jīng)由輸出引腳 P3 來控制比例電磁鐵，使得比例電磁鐵的輸出推力變化一個(gè)增量 18.779 1KX 。經(jīng)過這一過程后，差值 1RX 將消除，主閥閥芯開度將精確的處于調(diào)定值上，這樣就完成了一個(gè)控制過程。即實(shí)現(xiàn)了主閥閥芯開 度由比例放大器的輸入端來調(diào)定的控制過程。而由第二章流量控制的基本原理中式 (3-1)，在主閥節(jié)流口前后壓差不變的情況下，節(jié)流閥的流量與其閥芯開度成正比關(guān)系，那么比例放大器的輸入端就最終控制了整個(gè)節(jié)流閥的流量。 下面將對(duì)節(jié)流閥的性能指標(biāo)進(jìn)行分析： 4.2 靜態(tài)性能指標(biāo) (1)滯環(huán) 電液比例閥的輸入電流在正負(fù)額定值之間作一次往復(fù)循環(huán)時(shí)，同一輸出值 (壓力或流量 ) 47 47 對(duì)應(yīng)的輸入電流存在差值 I。通常規(guī)定差值中的最大值maxI與額定電流的百分比為電液比例閥的滯環(huán)誤差。滯環(huán)誤差越小，電 液比例閥靜態(tài)性能越好，一般允許最大滯環(huán)誤差為 7。 (2)線性范圍及線性度 為了保證電液比例閥輸出的流量或壓力與輸入的電流成正比變化，一般將壓力電流、流量電流的工作范圍取在特性曲線的近似直線部分，這個(gè)工作范圍稱為電液比例閥的線性范圍。線性度是指線性范圍內(nèi)特性曲線與直線的最大位