毕业设计（论文）-先导式溢流阀设计

1、目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc326690431 1 绪论 PAGEREF _Toc326690431 h 1 HYPERLINK l _Toc326690432 1.1 液压技术开展历史 PAGEREF _Toc326690432 h 2 HYPERLINK l _Toc326690433 1.2 我国液压技术开展概述 PAGEREF _Toc326690433 h 3 HYPERLINK l _Toc326690434 1.3 溢流阀的过去和未来开展 PAGEREF _Toc326690434 h 4 HYPERLINK l _Toc32669043

2、5 1.4 本设计的意义和目的 PAGEREF _Toc326690435 h 7 HYPERLINK l _Toc326690436 2 溢流阀总体设计 PAGEREF _Toc326690436 h 9 HYPERLINK l _Toc326690437 2.1 溢流阀的作用和分类 PAGEREF _Toc326690437 h 9 HYPERLINK l _Toc326690438 2.1.1 作用 PAGEREF _Toc326690438 h 9 HYPERLINK l _Toc326690439 2.1.2 分类 PAGEREF _Toc326690439 h 9 HYPERLIN

3、K l _Toc326690440 2.2 溢流阀的工作原理 PAGEREF _Toc326690440 h 10 HYPERLINK l _Toc326690441 2.3 溢流阀的工作过程 PAGEREF _Toc326690441 h 11 HYPERLINK l _Toc326690442 2.3.1 开启过程 PAGEREF _Toc326690442 h 11 HYPERLINK l _Toc326690443 2.3.2 闭合过程 PAGEREF _Toc326690443 h 12 HYPERLINK l _Toc326690444 2.4 溢流阀的主要性能 PAGEREF _

4、Toc326690444 h 12 HYPERLINK l _Toc326690445 2.4.1 静态特性 PAGEREF _Toc326690445 h 12 HYPERLINK l _Toc326690446 2.4.2 动态特性 PAGEREF _Toc326690446 h 13 HYPERLINK l _Toc326690447 2.5 溢流阀的设计要求 PAGEREF _Toc326690447 h 15 HYPERLINK l _Toc326690448 2.6 溢流阀的结构设计 PAGEREF _Toc326690448 h 15 HYPERLINK l _Toc326690

5、449 2.6.1 溢流阀的结构型式 PAGEREF _Toc326690449 h 15 HYPERLINK l _Toc326690450 2.6.2 先导式溢流阀主要零件 PAGEREF _Toc326690450 h 17 HYPERLINK l _Toc326690451 3 先导式溢流阀详细设计 PAGEREF _Toc326690451 h 23 HYPERLINK l _Toc326690452 3.1 设计要求 PAGEREF _Toc326690452 h 23 HYPERLINK l _Toc326690453 3.2 主要结构尺寸确实定 PAGEREF _Toc3266

6、90453 h 23 HYPERLINK l _Toc326690454 静态特性计算 PAGEREF _Toc326690454 h 26 HYPERLINK l _Toc326690455 3.3.1 根本方程式 PAGEREF _Toc326690455 h 26 HYPERLINK l _Toc326690456 3.3.2 弹簧刚度和预压缩量计算 PAGEREF _Toc326690456 h 30 HYPERLINK l _Toc326690457 3.3.3 其他相关特性 PAGEREF _Toc326690457 h 35 HYPERLINK l _Toc326690458 4

7、 技术经济性分析 PAGEREF _Toc326690458 h 37 HYPERLINK l _Toc326690459 5 结 论 PAGEREF _Toc326690459 h 38 HYPERLINK l _Toc326690460 致 谢 PAGEREF _Toc326690460 h 39 HYPERLINK l _Toc326690461 参考文献 PAGEREF _Toc326690461 h 401 绪论液压技术作为一门新兴应用学科，虽然历史较短，开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。它的开展决定了机电产品性能的提高。它不仅能最大限度

8、满足机电产品实现功能多样化的必要条件，也是完成重大工程工程、重大技术装备的根本保证，更是机电产品和重大工程工程和装备可靠性的保证。所以说液压传动产品的开展是实现生产过程自动化、尤其是工业自动化不可缺少的重要手段。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。液压设备能传递很大的力或力矩，单位功率重量轻，结构尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸仅为直流电机的左右；反响速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现无级变速；易实现功率放大；易进行过载保护；能自动润滑，寿命长，制造本钱较低，世界各国均已

9、广泛地应用在锻压机械、工程机械、机床工业、汽车工业、冶金工业、农业机械、船舶交通、铁道车辆和飞机、坦克、导弹、火箭、雷达等国防工业中。现在世界各国都重视开展根底产品。近年来，液压技术由于广泛应用了高新技术成果，使根底产品在水平、品种及扩展应用领域方面都有很大提高和开展。一个完整的液压系统由五个局部组成，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，指液压系统中的油泵，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

10、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。根据控制功能的不同，液压阀分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。压力控制阀又分为溢流阀(平安阀)、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。根据控制方式不同，液压阀分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。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

11、个液压系统及设备的全部工作功能。1.1 液压技术开展历史液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而开展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的上下已成为一个国家工业开展水平的重要标志。1795 年英国约瑟夫布拉曼 (Joseph Braman,1749 - 1814) ，在伦敦用水作为工作介质 , 以水压机的形式将其应用于工业上 , 诞生了世界上第一台水压机。 1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。 第一次世界大战 (1914 - 1918) 后液压传动广泛应用, 特别是 1920 年以后, 开展更为迅速。液压

12、元件大约在19世纪末20世纪初的 20 年间, 才开始进入正规的工业生产阶段。 1925 年维克斯 () 创造了压力平衡式叶片泵, 为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了根底。 20世纪初康斯坦丁尼斯克 (G Constantimsco) 对能量波动传递所进行的理论及实际研究；1910 年对液力传动 ( 液力联轴节、液力变矩器等 ) 方面的奉献，使这两方面领域得到了开展。 第二次世界大战 (1941 - 1945) 期间, 在美国机床中有 30% 应用了液压传动。应该指出, 日本液压传动的开展较欧美等国家晚了近20 多年。在1955年前后, 日本迅速开展液压传动，1956年成立了 “ 液

13、压工业会 。近2030年间，日本液压传动开展之快，居世界领先地位。20世纪50年代，随着世界各国经济的恢复和开展，生产过程自动化的不断增长，使液压技术很快转入民用工业，在机械制造、起重运输机械及各类施工机械、船舶、航空等领域得到了广泛的开展和应用。20世纪60年代以来，随着原子能、航空航天技术、微电子技术的开展，液压技术在更深、更广阔的领域得到了开展，60年代出现了板式、叠加式液压阀系列，开展了以比例电磁铁为电气-机械转换器的电液比例控制阀并被广泛用于工业控制中，提高了电液控制系统的抗污染能力和性能价格比。随着科学技术的进步和人类环保、能源危机意识的提高，近20年来，人们重新认识和研究历史上以

14、纯水作为工作介质的纯水液压传动技术，并在理论上和应用研究上，都得到了持续稳定的复苏与开展，正在逐渐成为现代液压传动技术中的热点技术和新的开展方向之一。21世纪将是信息化、网络化、知识化和全球化的世纪，信息技术、生命科学、生物技术和纳米技术等新科技的日益进展将对液压传动与控制技术的研究、设计研究及方法、对包括液压阀在内的各类液压产品的结构与工艺、对其以其应用领域以及企业的经营管理模式产生深刻的影响并带来革命性变化。在社会和工程需求的强力推动及机械与电气传动及控制的挑战下，液压传动与控制技术将依托科学，不断发挥自身优势，满足客观需求，变得更为绿色化、机械电子一体化、模块化、智能化和网络化，将自身推

15、进到新的水平。1.2 我国液压技术开展概述我国的液压工业及液压阀的制造，起始于第一个五年方案19531957年，期间，由于机床制造工业开展的迫切需求，50年代初期，上海机床厂、天津液压件厂仿造了苏联的各类低压泵、阀。随后，以广州机床研究所为主，在引进消化国外中低压元件制造技术的根底上，自行设计了公称压力为和的中低压液压阀系统简称广州型，并迅速投入大批量生产。60年代初期，为适应液压工程机械从中低压向高压方向的开展，以山西榆次液压件厂为主，引进了日本油研公司的公称压力为21MPa的中高压液压阀系列，以及全部加工技术和制造、试验设备，并据此开展、设计成我国的中高压液压闪系统简称榆次型。1968年，

16、当时的一机部组织有关单位，在公称压力21MPa液压阀的根底上，设计了我国一套公称压力为的高压阀系列，并投入批量生产。为使产品实现标准化、通用化、系列化，我国于1973年再次组成“液压阀联合设计组，在总结国产高压阀设计、生产经验的根底上，借鉴了国外同类产品的结构，性能、工艺特点，又增补了多种规格和新品种，并使国产阀的安装连接尺寸首次符合国际标准。并于1977年正式完成了公称压力为的高压阀新系列的设计。1978年起，通过全系列图纸的审查、试制、鉴定等工作，并在全国推广使用。1982年，通过了全系列的定型工作。故上述产品简称为“82年联合设计型高压液压阀系列。为适应高压、大流量的液压传动要求，济南铸

17、锻研究所、上海704研究所和北京冶金液压机械厂等单位，自1976年开始，还引进、消化和研制了二通插装阀简称CV阀，并在80年代初期，完成了自己的系列。二通插装阀作为不同于常规阀的另一类液压阀类，也正在开拓着它的使用范围。此外，随着组合机床在机械制造行业中的广泛应用，1975年，大连组合机床研究引进、消化、吸收和研制了叠加式液压阀。近年来，我国液压气动密封行业坚持技术进步，加快新产品开发，取得良好成效，涌现出一批各具特色的高新技术产品。北京机床所的直动式电液伺服阀、杭州精工液压机电公司的低噪声比例溢流阀(拥有专利)、宁波华液公司的电液比例压力流量阀(已申请专利)，均为机电一体化的高新技术产品，并

18、已投入批量生产，取得了较好的经济效益。北京华德液压集团公司的恒功率变量柱塞泵，填补了国内大排量柱塞泵的空白，适用于冶金、锻压、矿山等大型成套设备的配套。天津特精液压股份的三种齿轮泵，具有结构新颖、体积小、耐高压、噪声低、性能指标先进等特点。榆次液压件的高性能组合齿轮泵，可广泛用于工程、冶金、矿山机械等领域。另外，还有广东广液公司的高压高性能叶片泵、宁波永华公司的超高压软管总成、无锡气动技术研究所为各种自控设备配套的WPI新型气缸系列都是很有特色的新产品。为应对我国参加WTO后的新形势，我国液压行业各企业加速科技创新，不断提升产品市场竞争力，一批优质产品成功地为国家重点工程和重点主机配套，取得较

19、好的经济效益和社会效益。我国液压产品具有一定生产能力和技术水平的生产科研体系。尤其是近十年来根底产品工业得到国家支持，装备水平有所提高，目前已能生产品种规格齐全的产品，已能为汽车、工程机械、农业机械、机床、塑机、冶金矿山、发电设备、石油化工、铁路、船舶、港口、轻工、电子、医药以及国防工业提供品种根本齐全的产品。通过科研攻关和产学研结合，在液压伺服比例系统和元件等成果已用于生产。在产品CAD和CAT等方面已取得可喜的进展，并得到广泛应用。并且在国内建立了不少独资、合资企业，在提高我国行业技术水平的同时，为主机提供了急需的高性能和高水平产品，填补了国内空白。1.3 溢流阀的过去和未来开展1结构形式

20、特点直动式溢流阀的启闭是在系统压力直接作用下进行的。先导控制式溢流阀的主阀是由先导阀控制的先导阀作为调压级、起直动溢流阀的调压弹簧的作用通过主、 导阀之间的阻尼器，控制主阀上腔的中间力。 直动式溢流阀，它不只适用于低压小流量系统，近来也出现了高压大流量直动溢流阀，西德力士乐公司生产的DSD型直动式溢流阀最高压力可达40MPa及63MPa。压力为3110MPa时流量可达332 Lmin。启闭特性好。其一种结构是在锥阀的端部及支承弹簧的圆盘上开有环形槽结构。环形槽改变了液流的方向，产生一个与弹簧力方向相反，大小随流量增加而增加可抵消局部弹簧力增量的射流力。第二种结构为锥阀带活塞，且将活塞铣扁，进口

21、压力可以作用于活塞底部的结构。活塞扶持锥阀的运动中不致于倾倒，有效地控制径向振动。活塞与锥阀连接处做成对称锥面，使液动力互相抵消。弹簧支承盘上也开有偏流环槽，产生抵消弹簧力增量的射流力。第三种结构为球阀式。活塞与球阀的连接主要是通过阻尼弹簧，阻尼弹簧的作用是使球阀上的主弹簧刚度增加，预压缩量减少，有利于提高静态特性。先导控制式溢流阀的结构有三级同心式，二级同心式和级同心式，其先导阀使用的弹簧有线性弹簧和非线行弹簧非线性弹簧用于液压阀有很大的优越性，但至今应用的却不多见。三级同心式先导溢流阀其主阀芯上有三处配合，外表的同轴度要求较高。日本改良了三级同心式溢流阀：拉长了尾碟，增设了尾流环，还将回油

22、通道防振尾附近做成直角弯，消耗动能，降低噪声。另外，在主阀上腔和导阀前腔都设置了消振滑块，改变油液流动状态和减小振动容腔。二级同心式先导控制溢流阀的主阀芯上有两处配合，外表同轴度要求较高。日本川崎重工业公司研制出了二级同心低噪声溢流阀，把节流局部做成长通道，消除急剧的缩流。在阀座上开出了许多小孔，防止产生负压。二级同心式与三级同心式溢流阀相比是其面积梯度比三级同心式大，动作灵敏，而且压力稳定性和工艺性都比三级同心结构要好。一级同心式先导控制溢流阀的主阀是滑阀，上下端承压面积相等，动作灵敏度较低、密封长度大，使动作反响慢、过渡时间长，超调量大。但其加工、装配方便。还有的先导控制溢流阔的导阀弹簧为

23、碟形非线性弹簧。碟形弹簧的刚度是可变的，其弹力和变形量不呈线性关系。由此可使弹簧有较大的预紧力。而当阀心运动到给定的阀口开启量时，弹簧力增加不大，这可使启闭谓压差值减少，特别是轴向位移较大的溢流阀。采用蝶形弹簧改善性能将更加显著。如上所述的各种溢流阀其阻尼器的阻尼都是定值。此外还有变阻尼器结，它是在主阀芯上安装一滑阀，形成环形阻尼器。此阻尼器的阻尼随滑阀的轴向移动而变化。这种溢流阀结构紧凑、体积小。主要用于工程机械高压大流量要求动作迅速上，简化掉阻尼滑阀，而是将主阀中心孔做成便于加工的短租孔，在中心孔上插入柱形钢丝。利用钢丝轴向位置固定而在孔内可以径向微动的特点，使阻尼器本身具有自洁的能力。这

24、样的阻尼器结构具有加工容易，本钱低，阻尼可靠的特点。先导式溢流阀其主阀和先导阀的相互位置配备有三种形式：直角式，平行式和同轴式。目前，先导控制式溢流阀般设置两个阻尼器，也有设置三个阻尼器的，这些阻尼器有串联的，并联的，也有串并联的。般多为串联的。阻尼器与阀芯的相对位置有阀前阻尼，阀中阻尼和阀后阻尼，阀前阻尼效果好。2 溢流阀的研究历史成果对溢流阀的研究内容，主要包括理论研究，实验研究和数字仿真。国内外从六十年代初开始对先导控制式溢流阀进行研究，经历了定性和定量研究阶段，溢流阀静态特性研究方面的成果，衡量静态特性的指标有定压误差、卸荷压力、内泄流量和调压范围。研究结果已经给出了比拟完整的设计准那

25、么和阻尼孔尺寸选择范围，分析了阀的结构参数对静压特性的影响。也讨论了加载阀特性的影响是产生溢流阀启闭特性实验误差的主要原因。证明了先导控制结构是实现理想恒压特性的根本原因。把功率键合图理论用于建立环形缝隙阻尼溢流阀的数学模型。通过数字仿真分析了阀的静特性，并进行了参数预测及优化。主要研究成果可归纳为如下几方面：1、锥阀从理论上讲密封好，但阀芯在零位时却有泄漏，相当于阀提前开启，特别是在高压情况下，关键问题是加工装配质量。2、主阀芯的面积比直接影响阀的开启点，理想恒压要求面积比为一。 3、主阀弹簧预紧力。在保证克服摩擦力的条件下，应尽可能小。 4、先导阀的溢流量应尽量小，且保持恒定。 5、主阀液

26、动力对启闭特性的影响。主要对闭合特性的影响，取决于出流的方向。溢流阀本身就是一反响的控制系统，其动态特性的研究主要包括稳定性和过渡过程响应特性，对于锥阀与管道连接系统的稳定性，导出了比拟简单形式的稳定条件。指出提高稳定性要缩短管道，尽量减小容腔，加大阻尼。针对三级同心式先导溢流阀的稳定性问题，运用稳定工作点摄动线性化法进行了研究，指出在忽略泄漏与先导阀前阻尼时，只有先导阀的开度始终大于某一定值，溢流阀才能稳定工作。对于级同心式先导溢流阀的稳定性，研究结果认为阻尼孔的直径取合理值时，先导阀弹簧刚度对稳定性影响不大，由此可以根据静态特性设计选择弹簧，且指出了先导阀芯位移超调量最大，主阀芯超调量次之

27、，压力超调量最小。还提出了加位移限位座三级同心溢流阀主阀稳定性的措施，就是使阀芯运动到刚要到达力平衡时，要阀芯触及限位座，这时靠一个与液压力任意大小相适应的阀座反力来维持平衡，而不发生振动。实验研究了溢流阀阻尼孔位置的影响效果，得出的结论是阀前阻尼优于阀中阻尼，阀后阻尼的稳定性最差。3 溢流阀的未来开展目前，液压系统和元件的设计、分析方法是基于一种半经验的方法。 一些理论公式经多方简化，已难以解释和处理某些实际问题。对溢流阀的开发和深入研究也存在着许多问题。在理论分析中，很多非线性因素都未加以考虑，如阀座的约束反力，库仑摩擦力等，所以理论分析的模型是半定量的，因此有人对液压系统进行了模型参数辨

28、识研究。在微处理机得到普遍应用的今天，也出现了液压数字控制系统。真正实现了电子神经，液压肌肉的初衷，增强了液压系统的功能。因此，数字化溢流阀的出现，将其与微处理机的结合，也为增强液压系统的智能和控制的成熟度提供了极大的潜力。另外溢流阀和液压系统理论分析、综合和设计方法，也将与微型计算机直接结合，构成计算机设计优化体化，逐步代替半经验的估算方法。随着高压、高速、大流量和高效率液压系统开展的需要，对节能型、低噪声和嵌装式溢流阀的研究也日益增多，逐步取得了实质性的突破。1.4 本设计的意义和目的液压技术渗透到很多领域，不断在民用工业、在机床、工程机械、冶金机械、塑料机械、农林机械、汽车、船舶等行业得

29、到大幅度的应用和开展，而且开展成为包括传动、控制和检测在内的一门完整的自动化技术。现今，采用液压传动的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。如兴旺国家生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动线都采用了液压传动技术。液压传动产品在国民经济和国防建设中的地位和作用十分重要。它的开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，也是完成重大工程工程、重大技术装备的根本保证，更是机电产品和重大工程工程和装备可靠性的保证。所以说液压传动产品的开展是实现生产过程自动化、尤其是工业自动化不可缺少的重要手段。现在世界各国都重视开展根底产品。近年来

30、，液压技术由于广泛应用了高新技术成果，使根底产品在水平、品种及扩展应用领域方面都有很大提高和开展。溢流阀一种压力控制阀，在液压设备中主要起定压溢流作用，稳压作用，系统卸荷作用和平安保护作用。定压溢流作用：在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量，当系统压力增大时，会使流量需求减小，此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定阀口常随压力波动开启。稳压作用：溢流阀串联在回油路上，溢流阀产生背压运动部件平稳性增加。系统卸荷作用：在溢流阀的遥控口串接溢小流量的电磁阀，当电磁铁通电时，溢流阀的遥控口通油箱，此时液压泵卸荷，溢流阀此时作为卸荷阀使用。平安保护作用：系统正

31、常工作时，阀门关闭，只有负载超过规定的极限系统压力超过调定压力时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加通常使溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高10%20%。综上所述，液压技术是现代科技中非常重要的技术手段，而溢流阀作为液压系统中一个非常关键的部件，对溢流阀的研究必将改善溢流阀的工作性能，从而提高整个液压系统的操作性能，在实际生产中，必将带来可观的经济效益。本设计将结合实际生产工作，运用理论结合实际的工作方法，在曾经的设计经验的根底之上，设计出一个实用价值较高，工作性能较好的先导式溢流阀。2 溢流阀总体设计本章的重点是介绍溢流阀的相关知识，包括溢流阀的分类与作用、溢流阀的工作原理与工作过程

32、、溢流阀的零件与整体结构以及溢流阀的主要性能。2.1 溢流阀的作用和分类2.1.1 作用溢流阀是压力控制阀中最根本的一种，以它为根底可以组合成各种进行阀前进口压力控制的压力控制阀,如电磁溢流阀就是由溢流阀和电磁换向阀组合而成的。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平安阀。 溢流阀的主要功用是：维持液压系统中的压力近于恒定；对液压系统实行调压；防止液压系统超载，起平安作用；对液压系统进行卸荷，以降低系统的功率损耗和热量。2.1.2 分类溢流阀的品种较多，按它的根本动作一般可分为直动型和控制型两种，控制型溢流阀即是先导式溢流阀。直动型溢流阀 图2-1 直动

33、型溢流阀结构简图Fig.2-1 Direct action-type relief valve structure diagram a锥阀式 (b)球阀式 (c)滑阀式 (d)溢流阀的根本符号 1-调压螺栓 2-弹簧 3-阀芯 4-阀体含阀座 锥阀式和球阀式又叫座阀式溢流阀，特点是动作灵敏，密封性能好，配合没有泄漏间隙，但导向性差，冲击性较强，阀座阀芯易损坏。滑阀式由于阀口有一段密封搭合量，稳定性较好，不易产生自激振动，但动作反响较慢。控制型溢流阀先导式溢流阀图2-2 YF型三节同心先导式溢流阀Fig.2-2 YF 3-type pilot relief valve concentric1、阀

34、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、主阀弹簧控制型溢流阀的先导阀是一个小规格的锥阀式直动溢流阀，其弹簧用于调定主阀局部的溢流压力。主阀的弹簧不起调压作用，仅是为了克服摩擦力使主阀芯及时回位而设置。直动型和控制型的差异在于控制阀芯启闭的方式：直动型阀芯的启闭是在系统液压力直接作用下进行的；控制型阀芯的启闭由先导阀来控制。显然，控制型溢流阀的工作原理要比直动型溢流阀复杂，但在性能指标和使用范围等方面，控制型优于直动型。 溢流阀的工作原理溢流阀由主阀和先导阀两局部组成，如图2-2，3为主阀阀芯，6为导阀

35、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。在油路压力未到达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。但此力还缺乏以克服主阀弹簧11的预压缩力，因此主阀还不能翻开。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忽

36、略阀芯重力，使主阀翻开。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。这样，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。由这一工作过程可见，导阀起着感受压力变化的作用，主阀起着溢流的作用。通过调压手轮10，改变导阀弹簧7的作用力，也就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，那么此先导式溢流阀便成为远控溢流阀，可用作远距离控制。2.3 溢流阀的工作过程 开启过程如图2-3所示

37、，图中各符合的含义如下：A1主阀芯活塞下边面积；A2主阀芯活塞上边面积；p1主阀芯下腔压力；p2主阀芯下腔压力；Kx先导阀弹簧刚度；Ky主阀弹簧刚度；x0先导阀弹簧的预压缩量；y0主阀弹簧的预压缩量；G主阀芯重力； 图2-3溢流阀示意图Ff阀芯与阀套的摩擦力； Fig. 2-3 Schematic Relief1当液压系统压力低于先导阀的开启压力时，先导阀保持关闭。此时主阀芯受力条件为 (2-1)此时阀口关闭。2当系统压力上升到先导阀的开启压力时，先导阀处于即将开启但未开启的状态，主阀芯受力关系仍为式2-1。3当系统压力升高超过先导阀开启压力时，先导阀翻开，液压油经由阻尼孔流向先导阀再流回油箱

38、。此时主阀芯上下两腔将产生压力差，但尚未到达足以抬升主阀芯的程度，主阀芯的受力方程为： 2-24当系统压力上升到主阀开启压力时，通过阻尼孔的流量增大，产生的压力差使主阀芯处于平衡状态： 2-35当系统压力高于主阀开启压力时，主阀开启，其受力为 2-4式中： 主阀口的开度；液体入射角，近似等于阀芯半锥角；主阀座孔直径；C1主阀口流量系数，(取)。6当系统压力升到调定压力时，阀内通过额定流量，此时主阀芯受力方程为： 2-5到此，溢流阀开启完成。2.3.2 闭合过程其过程与开启过程相反，但各关键点相似，不同的是由于摩擦力方向改变，造成阀口的关闭压力比相应的开启压力要小。 溢流阀的主要性能2.4.1

39、静态特性1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。2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。(3) 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。(4) 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

40、声。 动态特性1压力超调量：最大峰值压力与调定压力的差值。2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。(即图3-4中、两点的间的时间间隔)。3过渡过程时间：指从调定压力到最终稳态压力的时间。(即图3-4中点到点间的时间间隔)。4 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。即图3-5的。5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。(即图3-5中的)。图2-4 流量阶跃变化时溢流阀的进口压力响应特性Fig. 2-4 Step changes in the flow of imports of the pressure relief valve

41、 response characteristics图2-5溢流阀升压与卸荷特性Fig. 2-5 boost relief valve and unloading Features2.5 溢流阀的设计要求溢流阀的一般设计要求是：1公称压力pg (N/2) ；2公称流量 Qg (L/min)；3调压范围 QUOTE p1minp1max p1minp1max (N/2) ；4主阀开启压力p1Q (N/2) ；5主阀闭合压力p1Q (N/2) ；5p1Q QUOTE p1Q 、p1Q QUOTE p1Q 时的溢流量Q (L/min)；7卸荷压力p1x QUOTE p1x (N/2)。8内泄流量qnx

42、L/ min2.6 溢流阀的结构设计阀的结构设计牵涉到工作性能、制造、使用和维修。结构设计时，在满足工作性能的根底上，要做到结构简单，制造容易，使用维修方便。 2.6.1 溢流阀的结构型式溢流阀的结构型式通常有以下三种：1直动滑阀型图2-6图2-6 直动滑阀型溢流阀Fig.2-6 Direct-acting spool type relief valve这种阀的结构简单，但性能较差，仅限于低压小流量下使用，主要用于控制精度不太高的场合。而且，它不能实现卸荷和远控调压。2无平衡面积的座阀式先导控制型图2-7这种阀也限于低压和小流量下使用，假设阻尼孔选择合理经先导阀的作用，能较好地工作。3具有平衡

43、面积的座阀式先导控制型这种阀按其主阀芯配合面的情况有两种结构：一种具有三级配合面，常称为三级同心式，见图2-8；另一种具有二级配合面，常称为二级同心式。这种阀的结构虽不及上述二种简单，但其工作性能要比上述任何一种好。三级同心式与二级同心式相比，二级同心式优于三级同心式，现分析比拟如下：图2-71三级同心式结构比二级同心式复杂，主要零件如主阀芯、阀体等的加工精度要求也比二级同心式高，从而使制造本钱提高；同时，三级同心式溢流阀在装配或使用中不慎常影响到它的动作可靠性。图2-8 三节同心式先导型溢流阀Fig. 2-8 Three concentric Pilot Relief Valve2主阀口的过

44、流面积三级同心式小于二级同心式(见图 2-9)。在实现卸荷时，由于三级同心式阀芯的尾碟伸在脚座内，通道成很狭的环形，加上阀座直径很小，因而过流断面面积很小，使卸荷时的剩余压力较高。二级同心式阀的通道中没有如尾碟之类的障碍物，且阀座处直径很大，过流面积大, 故剩余压力较低。3二级同心式阀比拟稳定。三级同心式阀中，当液流高速流出时，由于流动方向惯性在尾碟底部形成一个负压涡流区负压是不稳定的。而先导阀的控制流出流正好进入此不稳定负压区，负压直接作用到 先导阀的阀芯背部即调压弹簧一侧，使先导阀阀芯的运动受到影响，也就是引起阀口的开口量不稳定，最终引起溢流阀 所控制的压力不稳定。二级同心式阀中没有这种现

45、象。图2-9三节同心式与二节同心式过流面积比拟Fig.2-9 Three concentric compare flow area with two concentric4二级同心式阀具有噪声小的优点，因液流经阀口至溢流口是一个扩散流动，使高速液流迅速的降速，所以，减少了 噪声。三级同心式阀由于液流经阀口至溢流口是一个收缩流动，溢流口的流速相比之下较高，所以噪声较大。当然，这只是从流速声来说的。5二级同心式具有良好的通用性，以溢流阀为根底，只要作少量的变动，就可以变成各种型式的压力阀。因为阀芯和阀套组成一个部件安置在阀体的一个通用的内腔里，利用 溢流阀的阀体，只要变换一下先导阀的控制局部或调换

46、适合其他功用的阀芯和阀套,就可以变成顺序阀、卸荷阀、减压阀、平衡阀等各种型式的压力控制阀。当然，三级同心式阀从动态性能观点来看，也有其设计上的可取之处，例如，主阀口直径小，面积梯度就小，流量增益低，有利于稳定储藏，即对稳定性有利；又例如，主阀芯上的尾碟，使稳态液动力有助于阀口关闭，也是增加稳定性的措施。另一方面，主阀阀口作为一个振动环节，如果能尽量减弱 主阀芯的振动，仍可获得低噪声的溢流阀。三级同心式阀具有这方面改良的余地，例如：将主阀芯尾碟拉长，在尾碟处加节流环，使油液压力从进口到溢流口逐级释压，便是一种很好的低噪声溢流阀。2.6.2 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

47、构均由主阀和先导阀两局部组成。1主阀局部主阀由阀体、阀芯、阀座等主要零件组成。1阀体阀体是主阀的主要零件，为了使流体流过阀体通道时尽可能缩小涡流区并减轻流速场的激变，以减小压力损失，故阀体内部孔道的几何形状较复杂，以铸造成形为宜。铸件的外 形应随内孔的形状而变化,使铸件的壁厚得以均匀过度，保证铸件具有良好的铸造性能。阀体在结构设计时，除必须保证足够的强度以外,还必须使阀体具有良好的刚度，使阀在总装后和长期使用中保证阀芯动作灵活可靠而不至于由于阀体在外力作用下变形太大而卡住。图2-10 主阀体Fig.2-10 Main valve body2阀芯控制型溢流阀主阀芯上下侧面积差的大小直接影响到阀的

48、性能，应通过计算确定。上下侧面积差可采用各种方式到达。图2-8中的主阀芯有三个配合面，因此同轴度要求较高，这不仅提髙了加工精度的要求，且装配时较困难。特别是主阀芯的小端和阀盖之间有配合要求，假设加工和装配稍不注意，甚至由于安装阀盖螺钉的缘故，都有使阀芯被卡死的可能。图2-5中主阀芯带有消振尾碟，几何形状比拟复杂。图2-11 主阀芯Fig.2-11 main valve spool3阀座阀座用来支承主阀芯，主阀芯与阀座接触时必须根本保证线接触，从而使阀口具有可靠的密封性能。阀芯和阀座在阀口处的形状和锥角大小，对主阀芯的受力大小指主阀芯在开启后的受力情况和动作平稳性有关系。因为油液流动情况的复杂性

49、，所以往往要通过反复试验，才能确定最正确的锥阀口形状和锥角的大小。图2-12 主阀座Fig.2-12 main valve seat2先导阀局部先导阀由阀芯、阀座、调压弹簧、调压装置等零件组成。在压力控制阀中如溢流阀、电磁溢流阀、减压阀等)通常都有先导阀，因此在设计时必须保证通用性。先导阀的结构一般分为直动式和差动式二种。1阀芯直动式的阀芯常用的有二种结构(见图2-13)。图中a)为锥阀结抅，b)为球阀结构。对于球阀结构，根据阀芯的组成又可分成两种：一种是球和弹簧座分体,另一种是球和弹簧座成整体的。比拟锥阀和球阀两种结构，当阀芯的开口量相同， 即阀芯与阀座离开相同的距离时，球阀比锥阀具有较大的

50、过流面积。所以球阀结构使主阀开启比拟迅速，从而使升压时间t1较短(见图2-14)；但是球阀的过流面积变化较大，这样阀芯动作就不太稳定，易出现振动，从而使主阀稳定时间t2较长(见图2-14)。图2-13 阀芯类型F type of the spool图2-14 动态特性图Fig.2-14 Dynamic characteristics chart差压式阀芯和直动式阀芯的区别在于锥阀的尾部带有一段配合面见图2-15)。主要特点是利用承压面的面积差来减小作用在阀芯上的液压力，这使调压弹簧容易设计，并提高了调压稳定性。但它有两个配合面，结构比直动式复杂，加工精度也比直动式要求高。 图2-15(fig.

51、2-15) 图2-16 (fig.2-16)2阀座阀座的结构应按阀芯的结构而定。直动式阀座设有二级孔(见图2-16), 一端小孔起适当的阻尼作用，能消除尖叫和振动。此外还必须尽量减少导阀前腔的容积，假设结构布置的需要致使容积过大时，可加添消振垫如图2-17 a所示，以改变这一容腔流速场分布，或采用消振塞如图2-17 b所示)，利用微型吸振原理来消除尖叫和振动。图2-17 消振垫Fig.2-17 Damper pad3调压装置调压装置由调压弹簧和调压机构两局部組成。直动式先导阀作用在阀芯上的液压力直接与弹簧力相平衡，平衡方程为：p2a2=Kt2(Xt2+X2)导阀座孔面积a2由通过导阀座孔的流量

52、大小确定。当弹簧的预压缩量Xt2取定为某一值时，调压弹簧的刚度Kt2的值取决于导阀前腔油压p2的大小。对于直动式先导阀，从低 压到高压只用一根调压弹簧是困难的。从上式可知：在最高调节压力时，调压弹簧的刚度Kt2要求较大，Kt2值越大，弹簧的位移对压力的变化越敏感，这给低压范围稳定可靠的调压带来困难。可以用增大Xt2值的方法来适当减小Kt2值，但这会给调压弹簧的设计带来困难，并且会超过弹簧的稳定性指标即细长比。为此，常根据调压范围分成几根调压弹簧来调压，我国在公称压为320N/2，压力控制阀中的直动式先导阀，将调压弹簧分成四根，调压范围划分为四档：Ha(680 N/2)；Hb(40160 N/2

53、)；Hc(80200 N/2)；Hd(160320 N/2)。根据先导阀的结构，对每根调压弹簧进行设计时，在结构尺寸上必须注意以下几点：1弹簧的内径必须一致；2外径均不得大于装弹簧的孔径；3自由高度要尽量设计得一致。 差压式先导阀因阀芯存在承压面的面积差，所以作用在阀芯上的液压力比直动式小，液压力和弹簧力的平銜方程为：式中a2是阀芯尾部配合的面积见图2-15)。当适当减小(a2-a2) QUOTE a2-a2 时，Kt2和Xt2值也可相应减小，这使调压弹簧的设计比拟容易，尤其是Kt2的减小，可改善低压范围的调压稳定性，从而在低压到高压的范围内，可减少调压弹簧的根数。压紧和放松调压弹簧的调压机构

54、一般有四种型式，图2-18中的a)为手轮式，b)为钥匙锁千分表式，c)为带有铅封保险式，d)为套筒调节式。可根据使用需要在上述四种形式中选用，其中手轮式是常见的调压机构，它调节方便，结构简单。图2-18 调压机构Fig.2-18 Regulator agencies调压装置的设计还必须考虑到调压弹簧和阀芯装拆方便，以便在使用中进行检查和拆换零件。对装有“O型密封圈的弹簧座与导阀阀体孔的配合应适宜，太松在调压手轮处会出现外渗漏，太紧又会使调压范围的最低调节压力降不下来。3 先导式溢流阀详细设计先导式溢流阀的工作原理要比直动型溢流阀复杂，但在性能指标和使用范围等方面，先导型优于直动型。三级同心式阀

55、主阀口直径小，面积梯度就小，流量增益低，有利于稳定储藏，即对稳定性有利；主阀芯上的尾碟，使稳态液动力有助于阀口关闭，也是增加稳定性的措施。另一方面，主阀阀口作为一个振动环节，如果能尽量减弱主阀芯的振动，仍可获得低噪声的溢流阀。三级同心式阀具有这方面改良的余地，将主阀芯尾碟拉长，在尾碟处加节流环，使油液压力从进口到溢流口逐级释压，便是一种很好的低噪声溢流阀。根据前面所述，本设计将设计一个三节同心式先导型溢流阀。3.1 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

56、的开启压力p2ap1max 。(5) 调成最高调成压p1max时，主阀的开启压力p1a1max；此时的溢流量QaQe。(6) 调成最高调成压p1max时，主阀的闭合压力p1a1max；此时的溢流量Qbe。(7) 卸荷压力px=0.4 MPa。(8) 内泄流量q 0.0015 L/ min。3.2 主要结构尺寸确实定1进油口直径 d由额定流量和允许流速来决定 d=416.67Qe100v=0.463Qev 式中：Qe额定流量L/min； v进出油口直径d处油液允许流速，一般为6m/s7m/s，取v=6 m/s。计算得 d=1.462cm=14.62 mm，取 d= mm2 主阀芯直径 d1按经验

57、取 d1=d计算得7.36 mm d1 12.07 mm，取 d1= mm3 主阀芯活塞直径 D0按经验取 D0=d1，取 D0=4主阀芯上段直径D2按经验去主阀芯活塞下边面积F3与上边面积F4之比为F3F4=0.950.97F3F4=4(D02-d12)4(D02-D22)得： D2=D02+d12-D02F3F4=D01+d1D02-1F3F4 式中：F3活塞下边面积；F4活塞上边面积；D2主阀芯活塞直径；d1主阀芯直径。带入数据计算取D2=10 mm。活塞下边面积稍小于上边面积，主阀关闭时的压紧力主要靠这个面积差形成液压力作用在主阀芯上。主阀弹簧只是在低压和无压力时使主阀关闭，因此主阀弹

58、簧刚度可以很小。5主阀芯与阀体的配合长度L由公式 L=D0 ，得D033 mm6 节流孔直径 d0，长度 l0按经验取 d0=2mm，l0=719d 0取d0= mm， l0= 15 mm静态特性计算对选定的d0和l0进行适当的调整8主阀芯半锥角1按经验取1=467) 导阀芯的半锥角2按经验取2=20(9) 导阀座的孔径 d2 和 d6按经验取 d2=25d0，d6=，取 d2= 4mm，d6=(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 mm11尾蝶消振尾直径d4、长度l4、过渡直径d5尾蝶的作用是消

59、除液动力引起的振动。在此取d4=8mm，l4=17mm，d5=6mm。12主阀座的孔径D1按经验取D1=d1-12mm，取D1=10 mm。13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=；S1=15 mm。14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。(15) 主阀弹簧的装配长度 l1l1= L1 - h1式中：L1主阀弹簧的自由长度，见静态特性计算局部； h1主阀弹簧预压缩量，见静态特性计算局部。l1的数值要在主阀弹簧设

60、计后才能确定。(16) 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，见静态特性计算局部。(17) 溢流阀阀体壁厚m 式中： 阀体壁厚m； D阀体内径m； Py试验压力，一般取最大工作压力的倍MPa； 阀体材料的许用应力，铸钢：=100110MPa。代入，得： 022m3.3静态特性计算3 根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根底。图3-1 主阀口示意图1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