高水基插装式电液换向阀设计毕业设计(论文).doc
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1、第一章 绪论1.1 课题的来源与意义1.1.1 液压系统简介液压与气压传动是以流体(液压液或压缩空气)作为工作介质对能量进行传递和控制的一种传动形式,相对于机械传动来说,它是一门新技术。但如从1650年帕斯卡提出静压传递原理,1850年开始英国将帕斯卡原理先后应用于液压起重机、压力机等算起,也已经有二三百年的历史了。而液压与气压传动在工业上的真正推广使用,则是在20世纪中叶以后的事。近几十年来,随着微电子和计算机技术的迅速发展,且渗透到液压与气动技术中并与之密切结合,使其应用领域遍及到各个工业部门,已成为实现生产过程自动化、提高劳动生产率等必不可少的重要手段之一。液压与气动技术在工业中推广应用
2、还是在20世纪中叶以后的事,时间还不很长。由于要使用原油炼制品来作为传动介质,近代液压传动是由19世纪崛起并蓬勃发展的石油工业推动起来的。最早实践成功的液压传动装置是舰艇上的炮塔转位器。第二次世界大战期间,在一些兵器上用上了功率大、反应快、动作准的液压传动和控制装置,大大提高了兵器的性能,也大大促进了液压技术的发展。战后,液压技术迅速转向民用,并随着各种标准的不断制定和完善,各类元件的标准化、规格化、系列化在机械制造、工程机械、农业机械汽车制造等行业中推广开来。20世纪60年代后,原子能技术、空间技术、计算机技术、微电子技术等的发展再次将液压技术推向前进,使它在国民经济的各个方面都得到了应用。
3、液压传动在某些领域内甚至已占有压倒性优势。我国的液压工业开始于20世纪50年代,其产品最初只用于机床和锻压设备,后来才用到拖拉机和工程机械上。自从1964年从国外引进一些液压元件生产技术,并自行设计液压产品以来,我国的液压元件已在各种机械设备上得到了广泛的使用。20世纪80年代起更加速了对国外先进液压产品和技术的有计划引进、消化、吸收和国产化工作,以确保我国的液压技术能在产品质量、经济效益、研究开发等各个方面全方位地赶上世界水平。当前,液压技术在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪音、经久耐用、高度集成化等各项要求方面都取得了重大的进展,在完善比例控制、伺服控制、数字控制等技术上也有许多新的成
4、就。此外,在液压元件和液压系统的计算机辅助设计、计算机仿真和优化以及微机控制等开发性工作方面,日益显示出显著的成就。液压传动有以下一些优点:1) 在同等的体积下,液压装置能比电气装置产生出更大的动力。在同等的功率下,液压装置的体积小,质量轻,即其功率密度大,结构紧凑。液压马达的体积和质量只有同等功率电机的12%左右。2) 液压装置工作比较平稳。由于质量轻、惯性小、反应快、液压装置易于实现快速气动、制动和频繁换向。3) 液压装置能在大范围内实现无级调速(调速范围可达2000),它还可以在运行的过程中进行调速。4) 液压传动易于对液体压力、流量或流动方向进行调节或控制。当将液压控制和电气控制、电子
5、控制或气动控制结合起来使用时,整个传动装置能实现很复杂的顺序动作,也能方便地实现远程控制和自动化。5) 液压装置易于实现过载保护。6) 由于液压元件已经实现了标准化、系列化和通用化,液压系统的设计、制造和使用都比较方便。7) 用液压传动实现直线运动远比用机械传动简单。但液压传动也有自身的缺点:1) 液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄漏损 失等),长 距离传动时更是如此。2) 液压传动对油温变化比较敏感,它的工作稳定性很容易受到温度的影响,因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。3) 为了减少泄漏,液压元件在制造精度上的要求较高,因此它的造价较高,而且对工作介质的污染也比较敏感
6、。4) 液压传动出现故障时不易找出原因。总的来说,液压传动的优点还是主要的,在应用的时候,扬长避短,我们就能在实际生产中发挥出液压装置的巨大优势。1.1.2 工作介质工作介质在传动及控制中起传递能量和信号的作用。流体传动及控制(包括液压与气压传动),它在工作、性能特点上和机械、电气传动之间的差异主要取决于载体的不同,前者采用工作介质是他们之间的根本不同。目前90%以上的液压设备采用石油基液压油液。基油为精制的石油润滑油馏分。未了改善液压油的性能,以满足液压设备的不同要求,往往在基油中加入各种添加剂。添加剂有两类:一类是改善油液化学性能的,如抗氧化剂、防腐剂、防锈剂等;另一类是改善油液物理性能的
7、,如增粘剂、抗磨剂、防爬剂等。但是,为了军事目的,近年来在某些舰船液压系统中,也有以海水或淡水为工作介质的。而且正在逐渐向水下作业、河道工程、海洋开发等领域延伸。在某些有特殊要求的场合,如煤矿用液压支架,也需要用以高水基为传动介质的液压设备,近几十年来,高水基技术逐渐得到了广泛的应用和发展。近几十年来工业上大规模地应用了液压设备,使这种以液压液作为动力传送的技术得到了普遍的应用。多年来,液压系统所使用的液压液全部是矿物油型液压油。七十年代中期,由于石油来源日益紧张,以及人们环境仪式的逐渐提高,发展高水基液压液日益受到重视。1.2 高水基液压液高水基液压液一般是指含水80%以上的液压传动也,它与
8、矿物油型液压液相比有一下优点:1.价格低廉。由于含水80%以上,其价格远远低于矿物油型液压液。2.不易燃。据美国矿务局1959年调查87次使用矿物油型液压液设备着火事故,其中73%是由液压油引起的。3.对生态环境污染小。4.粘-温特性好。由于含水量高,粘度随温度的变化较小。5.冷却性好。高水基液压液具有压缩损失和粘度剪切损失小,比热大,热传导性好的优点。除上述优点外,高水基液压液还有许多亟待改进的不足之处,如粘度低,易泄漏,润滑性差,对金属腐蚀性大等,为了使高水基液压液从性能上达到或超过矿物油型液压液,需要加入抗腐蚀剂防止金属腐蚀;加入挤压剂,以增加抗磨性能,其他如乳化剂,防冻剂,消泡剂,偶联
9、剂等。除了添加各种化学添加剂外,还需要从液压元件和液压系统方面进行相应的研究,以适应高水基液压液的要求。就目前国外研究使用的高水基液压液看,主要分为两大类。一类是乳化液型,另一类是化学溶液型。乳化油型是在水中加入5%20%的矿物油与化学添加剂,油在水中是分散状态,形成水包油型乳化液,化学溶液型是在水中约含5%20%化学合成添加剂的液压液。高水基液压液一般含水量为95% , 含复合添加剂为5%。在复合添加剂中通常含油性剂、防锈剂、消泡剂、防霉剂等等。高水基液体性能优劣主要取决于复合剂的性能。早期的高水基液是以乳化液的形式出现的, 在5% 的复合剂中含有一定量的矿油和适量的乳化剂,与95% 的水混
10、合时形成乳白色的乳化液。这类高水基液最大缺点是稳定性差, 使用一段时间后容易产生分层, 同时润滑性不太理想, 使得其在应用中受到限制。以后, 经过不断地改进, 相继出现半透明的微型乳化液和清亮透明的化学溶液。这两类高水基液体改进了稳定性, 同时提高了润滑性, 使得应用的范围更加扩大。这三类高水基液压液的粘度特征如表1-1所示。表1-1 高水基液的粘度特征1.3 高水基液压液特点1.3.1粘度小高水基液压液的粘度与水的粘度相近, 40时通常为0. 7 2. 0mm 2 s。粘度小, 对于液力传动系统是有利的, 这样可以减少液力损失, 但也容易造成泵的泄漏。1.3.2 抗燃性好由于高水基液压液含9
11、5% 的水, 所以具有好的抗燃烧性, 在高温或明火环境使用时比较安全。热岐管抗燃试验表明: 在704的高温时, 高水基液不发生燃烧。1.3.3 导热性好由于水的传热性好, 所以高水基液的导热性比油好。在相同系统中, 与使用矿油相比, 液压系统的运转温度约低11左右。1.3.4 节能高水基液体节能体现在两个方面: 一是可代替一部分矿油产品使用, 缓解矿油紧张; 二是由于高水基液体压力损失小, 粘性阻力小, 与矿油相比, 系统有效能提高了15% 20%。1.3.5 有利于环保高水基液的主要成分是水, 另外5% 的复合剂也是无毒的水溶性添加剂。一旦溢出或泄漏时容易清除, 不会对环境造成污染, 有利于
12、对环境的保护。1.3.6 价格低在各类油品和液体当中, 高水基液是最便宜的一类, 成本为矿油的1/ 5 1/6, 这是由于生产成本低, 运输和贮存价格低。因为后两者只运送和保管5% 的复合剂, 而不需运输和保存大量的水。1.3.7 剪切安定性好由于通常高水基液体中不含高聚物, 而且液体的粘度又低, 所以剪切稳定性较好。用超声波剪切试验方法对6 种不同的高水基液体进行检测, 其测定结果如表1-2所示。表1-2 高水基液压液超声剪切实验结果表1-2数据表明: 与矿油相比, 各种高水基液剪切后粘度下降较低, 表明高水基液较矿油的抗剪切稳定性好。经过不断发展, 高水基液体的性能不断提高和完善。表1-3
13、给出了两种具有代表性的高水基液体的理化性能, 一种为美国的HWBF5607, 另一种为国产(石油化工科学研究院研制)HWBF2110。可见两种产品理化性能相当。表1-3高水基液理化性能实测数据1.4 选择高水基传动液需注意的问题由于高水基液的组成和性能与矿油产品有较大区别, 所以在使用中要注意有关问题。1) 要选择合适的使用压力。大多数高水基液压系统推荐的最佳压力为6864.66kPa。压力太高, 会使系统部件寿命缩短; 压力越低, 系统部件寿命越长。2) 要选择大排量泵, 以补偿内泄漏。这是针对高水基液粘度低、内泄漏量大(是矿油的10 20倍)而采取的措施。3) 要选择合适的配套材料。这是由
14、于高水基液含有大量的水, 同时要求pH 值在810的原因。配套材料的选择可参照表1-4 进行。表1-4高水基液体与材料的适应性4) 使用高水基液体的系统温度通常控制在60以下为宜。温度过高会造成水分的挥发, 引起不良后果。5) 由于高水基液体密度较矿油大, 一般在1 左右, 所以难从贮罐中抽吸上来和进入泵中。通常是将贮罐架高, 采用压力贮罐或增压泵。如果泵的入口是负压, 可通过每升高油箱0.71 m 获得6.86 kPa 入口压来调整油箱高度。额定速度下, 活塞泵、齿轮泵、叶片泵的最低入口压力为0, 最高入口压不得超过34. 3 kPa。入口管线要尽量短, 并有足够的口径。6) 高水基液体所用
15、水的硬度一般控制在300g/g 以下, 否则在液体中会形成不溶性的钙皂和镁皂, 堵塞滤器和阀门。7) 高水基液在使用过程中要经常检查其pH值, 一般控制pH在8% 10% 为好。过低的pH表明液体有污染, 主要是生物污染。此时应对pH 值进行调整。1.5 毕业设计任务1) 明确高水基液压液的优点和缺点;2) 对液压控制阀的总体情况进行深入了解,并对当时学习内容进行巩固复习;3) 做毕业设计开题报告和调研报告;4) 在图书馆查阅相关的书籍,网上搜集相关的资料,并完成有关的英文论文的翻译;5) 进行方案设计和总体结构的设计,并确定有关的技术参数;为适应高水基液压液的特点,参考其他的液压控制阀,设计
16、高水基液压控制阀的阀体、阀芯、阀套、等主要部件;根据高水基液压系统的要求,正确选择密封和润滑装置,确定插装阀和电磁阀的安装方式,使其能够实现既定的功能;6) 手工绘制主要零件草图等图纸,装配总图草图(包括装配图、主要部件计算、验算、技术经济分析、截面图等);7) 准备中期检查表,进行预答辩;8) 用计算机绘制正式的装配总图(包括装配图、截面图等),主要零件图等图纸;9) 撰写毕业设计计算说明书;10) 对整个毕业设计内容进行检查,更正错误,准备答辩。第二章 方案设计2.1 设计要求本题目要求设计新型液压控制阀。应用于煤矿机械,煤矿的生产条件恶劣,粉尘多,环境条件决定了对液压阀的密封要求严格;随
17、着国际石油价格的飙升,石油基液压液的价格也随之提升,再使用石油基液压液无形中就增加生产成本和维修费用。因此寻求廉价高性能的石油基液压液被提上日程,近几十年来,高水基液压液的发展收到了很大的重视,本设计选取的液压液正是这种高水基的。基于绪论中对高水基液压液特点的描述,对本设计结构就提出了新的要求,我们要重点解决的问题是:高水基含95%左右的水,容易泄漏,对密封提出了更高的要求;高水基液压液还容易腐蚀阀芯,我们就要考虑传统阀芯的替代材料,防止高水基对阀芯的腐蚀。正如本文的题目,高水基插装式电液换向阀的设计,也就是要设计出适应高水基要求的电液换向阀,该阀由一组插装阀和一个电磁阀组合而成,插装起来的插
18、装阀作为主阀,大量的液压液通过,电磁阀作为控制阀,通过少量液体,对一组插装阀进行控制。另外,本设计要求阀的设计流量为1500L/min,设计压力为35Mpa,插装阀的通经为32mm,其它条件自拟。2.2 预备知识2.2.1 液压控制阀液压阀的作用是控制液压系统的油流方向、压力和流量,从而控制整个液压系统的全部功能,如系统的工作压力,执行机构的动作程序,工作部件的运动速度、方向,以及变换频率,输出力或力矩等等。无论是一个最简单的或非常复杂的液压系统都少不了液压阀。液压阀的性能是否可靠,是关系到整个液压系统能否正常工作的问题。阀是用来控制系统中流体的流动方向或调节其压力和流量的,因此它可分为方向阀
19、、压力阀和流量阀三大类。一个形状相同的阀,可以因为作用机制不同,而具有不同的功能,压力阀和流量阀利用通流截面的节流作用控制系统的压力和流量,而方向阀则是利用通流通道的更换控制流体的流动方向。这就是说,尽管阀存在着各种各样不同的类型,它们之间还是保持着一些基本的共同之处的。压力控制阀主要控制执行机构输出力或输出力矩的大小,并确定液压泵及整个液压系统的工作负载,在过载时起到保护系统的作用,它的主要品种有溢流阀、减压阀、卸荷阀、顺序阀、压力继电器等。流量控制阀的主要用途,是根据执行机构运动速度的要求供给所需的流量。它的主要品种有节流阀、调速阀及分流集流阀等。方向控制阀控制油流的通、切断或者改变油流的
20、方向,以控制执行机构的运动方向等,它的主要品种有单向阀、液控单向阀、电磁换向阀、电液换向阀、手动换向阀、多路换向阀、截止阀、转阀等。以上三类阀还可以互相组合,成为复合阀,以减少管路的连接,使结构更为紧凑,提高系统的效率。系统中所用的阀,应满足下列要求:1.动作灵敏,使用可靠,工作时冲击和振动小,噪声小,寿命长。2.流体流过时压力损失小。3密封性能好。4.结构紧凑,安装、调整、使用、维护方便,通用性大。2.2.2 方向控制阀常见的方向控制阀的类型如表所示。表2-1 方向控制阀的类型换向阀是利用阀芯在阀体中的相对运动,使液流的通路接通、关断或变换流动方向,从而使执行元件启动、停止或变换运动方向。换
21、向阀都有两个或两个以上的工作位置,其中一个是常位,即阀芯未受外部操纵时所处的位置。绘制液压系统图时,油路一般应连接在常位上。电磁换向阀借助于电磁铁吸引力推动阀芯动作来改变液流流向。这类阀操纵方便,布置灵活,易实现动作转换的自动化,因此应用最广泛。电磁阀的电磁铁按所用电源的不同,分为交流型、直流型和交流本整型三种;按电磁铁内部是否有油浸入,又分为干式、湿式和油浸式三种。交流电磁忒使用方便,气动力大,吸合、释放快,动作时间最快约为10ms;但工作时冲击和噪声较大,为避免线圈过热,换向频率不能超过60次/min;启动电流大,在阀芯被卡时会烧毁线圈;工作寿命仅数百万次至一千万次以内。直流电磁铁体积小,
22、工作可靠;冲击小,允许换向频率未120次/min,最高可达300次/min;使用寿命可达两千万次以上;但启动力比交流电磁铁要小,且需要有直流电源。交流本整型电磁铁自身带有整流器,可以直接使用交流电源,又具有直流电磁铁的性能。2.3 电磁换向阀电磁换向阀借助于电磁铁吸引力推动阀芯动作来改变液流流向。这类阀操纵方便,布置灵活,易实现动作转换的自动化,因此应用最广泛。在各种不同的使用场合,电磁阀通电后能可靠的换向,断电后又能可靠地复位(对弹簧复位式而言),这就是它的工作可靠性。由于电磁阀在工作过程中,作用于其阀芯上的也动力和液压卡紧力与通过的流量和压力有关,因此电磁阀只有在一定的流量和压力范围内才能
23、正常工作。这一工作范围通常用工作范围曲线来表示,如图2-1所示。图2-1 电磁阀工作范围曲线由于电磁换向阀的开口量较小,如公称通经6mm,电磁阀开口两仅1.5mm左右,公称通经10mm的电磁阀开口量仅2mm左右;又因电磁阀的体积很小,各通道的通流面积也收到很大限制。这就使液流通过电磁阀时造成较大的压力损失,从而限制了电磁阀的通流能力。如何降低电磁阀的压力损失是国内外普遍重视的问题。一般来说,铸造流道和机加工流道相比,铸造流道的压力损失较小。因为铸造流道可采用非圆截面,充分利用阀体内的空间,尽可能加大通流面积;而且各流道之间可圆滑过渡,避免内流道突然扩大或缩小,有利于压力损失的降低,因而铸造流道
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