大流量單向閥設(shè)計(jì)含SW三維及8張CAD圖

大流量單向閥設(shè)計(jì)含SW三維及8張CAD圖,流量,單向閥,設(shè)計(jì),sw,三維,cad 大流量單向閥設(shè)計(jì)摘要：單向閥作為一種常用液壓元件，具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，穩(wěn)定性強(qiáng)，拆裝及維修方便等特點(diǎn)。并廣泛應(yīng)用于城市地下排水管網(wǎng)，汽車發(fā)動機(jī)，廠房鍋爐以及采礦機(jī)械中的液壓支架。應(yīng)用范圍十分廣泛。設(shè)計(jì)目標(biāo)：方案可行、經(jīng)濟(jì)合理、有創(chuàng)新思路；體積小，重量輕，開閉動作平穩(wěn)；設(shè)計(jì)方法：從結(jié)構(gòu)、材料、防銹、密封形式等方面提出相應(yīng)的解決措施。設(shè)計(jì)結(jié)果和結(jié)論：本課題針對一種流量Q=550 L/min，開啟壓力pk=0.04MPa，工作壓力p=12MPa，安裝在外徑為350mm的管道上的單向閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、受力分析與關(guān)鍵零部件校核，以完成閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真和優(yōu)化創(chuàng)新為目的。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)要求參數(shù)設(shè)計(jì)閥門的結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行彈簧強(qiáng)度和閥體穩(wěn)定性校核；再利用cad和solidworks繪制閥門的二維和三維零件圖及裝配圖，接著對繪制的裝配圖進(jìn)行建模分析。最終，確保了閥門工作的穩(wěn)定性和安全性。關(guān)鍵詞:單向閥 錐閥芯 結(jié)構(gòu) 大彈簧 純水介質(zhì) Design of Large Flow One-way ValveAbstract:As a commonly used hydraulic element, the one-way Valve has the characteristics of simple structure, reliable work, strong stability, easy to disassemble and repair. It is widely used in urban underground drainage pipe network, automobile engine, factory boiler and hydraulic support in mining machinery. The scope of application is very wide.Design objectives: The scheme is feasible, economical and reasonable, and has innovative ideas; Small size, light weight, smooth opening and closing action; Design method: from the structure, materials, anti-rust, sealing form and other aspects of the corresponding solutions.Design results and conclusions: This topic aims at a flow rate Q = 550 L/min, opening pressure PK = 0.04 MPa, working pressure P = 12 MPa, The unidirectional valve installed on the pipe with an external diameter of 350 mm is designed, analyzed, and checked for key parts. The purpose is to complete the structural design simulation, optimization and innovation of the valve. Firstly, according to the design requirements, the structure of the valve is designed, and then spring strength and body stability are checked; Then use CAD and Solidworks to draw two-and three-dimensional parts and assembly drawings of the valve, and then model and analyze the drawn assembly drawings. In the end, the stability and safety of the valve are ensured.Key words: unidirectional valve cone valve core structure large spring pure water mediumIII目 錄摘要 Abstract 1緒論5 1.1闡述單向閥的組成部件和作用，連接形式及要求5 1.2單向閥的種類5 1.3課題背景及研究意義7 1.4課題的國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀8 1.4.1國外研究現(xiàn)狀8 1.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀8 1.5對單向閥的要求9 1.6水介質(zhì)單向閥的核心問題及應(yīng)用意義92單向閥機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10 2.1單向閥的主體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)10 2.2彈簧的結(jié)構(gòu)種類和作用機(jī)理和發(fā)展現(xiàn)狀10 2.3設(shè)計(jì)閥口結(jié)構(gòu)和閥體結(jié)構(gòu)11 2.3.1幾何尺寸的確定11 2.3.2受力計(jì)算和性能計(jì)算13 2.3.3強(qiáng)度計(jì)算143圓柱形螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法153.1彈簧端部結(jié)構(gòu)的確定153.2彈簧鋼絲的材料及其機(jī)械性能153.3彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算153.4彈簧的工作圖和技術(shù)要求294單向閥建模314.1單向閥314.2液控單向閥315.結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致謝361. 緒論1.1 闡述單向閥的組成部件和作用，連接形式及要求單向閥由閥體、閥芯、閥蓋、閥芯彈簧幾部分組成。單向閥的特性是單向?qū)ㄐ浴D1-1為普通單向閥的結(jié)構(gòu)示意圖，只允許流體從左往右單向流動，因此又稱為止回閥或逆止閥。當(dāng)液體正向流動時(shí)，液壓力達(dá)到單向閥最低開啟壓力時(shí)，剛好和彈簧力平衡，頂開閥口，正向?qū)?，反向時(shí)截止，液體不能通過。在連接形式上可分為螺紋連接、法蘭連接三種。在性能上單向閥要求正向開啟壓力小，液流通過時(shí)壓力損失小，反向泄露小，用作單向閥時(shí)，開啟壓力為0.030.05Mpa,用作背壓閥時(shí)，開啟壓力要求為0.20.6Mpa。單向閥常用在泵出口處，尤其是多泵并聯(lián)供液時(shí)，也常與其它閥配合使用。 圖1-1 普通單向閥1-閥體； 2-閥芯；3-彈簧 1.2單向閥的種類單向閥按控制方式不同，可分為普通單向閥和液控單向閥,普通單向閥前面已經(jīng)介紹過，液控單向閥如圖1-2所示。普通單向閥功能：只允許液流沿一個(gè)方向流動，A通B,反向被截止，B不通A。結(jié)構(gòu)：錐閥芯，彈簧。正向開啟壓力：只需0.030.05Mpa,反向截止時(shí)密封性能好。壓力損失：開啟后，進(jìn)出口壓力差為0.20.3Mpa圖1-21-閥芯；2-鋼球；3-單向閥普通單向閥按閥芯結(jié)構(gòu)形式不同可分為球閥芯、錐閥芯、柱閥芯，分別如圖1-3,1-4所示，按其流向與進(jìn)出油口的位置關(guān)系，又分為直通式閥和直角式閥兩類。 圖1-3 球閥芯單向閥1-閥體；2-鋼球；3-彈簧；4-擋圈圖1-4 錐閥芯單向閥1- -閥體；2-錐閥芯；3-彈簧；4擋圈 液控單向閥是能用液壓控制的單向閥，按其結(jié)構(gòu)和原理可分為內(nèi)泄式液控單向閥、外泄式液控單向閥和帶卸荷閥芯的液控單向閥。單向閥按結(jié)構(gòu)劃分，可分為升降式單向閥、旋啟式單向閥和蝶式單向閥三種，升降式單向閥和旋啟式單向閥如圖1-5，1-6所示，蝶式單向閥應(yīng)用范圍較小，這里就不介紹了。圖1-5 升降式單向閥圖1-6 旋啟式單向閥1.3課題背景及研究意義應(yīng)用于地下排水管網(wǎng)，介質(zhì)為水，考慮水介質(zhì)特殊的理化性能，分析大流量純水單向閥存在的關(guān)鍵技術(shù)問題。本課題針對現(xiàn)有單向閥存在的流量小，開啟壓力大，密封性不好，受沖擊和振動量大等問題設(shè)計(jì)一種低壓開啟大流量單向閥，且穩(wěn)定性和密封性好。當(dāng)夏季梅雨季節(jié)周邊河道水位上漲溢出時(shí)，可以有效防止地下水通過地下排水管網(wǎng)倒灌到小區(qū)里，避免人民群眾受到損失。單向閥應(yīng)用范圍很廣，除此之外，還應(yīng)用于煤炭開采中的液壓支架。因?yàn)槊禾块_采數(shù)量巨大，在開采過程中的許多機(jī)械設(shè)備又用到了許多單向閥，為了提高開采效率，節(jié)約成本，就要求開采設(shè)備具有良好的可靠性和壽命，在保證工人安全的前提下晝夜不停的開采煤礦。近年來 ，隨著綜采工作面的采煤效率的不斷升高 ，對液壓支架用單向閥的使用壽命提出了更高要求 ，對可靠性要求也比之前高。為了防止礦井底下人員發(fā)生安全事故和保護(hù)采礦機(jī)械上的液壓設(shè)備，以此來確保液壓支架的正常穩(wěn)定的運(yùn)行，其中最有效的方法就是改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高工作性能。用研制高性能大流量單向閥的方法降低支架卸載過程中的沖擊、減少單向閥的失效率和提高支架系統(tǒng)的卸載效率，具有十分重大的意義。1.4課題的國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀1.4.1國外研究現(xiàn)狀 西方發(fā)達(dá)國家及日本等國對單向閥等液壓元件做了大量的研究1-4，其研制的單向閥基本上達(dá)到了 132MPa 的壓力范圍，且已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用。但是應(yīng)用范圍不大，因?yàn)檫@類閥的流量一般很少有突破 200L/min的。 從研究狀況來看，國際一流水平的單向閥工作壓力最高已經(jīng)達(dá)到45MPa，流量最高已經(jīng)超過了2000L/min ，相比于國產(chǎn)單向閥，性能更加穩(wěn)定、安全、可靠。德國已研制出高密封性、高靈敏度、大流量、抗沖擊能力強(qiáng)的各類液壓閥，以適應(yīng)一般工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)各類液壓閥機(jī)械的工作性能要求。單向閥在使用過程中經(jīng)常會發(fā)生振動，對單向閥控制精度、使用壽命及液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性造成很多不利的影響。二十世紀(jì)七十年代，美國首先提出可以在單向閥閥孔處開槽，利用彈簧轉(zhuǎn)動増加阻尼的方法來減輕單向閥振動的方法，這個(gè)方法雖然對減少振動有效，但是也帶來了其他副作用，比如増加了單向閥的開啟壓差11。單向閥最重要的性能是密封性能，如果密封性不好，單向閥會發(fā)生反向泄壓，直接影響液壓系統(tǒng)正常工作的功能。上世紀(jì)九十年代初，SqressunHL通過仿真模擬和物理試驗(yàn)對球面密封單向閥和錐面密封單向閥內(nèi)部流場做了詳細(xì)分析，并畫出了曲線圖，更加直觀的描述和再現(xiàn)了起內(nèi)部流場，將無量綱流動阻力系數(shù)作為研究結(jié)構(gòu)和開口量對密封性影響的標(biāo)準(zhǔn)17。2002年，YoshinoriNakamura等采用試驗(yàn)詳盡研究了單向閥錐面密封的動靜態(tài)特性18。1.4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀改革開放以后，除了吸引外資企業(yè)來華投資辦廠，我國還實(shí)施了科教興國戰(zhàn)略，大力發(fā)展科技，在科研項(xiàng)目中投入了大量的人力和物力，許多科研人才放棄在國外的優(yōu)厚待遇，頂著巨大的壓力毅然回到祖國的懷抱，準(zhǔn)備將自己所學(xué)知識和大好青春年華全部奉獻(xiàn)給偉大祖國，為中國之崛起而奮斗。液壓閥一直是我國的短板，與西方發(fā)達(dá)國家差距很大，但是隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家和科研機(jī)構(gòu)逐漸把西方國家研究液壓閥所使用的軟件應(yīng)用到我國液壓閥的研究中來5。但是由于起步較晚，底子薄弱，加上高精尖科研設(shè)備只能依靠進(jìn)口，而科研經(jīng)費(fèi)有限，所以科研設(shè)備數(shù)量不多，質(zhì)量一般，研究出來的單向閥流量都不大，加上國內(nèi)材料質(zhì)量不過關(guān)，所以承受壓強(qiáng)也不高，一般流量沒有超過 800L/min 的，而且壓強(qiáng)也都局限于中低壓范圍。近年來國內(nèi)也十分重視液壓閥的研究工作，國產(chǎn)液壓閥流量也達(dá)到了 1000 L/min及以上。但是目前我國制造的單向閥存在許多問題，首先是流量普遍不大，其次是卸載沖擊很大，而且密封效果不好，不僅如此，大流量液控單向閥工作不穩(wěn)定，可靠性低，閥容易失效，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，這種閥一般都是進(jìn)口的。單向閥的卸載沖擊會對單向閥閥壁造成損壞，影響單向閥的正常工作，因此我國投入了許多科研經(jīng)費(fèi)對如何降低單向閥的卸載沖擊做了大量研究，包括單向閥的卸載沖擊機(jī)理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究出了阻尼減振和二級卸載等方法，實(shí)現(xiàn)減小卸載沖擊和實(shí)現(xiàn)大流量化。目前，國內(nèi)外對大流量單向閥的動態(tài)特性方面做了許多仿真模型或者優(yōu)化設(shè)計(jì)，但能用物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的很少，國內(nèi)外大流量單向閥的相關(guān)研究主要集中在卸載沖擊特性和流場分析方面的研究。1.5對單向閥的要求(1)開啟壓力要小;(2)能產(chǎn)生較高的反向壓力,反向的泄露要小;(3)正向?qū)〞r(shí),閥的阻力損失（壓力損失）要小;（4）閥芯運(yùn)動平穩(wěn),無振動、沖擊或噪聲。1.6水介質(zhì)單向閥的核心問題及應(yīng)用意義純水流體傳動中，需要解決的核心問題是純水單向閥的設(shè)計(jì)與制造（設(shè)計(jì)高分子材料、工程陶瓷等新型工程材料的應(yīng)用)。當(dāng)夏季漫長的梅雨季節(jié)來臨時(shí)，短時(shí)間內(nèi)的強(qiáng)降雨會使周邊河道水位急劇上升，甚至漫出河堤，通過灌溉水渠進(jìn)入農(nóng)田以及通過城市地下排水管道進(jìn)入小區(qū)，給城鄉(xiāng)居民帶來生命安全和財(cái)產(chǎn)損失問題。研究與設(shè)計(jì)下水道用純水大流量單向閥對大雨傾盆時(shí)住宅小區(qū)向河道內(nèi)可靠、有效的排水，防止小區(qū)被淹有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。2.單向閥機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1單向閥的主體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)單向閥的主體結(jié)構(gòu)有閥體、閥芯（錐形或鋼球式）、彈簧等，特點(diǎn)是只允許液體單向流動，不許反流。管式和板式是單向閥的最主要的兩種種安裝方式。管式的，是螺紋孔，將管接頭擰進(jìn)去安裝管子的。板式的，是光孔，孔周圍（或者安裝板上）會有O型圈槽，使用O型圈進(jìn)行密封的，是用螺釘將單向閥安裝在閥塊或者安裝板上。2.2彈簧的結(jié)構(gòu)種類和工作機(jī)理和發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)受力性質(zhì)不同，彈簧有拉伸彈簧、壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧和彎曲彈簧四種，根據(jù)形狀不同可分為碟形彈簧、環(huán)形彈簧、板彈簧、螺旋彈簧、截錐渦卷彈簧以及扭桿彈簧等，根據(jù)制作過程不同可以分為冷卷彈簧和熱卷彈簧。彈簧一般可以分為6種：扭轉(zhuǎn)彈簧，主要承受扭轉(zhuǎn)變形，它的工作部分密繞成螺旋形。拉伸彈簧，主要承受軸向拉力。在空載，拉伸彈簧的圈與圈之間一般沒有間隙。壓縮彈簧，主要承受軸向壓力，它所用的材料截面多為圓形，也有用矩形和多股鋼縈卷制的，彈簧一般為等節(jié)距的。漸進(jìn)型彈簧，這種彈簧粗細(xì)、疏密不一致，但是精確度較差。線性彈簧，線性彈簧從上至下的粗細(xì)、疏密不變，彈性系數(shù)為固定值。短彈簧短彈簧，相比原廠彈簧要短一些，而且更的粗壯。21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的進(jìn)一步發(fā)展，我國彈簧行業(yè)取得了長足的進(jìn)步，技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國際一流水平，大大縮小了與西方發(fā)達(dá)國家的差距，不僅種類齊全，而且質(zhì)量得到了國際認(rèn)可。由于彈簧是通用件，所以應(yīng)用范圍很廣，幾乎存在于我們生活中的方方面面，包括汽車、航空。醫(yī)療、建筑、電力和兒童玩具等。彈簧作為彈性元件，功能很多，可以減震，控制，維持張力和儲存能量。2010年以來，我國彈簧生產(chǎn)企業(yè)通過自主創(chuàng)新，高薪聘請國外科研人才，投入大量資金成功完成了轉(zhuǎn)型升級，產(chǎn)品質(zhì)量大大提高，并且為主機(jī)裝備提供了完整可靠的配套產(chǎn)品，占據(jù)了很大的國外市場，行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行質(zhì)量和效益明顯提高。但是現(xiàn)階段還存在著許多問題，主要是產(chǎn)品種類雜而不精，自主創(chuàng)新能力還有待提高，產(chǎn)品質(zhì)量和壽命與西方同類產(chǎn)品相比毅然有很大差距，而且缺乏核心技術(shù)，原創(chuàng)產(chǎn)品不多，研發(fā)效率不高，投入多，回報(bào)少，許多高強(qiáng)度高精度產(chǎn)品毅然依靠進(jìn)口。國內(nèi)外單向閥在以下方面已有顯著地成果1）元件小型化：便于適應(yīng)電子器件的直接控制,同時(shí)也節(jié)省了能耗。2）節(jié)能化：減少液壓閥系統(tǒng)因?yàn)榘l(fā)熱而損失的能量，這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一3）環(huán)?；簡蜗蜷y中的流體可能對環(huán)境有污染，所以應(yīng)該應(yīng)當(dāng)無泄漏及低噪聲,因?yàn)楣I(yè)的發(fā)展不能以犧牲環(huán)境為代價(jià)。4）新材料的應(yīng)用：新型磁性材料的應(yīng)用是與電磁閥單向閥結(jié)合在一起的。5）非礦物油介質(zhì)元件：非礦物油介質(zhì)元件是應(yīng)用于特殊場合例如醫(yī)學(xué)，防腐蝕場合等4。21世紀(jì)以來，其值得關(guān)注的趨勢有更高效的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、高效節(jié)能元件的研發(fā)和環(huán)保與純水液壓系統(tǒng)的開發(fā)。我們也應(yīng)借鑒西方發(fā)達(dá)國家的成功經(jīng)驗(yàn)，讓本國少走彎路，實(shí)現(xiàn)彎道超車，并努力開發(fā)有自己核心技術(shù)的產(chǎn)品。 為保證單向閥元件不斷創(chuàng)新和發(fā)展，首要的是移植國外現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，不斷給單向閥元件注入新的活力，以滿足將來發(fā)展的需求，其主要發(fā)展趨勢有以下幾個(gè)方面：1）新材料新工藝的應(yīng)用：新型材料如陶瓷，聚合物的使用可使單向閥技術(shù)有一個(gè)新飛躍2）增強(qiáng)對環(huán)境的適應(yīng)性，防止漏油、降低噪聲3）進(jìn)行純水介質(zhì)單向閥元件的開發(fā)研究：水壓元件具有廣泛的應(yīng)用前景，具備如下優(yōu)點(diǎn)：無污染、成本低、安全性、響應(yīng)快、溫升小、維護(hù)檢測成本低。2.3設(shè)計(jì)閥口結(jié)構(gòu)和閥體結(jié)構(gòu)已知設(shè)計(jì)要求：流量Q=550L/min,開啟壓力Pk=0.04MPa，工作壓力P=12MPa,安裝在外徑為350mm的管道上。2.3.1幾何尺寸的確定以下公式參見液壓閥設(shè)計(jì)與計(jì)算，宋鴻堯，丁忠堯主編1.進(jìn)出水口直徑根據(jù)第二章第一節(jié)進(jìn)出水口直徑d的計(jì)算公式式中,Qg-流量(L/min)Vg-進(jìn)、出油口直徑d處油液流速，一般可取Vg=6(m/s)。代入數(shù)據(jù)得顯然d=350mm44mm,滿足要求2.閥座內(nèi)孔直徑Dz 取Dz=348mm式中d-進(jìn)、出油口直徑(cm)。式（4-66）為經(jīng)驗(yàn)公式。3.閥芯錐角的半角z和閥座錐角的半角z 閥芯錐角的半角z要考慮與閥座保持線接觸，同時(shí)也要考慮過流面積問題。對于單向閥一般取z =45 （4-67）z= z+（23） (4-68)4.通過公稱流量時(shí)錐閥閥口開口量* 根據(jù)第二章第一節(jié)錐閥閥口開口量計(jì)算公式，結(jié)合單向閥的情況得式中Qg- 公稱流量；C- 錐閥流量系數(shù)，可取C=0.77；Dz-閥座內(nèi)孔直徑(cm)；z-閥芯錐角的半角（）；g-重力加速度（m/s）；-油液重度（kgf/cm）；這里的介質(zhì)為水，=0.01kgf/cm；這里只考慮低開啟壓力時(shí)的情況，Pss-低開啟壓力時(shí)，當(dāng)通過公稱量時(shí)錐閥閥口壓力損失的設(shè)定值，可取Pss=Ps-(12） （kgf/cm）Ps是低開啟壓力時(shí)壓力損失允許值，這里因?yàn)橐话鉖s4kgf/cm,所以Ps取Ps=4kgf/cm,所以Pss=3kgf/cm。代入數(shù)據(jù)得5.閥芯徑向孔直徑dj只對直通式單向閥計(jì)算閥芯徑向孔直徑dj,其他單向閥可根據(jù)結(jié)構(gòu)情況確定。按油液流速要求，閥芯徑向孔直徑dj為式中Qg-公稱流量（l/min）；Vaj-閥芯徑向孔處油液流速（m/s）,可取Vaj=6(m/s)；Zj-閥芯徑向孔數(shù)，查資料得S型管式單向閥有4個(gè)徑向孔。代入數(shù)據(jù)得，2.3.2受力計(jì)算和性能計(jì)算1.閥芯將開始移動時(shí)所受的液壓作用力Fkq*，這里只考慮低壓開啟時(shí)的作用力Fkq1,式中Dz-閥座內(nèi)孔直徑(cm)；Pkq*-開啟壓力設(shè)計(jì)要求(kgf/cm)。之前已求得Dz=34.8cm,已知開啟壓力Pk=0.04Mpa=4kgf/cm,代入數(shù)據(jù)得，2.錐閥閥口處在設(shè)定的壓力損失Pss*下，油液作用于閥芯上的液壓力Fay*,同上只考慮低壓開啟時(shí)的壓力損失，式中Dz-閥座內(nèi)孔直徑(cm)。之前已求得Pss1=0.03Mpa=3kgf/cm,代入數(shù)據(jù)得，3.閥芯運(yùn)動阻力Fv根據(jù)式(4-6)閥芯運(yùn)動阻力的表達(dá)式可得式中D-閥芯與閥體孔的配合直徑(cm)；L-閥芯與閥體孔的接觸長度(cm)；C-閥芯運(yùn)動速度（m/s）,可用閥芯動作時(shí)間為0.01s時(shí)的平均速度代替；- 油液動力粘度(kgf.s/cm)；-閥芯與閥體孔的單邊配合間隙(cm)。前面已求得D=Dz=34.8cm,參照第三節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算示例，取L=0.8cm,閥芯運(yùn)動速度V=40cm/s,查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊表9-1，選標(biāo)準(zhǔn)公差等級為IT8，由公稱尺寸取標(biāo)準(zhǔn)公差為89um=8.910-cm,故單邊配合間隙為4.4510-cm,查資料得水在10，20，30時(shí)的動力粘度分別為1.30810-Pa.s,1.00510-Pa.s,0.80110-Pa.s，這里取1.00510-Pa.s=1.00510-7kgf.s/cm，代入數(shù)據(jù)得，4.錐閥的穩(wěn)態(tài)液動力Fw*根據(jù)第一章第三節(jié)液動力分析，上流式錐閥穩(wěn)態(tài)液動力的計(jì)算公式為結(jié)合單向閥的情況，并且不考慮方向性，則，式中C-錐閥流量系數(shù)，可取C=0.77；Dz-閥座內(nèi)孔直徑(cm)；*-按式（4-70）求得的錐閥閥口開口量（cm）；Pss*-通過公稱流量時(shí)錐閥閥口壓力損失設(shè)定值(kgf/cm)；z-閥芯錐角的半角（）。之前已求得Dz=34.8cm,*=0.2cm,Pss*=0.03Mpa=3kgf/cm,z=45,代入數(shù)據(jù)得2.3.3強(qiáng)度計(jì)算以下公式參見液壓系統(tǒng)建模與仿真，張展主編。1.閥體最小壁厚閥體最小壁厚按第四強(qiáng)度理論計(jì)算，表3-19 第四強(qiáng)度理論最小壁厚式中d-閥體腔中最大內(nèi)徑（mm）；P-取公稱壓力數(shù)值的1/10（Mpa）；tB-考慮腐蝕余量后閥體的壁厚（mm）；L-材料的許用拉應(yīng)力（Mpa）；C-考慮鑄造偏差、工藝性和介質(zhì)腐蝕等因素而附加的裕量（mm）；前面已求得P=12Mpa,d=348mm,由表3-20附加裕量C,取C=3mm,閥體材料選擇HT150,則L=21.5Mpa,代入數(shù)據(jù)得當(dāng)tBtB時(shí)為合格，圓整后取tB=4mm。3.圓柱形螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法3.1.彈簧端部結(jié)構(gòu)的確定 彈簧端部結(jié)構(gòu)有YI-1、YI-2、YI-3三種型式，這里取YI-2型，YI-2型的支承圈每端為1圈，即n1-n=2,兩端磨平，尖端在鄰圈貼緊，有效圈從每端1圈處開始計(jì)算。3.2.彈簧鋼絲的材料及其機(jī)械性能 根據(jù)彈簧在液壓閥中的受力情況（2類負(fù)荷），彈簧的材料一般選擇碳素彈簧鋼絲I組，其機(jī)械性能可如下確定：抗拉強(qiáng)度b按YB248-64選?。辉试S扭轉(zhuǎn)極限應(yīng)力=0.5b；允許扭轉(zhuǎn)工作應(yīng)力=0.4b；剪切彈性模數(shù)G為彈簧鋼絲直徑d2mm,G=8400kgf/cm 2mmd5.5mm,G=8200kgf/cm 5.5mmd10mm,G=8000kgf/cm3.3.彈簧的設(shè)計(jì)與計(jì)算彈簧指數(shù)C彈簧指數(shù)即螺旋比，是彈簧中徑D2與鋼絲直徑d的比值為了使彈簧比較穩(wěn)定，不至過軟而產(chǎn)生振動，C值就不能太大；然而，為避免彈簧鋼絲卷繞時(shí)產(chǎn)生劇烈彎曲，C值又不能太小。根據(jù)彈簧實(shí)際使用和生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，不同彈簧鋼絲直徑d相應(yīng)的C為：表3.1 不同彈簧鋼絲直徑d相應(yīng)的Cd(mm)0.20.40.4511.12.22.567161842C7144135104124846這里取C=8,根據(jù)上面表格d=16,則代入公式得D2=Cd=816=128mm。彈簧曲度系數(shù)K 曲度系數(shù)K是包含彈簧指數(shù)C的一個(gè)系數(shù)，根據(jù)理論推導(dǎo)（見下面彈簧鋼絲直徑d的計(jì)算）但彈簧實(shí)際受力情況與理論分析的受力情況稍有差別，經(jīng)過試驗(yàn)采用下面經(jīng)驗(yàn)公式更精確式（5-3）是目前國內(nèi)外普遍采用的曲度系數(shù)K的計(jì)算式，代入數(shù)據(jù)得彈簧大徑D和內(nèi)徑D1，由得D2=128mm,d=16mm,D=D2+d=128+16=144mm (5-9)D1=D2-d=128-16=112mm (5-10)彈簧有效圈數(shù)n 由式（5-21）得在彈簧工作行程h給定的情況下,過少的有效圈數(shù)將使彈簧的螺旋角增大，這對于彈簧的受力變形是不利的，會影響到它的強(qiáng)度，從而影響彈簧正常工作，一般彈簧的螺旋角應(yīng)為=69；根據(jù)彈簧制造的實(shí)際情況，當(dāng)n2時(shí)，會達(dá)不到設(shè)計(jì)的彈簧力，實(shí)際的彈簧力比設(shè)計(jì)的彈簧力要降低25%。 鑒于以上情況，彈簧的有效圈數(shù)應(yīng)為n34 (5-30)這里取n=6.5圈彈簧總?cè)?shù)n1 為了使彈簧受力后變形均勻，彈簧兩端尖端處最好錯位180，即要求總?cè)?shù)n1以0.5為尾數(shù)，n1與n的關(guān)系是n1=n+(1.52.5) (5-31)由得n=6.5圈 ，取中間值，則n1=6.5+2=8.5彈簧剛度Kt 彈簧微分長度dl上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)變量為式中，d-彈簧微分長度dl在彈簧軸線切面上相應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角；-彈簧鋼絲半徑，根據(jù)扭轉(zhuǎn)變形的虎克定律因?yàn)?，所?式（5-13）中Jp稱為彈簧鋼絲剖面的極慣性矩。 相應(yīng)于彈簧微分長度dl的彈簧軸向極限變形量為式中-彈簧的螺旋角。將式（5-13）代入式（5-15）得將式（5-16）在彈簧有效圈數(shù)的展開長度上積分彈簧有效圈數(shù)的展開長度L為因?yàn)?69，所以cos1,這樣前面已求得D2=128mm,n=6.5,代入數(shù)據(jù)得，L=1286.52613.8mm將式（5-19）和式（5-14）代入式（5-17）得由式（5-20）得之前已求得d=16mm,D2=128mm,n=6.5,彈簧材料選低碳鋼，由彈簧鋼絲直徑d取剪切彈性模量G為700Mpa,代入數(shù)據(jù)得彈簧允許極限負(fù)荷下的極限變形量fj和允許極限負(fù)荷下的單圈變形量fj前面已求得Fkq1=109.33kgfFay1=82kgf,取較大者作為極限負(fù)荷F,因?yàn)榱Φ膫鬟f性，前后大小不變，故可用閥芯所受作用力作為彈簧所受作用力，所以Fj=Fkq1=109.33kgf前面已求得D2=128mm,d=16mm,代入數(shù)據(jù)得，同理代入數(shù)據(jù)得， 所以彈簧剪切面上的剪切應(yīng)力為，由式（5-7）得將式（5-22）代入式（5-20）得，前面已求得D2=128mm,n=6.5,G=700Mpa,d=16mm,K=1.18 代入數(shù)據(jù)得， 允許極限負(fù)荷下單圈變形量， 彈簧最大工作負(fù)荷Ft2和最小工作負(fù)荷Ft1 彈簧在極限負(fù)荷下工作，容易產(chǎn)生疲勞破壞，因此對于2類負(fù)荷，彈簧的最大工作負(fù)荷應(yīng)取為取Ft2=0.8Fj,前面已求得Fj=Fkq1=109.33kgf,代入數(shù)據(jù)得Ft2=0.8109.33=87.464kgf, 彈簧在開始變形的一段范圍內(nèi)，彈簧力與變形量的線性關(guān)系較差，設(shè)計(jì)中要使彈簧避開這一段而工作。根據(jù)彈簧制造實(shí)踐，認(rèn)為彈簧最小工作負(fù)荷應(yīng)取為取Ft1=0.3Fj,代入數(shù)據(jù)得，F(xiàn)t1=0.3109.33=32.799kgf.彈簧在最大工作負(fù)荷下的變形量f2和最小工作負(fù)荷下的變形量f1f20.8fj (5-26) 取f2=0.8fj,前面已求得fj=239mm,代入數(shù)據(jù)得，f2=2390.8=191.2(mm)同理f10.3fj (5-28),取f1=0.3fj,代入數(shù)據(jù)得，f1=2390.3=71.7(mm)彈簧間隙 當(dāng)彈簧有限位裝置時(shí)，為了使彈簧受力與變形量更接近于線性關(guān)系，應(yīng)使間隙為，式（5-32）是西德DIN2089提出的經(jīng)驗(yàn)公式。當(dāng)彈簧無限位裝置時(shí)，應(yīng)使間隙為，前面已求得fj=37mm,n=6.5,d=16mm,代入數(shù)據(jù)得，有限位時(shí)， 無限位時(shí)，代入數(shù)據(jù)得，彈簧節(jié)距t一般t約為這里取無限位裝置時(shí)計(jì)算，前面已求得d=16mm,代入數(shù)據(jù)得，經(jīng)檢驗(yàn)符合范圍 彈簧自由高度H0和壓并高度Hb, H0和Hb是與彈簧兩端面的磨平量相關(guān)的，所以，要計(jì)算H0和Hb,先要確定彈簧每端的理論磨平量。從增大彈簧端面的接觸面積來說，似乎應(yīng)使端面彈簧鋼絲的頭部到磨尖為止，但是當(dāng)頭部磨尖后，彈簧兩端頭部尖角會刮傷被接觸零件的表面，同時(shí)對彈簧的端部結(jié)構(gòu)為YI-1和YI-2型來說，在頭部磨尖的一小段范圍內(nèi)，受力后易變形，從而會增加彈簧在圓周方向變形的不均勻性。為此，彈簧端面的理論磨平量不是到頭部磨尖為止，而是磨到使頭部保留1/4d(d-彈簧鋼絲直徑),也就是說每端磨到3/4圈。確定了理論磨平量以后，從圖5-1可知：對于YI-1型彈簧前面已求得n=6.5,t=53mm,d=16mm,代入數(shù)據(jù)得,對于YI-2型彈簧，代入數(shù)據(jù)得，對于YI-3型彈簧，同理代入數(shù)據(jù)得，對式（5-35）式（5-40）經(jīng)過轉(zhuǎn)換，可得出YI-1,YI-2,YI-3型彈簧自由高度H0和壓并高度Hb的計(jì)算通式為， 彈簧在制造時(shí)端面的實(shí)際磨平量是一個(gè)不定值，這是因?yàn)閺椈射摻z的直徑存在偏差，并且鋼絲在卷繞時(shí)直徑會變形。如果只控制彈簧每端的磨平量，則加工后彈簧的實(shí)際壓并高度往往大于理論計(jì)算的壓并高度。所以，彈簧在制造時(shí)每端的磨平量總是大于3/4d,即每端磨到3/4圈，到達(dá)到彈簧的理論計(jì)算壓并高度為止。壓縮彈簧細(xì)長比b, 細(xì)長比b是檢驗(yàn)彈簧穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)，它是自由高度H0與中徑D2的比值，即， 前面已求得YI-1型，YI-2型，YI-3型的H0分別為360.5mm,368.5mm,376.5mm,且D2=128mm,代入數(shù)據(jù)得，根據(jù)彈簧細(xì)長比b,其穩(wěn)定性可按圖5-4經(jīng)驗(yàn)曲線來檢驗(yàn)。在圖5-4中，橫坐標(biāo)為細(xì)長比b,縱坐標(biāo)為彈簧在最大工作負(fù)荷下的變形量f2與自由高度H0的百分比。當(dāng)兩者的交點(diǎn)在曲線2之下時(shí)，則認(rèn)為彈簧穩(wěn)定性可靠；當(dāng)兩者的交點(diǎn)在曲線2之上與曲線1之下時(shí)，則對于兩端磨平的壓縮彈簧需有導(dǎo)向裝置；當(dāng)兩者的交點(diǎn)在曲線1 之上時(shí)，則認(rèn)為彈簧工作時(shí)不穩(wěn)定。圖5-4彈簧穩(wěn)定性判別曲線來源于西德DIN2089,它是在理論計(jì)算和試驗(yàn)修正的基礎(chǔ)上得出的。彈簧螺旋角前面已提到，螺旋角要求為69。前面已求得，t=53mm,D2=128mm,代入數(shù)據(jù)得，經(jīng)檢驗(yàn)，滿足要求彈簧展開長度L,前面已求得，D=128mm,n1=8.5,=45,代入數(shù)據(jù)得，彈簧壓并時(shí)的外徑D,彈簧選YI-2型，所以H0=368.5mm,前面已求得D=144mm,d=16mm,n=6.5,n1=8.5,代入數(shù)據(jù)得，式（5-46）是經(jīng)驗(yàn)公式，來源于西德DIN2089。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證安置彈簧的零件的孔徑大于D.彈簧允許極限負(fù)荷下的高度Hj、最大工作負(fù)荷下的H2和最小工作負(fù)荷下的高度H1,前面已求得，H0=368.5mm,fj=239m,f1=71.7mm,f2=191.2mm,代入數(shù)據(jù)得，彈簧自振頻率如果彈簧的自振頻率與液壓系統(tǒng)的壓力脈動頻率接近，就會出現(xiàn)共振，共振會導(dǎo)致彈簧疲勞失效，降低單向閥工作的可靠性和穩(wěn)定性，還會縮短彈簧的使用壽命，所以這里需要對單向閥中彈簧的自振頻率進(jìn)行驗(yàn)算。彈簧振動時(shí)受到3個(gè)力的作用：即慣性力Fg,彈簧力Ft和阻尼力Fz。這三個(gè)力的關(guān)系是現(xiàn)假定彈簧兩端固定（如圖5-5所示），在離左端x處取一微分長度dl,dl長度質(zhì)量上的慣性力Fg為式中-彈簧鋼絲的重度；f-彈簧的變形量，它是彈簧長度l的函數(shù)，即f=(l);g-重力加速度。彈簧微分長度dl的變形量df為，今取一圈彈簧計(jì)算，即dl=D，則 為區(qū)分彈簧微分長度dl的彈簧力Ft，把式（5-20）中的允許極限負(fù)荷Fj代以一般彈簧力F,F是彈簧長度l的函數(shù)，即F=(l)。彈簧微分長度dl的彈簧力Ft為由式（5-20）的關(guān)系可得所以 彈簧阻尼力包括材料的內(nèi)摩擦力、外部接觸介質(zhì)阻力、彈簧兩端圈的摩擦力以及各種能量損失，它與運(yùn)動速度成正比。若設(shè)為單位彈簧鋼絲長度在單位時(shí)間內(nèi)的阻力，則彈簧微分長度dl的阻尼力為將式（5-51）、式（5-52）、式（5-53）代入式（5-50）得 可以認(rèn)為彈簧質(zhì)量按彈簧長度平均分布，則圖5-5中的x一段的彈簧長度l為所以將式（5-55）代入式（5-54）得因?yàn)閺椈蓜偠葟椈芍亓克栽O(shè)則 彈簧的阻尼力較小，故Fz可忽略不計(jì)，即認(rèn)為=0，b=0。這樣。式（5-56）可簡化為 式（5-57）是一個(gè)典型的縱波傳遞微分方程式，它表明彈簧變形量f是距離x的函數(shù)，又是時(shí)間t的函數(shù)?？扇?所以代入式（5-57）得上式兩邊除以（x）（t）得要滿足式（5-58）的條件是兩邊都等于一個(gè)常量，現(xiàn)設(shè)此常量為（），則式（5-59）和式（5-60）為二階常系數(shù)齊次線性微分方程，它們的特解分別為根據(jù)歐拉公式，式（5-59）和式（5-60）的通解分別為式（5-61）和式（5-62）中，A1、B1、A2、B2為常數(shù)，可由邊界條件決定。因?yàn)樗詮椈傻倪吔鐥l件是兩端固定，即當(dāng)x=0時(shí)，f=0，代入式）（5-63）所以，B0=0，當(dāng)x=H時(shí)，f=0，代入式（5-63）上式等于零的必要和充分條件是要滿足式（5-64）的條件是即為彈簧的圓頻率，一階（m=1）的彈簧自振頻率為因?yàn)閺椈刹牧蠟榈吞间?，主要成分為鐵，所以,代入數(shù)據(jù)得， 3.4.彈簧的工作圖和技術(shù)要求 D（或D1）和H0的不同精度等級的公差值見表5-1和5-2。彈簧技術(shù)要求應(yīng)包括下列內(nèi)容：展開長度；旋向；有效圈數(shù)；總?cè)?shù)；熱處理（低溫回火）；表面處理（噴丸、發(fā)黑）；強(qiáng)壓處理；軸線對兩端面的不垂直度（按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)1級精度要求）；工作負(fù)荷的允許偏差（按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)1級精度要求）；其他未注公差（按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)2級精度要求）。表5-1 D、D1公差 單位：毫米精度等級彈簧指數(shù)（C=D2/d）最小公差值4881610.01D20.015D20.2020.015D20.02D20.3030.02D20.03D20.40 表5-2 H0公差 單位：毫米自由高度（H0）1級精度2級精度3級精度200.71.21.820601.01.52.5601201.52.54.01202002.03.56.02003003.04.59.03004504.07.0124506005,59.0156000.01H00.015H00.025H0 彈簧材料應(yīng)具有以下3個(gè)主要性能：1. 高強(qiáng)度：為了提高彈簧抵抗疲勞失效和松弛的能力，彈簧材料必須具有高的屈服強(qiáng)度和彈性極限以及屈強(qiáng)比。彈簧的彈性極限與屈服強(qiáng)度成正比，而抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度接近，在實(shí)際生產(chǎn)中貨物標(biāo)注的一般都是抗拉強(qiáng)度。但是強(qiáng)度也不是越高越好，因?yàn)閺?qiáng)度太高時(shí)彈簧的塑性和韌性會降低，材料會變脆。2. 良好的塑性和韌性：在加工過程中彈簧在各個(gè)工序都會受到加工變形，所以材料應(yīng)該具有一定的塑性，否則會出現(xiàn)折損和裂紋。而彈簧在工作中會受到?jīng)_擊和變載荷的作用，這就要求彈簧具有一定的韌性，這樣才可以保證彈簧在正常工作時(shí)具有良好的壽命。3. 良好的表面狀態(tài)和抗疲勞性能：由于一般彈簧工作時(shí)一般表面受力最大，所以疲勞破壞往往是從彈簧表面開始的，對于應(yīng)用于重要場合的彈簧，其壽命要求一般很高，這就要求彈簧具有很高的抗疲勞性能，影響彈簧材料抗疲勞性能的因素很多，例如材料的硬度，化學(xué)成分，表面質(zhì)量，含碳量，材料的純凈度和金相組織等，足以主要的影響因素是表面質(zhì)量。而材料的表面缺陷。例如劃痕，裂紋，壓紋，腐蝕都會造成應(yīng)力集中，應(yīng)力集中往往是造成疲勞破壞的主要原因。彈簧熱處理時(shí)可采用控制氣氛或真空熱處理，防止表面脫碳和氧化。4.單向閥建模一般的建模方法有解析法、功率鍵圖法和傳遞函數(shù)法等，必須要先確定方程系數(shù)，才可以確定模型，這就要求我們對所研究的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸和性能等要全面了解，也就是將系統(tǒng)視為“白箱”才能準(zhǔn)確的確定出其數(shù)學(xué)模型。但是“灰箱”建模法卻截然不同，“灰箱”建模法將理論分析和實(shí)驗(yàn)辨識相結(jié)合。它將液壓系統(tǒng)視為“灰箱”，其中元件和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)已知，而有些性能參數(shù)如閥口流量系數(shù)等是未知的。這種方法充分利用了有關(guān)液壓系統(tǒng)和元件的已知信息和現(xiàn)有參數(shù)，利用較少的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過參數(shù)辨識就可以獲得待定的性能參數(shù)及用理論方法難以確定的參數(shù)，所建立的模型不僅可以用作計(jì)算機(jī)仿真，而且描述的系統(tǒng)動態(tài)性能更加精確。所以我在這里選擇采用“灰箱”建模法：4.1單向閥水平放置的直通式單向閥運(yùn)動方程為式中m,x-閥芯質(zhì)量和位移；p,p-單向閥進(jìn)、出口壓力A-液體作用面積，即流通面積；Ks,Ff-彈簧剛度和預(yù)壓縮所產(chǎn)生的預(yù)緊力。 實(shí)際上單向閥正常使用時(shí)就相當(dāng)于一個(gè)液阻元件，將單向閥的液阻簡化成線性液阻，其模型形式（流量方程）為：式中q-通過單向閥的流量； R-液阻； G-液導(dǎo)；p,p-單向閥進(jìn)、出口壓力。4.2液控單向閥 若忽略液動力、庫倫摩擦、黏性阻尼和閥芯重力的影響，則液控單向閥開啟時(shí)閥芯運(yùn)動方程為式中m,x-閥芯質(zhì)量和位移；p3,A3-控制腔油壓及作用面積；p1,A1-高壓腔油壓及作用面積；p2,A2-低壓腔油壓及作用面積；Ks,x0-彈簧剛度及預(yù)壓縮量。 液控單向閥開啟后，通過液控單向閥的流量為式中C-液控單向閥綜合流量系數(shù)。式（6-26）是液控單向閥用于液壓大系統(tǒng)中的簡化形式，進(jìn)入液控單向閥控制腔的液體流量方程如式6-12所示。5.結(jié)論 本次設(shè)計(jì)產(chǎn)品為大流量單向閥，具體設(shè)計(jì)過程分為兩部分，即關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算校核與系統(tǒng)建模分析。(1)在關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算這部分中，根據(jù)老師給定的設(shè)計(jì)要求，對閥體、閥芯，彈簧等主要零件進(jìn)行了計(jì)算與校核，同時(shí)也考慮到閥門的密封問題，對密封面進(jìn)行了比壓計(jì)算，以及主要連接部位的強(qiáng)度校核，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足要求且合理，還有自己的創(chuàng)新點(diǎn)-大流量。(2)在系統(tǒng)建模分析這部分中，根據(jù)選擇的題目和建立數(shù)學(xué)模型需要準(zhǔn)確、簡明、使用的要求，以及為了提高動態(tài)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確程度，這里選擇了一種理論分析和實(shí)驗(yàn)辨識相結(jié)合的“灰箱”建模法。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)通過對關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)建模分析，對所設(shè)計(jì)的單向閥進(jìn)行了系統(tǒng)全面的分析和校核，最終使設(shè)計(jì)的單向閥達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足了設(shè)計(jì)要求，并且確保了單向閥工作的可靠性和穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)1 Kramer-wasserkaT, T K, Kramer-wasserka T. 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