【正文】 建立了注水閥數(shù)學模型。在全塑料注水閥的設(shè)計中，由于考慮到該閥幾的實際工況和技術(shù)要求，使該注水閥在結(jié)構(gòu)原理上具有了下列特征 ， 從而保證所研制開發(fā)的全塑料注水 閥具有響應迅速、動態(tài)性能良好和工作穩(wěn)定性高的特點 ： (1) 選擇了合適的加工材料，閥芯、浮桿采用聚四氟乙烯，閥體采用尼龍，加工出產(chǎn)品樣本，滿足注水閥的酸性、高溫工作環(huán)境，保證其工作性能可靠、穩(wěn)定力。 圖 全塑料注水閥流道結(jié)構(gòu)及工作原理 流道中孔 2 直接連通了管道 2 和閥芯所在的管道 3，孔 2 的結(jié)構(gòu)有兩種；一種為孔 2垂直于管道 3，為直角式結(jié)構(gòu) {如圖 (a)}，另一種為孔 2 與管道 3 成一定角度，為斜角式結(jié)構(gòu)沙口 圖 {(b)}。2 3 2 1 2 3s in ( s in 2 ) ( )24 vD L p D x D D p? ? ? ????? (326) 39。1 39。經(jīng)過分析比較，注水閥閥口采用半球形閥芯、錐形閥座孔結(jié)構(gòu)形式，如圖 3. 5 所示。流量控制閥中的針 閥是錐角很小的錐形閥口。 浮筒所受浮力的大小與浮筒的排水體積有關(guān)，其受力分析如 下 圖 所示。尼龍具有較高的力學強度，沖擊韌性高，耐折疊，適合于機械加工。此外，尼龍的成型收縮率及蠕變值等都較大，因而不適于用來制造精密零件。 聚酞胺 (polyamide)塑料又稱尼龍 (nylon)，代號為 PA，是在合成纖維的基礎(chǔ)上最早發(fā)展起來的一種塑料。聚四氟乙烯是由單體四氟乙烯經(jīng)過聚合反應而制成的線型結(jié)晶熱塑性塑料 (結(jié)晶度為 55 % ~75 %)o 聚四氟乙烯最大的特點是 [2627] 。 傳統(tǒng)的蓄電池注水方法是操作人員通過注水管上的膠木閥向蓄電池人工注水，同時經(jīng)目測控制液面高度。根據(jù)本課題的主要目的，結(jié)合工程實際需求，課題期間所完成的工作大致概括如下 ： (1) 根 據(jù)注水閥酸性、高溫的工作環(huán)境，比較了幾種塑料材料，結(jié)合本課題注水閥的加工特點，選用了合適的材料。 課題的意義 本課題研究設(shè)計的注水閥，是一種新型的全塑料結(jié)構(gòu)元件，其研究的主要意義在于 ： (1) 注水 閥閥口流動特性的理論研究對其它閥的設(shè)計具有借鑒意義 注水閥采用錐型閥芯結(jié)構(gòu)，閥芯的形狀、大小及閥口大小必然對閥的流量、內(nèi)部液壓力產(chǎn)生影響，從而對整個注水閥的性能產(chǎn)生影響。大慶石油學院的張瑞杰等，設(shè)計了油田注水系統(tǒng)生產(chǎn)運行優(yōu)化軟件系統(tǒng)，已投入使用，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，在滿足油田注水要求的前提下，確實能夠合理開泵，降低注水能耗 [15]海軍工程大學電子工程系的沈建國 、洪仕苗等研制了由電磁式液位傳感器、隔離開關(guān)、單片機控制器及報警系統(tǒng)組成的潛艇蓄電池注水裝置，其液面誤差控制到了 5mm 之內(nèi)，該裝置體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，注水精度比較高閱。 目前，國內(nèi)已有全塑料 的閥元件銷售，各種塑料管閥件越來越普及，但多為進口。由于高水基介質(zhì)中要加防腐劑，否則會產(chǎn)生細 菌，使介質(zhì)變質(zhì)、發(fā)臭，這種介質(zhì)使用維護水平要求較高。即在標準單元組合基礎(chǔ)上，附加變化部分形成多樣化 。通過減少摩擦和內(nèi)漏，能量回收，蓄能器應用，二次調(diào)節(jié)，負載壓力、流量和功率匹配以及用微型計算機對液壓系統(tǒng)進行自適應控制等手段來降低能耗。水壓機的發(fā)明還與當時鑄鐵等工程材料及一些新的制造方法的出現(xiàn)密切相關(guān)。由于本閥特殊的工況 ， 即強酸性且溫度較高的工作環(huán)境 ， 因此采用了耐酸、耐高溫的塑料作為閥的材料。由于礦物油易燃，在高溫、明火、礦井等特殊環(huán)境下，難燃液逐步取代了礦物油作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)。世界各國都把可靠性作為選擇液壓產(chǎn)品的首要準則。水基液壓液的開發(fā)工作是在二戰(zhàn)期間由美國海軍開始進行的，主要包括包油乳化液 (HFA)、水乙二醇 (HFC)及磷酸脂 (IT39。目前一些高等學校如華中科技大學、浙江大學已進行了比較深入的研究，并取得了許多可喜的成果 [6]。如圖 所示。 (4) 注水裝置的工作可靠性不受蓄電池內(nèi)部或外部雜質(zhì)的影響。采用注水閥設(shè)計的鉛酸蓄電池自動注水系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的蓄電池注水方式，提高了注水的質(zhì)量與效率，節(jié)省了人力。而且，注入硫酸溶液后，負極極板中的一部分氧化鉛開始轉(zhuǎn)變成硫酸鉛，生成的反應熱使液溫升高，必須等待液溫下降，這期間極板和隔板要吸收一部分酸液，故液面有所下降，這時需要補加一些酸液以維 持液面高度 [2123]。為了研制出滿足設(shè)計要求的注水閥，必須采取以下有效措施 ： (1) 注水閥的工作環(huán)境為強酸性，工作溫度范圍為 200C900C，且考慮到注水閥的加工制造，需選擇合適的材料； (2) 從工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計上保證注水閥能自動開啟、關(guān)閉，閥芯動作要靈敏，達到穩(wěn)定、可靠的注水要求； (3) 保證各個密封 處的密封性能良好，特別是閥口處的密封，直接關(guān)系到注水閥的工作性能合格與否，因此閥口處的密封要求達到零泄漏 。幾乎所有粘性物質(zhì)都不能粘附其表面。在有負載的情況下，使用溫度為 7080。 全塑料注水閥是注水系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件，必須保證各個注水閥注水的一致性，即注水流量、注水后液面高度的一致性，因此要求全塑料注水閥具有較高的加工精度。當被充液容器 7 的液面達到充液設(shè)定高度 H 時，即液體與浮筒 1 充分接觸，對浮筒 1產(chǎn)生足夠的浮力，克服浮筒 1 及浮桿 2 的重力，并推動浮桿 2 上移，帶動連桿 6}通過杠桿作用原理，驅(qū)動閥芯 5 向下動作，關(guān)閉閥口，達到截止液體流通的目的。 注水閥閥口結(jié)構(gòu)形式 液壓控制閥的閥芯和閥座的組件稱為閥口。 圖 閥口結(jié)構(gòu)形式 上述的幾種閥口形式，可以分為截止式和滑閥式，截止式閥口包括球形式、錐形式和平板式，滑閥式閥口即柱塞式?？梢钥闯鲩y口處液體壓力隨閥芯上方的壓力 p1增大而增大。2 2 sinXD D L ??? ； 39。開始注水時，水流須經(jīng)過迂回流道，經(jīng)過流道中孔 1，孔 2 的節(jié)流緩沖，使湖南理工學院南湖學院畢業(yè)設(shè)計 25 水流以較小的速度進入管道 3，一定程度上減小了水流對閥芯的沖擊，避免出現(xiàn)閥芯嚴重偏心，導致注水滿了后無法及時關(guān)閉的后果。 0 2d PQ C A p?? (330) 202 dpqP CA???? ???? (331) 注水閥入口 壓力為 Pl，管道 2 內(nèi)均壓為 P2，出口處壓力為大氣壓，則有： 22 202 dpqP CA??? ???? (332) 將式 ()代入式 ()得： 221 1 1 2 222ddp q p qP C A C A? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? (333) 12211 1 2 22ddp qqqp C A C A???? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ??? (334) 湖南理工學院南湖學院畢業(yè)設(shè)計 27 其中，流量系數(shù)由雷諾數(shù)和孔的長徑比決定，即由 dRe/l 決定，可查閱短孔的流量系數(shù)圖得到相應的雷諾數(shù)。 所設(shè)計的全塑料注水閥具有上述結(jié)構(gòu)特征，保證了其穩(wěn)定性、可靠性及自動截止功能。相信注水閥的運用將會更加廣泛。 (5) 注水閥內(nèi)部流道采用迂回結(jié)構(gòu)，有利于注水閥充液過程中，液體平穩(wěn)的進入閥芯所在管道，減小對閥芯的沖擊，保證閥芯動作的靈敏性，也有利于注水閥工作的可靠性、穩(wěn)定性。 孔 1 的長度為 5mm，孔 2 的長度為 2mm，因此孔 1 的長徑比為 ，孔 2 的長徑比為 1。所以，考慮到液流對閥芯作用力的影響，應盡可能降低此類影響，提高閥芯動作靈敏度。1DD? 時， 122 sinX DDLL ????； 其中： 39。 式 (320)中 p1，為注水閥閥芯上方平均壓力，這里分別取 , 和 三個不同的壓力，計算注水閥錐形閥口處液體的壓力分布情況。當柱塞進入柱塞孔，液流被切斷 ； 當柱塞離開柱塞孔后，柱塞孔之間形成的柱形面即為湖南理工學院南湖學院畢業(yè)設(shè)計 19 流通截面 (圖 d) 。 代入式 (35)得 vx 為 ，即當閥芯向下移動到閥口開啟量為 時，閥口開始節(jié)流。 全塑料注水閥是一種新型的水壓元件，采用該元件對容器進行充液，充液到設(shè)定高度時，注水閥自動關(guān)閉閥口，停止充液。 湖南理工學院南湖學院畢業(yè)設(shè)計 15 (3) 吸水性很低，故聚甲醛制件的尺寸穩(wěn)定，比尼龍制品優(yōu)越很多。它不溶于普通溶劑，可耐許多化學藥劑，抗霉、抗菌、無毒，不受弱酸、醇、礦物油等影響。無論強酸、濃堿以及強氧化物對它都不起作用，在侵蝕性極強的“王水”中煮沸也不起變化，化學穩(wěn)定性之高超過了陶瓷、不銹鋼和金、鉑等貴金屬。 關(guān)鍵技術(shù) 在整個研究過程中，注水閥的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計最為關(guān)鍵?；傻淖罱K目的是要使電池在完成化成充電時，其密度在 27℃時為 ~，并且所有的單格電池都要達到所需的液面高度。學科的交叉會碰到很多問題，但同時也意味著更多的創(chuàng)新和發(fā) 現(xiàn)。 (2) 合理的結(jié)構(gòu)尺寸，以便能放入蓄電池內(nèi)，補充電解液。該注水器利用浮筒和液面接觸產(chǎn)生的浮力，使得閥關(guān)閉，停止 注水 [9]。但是與國外先進水平相比差距很大，主要表現(xiàn)在 ： 產(chǎn)品水平低，品種規(guī)格少，自我開發(fā)能力薄弱，成套性差，特別是對重大技術(shù)裝備、重點工程的配套率嚴重不足 ；產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，可靠性差，壽命短 ； 一些新的應用領(lǐng)域如航天航空，海洋工程，生物醫(yī)學工程，機器人，微型機械及高溫、明火環(huán)境下所急需的一些特殊元件，幾乎處于空白。水壓技術(shù)具有抗燃、對環(huán)境無污染、成本低廉及功率大、運行平穩(wěn)、響應速度快等突出優(yōu)點，特別適用 于鋼鐵工業(yè)、礦山、食品加工業(yè)、海洋開發(fā)以及軍事工業(yè)，最湖南理工學院南湖學院畢業(yè)設(shè)計 6 符合環(huán)境保護、安全可靠作業(yè)、提高綠色意識和可持續(xù)發(fā)展的要求，具有十分廣闊的前景，是目前國際上流體傳動及控制前沿性的研究方向 [34]。包括水基難燃介質(zhì)、無污染的純水液壓技術(shù)的研究、開發(fā)和應用，降低噪聲，提高密封性能，減小泄漏等。戰(zhàn)后 50 年代，液壓技術(shù)迅速轉(zhuǎn)入民用工業(yè)，在機床、工程機械、船舶機械、壓力機械、冶金機械、軋鋼機械、農(nóng)業(yè)機械、汽車行業(yè)等部門得到廣泛應用。本文介紹的全塑料注水閥即是為鉛酸蓄電池充液的特殊工作需要而研制的 ， 是一種響應靈敏、控制精度高及性能穩(wěn)定、可靠的自動控制元件。 由于水的潤滑性差，易產(chǎn)生銹蝕。這要求開發(fā)低控功率閥，研制適應野外條件的電液比例 閥，遠控多路閥，適應各種工況的電液伺服閥，低成本比例閥以及不需要 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換，可以直接和計算機接口，易于數(shù)字控制的數(shù)字閥等。利用成組技術(shù)，找出零件的類似性，進行通用化、標準化。 海水液壓動力系統(tǒng)是直接采用海水作為工作介質(zhì)，用海水壓力能來驅(qū)動水下工具作業(yè)。江蘇省計經(jīng)委列為 1993 年新產(chǎn)品開發(fā)項目的氟塑料襯里球閥，采用殼體熔模精鑄，內(nèi)襯為目前最為理想的防腐蝕材料聚全氟乙丙烯 (F46)，密封件采用中科院上海有機所的發(fā)明專利 — 氟塑料合金 [8]。 湖南理工學院南湖學院畢業(yè)設(shè)計 9 圖 鉛酸蓄電池注水裝置 主轉(zhuǎn)換接頭連接了注水管 3 和注水閥 2，其內(nèi)徑設(shè)為 A，次轉(zhuǎn)換接頭連接水箱 4 和注水管 3，其內(nèi)徑設(shè)為 B，以滿足 AB 的應用 場合。通過進一步計算得到閥內(nèi)流體壓力 、速度分布的流體重要參數(shù)曲線，進而掌握閥口流動特性、液動力，分析對閥芯動作的影響，及優(yōu)化設(shè)計閥芯、閥口，得出最佳的設(shè)計參數(shù)。 (3) 全面剖析了全塑料注水閥的結(jié)構(gòu)原理，描述了該閥的注水性能。操作員的勞動強度大，注水時間長，注性能?？稍谝?1802600C 的范圍內(nèi)長期使用，而且，在2500C 條件下經(jīng) 240 小時，其力學性能也不降低，它是目前熱塑性塑料中使用溫度最寬的一種。尼龍的性能特點是 [28]： (1) 具有突出的耐磨性和自潤滑性。按聚合方式不同有均聚甲醛和共聚甲醛兩種，相對均聚甲醛而言，共聚甲醛耐熱、耐蝕性強。閥芯和浮桿需要與 閥體配合，機械加工后，還需要進行一定打磨，以保證閥芯和浮桿在閥體內(nèi)動作靈敏。 根據(jù)（ 31）得 1 1 1 2 2()G F l F l?? （ 34） 其中浮筒重 40g，浮桿重 20g。 (3) 平板閥口 ： 閥芯為平板，閥座為柱形孔臺階。 閥口開始節(jié)流時的壓力分布 全塑料注水閥的閥座面 采用錐形結(jié)構(gòu)，閥芯是半球形結(jié)構(gòu)，這里為方便理論分析，將球形閥芯結(jié)構(gòu)簡化為錐形結(jié)構(gòu)。2 39。 則式 (324)可化為 ； 239。液體通過孔 2 進入管道 3，其流動狀態(tài)會對閥芯造成影響，孔 2 的結(jié)構(gòu)形式又決定了液體的流動狀態(tài)，因此有必要研究孔 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，即分析比較孔 2 的兩種結(jié)構(gòu)形式在注水閥注水過程中對閥芯動作造成的影響，以達到優(yōu)化設(shè)計注水閥結(jié)構(gòu)的目湖南理工學院南湖學院畢業(yè)設(shè)計 26 的。 (3) 驅(qū)動閥芯動作的杠桿機構(gòu)，是全塑料注水閥重要的部件。設(shè)計了杠桿機構(gòu)，通過液體對浮筒產(chǎn)生的浮力，驅(qū)動閥芯動作，實現(xiàn)了注水閥自動開啟 /關(guān)閉的功能。本章的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計準確的建立全塑料注水閥的模型 ，并為具體的繪制全塑料注水閥的整套機械加工圖紙打下了基礎(chǔ)。 圖 主要由主閥體、浮筒、浮桿、杠桿、閥芯等組成。當閥口開始起節(jié)流作用幾，管