【文章內容簡介】 故本閥將采用減壓閥來作為節(jié)流閥的先導閥。因此，下面將深入的分析減壓閥的工作原理，并在此基礎上進行設計。 減壓閥的分類（參見文獻[2]146－147）　　(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)流閥組成調速閥等復合閥，實現(xiàn)節(jié)流口兩端的壓力補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)設計中先導閥應采用定值減壓閥。 減壓閥的工作原理圖37 直動式減壓閥工作原理示意圖上圖所示為直動式定值減壓閥的結構圖，由圖可以看出，閥上開有三個油口：一次壓力油口（進油腔）P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，經閥芯（滑閥）3的下端圓柱臺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，同時通過流道a反饋在閥芯（滑閥）底部面積上產生一個向上的液壓作用力，該力與調壓彈簧的預調力相比較。當二次壓力未達到閥的設定壓力時，閥芯上移，開度X減小實現(xiàn)減壓，以維持二次壓力恒定，不隨一次壓力變化而變化，該力與調壓彈簧的預調力相比較以對閥芯進行控制。當出口壓力未達到調定壓力時，閥口全開，閥芯不工作。當出口壓力達到調定壓力時，閥芯上移，閥口關小，整個閥就處于工作狀態(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，則可以認為出口壓力基本上維持在某一定植——調定值上。這時如出口壓力減小，閥芯下移，閥口開大，閥口處阻力減小，使出口壓力回升到調定值上。反之，如出口壓力增大，則閥芯上移，閥口關小，閥口處阻力加大，壓降增大，使出口壓力下降到調定值上。由上述分析可知，減壓閥的輸出壓力是由彈簧來調定的，即彈簧力越大，減壓閥的輸出壓力也就越大。在本設計中可采用比例電磁鐵的輸出推力來替代彈簧力調定減壓閥，即讓減壓閥的輸出壓力與比例電磁鐵輸出推力成比例關系。但是這樣會導致一個問題，即當比例電磁鐵輸入電流為0時，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變?yōu)? ，控制腔壓力為0時，主閥閥芯的開度為最大。而液壓閥在使用過程中，由許多難以預測的原因（如電網的斷電，控制系統(tǒng)的故障及比例電磁鐵自身電路故障等等）會導致比例電磁鐵突然斷電，而如果此時比例電磁鐵輸出力為0，閥芯開度為最大。那這樣將是很危險的，因為可能會導致一些難以預料的嚴重事故發(fā)生。因此在設計時應該使比例電磁鐵斷電即輸出力為0時，主閥閥芯是關閉的，以避免意外情況的發(fā)生。為達到此目的，本設計中在減壓閥閥芯的下方加了一個復位彈簧，并使此復位彈簧的力足夠大，當比例電磁鐵斷電時，使控制腔的壓力大到可以使主閥關閉。相應的結構圖如下所示： 圖38 先導閥示意圖控制腔油液對先導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來控制先導閥閥芯的情形現(xiàn)在變?yōu)橛杀壤姶盆F和先導閥復位彈簧共同控制。 先導閥閥芯詳細受力分析下圖為先導閥閥芯受力示意圖：圖39 先導閥閥芯受力示意圖 (1) 先導閥閥芯受力分析如前面的插裝閥一樣，建立先導閥閥芯的平衡方程如下：＝ (324) 式中： —— 控制腔油液壓力；—— 閥芯上端面積，為控制腔油液對閥芯的壓力；—— 先導閥閥芯在移動過程中受到的穩(wěn)態(tài)液動力；—— 先導閥閥芯在移動過程中受到的摩擦力；—— 先導閥閥芯所受比例電磁鐵向下的推力；—— 閥芯自重?！　『雎蚤y芯自重及閥芯移動過程中的摩擦力，將閥芯移動過程中穩(wěn)態(tài)液動力也忽略，式（324）變?yōu)椋? ＝ (325)　　轉化為 (326)上式即控制腔壓力的決定因素。式中的計算公式為： (327)其中，為處于中位時先導閥彈簧的預緊力，為先導閥彈簧剛度，為先導閥閥芯相對于中位時的位移。由于先導閥閥芯相對于中位時的位移相對于先導閥彈簧的預壓縮量較小，因此在不作精確計算時可將其忽略，故式(326)可化為： ＝ (328)或 ＝ (329)上式即為控制腔壓力與比例電磁鐵輸出力的關系式。(2) 彈簧預緊力的確定，比例電磁鐵斷電的時候主閥應當關閉，即此時比例閥應滿足使主閥閥芯關閉的條件。，要使主閥關閉，應滿足即 (330)而此時=０,故 (331)其中的半徑為，在本閥中擬定為4mm == mm2 代入式(331)中,得 = = N (332)上式表明當比例電磁鐵輸出力為0時，欲使主閥關閉。而在本設計中，先導閥彈簧擬選擇如下：彈簧簧絲直徑= mm，彈簧中徑D=10 mm，剛度=158 N/mm。所以 　　　 == mm (333)上式說明要使比例閥具斷電保護功能，先導閥彈簧的預壓縮量（此預壓縮量是指先導閥閥芯處中位時，先導閥彈簧的預壓縮量） mm，實際應用時為保有一定保險系數(shù)，復位彈簧的預緊力應高于此值，故在本設計中采用９mm的預壓縮量。所以，先導閥閥芯處于中位時，先導閥彈簧的預緊力為：計算出先導閥的彈簧的預緊力后，將其與代入式(329) 得：＝－＝－＋MPa(3) 先導閥調定壓力的增量表達式 由式(328)得控制腔壓力增量：＝＝＝ (334) 　代入?yún)?shù)得： ＝－ (335)上式的數(shù)學含義為比例電磁鐵增量為時，對應的控制腔壓力的增量為或－。將上式中自變量與因變量調換得： =或 ＝－上式的數(shù)學含義為當控制腔的壓力增量為時，對應的比例電磁鐵的增量必為或－。 先導閥溢流部分的設計減壓閥能夠保持其出口壓力（在本設計即控制腔的油液壓力）不會低于比例電磁鐵的設定值，但是如果減壓閥由于某種原因導致控制腔的壓力突然增高（如液壓系統(tǒng)的沖擊）或者是比例電磁鐵調定力突然下降都將導致閥芯迅速下移，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間內高于先導閥的調定值，而由前所述，主閥閥芯開度是由控制腔壓力決定的，因此也將導致主閥閥芯開度偏離調定值，而造成電液比例閥失調。為解決這個問題，本設計再在減壓閥之上復合了一個溢流閥，而且使該閥的開啟壓力剛好等于前面減壓閥的調定壓力，這樣當出現(xiàn)控制腔的壓力突然高于比例電磁鐵調定壓力的情況出現(xiàn)時，溢流閥開啟讓油液泄出，以使控制腔的壓力回復到調定值上。其結構圖如下所示：圖310 先導閥結構示意圖圖　　 同樣將閥芯自重及閥芯移動過程中的摩擦力及穩(wěn)態(tài)液動力忽略，建立閥芯運動方程， 得：＝ (336)或 ＝ (337)或 ＝ (338)由上式可知，先導閥的溢流部分的開啟壓力為，可見溢流部分的開啟壓力正好將等于減壓部分的調定壓力，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閥的調定值上，且這個值將與成線性關系。 先導閥的連接方式當主閥為正向（即節(jié)流閥的總進油口接A口，總出油口接B口，油液從Ａ口流向Ｂ口）時，X口接A口，Ｙ口接油箱，此連接在通道塊中實現(xiàn)（通道塊上加工有具專門通油道，本閥安裝時就是要插入通道塊中）；當主閥為反向通流（即節(jié)流閥的總進油口接B口，總出油口接A口，油液從B口流向A口）時， X口接Ｂ口，Ｙ口接油箱。 先導閥的原理分析本設計中先導閥全稱應當稱為電液比例三通減壓溢流閥。在先導閥內部，當油液從Ｘ口流向K口時為減壓閥功能，當油液從K口從流向Y口時為溢流閥功能。該先導閥也可以看為一個三位三通滑閥式換向閥，其有上、中、下三個位置，有K、X、Y三個口。當閥芯處于中位時，三個通口全關閉；當閥芯處上位時， K口和X口相連；當閥芯處下位時， K口和Y口相連。下圖為先導閥示意簡圖：圖311 先導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閥彈簧共同決定，但由于先導閥彈簧的各參數(shù)如預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定值。當控制腔的油壓力小于這個設定值時， “減壓閥詳細受力分析”一節(jié)可知，先導閥閥芯將上移，控制腔與X口（X口與進油口相連）之間的通道被打開，高壓油液（）從主閥進油口進入控制腔中，引起控制腔中油液壓力升高，這樣又會引起閥芯逐漸下移，閥口減小，當控制腔中油液壓力最終回升到設定值時，控制腔與X口之間的通道也將被關閉，先導閥閥芯將回復到中位狀態(tài)。當控制腔的油壓力大于這個設定值時，先導閥芯將向下移，控制腔與Ｙ口，即油箱（Ｙ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，當控制腔中油液壓力最終下降到設定值時，控制腔與進油口之間的通道也將被關閉，先導閥閥芯將回復到中位狀態(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?！　?彈簧的選用由于彈簧的性能參數(shù)對液壓閥的性能參數(shù)將產生很大影響，故彈簧參數(shù)的選擇比較重要，在此用單獨一節(jié)列出: 主閥彈簧參數(shù)的確定：在前面已經確定部分主閥彈簧參數(shù)為：，彈簧中徑D0為16mm，彈簧預壓縮量為20mm，彈簧剛度為362 N/mm，彈簧工作長度H2為77mm。彈簧其余參數(shù)確定如下：彈簧內徑 D1＝D0－d1＝16－=彈簧外徑 D2＝D0＋d1＝16＋=為了使壓縮彈簧工作時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。、。 圈。在本設計中彈簧有效圈數(shù)選用為12圈。彈簧的自由長度: H0 = H2＋ = 77+20=97mm 彈簧節(jié)距: P＝（H0－2d1）/ n = (972)/12=90/12= 螺旋角(自由狀態(tài)下）：= 彈簧材料的展開長度（即彈簧坯料長度）L1＝＝ 彈簧材料的選擇：由于該彈簧為主閥彈簧，故要求強度高，性能好，因此采用油淬火回火碳素彈簧鋼絲中的B類，牌號為60Mn。 先導閥彈簧參數(shù)的確定 前面已經確定部分先導閥彈簧參數(shù)為：，彈簧中徑D0為10mm，彈簧預緊力為1422N，彈簧預壓縮量為9mm，彈簧剛度=158 N/mm，彈簧工作長度H2為16mm。彈簧其余參數(shù)確定如下：彈簧內徑: D1=D0d1=102=8mm彈簧外徑: D2=D0+d1=10＋2=12mm 圈，有效圈數(shù)選用為6圈。在先導閥減壓閥部分開啟狀態(tài)下，對應的彈簧力為 ==Ｎ　　當先導閥溢流閥部分開啟時，對應的彈簧力為　==N 彈簧的自由長度： H0=H2＋=16+9=25mm 彈簧節(jié)距：　P=(H0d2)/n=(252)/6= 螺旋角（自由狀態(tài)下）：= 彈簧材料的展開長度（即彈簧胚料長度）L2== 彈簧材料的選擇： 先導閥彈簧同樣采用油淬火回火碳素彈簧鋼絲中的B類，其牌號為60Mn?！　?公差與配合的確定本設計的課題為液壓閥，而液壓閥屬精密機器設備，故對公差與配合的要求較高，查文獻[7] 　　可知，公差IT5（孔到IT6）級用于高精度和重要的配合處，IT7～IT8級則用于一般精度要求的配合。故在本設計的配合中孔用公差等級擬定為IT6級，軸用公差等級擬定為IT５級。由于要達到相同的精度級，孔比軸難加工，故在設計中無論主閥閥芯與閥套之間還是先導閥閥芯與閥套之間的配合均采用基孔制；又因為主閥閥芯與閥套之間的運動形式為軸向滑動，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，此間隙應該盡量的小，查文獻[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閥閥芯與閥套之間的配合均為，其中主閥閥芯和閥套的配合采用35，而先導閥閥芯與閥套之間的配合采用16和8?！　?比例放大器比例放大器是電液比例閥的控制和驅動裝置，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控制電信號進行處理、運算和功率放大。閉環(huán)控制閥和控制泵使用的放大器可完成對整個比例元件的控制。電液比例控制系統(tǒng)既有液壓元件傳遞功率大，響應快的優(yōu)勢，又有電器元件處理和運算信號方便，易于實現(xiàn)信號遠距離傳輸（遙控）的優(yōu)勢。發(fā)揮二者的技術優(yōu)勢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功能；控制信號中要迭加高頻小振幅的顫振信號，以克服摩擦力,保證控制靈活；要有斜坡信號發(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,以補償死區(qū)特性。系統(tǒng)設計者的任務除了根據(jù)確定的比例閥選用配套的比例放大器外，還要設計或選用比例放大器供電電路、系統(tǒng)控制信號及系統(tǒng)控制電路。　　 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電磁鐵的比例元件，例如比