【導(dǎo)讀】成功地獲得了廣泛應(yīng)用。閥類元件也隨著液壓技術(shù)的發(fā)展而日趨完備，針對一些具體的。工作要求，具有新型材料、結(jié)構(gòu)及功能的閥類元件得到研究與應(yīng)用。及性能穩(wěn)定、可靠的自動控制元件。技術(shù)關(guān)鍵，然后在此基礎(chǔ)上研究設(shè)計了全塑料注水閥。由于本閥特殊的工況，即強(qiáng)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。在充液達(dá)到一定量的情況下，實現(xiàn)自動關(guān)閉以停止充液。本閥采用杠桿作用的原理，利。的影響，為注水閥的參數(shù)設(shè)計提供了依據(jù)。Keywords：Wateringvalve；Wateringsystem；Hydraulic；Automaticcontrol；

　　

【正文】 5) 當(dāng) 39。39。2DD? 時， XL =0； 當(dāng) 39。39。1DD? 時， 122 sinX DDLL ????； 其中： 39。39。2 2 sinXD D L ??? ； 39。2( ) sinD Xd dL?? ； 湖南理工學(xué)院南湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 24 39。23 39。2 2 s inXx XL L Dpp L D L ??? ?； 39。39。 24 2 3 39。0 2( 2 s in ) s in 2 s inL XXX XL L DF D L p d LL D L? ? ? ???? ?? 39。2 3 2 1 2 3s in ( s in 2 ) ( )24 vD L p D x D D p? ? ? ????? (326) 39。 2 22 3 2 33 ( s in 2 )44 vD p D x pF ? ? ???? 當(dāng)浮筒排水高度度為 ，注水閥閥芯開始運動。 則式 (324)可化為 ； 239。39。 22011 ( 2 )4vvlldm x m g p g h x M g?????? ? ? ? ????????? 22 3 2 1 2 3( s in 2 ) ( s in 2 ) ( )44vvD x p D x D D p? ? ? ?? ? ??? (327) 當(dāng)注水閥閥口開啟量為 ，閥口開始節(jié)流，有 ； 123 sin0322dvpqddcxp??????????????????? ???? ( 2)(0 )vv xx???? (328) 1221 3 )1 1 2 12( 11ddppqP C A C A???? ? ? ? ?????? ? ? ?? ? ? ??? (329) 閥體流道設(shè)計 全塑料注水閥的流道結(jié)構(gòu)及工作原理如圖 所示，液體從管道 1 進(jìn)入，管道 1 與管道 2 由孔 1 連通，其中孔 1 直徑為 3mm，在管道 2 里液體從下往上流，經(jīng)孔 2 流入管道 3，其中孔 2 直徑為 2mm。管道 3 為閥芯所在管道，注水閥閥口最大開啟量為 2mm。注水閥設(shè)計要求閥芯動作靈敏，即液面沒有達(dá)到 設(shè)定高度時，閥口必須開啟充液，液面達(dá)到設(shè)定高度時，閥口立即關(guān)閉，停止充液。所以，考慮到液流對閥芯作用力的影響，應(yīng)盡可能降低此類影響，提高閥芯動作靈敏度。為此注水閥結(jié)構(gòu)上采用比較復(fù)雜的遷回結(jié)構(gòu)流道。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(xué)院南湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 25 水流以較小的速度進(jìn)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(yán)重偏心，導(dǎo)致注水滿了后無法及時關(guān)閉的后果。 注水閥在整個注水過程中有三種工作狀態(tài)，分別如下 ： (1) 注水閥閥口完全打開，正常注水狀態(tài) 此時，注水閥閥口開啟量為最大值，閥口處 等效通流面積遠(yuǎn)大于孔 1 和孔 2,注水閥中最小的等效通流面積為孔 2 的截面積，因此該工作狀態(tài)中，起主要節(jié)流作用的為孔 2，其次是孔 1,閥口處只起通流作用。 (2) 注水閥閥口處于漸關(guān)閉過程，注水即將完成 注水達(dá)到一定高度后，液面與浮筒接觸。當(dāng)浮筒的排水量達(dá)到一定程度，產(chǎn)生的浮力克服了浮筒及浮桿的重力，打破了杠桿的平衡，開始推動閥芯向下移動。在這一個動態(tài)過程中，閥口開啟量逐漸減小，閥口由只起通流作用，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚_始起節(jié)流作用，此時閥口處產(chǎn)生液動力。當(dāng)閥口開始起節(jié)流作用幾，管道 3 內(nèi)的液體也隨即增多，直至充滿整個管道，此 時閥芯上方還將承受液體產(chǎn)生方向向下的壓力，這將力口速閥芯向下移動。 (3) 注水閥閥口關(guān)閉，注水結(jié)束 此時，注水閥閥口完全關(guān)閉，截斷液流，注水結(jié)束，管道 3 中充滿了液體，閥芯上方壓強(qiáng)為注水閥的入口壓力，對閥芯產(chǎn)生的壓力使其緊緊關(guān)閉，達(dá)到密封的作用。 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)}。 由于閥芯質(zhì)量很小，且僅在端部受到杠桿的連接約束，因此閥芯很容易受到外力影響。液體通過孔 2 進(jìn)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(dá)到優(yōu)化設(shè)計注水閥結(jié)構(gòu)的目湖南理工學(xué)院南湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 26 的。 全塑料注水閥的靜態(tài)特性指的是注水閥處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，即閥口處于最大開啟位置，如圖 （ b）所述工作狀態(tài)時，輸出壓力與輸入壓力和輸出流量之間的關(guān)系，即注水閥的壓力特隆和流量特性。 當(dāng)注水 閥處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，其內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)如圖 （ b）所示，此時閥芯處于最大上移位置，閥口開啟量為 2mm閥口的通流面積 為： ? ? ? ?222 252 3 8 . 4 74 4 4d dA m m???? ? ?? ? ? ? 孔 1 的通流面積為 ： 2 2 211 3 7 .0 744dA m m? ?? ? ? 孔 2 的通流面積為 ： 2 2 222 2 3 .1 444dA m m? ?? ? ? 比較注水閥中三個地方的通流截面，孔 2 的截面積為其中最小的通流面積，為注水閥主要節(jié)流部分?？?1 的截面積為孔 2 截面積的兩倍多，由于孔 2 的節(jié)流作用，導(dǎo)致孔1 也充滿液體，因此孔 1 也產(chǎn)生節(jié)流作 用。閥口處有效通流面積為孔 2 截面積的十倍多，因此只起通流作用，不會產(chǎn)生節(jié)流作用。 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。當(dāng)孔的長徑比為 l/d_4 時，為短孔，其壓力流量特性如公式 (),()[2]。 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(xué)院南湖學(xué)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(yīng)的雷諾數(shù)。 圓管中的雷諾數(shù)由如下公式?jīng)Q定 ： Re vd?? 其中， v 為管內(nèi)的平均流速，這里取閥達(dá)到額定流量時的平均速度 ； d 為管道內(nèi)徑，孔 1 直徑為 3mm，孔 2 直徑為 2mm； ? 為液體的運動粘度，這里液體采用水，其粘度為 。 由注水閥在 壓力下額定流量為 1. 8L/min，得液體流經(jīng)孔 孔 2 的速度分別為 ： 1 1 6 / m ss? ? ? 2 2 0 62 / 4qv m ss? ? ? 代入式 (333)得雷諾數(shù) ： 111 6 3R e 5893 .? ?? ? ? 222 7 .6 9 2 2Re 8 8 4 6 .61 .8vd? ?? ? ? 111Re 3 5893 .3 l ??? 222Re 2 l ??? 查短孔的流量系數(shù)圖得 Cd1為 , Cd2為 。 由公式 (333)及以上計算的相關(guān)參數(shù)，畫出注水閥穩(wěn)定工作時的壓力流量特性曲線，如圖 所示，在入口壓力 P 為 時，注水閥的理論流量 q 約為 。 湖南理工學(xué)院南湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 28 圖 閥穩(wěn)定工作時的壓力流量特性曲線 第四章 注水閥總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 注水閥總體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 通過上述分析，注水閥總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示 。 圖 主要由主閥體、浮筒、浮桿、杠桿、閥芯等組成。浮筒深入被注水容器中，隨著液面的上升，開始與液體接觸，液面達(dá)到一定高度時，產(chǎn)生的浮力足以克服浮桿和浮筒的自重，并能推動浮桿上移，通過杠桿驅(qū)動閥芯，使注水閥關(guān)閉。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(yīng)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。 (2) 全塑料的結(jié)構(gòu)，由于塑料的比重比較小，能利用液體對浮筒產(chǎn)生的浮力，達(dá)到驅(qū)動注水閥杠桿機(jī)構(gòu)運動的目的。 (3) 驅(qū)動閥芯動作的杠桿機(jī)構(gòu)，是全塑料注水閥重要的部件。杠桿機(jī)構(gòu)利用浮筒和浮桿的自重，將閥芯抬起，使注水閥閥口處于開啟位置 。利用液體對浮筒產(chǎn)生的浮力，將湖南理工學(xué)院南湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 29 閥芯拉下，使注水閥閥口關(guān)閉。該機(jī)構(gòu)很好的實現(xiàn)了 閥芯的自動啟閉功能。 (4) 分析比較了幾種閥口形式，選擇了半球形閥芯、錐形閥座孔的線密封閥口形式，保證了注水閥處于關(guān)閉狀態(tài)時的良好密封性。 (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(jìn)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。 (6) 進(jìn)入閥芯所在管道的圓形小孔，采用斜角式的結(jié)構(gòu)，比直角式結(jié)構(gòu)更有利于注水閥性能穩(wěn)定、可靠。 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。當(dāng)注水閥處于工作狀態(tài)時，即浮筒 還未與液體充分接觸，浮筒和浮桿的自重將閥芯抬起，閥口開啟，液體從進(jìn)口處進(jìn)入，經(jīng)管道、導(dǎo)流塞，進(jìn)入閥芯管道，然后從出口處流出，進(jìn)入被充液容器。當(dāng)浮筒與液體充分接觸，產(chǎn)生了足夠的浮力，克服浮筒和浮桿的自重，并將閥芯拉下，閥口關(guān)閉，此時截斷液流，注水結(jié)束。 小結(jié) 本章在全塑料注水閥實際工況和技術(shù)要求的基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了該注水閥的設(shè)計要求，在緊緊抓住全塑料注水閥關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上確定了設(shè)計準(zhǔn)則和設(shè)計方案。根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則，對一些具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述，選擇了合理的結(jié)構(gòu)方案。本章的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計準(zhǔn)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(jī)械加工圖紙打下了基礎(chǔ)。 湖南理工學(xué)院南湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 30 第五章 全文總結(jié) 與 展望 本文通 過調(diào)研國內(nèi)外塑料閥元件及鉛酸蓄電池注水系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)注水閥的工作環(huán)境和性能要求，設(shè)計出了全塑料注水閥。建立了注水閥數(shù)學(xué)模型?？偨Y(jié)如下 ： (1) 針對注水閥的工況，采用了全塑料材料結(jié)構(gòu)，滿足了注水閥酸性、高溫的工作環(huán)境要求。設(shè)計了杠桿機(jī)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。 (2) 在注水閥結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，掌握了注水閥工作過程中， 液體在閥腔內(nèi)的壓力場和速度場的分布情況。由仿真結(jié)果計算了作用在閥芯上平衡力及液動力，分析比較了兩種不同的流道結(jié)構(gòu)形式，得出了合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式。 (3) 基于閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析了注水閥的壓力流量特性方程、閥芯動力學(xué)方程，建立了閥的數(shù)學(xué)模型，描述了一些結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作條件對注水閥特性的影響，為閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論分析手段，并展現(xiàn)了注水閥的一些工作性能。 注水閥技術(shù)的運用領(lǐng)域多種多樣，不同材料、不同型號的注水閥也越來越多。相信注水閥的運用將會更加廣泛。 湖南理工學(xué)院南湖學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 31 參考文獻(xiàn) [1] 李壯云，葛宜遠(yuǎn)，陳堯明 .液壓元件與系統(tǒng) [M] .北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社， 1999： 57 [2] 許福玲，陳堯明 .液壓與氣壓傳動 [M] .北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社， 1997： 45 [3] GhLim, P. 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