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单向阀的设计与仿真
南京科技职业学院毕业设计(论文)
题目:
单向阀的设计与仿真
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2019年月日
单向阀的设计与仿真
摘要:
本文首先是在同种规格油压单流阀设计的基础上,充分考虑到水介质的低粘度、易腐蚀等理化特性,对单向阀进行初步结构设计。
在单向阀存在的关键技术难点的基础上提出了解决问题的办法。
其次,对单向阀的静动态特性进行仿真研究,分析阀的结构参数对阀整体综合性能产生的影响,优化阀的结构参数,并运用软件在不同压力流量下进行仿真分析。
然后,对单向阀的关键零部件进行可靠性分析,建立设计的可靠性数学模型并优化各个相关的参数。
本文介绍了一种模糊可靠性模型,并把模型应用于液压控制单向阀当中,对单向阀的卸荷功能做可靠性分析,并计算出其可靠度。
期望能从设计上提高阀的可靠性,继而提高整个液压系统的可靠性。
最后,搭建试验系统,提出液压系统中单向阀的卸荷试验原理和试验方法,并对所研制的单向阀进行静、动态特性试验以及噪声试验研究,总结该设计的单向阀中可能存在的问题并提出改进方案。
关键词:
单向阀;可靠性分析;结构设计;仿真;改进方案
Abstract:
ThisarticleisfirstinthesamespecificationOnthebasisoffullyconsideringthelowviscosityofwatermedium,Corrosionandotherphysicalandchemicalcharacteristics,theone-wayvalveforthepreliminarystructuraldesign.Onthebasisofthekeytechnicaldifficultiesoftheone-wayvalve,thesolutionisproposed.Secondly,thestaticanddynamiccharacteristicsoftheone-wayvalveweresimulatedtoanalyzetheinfluenceofthestructuralparametersontheoverallcomprehensiveperformanceofthevalve,optimizethestructuralparametersofthevalve,andusethesoftwareindifferentpressureflowsimulationanalysis.Then,thekeypartsoftheone-wayvalvereliabilityanalysis,theestablishmentofthereliabilityofthedesignmathematicalmodelandoptimizetherelevantparameters.Inthispaper,afuzzyreliabilitymodelisintroduced,whichisappliedtohydrauliccontrolcheckvalve.Thereliabilityofunloadingfunctionofcheckvalveisanalyzedanditsreliabilityiscalculated.Itisexpectedtoimprovethereliabilityofthevalvefromthedesign,andthenimprovethereliabilityofthewholehydraulicsystem.Finally,thetestsystemwasbuilt,theunloadingtestprincipleandtestmethodoftheone-wayvalveinthehydraulicsystemwereproposed,andthestaticanddynamiccharacteristicstestandnoisetestofthedevelopedone-wayvalvewereconducted,andthedesignoftheone-wayvalvewassummarized.
Keywords:
Thecheckvalve;,reliabilityanalysis;Structureofset;Imitationofthebody;Theimprovedscheme
第一章引言
1、课题的来源,目的及意义。
1.1课题的来源:
单向阀是流体只能沿进水口流动,出水口介质却无法回流,俗称单向阀。
单向阀又称止回阀或逆止阀。
用于液压系统中防止油流反向流动,或者用于气动系统中防止压缩空气逆向流动。
其工作原理是液体从P口进入,克服弹簧力和摩擦力使单向阀阀口开启,从P流至A;当P口无压缩液体时,在弹簧力和A口(腔)余液体压力作用下;阀口处于关闭状态,使从A至P流不通。
单向阀应用于不允许液体反向流动的场合,如空压机向气罐充气时,在空压机与气罐之间设置一单向阀,当空压机停止工作时,可防止气罐中的压缩空气回流到空压机。
单向阀还常与节流阀、顺序阀等组合成单向节流阀、单向顺序阀使用。
每个单向阀均在最大工作压力下用氮气进行密封性测试。
单向阀在液压系统中是属于比较常见并且关键的零部件,研究和设计单向阀可以增加液压系统的稳定性,使液压系统在实际的应用中能够更好的发挥作用。
1.2、研究课题的目的:
单向阀在液压系统中的作用有以下几点:
(1)若将单向阀安装在泵的出口处,可以防止系统的压力突然升高而损坏油泵,即起止回作用。
(2)若将单向阀与节流阀或减压阀并联,可构成执行机构正向慢速,反向快速;或者正向减速,反向自由流通回路。
(3)若将单向阀与压力阀串联起来,可逐步提高调整压力,防止压力的反作用。
(4)对于液控制单向阀,可以利用控制油路开启单向阀,以达到使油液能反向流动的目的。
并且应符合以下的性能要求:
(1)当油液朝一个方向流过时,阻力要小,也就是说压力损失要小。
(2)阀芯与阀座接触处的密封性要好,要完全没有泄漏,当油液从反向往回流时,应完全不能通过。
(3)单向阀的动作应迅速灵敏,工作时不应有撞击和噪声。
而单向阀常见的故障有:
阀瓣打碎;介质倒流。
导致单向阀故障的原因分别为:
1、止回阀前后介质压力处于接近平衡而又互相“拉锯”的状态,阀瓣经常与阀座拍打,某些脆性材料(如铸铁、黄铜等)做成的阀瓣就被打碎。
2、密封面破坏。
3、夹入杂质等。
研究单向阀在液压系统中的应用及其可能出现的故障,可以更好的在实际中应用并在一定程度上减少其出现故障的可能。
1.3、研究课题的意义:
因此选择设计单向阀的意义就是结合实际情况,进行理论分析,从而在一定程度上减少单向阀在使用过程中的出现故障的几率,能够使单向阀在使用过程中更好的发挥作用。
2、毕业设计主要工作
本毕业设计详细介绍液压系统的特点,因为接口处的管路较多因此泄露的点也较多从而使产品的质量达不到使用的要求。
因此在设计单向阀的过程中可能会出现阀瓣打碎,介质倒流,密封面破坏或有杂质夹入等问题,为解决或者避免上述问题的出现,需要更多的结合生产实际,充分的查阅资料才能在一定程度上解决单向阀的这个问题。
毕业设计论文分为五大部分,主要内容组织如下:
第一章序言主要介绍了课题来源、目的及意义;
第二章给出了单向阀的总体设计,结合设计要求,提出了单向阀总体设计框架,并针对单向阀每一个部分的指标要求完成机械结构的选型;
第三章液压系统中单向阀的位置设计,结合设计指标,详细介绍了设计原理,并给出技术指标的选型和详实的计算。
第四章系统控制单向阀卸荷作用的设计,结合测量,给出数据采集信息,并实现在液压系统中单向阀的卸荷作用。
第五章综合设计内容,根据设计指标,给出一定理论基础。
3、本章小结
本章介绍了毕业设计论文单向阀的研究设计的意义与课题来源,简述了作者的主要工作任务以及毕业设计主要内容。
第二章单向阀的总体设计
1、单向阀的设计指标
1.1对液控单向阀的工作原理做必要说明。
图2-1为液控单向阀的工作原理图,其中a)为内泄式,b)为外泄式。
在无控制压力的情况下,来自进油口只要能克服弹簧力及单向阀芯自重,便能推开单向阀芯而流向出口,但反向油液却不能通过。
如从控制口引入控制压力油,则只要控制压力作用在控制活塞承压面上所造成的向上液压力能克服向下的各种力,控制活塞便能推开单向阀芯而实现油液的反向流动。
图2-1两种控制回路
液压止回阀控制是必要的以下细节:
(1)作用在液控单向阀控制活塞上所需的控制压力的高低,与反向进口和反向出油液的压力有关,也与控制活塞处的泄油形式(即内泄式和外泄式)有关。
这里我们列出单向阀芯的受力方程为:
式(1-1)
式中 是控制压力;
—控制活塞承压面积;
—反向进口压力;
—反向出口压力;
—单向阀芯承压面积,即阀座内孔面积;
—其他阻力之和,如弹力、单向阀芯摩擦阻力、控制活塞液压卡紧阻力、 单向阀芯和控制活塞自重。
由式1可得内泄式液控单向阀必要的控制压力为:
外泄式情况,单向阀芯的受力方程为:
式中
是控制活塞承压面积,其他符号含义与式1相同。
由式3可得外泄式液控单向阀必要的控制压力为:
比较式1-2和式1-4:
在式1-2中,随着反向出口压力的力高,所需控制压力也将很快提高,如果反向出口值很高,会无法实现反向流动;在式1-4中,因为控制活塞杆承压面积比控制活塞承压面积小得多,所以即使反向出口压力很高,所需控制压力也提高的不多。
显然,内泄式液控单向阀值适用于反向出口压力较低的场合,当反向出口压力较高时宜采用外泄式液控单向阀。
(2)液控单向阀常用于高压封闭回路的释压场合。
当控制活塞推开单向阀芯时,高压封闭回路内油液受压后所储存的压缩能将突然释放,这时会产生很大的冲击,并伴随很响的释压声。
为避免这种情况,可以在单向阀芯内装个小阀芯(即卸荷阀),以推开卸荷阀芯,使高压封闭回路释压一部分,接着再推开单向阀芯,使高压封闭回路完全释压,这是一个分级释压过称。
(3)如果把带有卸荷阀芯的液控单向阀用于反向进油口作用者一定的压力,控制活塞推开单向阀芯后要使反向通过的流量为公称流量的场合,那么所需的最低控制压力和释压情况不能真实地反映带有卸荷阀芯的液控单向阀所需的最低控制压力;这种液控单向阀,只有用在封闭回路的释压中才能对控制压力和缓和冲击有良好的效果。
2、总体设计方案
根据假定流速确定阀口尺寸的大小,根据阀口尺寸的大小确定大概的阀前孔面积,然后计算校核准确的正反向流液的流速,根据所给的要求参数,确定控制活塞与单向阀面积比,同时进行弹簧的设计计算,画出各个零件图,并加以校核,最后要对主要零件的强度、刚度校核,最后进行装配图的设计绘制。
整个过程要保持科学严谨的学习态度。
3、液控单向阀的设计要求
(1)公称压力p;
(2)
公称流量Q;
(3)、低开启压力;
(4)、高开启压力;
(5)
、低开启压力下,当通过公称流量时的压力损失;
(6)、高开启压力下,当通过公称流量时的压力损失;
(7)
、反向出口无背压时推卸荷阀所需的最低控制压力;
(8)、反向出口无背压时推单向阀芯所需的最低控制压力 ;
(9)
、控制活塞处泄漏量允许值;
4、单向阀的结构设计
单向阀芯由锥阀和球阀两种。
球阀流体阻力小,全通径的球阀基本没有流阻。
结构简单、体积小、重量轻。
紧密可靠。
它有两个密封面,而且球阀的密封面材料广泛使用各种塑料,密封性好,能实现完全密封。
操作方便,开闭迅速,便于远距离的控制。
维修方便,球阀结构简单,密封圈一般都是活动的,拆卸更换都比较方便。
在全开或全闭时,球体和阀座的密封面与介质隔离,介质通过时,不会引起阀门密封面的侵蚀。
适用范围广,通径从小到几毫米,大到几米,从高真空至高压力都可应用。
本课题双向液控单向阀,由于通径小,故选用球阀式。
(2)、阀座
在止回阀口线接触,经常有很多的接触应力,所以当身体材料是铸铁,将增加钢的座位。
座位应当指向与单向阀核心,为了确保线接触,实际应力变形角后,但压力畸变和后变得非常小的表面接触,以确保良好的密封。
通常当名义流量不大,阀座接触正确的止回阀芯,如图2-3所示),和名义流量更大,公称压力高,为了提高阀门进口流体和压力条件下,阀芯阀座接触单向钝角,如图3-3所示)。
5、重要零件基本尺寸的确定
5.1、阀前孔面积计算设定
根据阀前孔流速平均在5m/s~7m/s,最高瞬时流速可达到8m/s~10m/s,假设阀前孔流速为8m/s。
即由单向阀座的尺寸可已知实际阀前孔直径D=7.5mm,则正向流通面积,即阀前孔面积。
5.2、实际流速的设定
圆整后,阀前孔直径为7.5mm,阀前孔面积为。
则正向流通速度为。
已知顶杆直径d=3mm,则顶杆面积。
即环形面积。
按(Q为公称流量)
则反向流通速度为。
5.3、控制活塞与单向阀面积之比
控制活塞直径mm7.12,则控制活塞面积。
阀前孔直径则阀前孔面积。
(弹簧力的计算,根据胡克定律:
F=KX F是弹簧的压力,K是劲度系数单位N/m
G-刚性模数,-有效圈数,D-中经,d-线径, X是弹簧的变形量。
)
(开启压强0.2MPa,1MPa=10kg/cm2)
弹簧最小工作负荷和最大工作负荷
弹簧最小工作负荷应根据开启压力的设计要求来确定,可以略去阀芯与阀体孔的静摩擦阻力和阀芯的自重。
当低开启压力时,弹簧最小工作负荷应为
式中—按上式求得的相应于时的液压作用力。
当高开启压力时,应保证设计要求,这时弹簧最小工作负荷应为:
式中按上式求得的相应于时的液控作用力。
弹簧的最大工作负荷应根据球阀阀口压力损失设定值(进出阀的损耗值,进油口与出油口的压力差)来确定,阀芯在压差的作用下,球阀阀口应保证必要的开口量
,使通过的流量达到公称流量。
在设计液控单向阀的弹簧时,一般把阀口最大开口量δmax作为弹簧的最大工作行程,同时应保证弹簧的最小工作负荷,以保证开启压力的设计要求。
至于弹簧的最大工作负荷的确定则比较灵活。
先导压力+弹簧压力
——自由流动进出口压力
设P进=0,先导压力(开单向阀)
先导压力(全开单向阀)
(出口压强即为额定压力,)
5.4、弹簧的设计计算
液压阀以采用圆柱形螺旋压缩弹簧居多,这里根据圆柱螺旋压缩弹簧的实际制造情况,设计与计算液控单向阀所用的弹簧。
在液压阀的设计与计算方法中已经指出:
为了保证液压阀所给定的技术性能指标,必须设计出符合液压阀的动作和性能要求的弹簧。
因为在阀的静态特性方程中常包含着弹簧刚度、预压缩量、以及工作行程这些量,所以在弹簧设计时必须给以保证。
在液压阀的设计中,对弹簧常有如下要求:
(1)弹簧的外径要考虑到阀的结构布置;
(2)弹簧的工作行程要适应阀的开口量;
(3)弹簧刚度和预压缩量要满足平衡方程的要求;
(4)弹簧的最小工作负荷和最大工作负荷要适应阀的动作要求;
5.5、弹簧的参数设定
弹簧, 线径φ0.69mm,中径φ5.31mm,自由长11,有效圈数6,预压缩3,刚度2.5N/mm
已知:
开启压强 P=0.2MPa有效面积 A=37.06mm2由阀体计算面积时得到 弹簧预紧力。
假设预压缩量是3mm。
刚度=预紧力/预压缩量
刚度:
假定,有效圈数n=6 。
由
G为弹性模量d线径 D中经=外径-线径
D=6-0.69=5.31mm
5.6、弹簧的材料选择
外弹簧材料切应力
K(曲度系数)=(4C-1)/(4c-4)+0.615/c
由线径d=0.69查表知 C=5~12
C=D/d=5.31/0.69=7.69
K(曲度系数)=(4C-1)/(4c-4)+0.615/c=1.192
材料切应力:
5.7、弹簧的变形量和节距
弹簧变形量:
弹簧节距:
弹簧,有效圈数n=6,弹簧端面结构型式:
两端圈并紧并磨平,则支撑圈数2n=1~2.5总圈数.即n1=n+2所以,自由高度查表8取Ho=11mm。
根据弹簧材料工作选用阀门用GB4357 碳素弹簧钢丝。
5.8、弹簧的线径
弹簧高径比
(两端固定式弹簧,高径比5.3 则正确) 稳定性满足要求 。
5.9、弹簧的工作图及技术要求
弹簧的工作图(如图4-1)所示,当弹簧外径导向时,则标注D;当内径导向时,则标注1D。
在图中还应标注重要尺寸的公差 。
因为在液压阀中弹簧对性能有很大的影响,所以这些重要尺寸的公差应按一级精度要求选取。
1D、D和0H的不同精度等级公差值见附表1和表2。
弹簧的技术要求应包含下列内容:
(1)钢丝展开长度L=113mm;(外径=6,周长=18.84,共六圈=113)
(2)旋向:
左旋;
(3)有效圈数:
6圈;
(4)总圈数:
8圈;
(5)热处理:
回火;
(6)表面处理:
喷丸;
5.10、弹簧的数据
6、单向阀阀口的设计
6.1、阀口的形式及特点:
阀口形式有很多种,各种阀口的结构特点不尽相同,见表3-1:
6.2、阀口的选择
根据阀口特点,单向阀使用最多的阀口为环缝阀口,所以我设计的单向阀阀口使用了环隙阀口,如图3-2所示,当右侧压力大于左侧弹簧的压力,则单向阀的阀芯打开,形成一个环形的缝。
当右侧压力小于左侧压力的时候,这时候复位弹簧将起作用,将阀芯复位,这样就能达到油液倒流的目的,故称为单向阀。
7、单向阀的外形结构
8、本章小结
本章阐述了单向阀各个参数指标的选取以及重要零部件参数的计算和整合,并给出了设计单向阀的内部结构图和外观图。
第三章单向阀在液压系统中用途
液压系统中单向阀的卸荷功能,单向阀的卸荷功能所采用的方法是在单向阀的阀体和阀口上开卸荷槽,并配合卸荷螺钉,实现单向阀的卸荷功能。
新型单向阀包括:
阀体、弹簧、阀芯、垫圈、密封圈、阀口、卸荷螺钉。
阀体中设有阀芯,阀芯一端设有弹簧,另一端设有垫圈,阀口一端抵着垫圈,阀口和阀体通过螺纹连接,螺纹末端用密封圈进行密封。
阀体侧面设凸台,在凸台上钻垂直于阀体轴线的通孔并攻螺纹,螺纹空中设卸荷螺钉,在阀体端面上钻平行于阀体轴线的光孔,光孔的位置要求是保证光孔和所述的垂直于轴线的螺纹孔能够相通,在阀体进液口端存在螺纹的位置镗槽,槽的深度要求能够镗到光孔的轴线位置,阀口螺纹上开四个互成90o的孔,使得阀装配后孔的位置和槽的位置想对应。
卸荷螺钉在阀门发挥单项导通功能的过程中使卸荷回路处于堵死状态,液体只能够单向通过单向阀。
当液压系统需要有卸荷功用时,设在阀体上的卸荷螺钉后移,卸阀体上的两个卸荷孔相通,实现卸荷功能。
单向阀是液压系统方向控制阀中的一类,其主要作用是限制油液只能向一个方向流动,不能向反方向流动。
单向阀结构和工作原理都比较简单,但却是液压系统中应用最多的元件之一,正确选择、合理应用单向阀不仅可以满足液压系统不同应用场合的多种功能要求,而且还可使液压系统设计简化。
1、单向阀的应用:
1.1、保护液压泵
如图lb所示,单向阀3安装在液压泵1的出口。
可防止系统压力突然升高(如蓄能器4释压等)反向传给液压泵,避免泵反转或损坏,起保护液压泵的作用。
1.2、防止油路干扰
如图1c所示的双泵供油系统,当系统压力低时。
泵1和泵2输出的油汇合,共同向系统供油,满足系统大流量的需要;当系统压力高于卸荷阀5的设定压力时,低压泵2卸载,只有高压泵1向系统供油,此时,单向阀4把高压油路和低压油路隔开,不互相影响。
1.3、节能
如图1d所示,液压缸7外伸工作时,蓄能器5充液储蓄高压油,当压力达到压力继电器4的设定值时,液压泵1停机,而蓄能器5和单向阀3则可保持系统压力。
由于蓄能器5补偿泄漏的作用,系统保压而使液压泵1可停机,从而达到节能的目的。
1.4、闭锁液压缸
如图1e所示,当换向阀1处于中位时,液控单向阀2、3闭锁液压缸6两腔的油液,使液压缸停留并且在外力作用下也不能窜动,液控单向阀起液压缸锁紧的作用。
液控单向阀的这种闭锁功能也常常应用在具有重力负载的平衡回路中,用液控单向阀使立式液压缸活塞在任意位置悬停,从而可防止立式液压缸与垂直运动的工作部件由于自重而自行下落。
1.5、作旁路阀
如图1e所示,单向节流阀4、5均由单向阀与节流阀组合而成,液压缸进油时,由于单向阀的阻力远比节流阀小,所以液流经旁路单向阀流入液压缸;而液压缸回油时,因单向阀关闭,液流经节流阀流出,从而实现液压缸6的回油节流调速。
作旁路阀的单向阀通常还有单向顺序阀、单向减压阀等;此外,单向阀还可与过滤器并联旁路,当滤芯堵塞后,单向阀开启(开启压力由滤芯堵塞的压差决定),从而保护滤芯不损坏。
1.6、作液流方向选择
如图1f所示双向闭式回路,当泵5正转或反转时,单向阀2、3组成的补油选择油路均可保证补油泵1向闭式回路正常补油;在正转或反转过程中,当系统高压管路的压力超过安全阀8的设定值时,单向阀6、7组成的安全保护油路可使高压管路的油通过安全阀8溢流,从而可防止系统高压管路因超压而损坏。
1.7、作大流量排油
如图1g所示的回路,液压缸4两腔的有效工作面积相差很大,在活塞缩回时,液压缸无杆腔的排油流量比较大,而此时换向阀1的通径又小时,会产生节流作用,限制活塞的缩回速度;若在活塞缩回的过程中,控制油路通过换向阀2作用在液控单向阀3上,使大通径的液控单向阀3也打开排油,则可减小液压缸的排油阻力,从而可有效提高活塞的回程速度。
1.8、作背压阀
把普通单向阀安装在液压缸的回油管路中,使液压缸的回油腔中保持一定的压力,这样可以增加液压缸运动的平稳性,减小液压缸的爬行和前冲现象。
由于背压压力一般要求0.2—0.6MPa,因此,作背压阀的单向阀应换上较硬的弹簧。
1.9、保持低压回路压力
如图1h所示,单向阀3出口接主系统,进油口与控制油路相接,当主系统空载或回油时,利用单向阀的背压作用,经减压阀2将使控制油路仍能保持一个较低的控制压力。
1.10、用于系统回油路
在液压系统的回油路上安装普通单向阀,可防止系统停机后管路中的油液流回油箱而使油溢出油箱,这对一些油箱比较小的液压系统显得更为重要。
同时,在系统检修时,回油路上的单向阀还可防止因管路拆开油箱中的油液经回油路外流,避免虹吸现象的发生。
2、使用注意事项
(1)正常工作时,单向阀的工作压力要低于单向阀的额定工作压力;通过单向阀的流量要在其通径允许的额定流量范围之内,并且应不产生较大的压力损失。
(2)单向阀的开启压力在满足系统功能要求的情况下应尽量低,以减小压力损失;而作背压功能的单向阀,其开启压力较高,通常由背压值确定。
(3)对于
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