课程设计 液控单向阀的设计

辽宁工程技术大学

课程设计

题目：液控单向阀设计

作者：

指导教师：

专业：机械工程及自动化(液压传动与控制) 时间：二零一五年一月

摘要

为了控制流液的流动、压力和方向及工程机械中的应用，使其能够很好地利用液压系统来控制机械的稳定工作，需要掌握更多的流体力学知识来研究液压油液及有压流动对液压阀而产生的影响，从而设计双向液控单向阀实现实践的依据，本文主要介绍双向液控单向阀的详细设计、理论计算及研究方法。

关键词: 液控单向阀设计

Abstract

: In order to control the flow of fluid flow,pressure and direction and application of

engineering machinery, which can work stably to good use hydraulic system to control the machine.Need to master more knowledge of fluid mechanics to study the hydraulic oil and pressure flow effects produced on hydraulic valve, so as the basis of design double hydraulic control check valve to be practiced.This paper mainly introduces the detailed design of double hydraulic control check valve,theoretical

calculation and research methods.

Keywords: hydraulic control check valve design

目录

1 液控单向阀基本情况 (1)

1.1 液控单向阀的类型及应用： (1)

1.2 液控单向阀的工作原理 (3)

1.3 液压阀的具体工作情况 (6)

2. 液控单向阀的初步设计 (8)

2.1 总体设计方案 (8)

2.2 液控单向阀的设计要求 (8)

2.3 液控单向阀的结构设计 (8)

3. 重要零件基本尺寸的确定 (11)

3.1 阀前孔面积计算设定 (11)

3.2 实际流速的设定 (11)

3.3 控制活塞与单向阀面积之比 (12)

3.4 弹簧最小工作负荷1t F和最大工作负荷2t F (12)

4. 弹簧的设计计算 (13)

4.1 弹簧的参数设定 (14)

4.2 弹簧的材料选择 (14)

4.3 弹簧的变形量和节距 (15)

4.4 弹簧的线径 (15)

4.5 弹簧所需的刚度和圈数 (15)

4.6 弹簧刚度、变形量和负荷校核 (16)

4.7 试验负荷和试验负荷下的高度和变形量 (16)

4.8 特征校核： (16)

4.9 结构参数 (17)

4.10 弹簧的工作图及技术要求 (17)

4.11 弹簧的数据 (18)

5 阀体及活塞顶杆的厚度与校核 (19)

5.1 阀体壁厚计算校核 (19)

5.2 活塞顶杆稳定性验算 (19)

致谢 (20)

参考文献 (21)

1 液控单向阀基本情况

1.1 液控单向阀的类型及应用：

液控单向阀有普通型和带卸荷阀芯型两种。每种液控单向阀又按其控制活塞的泄油腔的连接方式分为内泄式和外泄式两种。液控单向阀在液压系统中可作为普通单向阀使用，也可通过先导控制压力油，使控制活塞推开单向阀芯实现油液的反向流动，在系统中实现保压、液压缸锁紧、大流量排油等功能。液控单向阀因泄漏量少、闭锁性能好、工作可靠而运用广泛。

液控单向阀具体应用场合如下：

1)保压持力。

滑阀的式换向阀有一个间隙泄漏现象,压力保持只有一个短的时间。

(2)液压缸“支持”。

在垂直液压缸,阀门和管道泄漏,活塞和活塞杆的严重性,可能导致活塞和活塞杆。(3)液压缸锁。

当换向阀在中间,两个液压控制止回阀关闭,可以紧闭液压缸两腔油,当活塞由于外力不能移动。

(5)对石油天然气阀门。

液压控制单向阀用于填充油阀,完成补油的功能。

1.2 液控单向阀的工作原理

液压控制止回阀是由一个普通止回阀和微观控制液压缸的底部的液压控制止回阀口K控制石油,控制油口不通压力油时,阀门的作用一样普通的止回阀,油会是积极的、扭转不通。控制石油K的访问控制压力油时,将控制活塞顶,和开阀核心力量,使油可以在两个方向上自由流动。

图1-1 液控单向阀原理图

液压控制止回阀泄漏的不同方法,可以分为内部排水和泄漏两种类型。控制活塞造成石油进口压力高背压较大,可以使用单独的泄漏口,回油箱,减少油压力控制。液压控制单向阀没有一个排水洞,称为内部泄漏类型液压控制单向阀,常用的回水管路上没有背压。因为液压控制止回阀在一个方向上具有良好的密封性能,广泛应用在液压系统中,常用的时间执行组件的控股锁,等等,也用于防止垂直液压缸停止自动滑快换接头。在循环等系统设计和使用中需要注意的问题:

(1)电路和管道的设计,采用内部泄漏的液压控制单向阀,必须确保当前出口方面不能影响高压的控制活塞动作,否则控制活塞反向行动能力。如果你不能避免这种高压力、泄漏类型液压控制止回阀应该采用;落回座位

(2)止回阀核心,控制石油成为控制活塞返回排水打开,所以快速回到考虑,使用O(如图1 - 2所示)换向阀,很难快速返回,应该而不是Y型阀(如图1 - 2所示b)。希望更快地返回,可以使用泄漏类型液压控制单向阀、压力油泄漏,强制控制活塞返回(如图1 - 3所示);

(a)误（b）正

图1-2 背压阀

图1-3 外泄式液控单向阀

(3)在图1- 4 中所示的闭锁回路中，当周围的温度变化较大时，由于液压油的热膨胀，处于封闭状态的回路（油缸至两液控单向阀之间）中的压力会异常升高，有破坏管路系统或液压元件的危险。在这种情况下，应在紧靠油缸的管路处设置安全阀，起保护作用。但安全阀应选用泄漏量少的，否则液压锁的锁紧作用将减弱；

图1-3 锁闭回路

(4) 作充液阀使用时，应选用开启压力尽可能小而通径足够大的阀。这样吸油阻力小，另外尽量升高供给充液阀油液的油箱的液面，装在设备较高位置处 (如图1- 5)；

图1-5 充液阀

(5)由于液控单向阀的开启，压力从高压骤然降低而发生冲击的情况下，应考虑带释压机构的液控单向阀。或者在控制管路中装设截流阀使活塞动作减慢，慢慢推开阀芯(如图1-6)；

图1-6 释压机构的液控单向阀

（7）液控单向阀既有普通阀的功能，并且只要在远程控制卡通以一定压力的控制油液，液流反向也能通过。在工程应用中常用两个液控单向阀组成液压锁。

图1-7 双向液控单向阀

1.3 液压阀的具体工作情况

这里只介绍液控单向阀的工作原理，并做必要说明。

图1-9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1-9 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：

2111()k k

k p A p p A p A F >-++ 式(1-1) 式中 k p —控制压力；

k A —控制活塞承压面积； 2p —反向进口压力； 1p —反向出口压力；

1A —单向阀芯承压面积，即阀座内孔面积；

F —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：

2111k k K

p p F

p A p A A ->

++ 式(1-2） 外泄式情况，单向阀芯的受力方程为：

()2111k k k p A p p A p F >-+?+ 式(1-3） 式中 k ?—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：

()2111

k k

k

k

k

p p p F

p A A A A -?>++

式(1-4） 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. 液控单向阀的初步设计

2.1 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。

2.2 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[]

1

k

p

；

（4）高开启压力[]

2

k

p

；

（5）低开启压力下，当通过公称流量时的压力损失[]

1

p

?

；

（6）高开启压力下，当通过公称流量时的压力损失[]

2

p

?

；

（7）反向出口无背压时推卸荷阀所需的最低控制压力[]

min

k

p

；

（8）反向出口无背压时推单向阀芯所需的最低控制压力[]

min

k

p

；

（9）控制活塞处泄漏量允许值[]

k

q

；

2.3 液控单向阀的结构设计

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。

图2-1 单向阀

图2-2 固定式球阀

（2）阀座

图2-3单向阀、阀座配合

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)。

3. 重要零件基本尺寸的确定

3.1 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 。

则，A

Q

v =

已知，min 20l Q = 1L=3310m - 所以，2253

342102.4860/10208min 20mm m s

m s m

s

m

l v Q A =?=?===

--正

mm A D 3.74==

π

正

圆整为=7.5mm

即由单向阀座的尺寸可已知实际阀前孔直径D=7.5mm ，错误!未找到引用源。则正向流通面积，即阀前孔面积 222

16.444

5.714.34mm D =?==

π

3.2 实际流速的设定

圆整后，阀前孔直径为7.5mm ，阀前孔面积为222

16.444

5.714.34

mm D =?==π

则正向流通速度为s m mm l

A

Q

v 5.716.44min 202

==

=

已知顶杆直径d=3mm ，则顶杆面积22

07.74

9

14.34

mm d =?=

=

π 即环形面积22

2

06.371.716.444

4

mm d D A =-=-

=

ππ

按min 20l Q =（Q 为公称流量）

s m mm l A Q v 910

7.360/102006.37min 20532=??===--（瞬时最高速度）

则反向流通速度为s m mm l

A

Q

v 98.806.37min 202

==

=

3.3 控制活塞与单向阀面积之比

控制活塞直径mm 7.12Φ，则控制活塞面积222

6.126

7.124

4

mm d =?=

=

π

π

阀前孔直径mm 5.7Φ，错误!未找到引用源。则阀前孔面积

222

16.445.74

4

mm d =?=

=

π

π

（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 ，1N=12

s m

kg ?

3

4

8D Nc d G k ???=

G-刚性模数，Nc-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/cm 2）

表3-1 面积比

3.4 弹簧最小工作负荷1t F 和最大工作负荷2t F

弹簧最小工作负荷1t F 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1kq p ????时，弹簧最小工作负荷应为 11t kq F F <

式中1kq F —按上式求得的相应于1kq p ????时的液压作用力。当高开启压力2kq p ????时，应保证设计要求2kq p ????，这时弹簧最小工作负荷应为： 22t kq F F =

式中2kq F —按上式求得的相应于2kq p ????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[]p ?（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[]p ?的作用下，球阀阀口应保证必要的开口量δ，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max δ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=弹簧压力面积比

进进出+?+P k -P P

P P 进出——自由流动进出口压力 设P 进=0，先导压力（开单向阀）=210/3+2=722

cm kg

先导压力（全开单向阀）=210/3+5.73=75.732

cm kg

(出口压强即为额定压力，21MPa=2102

cm kg

)

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；

4.1 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=37.06mm 2 由阀体计算面积时得到 弹簧预紧力N m Pa mm MPa A P F 4.7107.310206.372.02552=???=?=?=- 假设预压缩量是3mm 。刚度=预紧力/预压缩量 刚度：mm N F P 5.234.73'===

假定，有效圈数n=6

由n

D Gd P ??=3

4

'

8 G 为弹性模量=800002

mm

N

d 线径 D 中经=外径-线径=6-d mm N P 5.2'=

mm d mm N d d n D Gd P 69.05.26

)6(880000834

34'

=?=?-??=??= D=6-0.69=5.31mm

4.2 弹簧的材料选择

外弹簧材料切应力3

8d D

K πτ?

= 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：23

309.4969

.014.331

.58192.18mm N d D K =???=?

=πτ 4.3 弹簧的变形量和节距

弹簧变形量：N Gd n D F 396.069

.0800006

31.5884

343=???== 弹簧节距： t=n

d H 5.10

-

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21n n n +==6+2=8. 即21+=n n 。所以，自由高度d nt mm H 5.1)(+=ο）查表8

取οH =11mm

66.16

69

.05.1115.10

=?-=

-=

n

d t H

根据弹簧材料工作选用阀门用GB 4357 碳素弹簧钢丝。

4.4 弹簧的线径

弹簧高径比 D

H b ?

=

=11/5.31=2.07<5.3 (两端固定式弹簧，高径比≤5.3 则正确) 稳定性满足要求 。

4.5 弹簧所需的刚度和圈数

弹簧所需刚度按n

C Gd

P 4'8=

式计算 mm N n C Gd P 53.26

69.7831

.580000844'=???== 弹簧的有效圈数65.269.7831

.580000884'434=???===P C GD P D F Gd n （圈）

即，弹簧的有效圈数n=6 mm N p 5.2'=