液压阀基础知识

目录

第一章 液压阀基础知识 ............................................................. 3

1.1液压技术的原理与液压系统的组成 ............................... 3 1.2 液压阀的功用及重要性 ............................................... 3 1.3 液压阀的基本结构原理................................................. 4 第二章 充液阀的基本知识 ......................................................... 6

2.1 充液阀概述 ................................................................... 6 2.2充液阀的典型结构 ......................................................... 6 2.3 充液阀的结构原理 ........................................................ 7 2.4 充液阀的工作原理及性能 ............................................. 8

2.4.1 充液阀的工作原理 .............................................. 8 2.4.2 充液阀的性能 ................................................... 10 2.5 充液阀的作用.............................................................. 11 第三章 设计软件简介 ............................................................... 12

3.1 Solidworks的相关知识 .............................................. 12

3.1.1 SolidWorks软件的特点 ................................... 12 3.1.2 SolidWorks 2010的新功能............................... 14 3.2 SolidWorks 2010操作界面介绍 ................................. 17

3.2.1 SolidWorks 2010操作界面............................... 17 3.2.2 基本操作与文件管理 ...................................... 20 3.2.3 工具栏............................................................. 21

1

第四章 充液阀的设计建模 ....................................................... 23

4.1 充液阀的设计计算 ...................................................... 24 4.2 先导阀体的组建 .......................................................... 25

4.1.1 绘制草图 ........................................................... 26

2

第一章 液压阀基础知识

1.1液压技术的原理与液压系统的组成

液压传动与控制简称为液压技术，是以液体为工作介质，利用封闭系统中液体的静压能实现信息、运动和动力的传递及工程控制的计术。由于液压技术在功率密度，结构组成、响应速度，调节范围，过载保护、电液整合等方面独特的优势，使其成为现代传动与控制的重要基础技术之一，其应用遍及国民经济各个领域。

除了工作介质外，一个液压系统通常都是由能源元件（液压泵）、执行元件（液压缸、液压马达或摆动液压马达）、控制元件（各种液压阀）和辅助元件（邮箱和管路等）四类液压元件所组成。液压传动与控制的机械设备或装置工作时，其液压系统以具有连续流动性的液压油或难燃液压液或水作为工作介质，通过液压泵将驱动泵的原动机的机械能转换成液体的压力能，然后经过封闭管路及控制阀送至执行器中，转换为机械能去驱动负载、实现工作机构所需的直线运动或回转运动。

1.2 液压阀的功用及重要性

液压控制阀（简称液压阀）是液压系统中的控制元件，其功用是控制液压系统中液体的流向、压力及流量，以使液压执行器及其驱动的工作机构获得所需要的运动方向、运动速度（转速）及推力（转矩）等。

3

液压阀在液压系统中起着非常总要的作用。任何一个液压系统，不论其如何简单，都不能缺少液压阀；同一工艺目的液压机械设备，通过液压阀的不同组合与使用，可以组成油路结构截然不同的多种液压系统方案，股液压阀是液压技术中与规格最多、应用最广泛、最活跃的元件；一个液压系统设计的合理性、安装维护的便利性以及能否按照既定要求正常可靠地运行，在很大程度上取决于其中所采用的各种液压阀是性能优劣及参数匹配是否合理。

1.3 液压阀的基本结构原理

充液阀的基本结构主要包括阀芯、阀体和驱动阀芯在阀体内作相对运动的操纵控制机构。阀芯的结构形式多样;阀体上开设有与阀芯配合的阀体（套）孔或阀座孔，还有外接的进、出油口；阀芯的操纵控制机构有手调（动）式、机械式、电动式以及液动式或电液动式等。

液压阀的基本工作原理是：利用阀芯相对于阀体的运动来控制阀口的通断及开度的大小（实质是对阀口的流动阻尼进行控制），实现对液流方向、压力和流量的控制。液压阀工作时，所有阀的通过流量与阀的进、出油口间的压力差以及开度的大小间的关系都符合如下空口压力流量特性公式

式中， 为流量系数，与阀口形状、尺寸及反映液流流态的雷

4

诺数 有关；A为阀口的通流面积；ρ为液体的密度；口压差。

为进、出

5

第二章 充液阀的基本知识

2.1 充液阀概述

充液阀是一种特殊的液控单向阀，一个方向止流，另一个方向自由流通，先导动作是由油口供压的控制阀芯用液压实现的，由此而直接打开主阀。这种阀为叠加系统而设计，即在一个基础件上，可以叠加各种各样的其它类别液压阀。其主要作用是从油箱（或充液油箱）向液压缸或者系统补充油液，以免出现吸空现象。带控制的充液阀还能起快速排油的作用。

2.2充液阀的典型结构

充液阀有常闭式和常开式两种典型结构。 (1)常闭式充液阀

常闭式充液阀有不可控式和可控式两种形式，不可控式充液阀，它是由阀芯、导向套、复位弹簧、阀体和连接法兰等主要零件组成。阀芯是蘑菇形的，结构较紧凑，流阻损失小；阀芯重量轻惯性小，动作灵敏。

对于可控式充液阀。控制油通入控制缸的上腔，控制活塞就可使阀芯开启。控制缸上腔接油箱时，控制活塞在弹簧的作用下复位。控制缸下腔与充液油箱是想通的。这两种结构的充液阀都直接安装在液压缸的端部，安装方便，节省了与工作液压缸连接的管道。浸入式结

6

构，即上部全浸在充液油箱中，结构很紧凑，流阻损失很小。但充液油箱必须安装在液压缸的底部，还要解决充液油箱与液压缸缸底之间的密封问题。检修不太方便。管道连接式结构，即通过管道和法兰与充液油箱相连，与浸入式相比，充液油箱的位置布置较灵活，检修也较方便，但结构显得庞大，流阻损失也稍大。

(2)常开式充液阀

常开式充液阀的优点在于充液过程中不需要克服弹簧力，从而减少了吸油阻力。但结构较复杂，制造要求也较高。

常开式充液阀。阀芯在弹簧的作用下停在阀上部，充液阀处于开启状态。当转入工作行程时，先在充液阀的控制口通入压力油，阀芯下行，充液阀关闭。由于阀芯上部面积略大于其下部面积，故随着液压缸油压的升高，充液阀越关越紧。当活塞回程时，液压缸先行卸压，且充液阀的控制口与油箱相通，充液阀可自动开启，使液压缸中的油液大量排回充液油箱。

2.3 充液阀的结构原理

图2.1为单回路充液阀的结构，主要由控制充液压力上下限的先导阀和充液主阀构成，图中的P、O、A、T分别为油泵压力油进油口、通往下游液压系统的出口、通往蓄能器出口及回油口。

充液阀的充液过程为:当蓄能器的压力低于充液阀设定的下限压力时，作用在上限单向阀阀芯3上的液压力低于先导阀4左端弹簧8

7

的作用力，使下限单向阀6关闭，上限单向阀3打开，蓄能器内的压力油经先导阀芯4、节流通道Ⅱ进入主阀右腔，推动主阀芯9克服左腔压力向左移动，逐渐降低主阀开度，P与O口间的节流作用造成P口压力增高。随后P口与A口间的单向阀打开，经节流口向蓄能器供液。当蓄能器压力达到上限时，作用在先导阀右端单向阀阀芯3的液压力大于左端弹簧压力，下限单向阀6打开，上限单向阀3关闭，主阀右腔经先导阀于T口相通泄压，在左端压力作用下克服右端弹簧压力右移，P口与A口间的单向阀关闭，恢复全流量向下游系统供液，充液过程结束。

图2.1

2.4 充液阀的工作原理及性能 2.4.1 充液阀的工作原理

图2.2为XC-17型蓄能器充液阀液压原理图。该阀的结构主要包

8

括带压力设定的先导控 制阀l、压力补偿器2和单向阀3。蓄能器充液阀的作用是保证液压系统中蓄能器的袖压维持在所要求的范围内。

图2.2

(1)泵由蓄能器充液状态变为零压循环状态如图2所示。在充液过程中，泵出油液P经单向阀进人蓄能器回路S ，同时压力油通过先导阀的先导管作用在压力补偿器的背面该补偿器节制泵的流量。随着油液的不断充人，直到蓄能器中的压力克服先导阀的弹簧设定压力， 先导阀阀芯切换+压力补偿器背面的控制压力与回油口T相通，此时压力补偿器的阀芯切换，使P与N连通，单向阀关闭。这时，充液过程结束而泵的油液以最小的压降通过充液阀。

(2)泵由零压循环状态转为蓄能器充液状态 当蓄能器压力降至下限时，先导控制阀在弹簧力作用下切换，P经先导阀与压力补偿器的负载信号腔连通，由于弹簧的共同作用，压力补偿器换向，切断P

9

与N回路+泵的油液再次经单向阀进人蓄能器回路S ，蓄能器充油，直至上一工作循环 。

2.4.2 充液阀的性能

蓄能器的油压范围是由先导控制阀的结构和弹簧的调定压力决定的，先导阀结构如图2.3所示。

当泵为蓄能器重液时，液压信号同时作用于小阀芯的右端，当蓄能器的充液压力达到由调压弹簧调定压力所确定的最大值P2时，先导阀芯动作、P-N连通，蓄能器停止充液。随着油液的减少、蓄能器的油压降为p 时，先导阀芯在调压弹簧的作用下复位、P—N 断开、P—SP连通，蓄能器变为充液状态。利用先导阀小阀芯 (直径 d)及大阀芯 (直径D)的面积不同以及调压弹簧的弹簧力F可将蓄能器的油压控制在P～P 之间。其关系式为：

10

则

即蓄能器的最低工作压力P1与最高工作压力P2 成正比，其大小取决于先导控制阀的两个阀芯的结构尺寸。一旦由调压弹簧调定最大压力值P2，则最小压力值P1也确定 了。XC-17型蓄能器充液阀的技术参数为：系统压力 0～20MPa，蓄能器回路工作压力 0～20MPa，流量从P—Sp约 17L／min、从P—N最大 70L／min，油液 为矿 物 油，油液 温度-20～+80℃ ，粘度 2．8～380mm2／s，重 2kg。

2.5 充液阀的作用

为使制动系统可靠工作，必须保证蓄能器在任何时候都有充足的油压。由于每进行一次工作制动，蓄能器就要向系统释放一定的油液，因此经过一定的工作制动次数后，蓄能器的油液压力下降，需及时补充油液才能保证系统的正常工作。XC-17型蓄能器充液阀的作用是自动为蓄能器充油，使其油压始终保持在所要求的范围内，阀充油切换压差大约是截流压力的18％。以Hc-1.5型井下混凝土输送车的制动液压系统为例，蓄能器充液阀工作时，优先向两个蓄能器供油， 直至达到其额定工作压力15MPa。随着油液的减少，蓄能器的油压逐渐降低，当蓄能器油压降低18％、到最小工作压力时，充液阀自动切断P—N通路，P—Sp 连通，泵出油液经充液阀为两个蓄能器充油，当充油压力达到最大工作压力15MPa时，充液阀切断P—Sp，接通P-N通路，可为后面的其它执行机构供油。

11

第三章 设计软件简介

在充液阀的设计过程中，我主要运用了Solidworks和AutoCAD两款设计软件。其中Solidworks主要用于零件的三维实体建模、仿真以及出工程图; AutoCAD主要用于零件的平面设计以及零件图的后期制作等。

3.1 Solidworks的相关知识

SolidWorks软件是个非常优秀的三维设计软件，其包括零件建模、钣金设计、模具设计、装配设计、工程图、运动仿真和有限元分析等，功能全面，并集成和兼容了所有Windows系统的卓越性能。功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 软件的三大特点。

SolidWorks 2010作为SolidWorks软件的最新版本，为3D机械设计建立了全新标准，在SolidWorks 2009软件的基础上进行了300多项改进。

3.1.1 SolidWorks软件的特点

1．“全动感的”用户界面

SolidWorks提供了一套完整的动态界面和鼠标拖动控制，利用FeatureManager设计树可很好地通过管理和修改特征来控制零件、装配和工程图；PropertyManager提供了非常方便的查看和修改属性操作，减少了图形区域的对话框，使设计界面简捷、明快；ConfigurationManager可以很容易地建立和修改零件或装配的不同

12

形态，大大提高了设计 效率。

2．完全关联性

SolidWorks软件所有模块都是完全关联的。用户在产品开发过程的任一环节进行的修改都被传送到整个设计中，同时自动地将零件模型、装配模型、工程图等文档进行更新。

3．配置管理

配置管理能够在一个CAD文档中，通过对不同参数的变换和组合，派生出不同的零件或装配体，它是SolidWorks软件非常独特的功能，涉及零件设计、装配设计和工程图。

4．数据交换

SolidWorks提供了当今市场上几乎所有CAD软件的输入/输出格式转换，通过标准数据格式可与其他CAD软件如Pro/ENGINEER、UG、MDT和AutoCAD等进行数据交换。

5．协同设计

SolidWorks提供了技术先进的工具，可通过互联网进行协同工作。如通过eDrawings共享CAD文件；通过3D ContentCentral为全球的机械工程师提供实时更新的模型零件库；通过三维托管网站展示生动的实体模型；通过Web目录将设计数据存放在互联网文件夹中；使用3D Meeting通过互联网实时的协同工作等。

6．用户化

SolidWorks提供了自由、开放、功能完整的API开发工具接口，用户可根据实际情况利用Visual Basic for Applications、Visual

13

C++，以及其他支持OLE的开发程序对其进行二次开发。

7．合作伙伴计划和集成软件

作为“基于Windows平台的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系统”的核心软件，SolidWorks提供了产品设计的解决方案。对于产品的加工、分析以及数据管理方面，SolidWorks 公司“合作伙伴计划”大大拓展了SolidWorks在整个机械行业中的应用。“合作伙伴计划”提供了许多高性价比的解决方案，SolidWorks用户可以从广泛的范围内选择在产品开发、加工制造以及数据管理的各个方面的软件。

SolidWorks合作计划包括全球大约400多家公司，包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助分析（CAE）和产品数据管理（PDM）软件。

3.1.2 SolidWorks 2010的新功能

SolidWorks2010新版本中，新增功能非常的丰富，其中突出的几个新增特点是比较值得关注的。

首先就是整个2010版本更关注于产品的环保特性，在SolidWorks2010新版本中引入了Sustainability模块，该模块可以帮助工程师们更好的了解自己的设计工作对环境所造成的影响，使工程师能够及时对产品的属性进行调整。

14

以往我们在设计过程中都是迫于一些外部的环保条例或者客户的强制性要求，比如ROHS法规、环保回收料的使用等，很少去主动发掘自己设计结果对环境所造成的影响，在SolidWorks2010新版本中，我们就可以很直观的来考虑这些问题。

其次就是软件操作的便捷性，进一步缩短了用户的操作时间，这里面的改进主要是增加了一些操作的直观性。这其中的一系列改进非常多，主要有3大块改进比较突出：

1、常用命令的直观显示及便捷操作，比如这次新版本加入的鼠标笔势，改变了过去软件的菜单模式，以前我们在操作过程中，点开右键菜单，无论是有用的功能还是没用的功能都罗列在其中，为了便捷还会去设定许多的快捷键，然而现在，只需要根据自己的需求进行设定，各种图标就能非常直观的显现出来。

15

2、尺寸公差也是在工程图绘制过程中经常会遇到的，也是一个重要环节，往往很多产品的品质问题都是由于公差的累积误差，使原

16

始设计方案产生一系列的问题，调整的频率也是非常之高。在2010版本中可以通过直观的方式进行标注，极大的便利了工程图的绘制工作。

3、产品属性的可视化，过去在设计过程中无法对整个装配体的材料质量属于有一个很直观的了解，需要进行复制的推导运算，无法把握住用量的状况，对于材料的浪费是巨大的。在新版本中加入的\"SW-Material\"属性，可以直接在BOM清单中修改材料定义，通过颜色来辨别用量状况，非常直观。

3.2 SolidWorks 2010操作界面介绍

和SolidWorks 2005相比，SolidWorks 2010操作界面最显著的变化是界面中增加了“视口”。下面对SolidWorks 2010操作界面作一下简单介绍。

3.2.1 SolidWorks 2010操作界面

启动SolidWorks 2010，首先出现的是SolidWorks 2010的初始窗口界面，如图3-1所示：

17

图3-1

选择【文件】/【打开】命令或单击【打开】按钮 ，打开一个SolidWorks零件文件，界面如图3-2所示。

图3-2

整个界面主要分为标题栏、菜单栏、工具栏、FeatureManager设计树、绘图区、任务面板等几部分。

18

1．标题栏

标题栏位于整个用户界面的最上方，用于显示文件的名称。 2．菜单栏

菜单栏位于标题栏的下方，模式不同，菜单栏上下拉式菜单的项目也不同，本例是零件模式下的菜单栏。菜单栏上包含了SolidWorks软件中所有的命令、基本操作、文件管理、窗口管理等，几乎任何一项操作都可通过下拉式菜单来进行。

3．工具栏

工具栏位于菜单栏的下方，工具栏上的图标按钮代表了下拉式菜单中默认的常用命令。系统把使用频率较高的命令以图标的形式显现在用户界面上，以帮助提高工作效率，这和其他CAD软件是一致的。当然，像Windows其他应用软件一样，用户可按照自己的使用习惯增删图标的数目和种类，还可自行调整工具栏的位置。系统默认位置为绘图区的顶部，可通过拖动的方式将其调整到界面的左、右侧。

4．命令管理器（CommandManager）

命令管理器是一个上下文相关的工具栏，其上集中了各种工具栏，如特征工具栏、草图绘制工具栏、装配体工具栏等，其根据要使用的工具栏进行动态更新。默认情况下，它根据文档类型嵌入相应的工具栏。当单击控制区域中的某个按钮时，命令管理器会进行更新，以显示相应工具栏。例如，如果单击控制区域中的参考几何体，参考几何体绘制工具栏便会出现在命令管理器中，如图3-3所示。

19

控制区域 图3-3 命令管理器

更新区 5．特征管理（FeatureManager）设计树

FeatureManager设计树位于SolidWorks窗口的左侧。所谓“特征管理”是指将某一实体模型的制作步骤记录下来，从而可以很方便地查看模型或装配体的构造情况，或者查看工程图中的不同图纸和视图。

3.2.2 基本操作与文件管理

SolidWorks 2010系统对图形文件的操作主要通过【文件】菜单实现，如图3-4所示。和其他CAD软件及Windows系统类似，SolidWorks【文件】菜单也包括【新建】、【打开】、【关闭】、【保存】等命令，同时也会列出最近打开的一些文件，文件菜单的宽度随打开文件路径的长短而发生变化。

在进行零件、装配、工程图等设计之前，必须新建一个文件，和其他CAD软件类似，SolidWorks新建文件的方法有3种：

(1)选择【文件】/【新建】命令。 (2)单击工具栏上的【新建】按钮 。 (3)使用快捷键Ctrl+N。

选择上列操作之一，系统弹出如图3-6所示的【新建SolidWorks文件】对话框，根据需要选择要创建文件的类型：零件、装配体或工

20

程图。另外，也可单击图3-5中的 按钮，可切换到图3-6所示的【新建SolidWorks文件】对话框。单击图3-6中的 按钮，则切换到图3-5所示的对话框。

图3-4 【文件】菜单 图3-5 【新建SolidWorks文件】对话框（高级）

3.2.3 工具栏

SolidWorks 2006提供了大量方便易用的工具栏，用户可通过单击工具栏上的相应图标或单击菜单工具、再选择相应工具来访问各种工具。现介绍一下常用的工具栏，以便读者使用。

1．【标准】工具栏

【标准】工具栏控制文件的管理与模型的更新，如图3-6所示。

切换选择过滤器工具栏 重建模型 工具工具栏 编辑编辑纹选项 图3-6 【标准】工具栏

21

2．【视图】工具栏

【视图】工具栏控制如何查看模型，如图3-7所示，基本命令包括修改类、显示类及标准视图工具类，分别如图3-8、图3-9和图3-10所示。

图3-7 【视图】工具栏

图3-8 修改类 图3-9 显示类 图3-10 标准视图工具类

3．【特征】工具栏

【特征】工具栏提供用户生成模型特征的工具，默认的【特征】工具栏如图3-11所示。特征图标相当多，所以并非所有的特征工具被包含于默认的【特征】工具栏上，不过可通过新增或移除图标来自定义特征工具栏，以符合工作需要。

参考几何体指令 曲线指令

图3-11 【特征】工具栏

22

第四章 充液阀的设计建模

通过Solidworks实体建模，做出充液阀的三维实体模型，如图4-1所示

其爆炸视图如图4-2所示

图4-2

23

4.1 充液阀的设计计算

1充液门的结构

充液阀主要由控制活塞、缸体、阀体、阀座、主阀芯、卸荷闽等组成。根据需要，我们设计有带预卸荷阀和不带预卸荷阀的两种充液阀。如果采用系统卸压．即系统中设置了卸荷回路，则采用不带预卸荷阀的充液阀，这种情况尤其适用干大型液压机。Dg50～Dg125规格的充液阀的主阀芯与阀杆做成一体，即采用整体构造；Dg150～Dg350规格的充液阀的主阀芯与阀杆采用分体结构。

2防松措施

参见图l充液阀结构原理图，a处防松采用GB858—76圆螺母用止动垫圈；b处安装螺钉的防松采用c船54一鼹单耳止动垫圈；c处主阀芯与阀杆之问的防松采用左旋、右旋螺母拧紧后点焊；d处卸荷阀盖的防松采用了弹簧垫圈及带孔螺栓用铁丝串联锁紧。

3主闷计算

已知当量通径Dg(m)，主阔开启行程h(m),阀口锥角2α =120。则：

当量通流面积Ag=πDg 2／4。主阀口直径4控制活塞计算

控制活塞直径应尽可能小，但必须满足两个条件：

1)当主缸油压为最大工作压力(p=2.5×107Pa)和控制油压为最小油压(pc=1.5×106Pa)时，控制活塞应能将充液阀中的卸载阀打开，即：

。

24

式中：dv-卸载阀口直径(m)； Dc-控制活塞直径(m)。

(2)主缸活塞回程时充液阀的主阀芯不关闭，即：

取

K=0.1~0.2 则

式中：A2环 —主缸活塞扦腔的有效作用面积(m)； A— 主缸无杆腔的有效作用面积(m2)；

P回—回程时作用于主缸活塞杆腔的液体压力(Pa)。

4.2 先导阀体的组建

先导阀体的尺寸为88x25x50，其外形结构如图4-3 图4-3

25

4.1.1 绘制草图

1 点击设计树中的前视基准面，选择草图绘制，在前视面中绘制如图4-1-1所示草图

图4-1-1

2单击退出草图命令，选择特征菜单下的拉伸凸台/基体命令，在方向菜单下填写50mm，如图4-1-2所示。

26

图4-1-2

3

27