1、 1前言液压技术作为一门新兴应用学科，虽然历史较短，发展的速度却非常惊人。液压设备能传递很大的力或力矩，单位功率重量轻，结构尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸仅为直流电机的 左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现10%2无级变速；易实现功率放大；易进行过载保护；能自动润滑，寿命长，制造成本较低。因此，世界各国均已广泛地应用在锻压机械、工程机械、机床工业、汽车工业、冶金工业、农业机械、船舶交通、铁道车辆和飞机、坦克、导弹、火箭、雷达等国防工业中。溢流阀作为液压元件之一，在实际生产中得到广泛的应用。本设计重点讲述了液压件的分类，工作原理以及在实际当中的应用，并进行溢流阀的设计以及对其性
2、能做简单的分析。由于时间和水平有限，设计中难免处在缺点和错误，请老师批评指正。溢流阀设计21 绪论液压技术作为一门新兴应用学科，虽然历史较短，发展的速度却非常惊人。液压设备能传递很大的力或力矩，单位功率重量轻，结构尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸仅为直流电机的 左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现10%2无级变速；易实现功率放大；易进行过载保护；能自动润滑，寿命长，制造成本较低。因此，世界各国均已广泛地应用在锻压机械、工程机械、机床工业、汽车工业、冶金工业、农业机械、船舶交通、铁道车辆和飞机、坦克、导弹、火箭、雷达等国防工业中。液压传动设备一般由四大元件组成，即动力元件液压泵；
3、执行元件液压缸和液压马达；控制元件各种液压阀；辅助元件油箱、蓄能器等。液压阀的功用是控制液压传动系统的油流方向，压力和流量；实现执行元件的设计动作以控制、实施整个液压系统及设备的全部工作功能。1.1 液压技术的发展历史液压传动和气压传动称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡 提 出的液体静压力传 动 原 理 而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的 重要 标志。 1795 年英国约瑟夫布拉曼 (Joseph Braman,1749 - 1814) ，在伦敦用水作为工作介质 , 以水压机的形式将其应用于工业上 , 诞生了
4、世界上第一台水压机。 1905 年将工作 介质水改为油,又进一步得到改善。 第一次世界大战 (1914 - 1918) 后液压传动广泛应用 , 特别是 1920 年以后 , 发展更为 迅速。液压元件大约在 19 世纪末 20 世纪初的 20 年间 , 才开始进入正规的工业生产阶段。 1925 年维克斯 (F.Vikers) 发明了压力平衡式叶片泵 , 为近代液压元件工业或液压传动 的逐步建立奠定了基础。 20 世纪初康斯坦丁 尼斯克 (G Constantimsco) 对能量波动传递所进行的理论及实际研究 ;1910 年对液力传动 ( 液力联轴节、液力变矩器等 ) 方面的贡献，使这两方面领域得
5、到了发展。 第二次世界大战 (1941 - 1945) 期间 , 在美国机床中有 30% 应用了液压传动。 应该指出 , 日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近 20 多年。在 1955 年前后 , 日本迅速发展液压传动 ,1956 年成立了 “ 液压工业会 ” 。近 2030 年间，日本液压传动发展之快，届世界领先地位。31.2 我国液压阀技术的发展概况我国的液压工业及液压阀的制造，起始于第一个五年计划（19531957 年） ，期间，由于机床制造工业发展的迫切需求，50 年代初期，上海机床厂、天津液压件厂仿造了苏联的各类低压泵、阀。随后，以广州机床研究所为主，在引进消化国外中低压元件制造技术
6、的基础上，自行设计了公称压力为 2.5MPa 和 6.3MPa 的中低压液压阀系统（简称广州型） ，并迅速投入大批量生产。60 年代初期，为适应液压工程机械从中低压向高压方向的发展，以山西榆次液压件厂为主，引进了日本油研公司的公称压力为 21MPa 的中高压液压阀系列，以及全部加工技术和制造、试验设备，并据此发展、设计成我国的中高压液压闪系统（简称榆次型） 。1968 年，当时的一机部组织有关单位，在公称压力 21MPa 液压阀的基础上，设计了我国一套公称压力为 31.5MPa 的高压阀系列，并投入批量生产。为使产品实现标准化、通用化、系列化，我国于 1973 年再次组成“液压阀联合设计组”
7、，在总结国产高压阀设计、生产经验的基础上，借鉴了国外同类产品的结构，性能、工艺特点，又增补了多种规格和新品种，并使国产阀的安装连接尺寸首次符合国际标准。并于 1977 年正式完成了公称压力为 31.MPa 的高压阀新系列的设计。 1978 年起，通过全系列图纸的审查、试制、鉴定等工作，并在全国推广使用。1982 年，通过了全系列的定型工作。故上述产品简称为“82 年联合设计型高压液压阀系列” 。为适应高压、大流量的液压传动要求，济南铸锻研究所、上海 704 研究所和北京冶金液压机械厂等单位，自 1976 年开始，还引进、消化和研制了二通插装阀（简称 CV 阀） ，并在 80 年代初期，完成了自
8、己的系列。二通插装阀作为不同于常规阀的另一类液压阀类，也正在开拓着它的使用范围。此外，随着组合机床在机械制造行业中的广泛应用，1975 年，大连组合机床研究引进、消化、吸收和研制了叠加式液压阀。建国以来，我国液压行业及液压阀的制造生产，从无到有，发展很快，取得了巨大的成绩。但与国外同类产品相比，品种和性能指标还有较大差距。为了提高我国液压行业的综合素质，国家机械部制定了以下调整原则：A 类重点发展产品（包括国产的电液伺服阀、比例阀和数字控制阀以及引进、消化德溢流阀设计4国力士乐公司的压力为 21、35、63MPa，通径为 的三大类液压阀和我国自行开63m发的叠加阀、插装阀及 GE 系列阀等）
9、；B 类允许保留和过渡产品（包括目前应用面广、市场需求最大，一时尚无替代产品；国内 70 年代、80 年代开发的，现在已成为主导产品，虽然技术上达不到国际 80 年代水平，但需要保留一段时间的产品。 ）C 类限制发展和逐步淘汰产品。 （指水平低，性能差，耗能耗材的产品，不符合标准的落后产品，不符合标准的老产品，具体指我国 50、60 年代设计的广州型中低压系列，及与之相仿的早期产品。 ）1.3 本设计的目的及范围作为工科类院校，特别是机械专业，液压技术是一门必不可少的课程。本课将重点对溢流阀部分设计及分析，主要研究对象为溢流阀，对溢流阀部分进行设计。最后，针对溢流阀的理论研究进行讨论，内容包括
10、溢流阀的工作原理、结构特点、以及静态性能的分析等。5压 力 控 制 阀 直 动 式差 动 式三 节 同 心 式二 节 同 心 式滑 阀 式直 动 型先 导 型远 程 调 压 阀普 通 溢 流 阀电 磁 溢 流 阀 三 节 同 心 式二 节 同 心 式卸 荷 溢 流 阀 （ 单 向 溢 流 阀 ）溢 流 阀 单 向 减 压 阀定 差 减 压 阀定 比 减 压 阀溢 流 阀 直 动 型 顺 序 阀先 导 型 顺 序 阀顺 序 阀压 力 继 电 器2 压力控制阀的分类与型号液压系统中，用来控制系统的压力、流量和液流方向的元件均称为液压控制阀，简称液压阀。液压阀品种繁多，规格复杂，按工作原理可划分为以
11、下几种：通断式控制元件（即开关或定值控制阀）：这是常用的一类液压阀，又称普通液压阀。伺服式控制元件：压力伺服阀、流量伺服阀等。比例式控制元件：比例压力阀、比例流量阀和比例方向阀等。在液压传动系统中，液流的压力是最基本的参数之一，执行元件的输出力或输出扭矩的大小，主要由供给的液压力所决定。为了对油液压力进行控制，并实现和提高系统的稳压、保压、减压、调压等性能或利用压力变化实现执行机构的顺序动作等，根据油液压力和控制机构弹簧力相平衡的工作原理，人们设计制造了各种压力控制阀。常见种类如下：图 2-1 压力控制阀的分类Fig.2-1 The classification of the pressure
12、 control valve溢流阀设计6POOPP(a)(b)(c)(d)3 溢流阀3.1 溢流阀的分类溢流阀的基本功用是：当系统的压力达到或超过溢流阀的调定压力时，系统的油液通过阀口溢出一些，以维持系统压力近于恒定，防止系统压力过载，保障泵、阀和系统的安全，此时的溢流阀常称为安全阀或限压阀。 溢流阀的根据结构可分为直动型和先导型两种。3.1.1 直动型溢流阀图 3-1 直动型溢流阀结构简图Fig.3-1 Direct action-type relief valve structure diagram（a）锥阀式 (b)球阀式 (c) 滑阀式 (d)溢流阀的基本符号1-调压螺栓 2-弹簧 3
13、-阀芯 4-阀体（含阀座） 锥阀式和球阀式又叫座阀式溢流阀，特点是动作灵敏，密封性能好，配合没有泄漏间隙，但导向性差，冲击性较强，阀座阀芯易损坏。滑阀式由于阀口有一段密封搭合量，稳定性较好，不易产生自激振动，但动作反应较慢。7A-(c) (d)PT(a)(b)下面以锥阀式 DBD 直动型溢流阀为例说时其工作原理：图 3-2 锥阀式 DBD 直动型溢流阀（插装式）Fig.3-2 Valve cone straight DBD-type relief valve (cartridge type)（a）结构图 （b）局部放大图 （c ）简化符号 （d）详细符号1-偏流盘 2-锥阀 3-阻尼活塞 4-
14、调节杆 5-调压弹簧 6-阀套 7-阀座（1）工作原理: 设弹簧预紧力为 ,活塞底部面积为 A 则：tF当 时,阀口关闭。tPA当 时,阀口即将打开,此时, ,t 0tPFKX(开启压力)k0/KXA当 时,阀口打开, ,稳压溢流或安全保护。 tPAFT锥阀开启后,得锥阀的力平衡方程为：0fsjXGF即： （3-1）/fsjPKA式中 ： 、 分别为弹簧刚度和预压缩量（ ）; 为阀芯自重（水平时不考虑）N0 m; 为阀芯与阀套间的摩擦力（ ） ； 为稳态液动力（ ） ； 为射流力( )。fFNsFNjFN此处 , 0sjKX溢流阀设计8KPT遥 控 口进 油 口出 油 口P1a2符 号 （3-
15、2）0f/PKXGFA（2） 调压原理：调节调压螺帽改变弹簧预压缩量,便可调节溢流阀调整压力。（3） 特点：从式（ 3-2）可知这种阀的进口压力 不受流量变化的影响,被控力 变PP化很小,定压精度高。但由于 直接与 平衡,若 较高, 较大时, 就相应地较大,不tFPAQK但手调困难,且 略有变化, 变化较大,所以一般用于低压小流量场合。tp3.1.2 先导式溢流阀 先导阀 -直动式锥阀，硬弹簧。（1）组成 : 带有导向圆锥面的锥阀（二级同心式）和软弹簧 主阀 滑阀和软弹簧。 带有多节导向圆锥面的锥阀（三级同心式）和软弹簧图 3-3 YF 型三节同心先导溢流阀（板式）Fig.3-3 YF 3-t
16、ype pilot relief valve concentric (plate)1、阀体 2、主阀座 3、主阀芯 4、先导阀盖 5、先导阀座 6、先导阀锥式阀芯 7、调压弹簧 8、调节杆 9、调压螺栓 10、手轮 11、主阀弹簧先导型溢流阀的先导阀是一个小规格的锥阀式直动溢流阀，其弹簧用于调定主阀部分的溢流压力。主阀的弹簧不起调压作用，仅是为了克服摩擦力使主阀芯及时回位而设置。(2) 工作原理：设 为先导阀阀座孔面积（ ）, 、 为先导阀弹簧预紧力、刚cA2mxFK9度, 、 、 、 为主阀弹簧预紧力、自重、摩擦力、刚度。tFGfKy当 时,导阀关闭,主阀也关闭。2cxPA当 时,导阀打开,
17、主阀两端产生压差:P当 时,主阀关闭。120()yfPAKGF时,主阀打开稳压溢流或安全保护。f得主阀芯和导阀的力平衡方程分别为： fyFAP)(0212XKxc由上两式可得溢流阀进口压力为：（ ） （3-3）)(1)(0012 fycx FGKAAP Pa调压原理：调节调压螺帽,改变硬弹簧力,即可改变压力。特点: 溢流阀稳定工作时,主阀阀芯上部压力小于下部压力。 即使下部压力较大,因有上部压力,弹簧可做得较软,流量变化引起阀心位置变化时,弹簧力的变化量较小,压力变化小。 又 调压弹簧调好后,上部压力为常数。 压力随流量变化较小,克服了直动式溢流阀的缺点。 还 先导阀的溢流量仅为主阀额定流量的
18、 1%左右 先导阀阀座孔的面积 、开口量 、调压弹簧刚度 都不必很大cAXxK 先导型溢流阀广泛用于高压、大流量场合。3.2 溢流阀的主要性能3.2.1 静态特性：（1）压力调节范围定义：调压弹簧在规定范围内调节时，系统压力平稳（压力无突跳及迟滞现象）上升或下降最大和最小调定压力差值。（2）启闭特性定义：溢流阀从开启到闭合全过程的被控压力 与通过溢流阀的溢流量 之间的关Pq溢流阀设计10系。 一般用溢流阀处于额定流量、额定压力 时，开始溢流的开启压力 和停止溢流的sPkP闭合压力 分别与 的百分比来表示。BPs开启压力比： /10%Kks闭合压力比： BsP两者越大及越接近,溢流阀的启闭特性越
19、好。一般规定：开启压力比应不小于 ，90%闭合压力比应不小于 ，其静态特性较好。85%(3) 卸荷压力：当溢流阀作卸荷阀用时，额定流量下进、出油口的压力差称为卸荷压力。(4) 最大允许流量和最小稳定流量：溢流阀在最大允许流量（即额定流量）下工作时应无噪声。(5) 静态特性关系式先导型溢流阀在稳态溢流条件下，满足下列关系式：A. 主阀口出流方程式为（ ） （3-4）112sinpyDCq3/ms式中， 为受控压力（ ） ，油液密度 （ ）, 主阀的半锥角， 主1pPa8503/kg11D阀座。其他参数意义同前。B. 主阀芯受力平衡方程式：（ ） （3-12011()sin2y fApKCDypGFN5）式中， 开启时取正号，闭合时取负号；其余参数意义同前。fFC. 通过主阀芯阻尼孔的流量方程式：阻尼孔结构为细长孔，其流量( ) （3-6）012()qCAp3/ms
