毕业设计溢流阀设计

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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10%～20%左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现无级变速；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。

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1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10%～20%左右；反应速度快、准、稳；又能在大范围内方便地实现无级变速；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；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 20~30 年间，日本液压传动发展之快，届世界领先地位。

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1.2 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（1953~1957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”，

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

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国力士乐公司的压力为21、35、63MPa，通径为6～33mm的三大类液压阀和我国自行开发的叠加阀、插装阀及GE系列阀等）；

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，内容包括溢流阀的工作原理、结构特点、以及静态性能的分析等。

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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：

直动式差动式三节同心式二节同心式滑阀式溢流阀压力控制阀溢流阀顺序阀压力继电器

图2-1压力控制阀的分类

Fig.2-1 The classification of the pressure control valve

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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

(a)(b)(c)(d)

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-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。

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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-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Ft,活塞底部面积为A则：

当PA Ft时,阀口关闭。

当PA Ft时,阀口即将打开,此时,PA Ft KX0 ,

P Pk (开启压力)KX0/A

当PA Ft时,阀口打开,P T,稳压溢流或安全保护。

锥阀开启后,得锥阀的力平衡方程为：

PA K X0 X G Ff Fs Fj

即：P K X0 X G Ff Fs Fj /A （3-1）

式中 ： N、（m）;G为阀芯自重（水平时不考虑）;Ff X0分别为弹簧刚度和预压缩量

为阀芯与阀套间的摩擦力（N）；Fs为稳态液动力（N）；Fj为射流力(N)。

此处 ∵Fs 0,Fj KX

∴P KX0 G Ff /A （3-2）

（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。

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（3） 特点：从式（3-2）可知这种阀的进口压力P不受流量变化的影响,被控力P变化很小,定压精度高。但由于Ft直接与PA平衡,若P较高,Q较大时,K就相应地较大,不但手调困难,且Ft略有变化,p变化较大,所以一般用于低压小流量场合。

3.1.2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-type pilot relief valve concentric (plate) KPT

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Ac为先导阀阀座孔面积（m2）,Fx、Kx为先导阀弹簧预紧力、刚度,Ft、G、Ff、Ky为主阀弹簧预紧力、自重、摩擦力、刚度。

当P2Ac Fx时,导阀关闭,主阀也关闭。

当P2Ac Fx时,导阀打开,主阀两端产生压差: P

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当 PA11 P2A2 Ky(y0 y) G Ff 时,主阀关闭。

PA11 P2A2 Ky(y0 y) G Ff时,主阀打开稳压溢流或安全保护。

得主阀芯和导阀的力平衡方程分别为：

P1A1 P2A2 Ky(y0 y) G Ff

P2Ac Kx(X0 X)

由上两式可得溢流阀进口压力为：

P1 A2Kx1 (X0 X) [Ky(y0 y) G Ff] （Pa） （3-3） A1AcA1

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1%左右

∴ 先导阀阀座孔的面积Ac、开口量X、调压弹簧刚度Kx都不必很大

∴ 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P与通过溢流阀的溢流量q之间的关系。 一般用溢流阀处于额定流量、额定压力Ps时，开始溢流的开启压力Pk和停止溢流的闭合压力PB分别与Ps的百分比来表示。

开启压力比： PK Pk/Ps 100%

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闭合压力比： PB PB/Ps 100%

两者越大及越接近,溢流阀的启闭特性越好。一般规定：开启压力比应不小于90%，闭合压力比应不小于85%，其静态特性较好。

(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

q C1 D1ysin 12 p1 （m3/s） （3-4）

式中，p1为受控压力（Pa），油液密度 850（kg/m3）, 1主阀的半锥角，D1主阀座。其他参数意义同前。

B. 主阀芯受力平衡方程式：

A1p1 A2p2 Ky(y0 y) C1 D1yp1sin2 1 G Ff（N） （3-5）

式中，Ff开启时取正号，闭合时取负号；其余参数意义同前。

C. 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

q C'A(m3/s) （3-6）

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/h2m4.html