增量式数字阀的设计与分析.pdf

机械研 究与应用 设计与制造 增 量式数 字 阀的设计 与分析 薛辰 ， 高辉 ， 王宣 中海油田服务股份有限公司， 北京1 0 1 1 4 9 摘要 从实用角度出发， 分别对增量式数字网液压阀、 机械结构三方面进行比较详尽的讨论。在保证应用性能的前 提下尽可能降低设计、 加工及元件采购成本的原则， 研制出了一种结构简单、 工作可靠、 造价低廉的数字阀。 关键词 数字 阀； 液压 阀 ； 结构设计 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 6 4 4 1 4 2 0 1 1 0 4 - 0 0 7 9 - 0 3 De s i g n a n d a n a l y s i s o f i n c r e me n t a l d i q g i t a l v a l v e X u e C h e n， Ga o Hu i 。 Wa n g Xu a n C h i n a D s e r v ic e s C o ． ， L t d ， B e n g 1 0 1 1 4 9 ， Chi na Ab s t r a c t I n t h i s a r t i c l e ，f r o m t h e v i e w o f p r a c t i c a l p o i n t ，t h e i n c r e me n t al d i g i t al v a l v e h y d r a u l i c v a l v e a n d i t s me c h a n i c a l s t r u c t u r e a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l ．B a s e d O R e n s u r i n g a p p l i e a t i o n p e rf o r ma n c e a n d r e d u c i n g the c o s t a b o u t d e s i g n，p r o c e s s a n d c o mp o n e n t s t o c k， a dis a v a l v e w h i c h i s s i mp l e ，r e l i a b l e a n d l o w c o s t i s d e v e l o p e d ． Ke y wo r d sd i g i t a l v a l v e ； h y d r a u l i c v a l v e ； s t r u c t u r a l d e s i gn 1 前言 随着社会的不断进步， 电液控制技术的发展在不 断进步， 笔者是在适应电液控制技术的发展的情况 下， 并结合液压数字阀的实际应用出发， 分别详细论 述了增量式数字阀的设计， 理论结合实际设计要求， 且力求在理论研究的过程中展开液压数字阀的设计 过程， 使得各项性能满足所设定的目标， 同时还保证 了所设计的数字阀具有相当的先进性。 2 增量式数字阀的技术指标 增量式数字阀是机、 电、 液的耦合体， 在确定设计 原则时应全面考虑各方面的影响， 以确保设计制造出 的增量式数字阀能够满足系统整体的性能要求。本 文的论述是针对一套具体的增量式数字阀系统的研 制展开的， 要求满足如下技术指标和参数 额定压力 P N 1 4 M P a ； 额定流量 Q N 4 0 L ／ ra i n ， 关闭时泄漏量 o ． 3 m L ／ m i n ； 阀块材料须锈蚀， 可用有机玻璃或铝 制 ； 采用步进电机开环控制， 并包括放大器， 控制精度 为 3 ％ ～ 5 ％； 阀可带位移传感器， 用于对阀位移量 的显示与动态输出。 3 增量式数字阀的液压阀设计 液压阀部分包括阀芯、 阀套、 阀体三部分， 以下详 细进行论述。 3 ． 1 增量式数字阀的液压阀材料选择 液压阀各部分材料的选择主要依据耐压及防腐 蚀要求。节流口处流速很高， 在液压阀中很容易产生 气蚀， 气蚀对材料表面的破坏主要是气泡崩溃后产生 的压力波对零件表面产生很强的冲击作用， 气蚀的破 坏速度与材料的机械性能关系密切， 硬度是影响气蚀 的主要因素。由对常见的液压阀材料的耐压、 耐腐蚀 分析确定液压阀各部分材料， 阀芯、 阀体均采用不锈 钢 1 C r l 8 N i9 T i ， 阀套、 阀套采用耐腐蚀高的黄铜。 3 ． 2 增量式数字阀的液压阀结构设计 液压阀阀芯形式一般主要有三种 球阀、 滑阀与 锥阀。阀芯如果采用球阀式或滑阀式， 其泄露将难 免， 即油液有可能通过因阀芯冲击而产生的沟槽或阀 芯与阀体问的间隙泄露。因此， 阀芯应该选用密封性 能好的锥阀式， 即使长久使用也能保证其密封性能。 以下对阀口流量 进行分 析， 得 出增 量 式数字阀的几个重要 几何参数。首先建立Q 锥阀阀芯的数学模型 见图 1 ， 数学坐标 系原点设在阀座密封 圆环上 的任意一点 0。 r J ． ， 三 、 ＼ 。。，。‘ 。。。。。。● 图1 锥阀的数学模型 流量方程， 式 1 是分析、 设计液压 阀的基础 ， 必 须深入研究在本设计中的具体形式。 QC a A x 2 △ P 1 式中 Q为通过阀口的流量 m 。 ／ s ； C 。 为流量系数 无量纲 ； A 为过流面积 m ； P为流体的比重 k g ／ m ； △ 尸为阀口两端压差 P a 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 - 2 0 作者简介 薛辰 1 9 7 6 - 。 男， 北京人， 硕士， 主要从事石油机电设备设计方面的工作。 7 9 设计与制建 机械研究与应用 以下分析阀芯全开至全闭的过程， 确定液压阀几 个重要参数锥阀芯锥角 、 阀座通径 D 及阀芯行程 工 。阀芯全开即阀芯的位移为阀芯的行程 L 时， 可 知此时过流面积最大， 并达到液压阀的额定流量 △ JP 4 b a r ， 即存在关系 A L n A 将上述参数代人 “r r D Ln t a n a／ 2 一L t a n o u 2 3 ． 5 1 41 0 r n 2 式中共有 3 个未知量， 因此有必要做一些合理设 定， 首先设定阀芯行程 。步进电机驱动液压阀芯 要克服阀芯调节杆端上的螺纹扭矩 ， 且该扭矩与 螺纹中径 成正比， 即有 o c d ， 因此在强度满足的 情况下尽量减小阀芯调节螺纹， 且由流量调节精度正 比于螺纹螺距， 故暂定螺纹 M 8 x 0 ． 7 5 ， 阀口至全闭若 需调节 1 O圈 ， 则 阀芯行 程 为 L 7 ． 5 mm。取 O t 2 5 。 ， 代人式 2 ， 得 D 8 ． 3 9 ra m 。 将以上数字汇总， 额定工作流量 Q 4 0 L ／ m in ， 压差 △ P 4 b a r ， 阀 口通径 D 6 ． 7 m m， 阀 口最大流速 l ， 1 9 m ／ s ， 阀芯调节端螺纹 M 8 x 0 ． 7 5 ， 调节 肛 1 0圈 可全闭或全闭 ， 阀芯行程 L 7 ． 5 m m， 锥 阀芯锥角 2 5 。 ， 阀座通径 D 8 ． 3 9 ra m。根据所计算参数进行 验证 所计算的参数不唯一， 要综合考虑并进行验 证 。将以上参数代人式 1 ， 则流量方程简化为 q n 4 ． 9 8 9 n一0 ． 0 9 8 8 8 n 3 对流量方程取圈数 n 的一阶导数， 得出流量随调 节圈数的变化快慢程度， 也就是流量调节的当量 。 。 6 o Q n 4 ． 9 8 90 ． 1 9 8 n 4 则流量调节当量 艿 随阀芯调节圈数 n的变化 曲线如图 2所示 。 图2 流量调节当量 6 Q 1 ． 随阀芯调节圈数 ／ 1, 的变化曲线 从图2曲线可以看出， 流量调节当量随着阀芯调 节圈数的增大而减小， 这也就意味着流量控制精度随 开口增大而增高， 调节至第 2圈即流量 Q 9 ． 6 L ／ ra i n 开始， 流量调节当量 4 ． 6 I_／ 圈， 对于额定流量 4 0 L ／ ra i n ， 控制精度 N 1 1 ． 5 ％／ 圈， 若阀芯调节螺纹 端以每次 4 5 。 为一个控制单位， 则控制精度 6 1 ． 4 4 ％／ 次。 8 0 4 增量式数字阀的机械结构设计 4 ． 1 机械转换器结构设计 为满足上述所讨论的机械转换器的设计原则， 在 设计中采用了联轴器一 圆柱滚珠机构 ， 不仅满足 了性 能上的要求， 而且成本极低， 具有推广价值。 图3 联轴器一 滚珠式机械转换器示意图 1 ． 联轴器套2 ． 联轴器3 ． 圆柱滚珠4 ． 阀芯调节杆端 5 ． 步进电机轴 本设计的机械转换器包括三个零件 见图3 ， 其 中圆柱滚珠 3 共 4颗 为标准件。为保证传递扭矩 时， 该部分有足够的强度抵抗变形与摩擦 ， 加工件 l 、 2材料均为不锈钢 。 工作原理及过程如下 正如前面所述 ， 步进 电机 无法像手调节时一样有轴向的位移 ， 因此 ， 不仅考虑 到将步进电机的旋转运动传递， 还要有机构来补偿阀 芯的轴向位移。阀芯调节杆端部 4为方形 ， 与联轴器 2内部方形孔配合， 在步进电机轴的驱动下， 可靠的 传递扭矩； 同时， 阀芯在端部调节螺纹的带动下要产 生轴向的位移并产生一个轴向拉力 F 。 ， 此时， 圆柱滚 珠在拉力 F 作用下在自身安装槽内滚动 ， 以补偿 阀芯的横向运动 ， 从而保证了液压阀阀芯的旋转 运动与轴向位移。 采用这种方法设计的机械转换器结构简单 ， 成本 低廉， 转换精度高， 有效的减小了该部分产生的转动 惯量。 4 ． 2 位移传感器结构设计 图4 直线位移传感器 本设计选用一种机械式直线位移传感器， 它是靠 中间导杆的轴向位移来检测其轴向的直线位移。如 图4所示。 如何将阀芯旋转运动时的轴向位移准确的传递 至位移传感器的中间导杆是设计的难点， 因为它是一 种机械式的位移传感器， 不能像光位移传感器一样实 5 8 O 42 4 8 6●2 3 ‘4 4 4 3 3 3 3 g 睁 鲫 ∞ 4 3 ． ■弧一糟 机械研究与应 用 现无触点传感， 只能是通过采用机械转换机构将阀芯 位移转换过来。本设计采用了一种三螺纹联动的方 式传递运动 见图5 ， 即阀芯端部2的外螺纹 T r l 、 液 压阀阀盖 1 上的内螺纹 T r 3及螺纹轴套 3上内螺纹 Tr 2。 l{ 董 压碰螭照 2j 蕾 疰超鞠甚 箨 警 鼗 5直蛙位l咎惜I 謇 薅 图 5 三螺纹联动式的机械传递 直线位移传感器的机械传递机构为螺纹轴套与 传感器支架， 螺纹轴套内螺纹 T r2与阀芯端部的调节 螺纹 T r l 配合， 形成螺纹副； 传感器支架一端与螺纹 轴套螺纹连接固定， 一端与直线位移传感器导杆连 接。步进电机驱动阀芯顺时针转动时， 由于液压阀端 盖螺纹 T r 3固定不动 ， 阀芯螺纹 T r l以顺时针 旋 转并有 方向的轴向运动； 这样 T r l 螺纹作为螺纹 副当中的主动机构带动 T r 2 ， 从而使螺纹轴套相应产 生逆时针转动 并产生与 相反的轴向运动 ； 这样由于3 、 4之间采用刚性连接， 螺纹轴套的轴向运 动直接经 4 传递至直线位移传感器导杆， 从而实现对 阀芯位移的检测。 5 增量式数字阀的静态试验 增量式数字阀的静态试验原理图如图6 所示。 试验内容及测试结果汇总如下 1 泵最大流量 Q 3 0 L ／ mi n ， 压力 P O b a r ， 数 字阀出口直接接量杯， 脉冲数改变时， 测得流量数据 如图案所示。 从试验曲线可看出 阀口的面积梯度随着开口 增 大而减小， 控制精度随开口增大而增高； 由于系统背 压的存在 ， 会有一部分压力油从溢流阀回油箱及泄漏 的存在， 使得流经数字阀的的流量达不到最高流量。 2 泵最大流量 Q 4 2 L ／ m in ， 阀口 直接接量杯， 系统压力为背压力 P 2 b a r ， 脉冲数改变时， 测得流量 数据如图8 所示。 3 泵最大流量 Q 4 2 L ／ m i n ， 由于空载无法加 压测试， 故数字阀接通液压缸， 系统压力 P 3 0 b a r 时， 脉冲数改变时， 测得流量数据如图9 所示。 4 泵最大流量 Q 4 2 L ／ rai n ， 脉冲数 n 2 0 0 即 阀开 口0 ． 5 m m ， 接通液压缸 ， 压力改变时 ， 测得流量 数据如 图 1 0所示。 设计与制堵 回 f r L L 引 圜求 露 jIf 露⑧ ⑧ i l ④ O 3 B C O ／ R ② 图6 增量式数字阀静态试验原理图 1 。 液位液温计2 ． 吸油过滤器3 ． 空滤器4 ． 油箱5 ． 电机 6 ． 联轴器7 ． 变量柱塞泵8 ． 单向阀9 ． 压力过滤器l O ． 溢 流阀1 1 ． 换向阀l 2 ． 增量式数字阀l 3 ． 位移显示1 4 ． 量杯 1 5 ． 液压缸 3 O 譬 2 5 毒2 O 1 5 I o 聪 5 0 2 0 ／ ， j f ， ∞ 4 5 喜 2 5 薰 ’ O 4 t 4 一一 ／ 实I i 曲 线 ／ ／ ／ ， 白 跄 d l 城 ／ | ， _／ 图7 试验曲线一 图8 试验曲线二 4 0 4 5 孳 2 5 ’ 0 0 3 6 9 1 2 1 5 伯2 1 2 4 2 7 3 0 脉冲数”0 3 0 0 0 图9 试验曲线三 从图7 1 O的实验曲线分析看出， 所设计的增量 式数字液压阀满足前面提出的技术要求。 薹 幅 1 0 囊 图 1 O 试验曲线四 6 结论 流体控制系统数字技术的发展必是今后时代发 下转第8 8页 81 设计与制造 机械研 究与应用 化 ， 果穗干燥水 分平 均降水 速率仅 为 0 ． 1 1 0 ％ ， 而分 段烘干降水率为 1 ． 5 2 ％。 6 结论 1 分段烘干工艺的多用烘干系统根据玉米种 子含水率的不同， 对待烘种子采用大、 小循环变换的 方式进行烘干， 减少了因含水量的快速下降引起的籽 粒爆腰和烘糊， 提高了烘干均匀度， 缩短了谷层单向 受热时间， 能有效地保证种子烘干质量 和烘干效率。 2 采用分段烘干的多用烘干系统 ， 采用烘干果 穗和籽粒的多用系统， 提高烘仓的利用率； 烘干果穗 到一定的水分进行脱粒， 减少能源浪费， 降低生产成 本。 3 分段烘干工艺的多用烘干系统较一次烘干 工艺的系统， 在相同烘干条件下， 烘干时间缩短了4 2 小时， 平均降水速率每小时也 比一次干燥提高 4 ． 2 ％。提高了烘干效率和设备利用率。 参考文献 赵国福， 胡晓平， 任嘉宇， 等． 玉米种子干燥工艺的研究[ J ] ． 农 机化研究 ， 2 0 0 7 5 1 5 5 1 5 7 ． 李奇涵， 李任江， 冯伟东． 两级干燥工艺在玉米种子选用中的应 用[ J ] ． 吉林工学院学报， 2 0 0 2 ， 2 2 4 1 9 - 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