前言液壓技術(shù)作為一門新興應(yīng)用學(xué)科，雖然歷史較短，發(fā)展的速度卻非常驚人。液壓設(shè)備能傳遞很大的力或力矩，單位功率重量輕，結(jié)構(gòu)尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸僅為直流電機(jī)的左右；反應(yīng)速度快、準(zhǔn)、穩(wěn)；又能在大范圍內(nèi)方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速；易實(shí)現(xiàn)功率放大；易進(jìn)行過(guò)載保護(hù)；能自動(dòng)潤(rùn)滑，壽命長(zhǎng)，制造成本較低。因此，世界各國(guó)均已廣泛地應(yīng)用在鍛壓機(jī)械、工程機(jī)械、機(jī)床工業(yè)、汽車工業(yè)、冶金工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶交通、鐵道車輛和飛機(jī)、坦克、導(dǎo)彈、火箭、雷達(dá)等國(guó)防工業(yè)中。溢流閥作為液壓元件之一，在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)講述了液壓件的分類，工作原理以及在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用，并進(jìn)行溢流閥的設(shè)計(jì)以及對(duì)其性能做簡(jiǎn)單的分析。由于時(shí)間和水平有限，設(shè)計(jì)中難免處在缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，請(qǐng)老師批評(píng)指正。1緒論液壓技術(shù)作為一門新興應(yīng)用學(xué)科，雖然歷史較短，發(fā)展的速度卻非常驚人。液壓設(shè)備能傳遞很大的力或力矩，單位功率重量輕，結(jié)構(gòu)尺寸小，在同等功率下，其重量的尺寸僅為直流電機(jī)的左右；反應(yīng)速度快、準(zhǔn)、穩(wěn)；又能在大范圍內(nèi)方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速；易實(shí)現(xiàn)功率放大；易進(jìn)行過(guò)載保護(hù)；能自動(dòng)潤(rùn)滑，壽命長(zhǎng)，制造成本較低。因此，世界各國(guó)均已廣泛地應(yīng)用在鍛壓機(jī)械、工程機(jī)械、機(jī)床工業(yè)、汽車工業(yè)、冶金工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、船舶交通、鐵道車輛和飛機(jī)、坦克、導(dǎo)彈、火箭、雷達(dá)等國(guó)防工業(yè)中。液壓傳動(dòng)設(shè)備一般由四大元件組成，即動(dòng)力元件液壓泵；執(zhí)行元件液壓缸和液壓馬達(dá)；控制元件各種液壓閥；輔助元件油箱、蓄能器等。液壓閥的功用是控制液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的油流方向，壓力和流量；實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)動(dòng)作以控制、實(shí)施整個(gè)液壓系統(tǒng)及設(shè)備的全部工作功能。1.1 液壓技術(shù)的發(fā)展歷史液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)稱為流體傳動(dòng)，是根據(jù) 17 世紀(jì)帕斯卡 提 出的液體靜壓力傳 動(dòng) 原 理 而發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣為應(yīng)用的一門技術(shù)。如今，流體傳動(dòng)技術(shù)水平的高低已成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的 重要 標(biāo)志。 1795 年英國(guó)約瑟夫布拉曼 (Joseph Braman,1749 - 1814) ，在倫敦用水作為工作介質(zhì) , 以水壓機(jī)的形式將其應(yīng)用于工業(yè)上 , 誕生了世界上第一臺(tái)水壓機(jī)。 1905 年將工作 介質(zhì)水改為油,又進(jìn)一步得到改善。 第一次世界大戰(zhàn) (1914 - 1918) 后液壓傳動(dòng)廣泛應(yīng)用 , 特別是 1920 年以后 , 發(fā)展更為 迅速。液壓元件大約在 19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初的 20 年間 , 才開始進(jìn)入正規(guī)的工業(yè)生產(chǎn)階段。 1925 年維克斯 (F.Vikers) 發(fā)明了壓力平衡式葉片泵 , 為近代液壓元件工業(yè)或液壓傳動(dòng) 的逐步建立奠定了基礎(chǔ)。 20 世紀(jì)初康斯坦丁尼斯克 (G Constantimsco) 對(duì)能量波動(dòng)傳遞所進(jìn)行的理論及實(shí)際研究 ;1910 年對(duì)液力傳動(dòng) ( 液力聯(lián)軸節(jié)、液力變矩器等 ) 方面的貢獻(xiàn)，使這兩方面領(lǐng)域得到了發(fā)展。 第二次世界大戰(zhàn) (1941 - 1945) 期間 , 在美國(guó)機(jī)床中有 30% 應(yīng)用了液壓傳動(dòng)。 應(yīng)該指出 , 日本液壓傳動(dòng)的發(fā)展較歐美等國(guó)家晚了近 20 多年。在 1955 年前后 , 日本迅速發(fā)展液壓傳動(dòng) ,1956 年成立了 “ 液壓工業(yè)會(huì) ” 。近 2030 年間，日本液壓傳動(dòng)發(fā)展之快，屆世界領(lǐng)先地位。1.2 我國(guó)液壓閥技術(shù)的發(fā)展概況我國(guó)的液壓工業(yè)及液壓閥的制造，起始于第一個(gè)五年計(jì)劃（19531957年），期間，由于機(jī)床制造工業(yè)發(fā)展的迫切需求，50年代初期，上海機(jī)床廠、天津液壓件廠仿造了蘇聯(lián)的各類低壓泵、閥。隨后，以廣州機(jī)床研究所為主，在引進(jìn)消化國(guó)外中低壓元件制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)了公稱壓力為2.5MPa和6.3MPa的中低壓液壓閥系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱廣州型），并迅速投入大批量生產(chǎn)。60年代初期，為適應(yīng)液壓工程機(jī)械從中低壓向高壓方向的發(fā)展，以山西榆次液壓件廠為主，引進(jìn)了日本油研公司的公稱壓力為21MPa的中高壓液壓閥系列，以及全部加工技術(shù)和制造、試驗(yàn)設(shè)備，并據(jù)此發(fā)展、設(shè)計(jì)成我國(guó)的中高壓液壓閃系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱榆次型）。1968年，當(dāng)時(shí)的一機(jī)部組織有關(guān)單位，在公稱壓力21MPa液壓閥的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了我國(guó)一套公稱壓力為31.5MPa的高壓閥系列，并投入批量生產(chǎn)。為使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化，我國(guó)于1973年再次組成“液壓閥聯(lián)合設(shè)計(jì)組”，在總結(jié)國(guó)產(chǎn)高壓閥設(shè)計(jì)、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借鑒了國(guó)外同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，性能、工藝特點(diǎn)，又增補(bǔ)了多種規(guī)格和新品種，并使國(guó)產(chǎn)閥的安裝連接尺寸首次符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。并于1977年正式完成了公稱壓力為31.MPa的高壓閥新系列的設(shè)計(jì)。1978年起，通過(guò)全系列圖紙的審查、試制、鑒定等工作，并在全國(guó)推廣使用。1982年，通過(guò)了全系列的定型工作。故上述產(chǎn)品簡(jiǎn)稱為“82年聯(lián)合設(shè)計(jì)型高壓液壓閥系列”。為適應(yīng)高壓、大流量的液壓傳動(dòng)要求，濟(jì)南鑄鍛研究所、上海704研究所和北京冶金液壓機(jī)械廠等單位，自1976年開始，還引進(jìn)、消化和研制了二通插裝閥（簡(jiǎn)稱CV閥），并在80年代初期，完成了自己的系列。二通插裝閥作為不同于常規(guī)閥的另一類液壓閥類，也正在開拓著它的使用范圍。此外，隨著組合機(jī)床在機(jī)械制造行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，1975年，大連組合機(jī)床研究引進(jìn)、消化、吸收和研制了疊加式液壓閥。建國(guó)以來(lái)，我國(guó)液壓行業(yè)及液壓閥的制造生產(chǎn)，從無(wú)到有，發(fā)展很快，取得了巨大的成績(jī)。但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，品種和性能指標(biāo)還有較大差距。為了提高我國(guó)液壓行業(yè)的綜合素質(zhì)，國(guó)家機(jī)械部制定了以下調(diào)整原則：A類重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品（包括國(guó)產(chǎn)的電液伺服閥、比例閥和數(shù)字控制閥以及引進(jìn)、消化德國(guó)力士樂公司的壓力為21、35、63MPa，通徑為的三大類液壓閥和我國(guó)自行開發(fā)的疊加閥、插裝閥及GE系列閥等）；B類允許保留和過(guò)渡產(chǎn)品（包括目前應(yīng)用面廣、市場(chǎng)需求最大，一時(shí)尚無(wú)替代產(chǎn)品；國(guó)內(nèi)70年代、80年代開發(fā)的，現(xiàn)在已成為主導(dǎo)產(chǎn)品，雖然技術(shù)上達(dá)不到國(guó)際80年代水平，但需要保留一段時(shí)間的產(chǎn)品。）C類限制發(fā)展和逐步淘汰產(chǎn)品。（指水平低，性能差，耗能耗材的產(chǎn)品，不符合標(biāo)準(zhǔn)的落后產(chǎn)品，不符合標(biāo)準(zhǔn)的老產(chǎn)品，具體指我國(guó)50、60年代設(shè)計(jì)的廣州型中低壓系列，及與之相仿的早期產(chǎn)品。）1.3 本設(shè)計(jì)的目的及范圍 作為工科類院校，特別是機(jī)械專業(yè)，液壓技術(shù)是一門必不可少的課程。本課將重點(diǎn)對(duì)溢流閥部分設(shè)計(jì)及分析，主要研究對(duì)象為溢流閥，對(duì)溢流閥部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后，針對(duì)溢流閥的理論研究進(jìn)行討論，內(nèi)容包括溢流閥的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、以及靜態(tài)性能的分析等。2壓力控制閥的分類與型號(hào) 液壓系統(tǒng)中，用來(lái)控制系統(tǒng)的壓力、流量和液流方向的元件均稱為液壓控制閥，簡(jiǎn)稱液壓閥。液壓閥品種繁多，規(guī)格復(fù)雜，按工作原理可劃分為以下幾種： 通斷式控制元件（即開關(guān)或定值控制閥）：這是常用的一類液壓閥，又稱普通液壓閥。 伺服式控制元件：壓力伺服閥、流量伺服閥等。 比例式控制元件：比例壓力閥、比例流量閥和比例方向閥等。 在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，液流的壓力是最基本的參數(shù)之一，執(zhí)行元件的輸出力或輸出扭矩的大小，主要由供給的液壓力所決定。為了對(duì)油液壓力進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)和提高系統(tǒng)的穩(wěn)壓、保壓、減壓、調(diào)壓等性能或利用壓力變化實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的順序動(dòng)作等，根據(jù)油液壓力和控制機(jī)構(gòu)彈簧力相平衡的工作原理，人們?cè)O(shè)計(jì)制造了各種壓力控制閥。常見種類如下：圖2-1壓力控制閥的分類Fig.2-1 The classification of the pressure control valve3 溢流閥3.1 溢流閥的分類溢流閥的基本功用是：當(dāng)系統(tǒng)的壓力達(dá)到或超過(guò)溢流閥的調(diào)定壓力時(shí)，系統(tǒng)的油液通過(guò)閥口溢出一些，以維持系統(tǒng)壓力近于恒定，防止系統(tǒng)壓力過(guò)載，保障泵、閥和系統(tǒng)的安全，此時(shí)的溢流閥常稱為安全閥或限壓閥。溢流閥的根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)型和先導(dǎo)型兩種。3.1.1直動(dòng)型溢流閥圖3-1 直動(dòng)型溢流閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3-1 Direct action-type relief valve structure diagram （a）錐閥式 (b)球閥式 (c)滑閥式 (d)溢流閥的基本符號(hào) 1-調(diào)壓螺栓 2-彈簧 3-閥芯 4-閥體（含閥座） 錐閥式和球閥式又叫座閥式溢流閥，特點(diǎn)是動(dòng)作靈敏，密封性能好，配合沒有泄漏間隙，但導(dǎo)向性差，沖擊性較強(qiáng)，閥座閥芯易損壞?；y式由于閥口有一段密封搭合量，穩(wěn)定性較好，不易產(chǎn)生自激振動(dòng)，但動(dòng)作反應(yīng)較慢。下面以錐閥式DBD直動(dòng)型溢流閥為例說(shuō)時(shí)其工作原理：圖3-2 錐閥式DBD直動(dòng)型溢流閥（插裝式）Fig.3-2 Valve cone straight DBD-type relief valve (cartridge type)（a）結(jié)構(gòu)圖 （b）局部放大圖 （c）簡(jiǎn)化符號(hào) （d）詳細(xì)符號(hào)1-偏流盤 2-錐閥 3-阻尼活塞 4-調(diào)節(jié)桿 5-調(diào)壓彈簧 6-閥套 7-閥座（1）工作原理: 設(shè)彈簧預(yù)緊力為,活塞底部面積為A則：當(dāng)時(shí),閥口關(guān)閉。當(dāng)時(shí),閥口即將打開,此時(shí), , (開啟壓力)當(dāng)時(shí),閥口打開,穩(wěn)壓溢流或安全保護(hù)。 錐閥開啟后,得錐閥的力平衡方程為： 即： （3-1）式中 ： 、分別為彈簧剛度和預(yù)壓縮量（）;為閥芯自重（水平時(shí)不考慮）; 為閥芯與閥套間的摩擦力（）；為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力（）；為射流力()。此處 , （3-2）（2） 調(diào)壓原理：調(diào)節(jié)調(diào)壓螺帽改變彈簧預(yù)壓縮量,便可調(diào)節(jié)溢流閥調(diào)整壓力。（3） 特點(diǎn)：從式（3-2）可知這種閥的進(jìn)口壓力不受流量變化的影響,被控力變化很小,定壓精度高。但由于直接與平衡,若較高,較大時(shí),就相應(yīng)地較大,不但手調(diào)困難,且略有變化,變化較大,所以一般用于低壓小流量場(chǎng)合。3.1.2先導(dǎo)式溢流閥 先導(dǎo)閥 -直動(dòng)式錐閥，硬彈簧。（1）組成 : 帶有導(dǎo)向圓錐面的錐閥（二級(jí)同心式）和軟彈簧 主閥 滑閥和軟彈簧。 帶有多節(jié)導(dǎo)向圓錐面的錐閥（三級(jí)同心式）和軟彈簧圖3-3 YF型三節(jié)同心先導(dǎo)溢流閥（板式）Fig.3-3 YF 3-type pilot relief valve concentric (plate)1、閥體 2、主閥座 3、主閥芯 4、先導(dǎo)閥蓋5、先導(dǎo)閥座 6、先導(dǎo)閥錐式閥芯 7、調(diào)壓彈簧 8、調(diào)節(jié)桿 9、調(diào)壓螺栓 10、手輪 11、主閥彈簧先導(dǎo)型溢流閥的先導(dǎo)閥是一個(gè)小規(guī)格的錐閥式直動(dòng)溢流閥，其彈簧用于調(diào)定主閥部分的溢流壓力。主閥的彈簧不起調(diào)壓作用，僅是為了克服摩擦力使主閥芯及時(shí)回位而設(shè)置。(2) 工作原理：設(shè)為先導(dǎo)閥閥座孔面積（）,、為先導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力、剛度,、為主閥彈簧預(yù)緊力、自重、摩擦力、剛度。當(dāng)時(shí),導(dǎo)閥關(guān)閉,主閥也關(guān)閉。當(dāng)時(shí),導(dǎo)閥打開,主閥兩端產(chǎn)生壓差:當(dāng) 時(shí),主閥關(guān)閉。時(shí),主閥打開穩(wěn)壓溢流或安全保護(hù)。得主閥芯和導(dǎo)閥的力平衡方程分別為：由上兩式可得溢流閥進(jìn)口壓力為： （）（3-3）調(diào)壓原理：調(diào)節(jié)調(diào)壓螺帽,改變硬彈簧力,即可改變壓力。特點(diǎn): 溢流閥穩(wěn)定工作時(shí),主閥閥芯上部壓力小于下部壓力。 即使下部壓力較大,因有上部壓力,彈簧可做得較軟,流量變化引起閥心位置變化時(shí),彈簧力的變化量較小,壓力變化小。 又 調(diào)壓彈簧調(diào)好后,上部壓力為常數(shù)。 壓力隨流量變化較小,克服了直動(dòng)式溢流閥的缺點(diǎn)。 還 先導(dǎo)閥的溢流量?jī)H為主閥額定流量的1%左右 先導(dǎo)閥閥座孔的面積、開口量、調(diào)壓彈簧剛度都不必很大 先導(dǎo)型溢流閥廣泛用于高壓、大流量場(chǎng)合。3.2溢流閥的主要性能3.2.1 靜態(tài)特性：（1）壓力調(diào)節(jié)范圍定義：調(diào)壓彈簧在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)壓力平穩(wěn)（壓力無(wú)突跳及遲滯現(xiàn)象）上升或下降最大和最小調(diào)定壓力差值。（2）啟閉特性定義：溢流閥從開啟到閉合全過(guò)程的被控壓力與通過(guò)溢流閥的溢流量之間的關(guān)系。 一般用溢流閥處于額定流量、額定壓力時(shí)，開始溢流的開啟壓力和停止溢流的閉合壓力分別與的百分比來(lái)表示。開啟壓力比： 閉合壓力比： 兩者越大及越接近,溢流閥的啟閉特性越好。一般規(guī)定：開啟壓力比應(yīng)不小于，閉合壓力比應(yīng)不小于，其靜態(tài)特性較好。(3) 卸荷壓力：當(dāng)溢流閥作卸荷閥用時(shí)，額定流量下進(jìn)、出油口的壓力差稱為卸荷壓力。(4) 最大允許流量和最小穩(wěn)定流量：溢流閥在最大允許流量（即額定流量）下工作時(shí)應(yīng)無(wú)噪聲。(5) 靜態(tài)特性關(guān)系式先導(dǎo)型溢流閥在穩(wěn)態(tài)溢流條件下，滿足下列關(guān)系式：A.主閥口出流方程式為（） （3-4）式中，為受控壓力（），油液密度（）,主閥的半錐角，主閥座。其他參數(shù)意義同前。B.主閥芯受力平衡方程式： （） （3-5）式中，開啟時(shí)取正號(hào)，閉合時(shí)取負(fù)號(hào)；其余參數(shù)意義同前。C. 通過(guò)主閥芯阻尼孔的流量方程式：阻尼孔結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)孔，其流量 () （3-6）9