小型低功耗电磁插装阀研究

发布时间：2016-05-24 08:16

第一章  绪论

1.1  研究的背景与意义
目前国内的电磁先导式阀都是由电磁铁和液压阀构成，电磁铁由电磁铁元件厂专业生产，阀由液压元件制造公司生产，液压阀的设计者选用一种合适的电磁铁配需要设计的液压阀，这种分体式先导阀的优点是便宜；其不足之处是体积大，功耗高，在要求体积小、功耗低的电磁阀装备中不能应用，如军事车辆、深海装备、航空装备等领域。目前在这些领域应用的先导式阀大多是选用进口产品，如某军用车辆进口一支低功耗小型电磁插装阀要 6000 元，不但价格高，供货时间长，而且一旦国外不同意进口，整个装备就没有办法生产。因此国内急需开发电磁铁和阀集成一体的小型低功耗电磁插装阀。国外研制电磁插装阀的公司主要有Rexroth Bosch  公司、HYDAC 公司、Magnet schultz 公司、parker 公司和 hydraforce公司，其中 Rexroth  Bosch  公司、parker 公司是世界知名的大型液压件供应商，这两家公司在我国液压领域占有很大的份额，也有专门开发小型低功耗电磁插装阀的公司，如 Magnet  schultz 公司本来是供应电磁铁产品的一家公司，利用其小型电磁铁开发经验，最近几年开发了一系列小型低功耗电磁插装阀供应市场。hydraforce 公司也是一家主要开发小型电磁电磁插装阀的公司。同时，国外公司能够根据用户需求，供应系列成套的产品。 国内飞机上应用的小型低功耗电磁插装阀主要是引进前苏联的技术，在飞机定型时确定阀的结构和技术要求，由专业生产企业组织生产，如***液压机械公司就是一家专门从事航空液压件生产的企业。目前国内还没有一家企业开发比较通用的小型低功耗电磁插装阀，大部分都是依靠国外进口产品，主要原因是设计研究难度大，加工精度要求高，国内军工装备定型后难以更改，市场难以打开等，但是一直依靠国外的进口产品，不仅花费高，耗时高，而且非常被动。为了解决这一问题，本文将设计研究一种小型低功耗的电磁插装阀，为促进电磁铁和阀集成一体的小型低功耗电磁插装阀的国产化做出贡献。 
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1.2 电磁插装阀国内外研究现状
目前国内小型低功耗电磁插装阀的技术水平与国外相差较大，还没有相关的成熟产品，基本依赖进口，相比之下国外相关的技术则成熟很多。目前，国外知名液压元件生产制造厂商，如 hydraforce、hydac、parker 和 eaton 等公司生产的小型低功耗电磁插装阀性能及技术水平在国际上处于领先地位，它们在国际市场上占有较大的销售份额。因此对于一些中高端的电磁插装阀的技术参数及结构他们都采取了保密措施，只公布了一些比较通用的电磁插装阀的技术参数及结构。 图 1.1 所示为 Hydraforce 公司[1]生产的 SV08-20：电磁铁的衔铁和铁芯采用锥面的接触结构，中间安加复位弹簧，采用阀芯一端直接嵌插在衔铁内，通过衔铁的动作直接带动阀芯的移动，实现电磁铁和阀集成一体化，电磁插装阀的工作压力为 20.7MPa，在压差为 0.69MPa 时，，最大流量为 30L/min，电磁铁通电、断电响应时间分别为 40ms  、46ms，在工作压力为 20.7MPa 时的内部泄漏量为0.15ml/min，工作温度为-40°~120℃，总长为 93mm，安装孔总长（插装阀插入阀块的长度）为 27.7mm，直径为 13mm。 图 1.2 所示为 Vickers 公司[2]生产的 SV165-8-C/CM：该电磁插装阀电磁铁结构与上述的 Hydraforce 公司电磁插装阀电磁铁结构基本相同，该电磁插装阀的工作压力为 21MPa，在压差为 0.65MPa 时，额定流量为 37L/min，内部泄漏量（port2 to  port1）为 5drops/min，工作温度为-40°~100℃，总长为 86mm，安装孔总长27.6mm，直径为 12.6mm。 
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第二章  电磁插装阀结构参数设计计算 

2.1 电磁插装阀的主要性能要求 
电磁插装阀作为液压阀的一种，其种类和功能繁多，广泛应用在工程机械的各个领域。本文将研究设计一种用在综合传动装置换挡系统中的小型低功耗二位三通电磁插装阀，如图 2.1 所示。二位三通是指电磁插装阀在正常工作时阀芯有左、右两个工作位置和三条通道（A、P、T）。阀体外型是一个台阶型圆柱，在两个台阶型圆柱的侧面开有两个直径型同的圆柱通道即工作油口 A 和回油口 T。阀体上端开有一圆柱孔安放阀座，阀座内的圆柱型孔即为进油口 P。阀座的下端紧接着球阀，球阀的下端紧接着推杆，推杆下端链接的是一个电磁铁，电磁铁的衔铁内安有一个弹簧。当电磁铁未通电时，在弹簧的作用下，推杆将球阀压紧在阀座上，关闭了 P-A 通道，打开了 A-T 通道。当电磁铁通电时，衔铁向铁芯吸合，通道 P 内油液产生的推力推动球阀向下移动并压紧在阀体流道的锥面上，关闭了A-T 通道，打开了 P-A 通道。通过插装阀通道的启闭来控制油缸的结合顺序，实现综合传动装置中的换挡功能。 
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2.2  阀的主要结构尺寸设计与计算 
阀芯作为电磁阀的核心零件，其结构参数对电磁阀性能的影响至关重要。就阀芯结构型式而言，液压系统中的阀芯结构有三种：滑阀、锥阀、球阀。 滑阀式阀芯易于实现多路控制，工作、动作可靠，工艺性好，操纵力小，制造简单，但是由于其阀芯与阀体之间有间隙，密封性能没有锥阀和球阀好，另外，由于其阀芯与阀套的配合长度较长，摩擦力大，易于出现液压卡紧现象。 锥阀式阀芯具有密封性能好，动作灵敏，阀口开启时无死区，阀芯锥面的导向性好，动作平稳等优点。另外，锥阀能完全切断油路，对油液中赃物的敏感性小，结构简单。一般用于大通径。但是其对工艺方面的要求比较严格，容易出现卡滞现象，且对阀芯锥面必须进行精磨加工。 球阀式阀芯具有结构紧凑，安装尺寸小、材料耗用少，并且驱动力矩小、流阻小、制造工艺简单，操作和维修方便，工作介质在双面上密封可靠，具有最低的流阻，能实现快速启闭并且操作无冲击，由于其特殊的球型结构，能在位置上实现自动定位且能很好地承受来自管道的应力。一般多用于低压小通径。 综上所述，本文研究的二位三通电磁插装阀选用球阀式阀芯结构。 
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第三章  基于 Ansoft 的电磁铁仿真分析 ...........   31 
3.1 电磁铁静态仿真 ......   32  
3.1.1 电磁铁静态模型的建立及参数设置 ......   32  
3.1.2 关键结构参数对电磁铁静态特性影响的仿真分析 .......   34  
3.2 电磁铁动态仿真 ......   47  
3.3 本章小结 ..........   53  
第四章  电磁插装阀的试验研究 ..........   55 
4.1 电磁铁试验研究 ......   56  
4.1.1 电磁铁的静态特性试验 ........   56  
4.1.2 电磁铁的动态特性试验 ........   58  
4.2 插装阀性能试验研究 .......   60  
4.2.1 压差—流量特性试验 ....   60  
4.2.2 压力响应时间特性试验 ........   63  
4.3 本章小结 ..........   65  
第五章  总结与展望 ........   67 
5.1 全文结论 ..........   67  
5.2 研究不足及后续工作 .......   68  

第四章  电磁插装阀的试验研究

本文研究的是小型低功耗电磁插装阀。在第二章通过运用电磁铁设计理论和液压换向阀设计理论计算得到了电磁插装阀的初始结构参数，对于电磁插装阀的电磁铁初始结构参数的优化、初始设计中无法计算的、不确定的电磁铁结构，通过 Ansoft Maxwell 有限元仿真软件进行选取、改进。对于电磁插装阀的阀体结构的初始结构参数，由于时间的有限，将不再对其进行仿真分析。为了验证电磁插装阀参数设置的正确性、合理性，加工制造出电磁插装阀试验样机并进行试验。为了节约成本，简化加工工艺，将试验样机的电磁铁外壳两端及阀体下端面制作成圆盘，用螺栓将电磁铁外壳上端圆盘与阀体下端圆盘连接起来，同理，用螺栓将电磁铁的外壳下端圆盘和法兰盘连接起来。两种螺栓连接将电磁铁和插装阀连成一块，一起构成电磁插装阀试验样机。本节将利用自主研制的电磁铁特性测试试验台对直流电磁铁试验样机进行静态和动态性能测试，并将试验测得的结果和仿真得到的结果进行对比分析。表 4.1为直流电磁铁试验样机结构参数表。

 

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结论

本文以综合传动装置换挡系统中电磁插装阀为研究对象，分析了电磁插装阀的国内外发展状况。根据电磁插装阀的性能要求，设计了直流湿式电磁铁和二位三通插装阀结构，基于 Ansoft Maxwell 仿真软件对电磁铁进行仿真分析，确定结构，最后将电磁插装阀加工成试验样机进行试验，得出结论。具体内容如下： 
1、根据性能指标要求和有关标准规定，对功耗为 8W 的电磁插装阀的结构进行了初步设计计算。根据电磁铁设计理论确定了电磁铁线圈电阻、安匝数等关键参数。根据液压换向阀设计理论确定了二位三通插装阀结构和关键参数。   
2、基于电磁铁初步设计结果，利用 Ansoft Maxwell 仿真软件建立了电磁铁二维仿真模型。对电磁铁隔磁套结构、厚度和衔铁结构参数进行仿真分析并根据分析结果对电磁铁进行了改进，最后将改进后的电磁铁进行动静态特性的仿真分析，得出结论。 （1）隔磁套厚度对衔铁电磁吸力的影响微乎其微。 （2）整体式隔磁套结构和三段式衔铁套管结构都能满足初始位置 1.2mm 处获得初始电磁吸力 30N 的要求，但是为了简化制造工艺，减小尺寸，采用整体式隔磁套结构。 （3）凸台型和圆锥型衔铁结构都能获得比平面型衔铁结构更平稳的位移-力特性。为了简化制造工艺、减少冲击，设计衔铁端部结构为凸台型。 （4）改进后的电磁铁能满足初始位置 1.2mm 处获得初始电磁吸力 30N 的性能要求，且整个行程中位移-力特性比较平缓，冲击小。 （5）通过对电磁铁的动态特性仿真，得出该电磁铁的吸合动作时间为 24ms，释放动作时间为 39ms，最大工作电流为 0.32A，最大动态电磁铁吸力为 111.2N。该电磁铁动态响应时间短、速度快，吸力平稳，动态性能好。
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参考文献(略) 

本文编号：48998