毕业设计论文高压单向阀设计.docx
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毕业设计论文高压单向阀设计
常州信息职业技术学院
学生毕业设计（论文）报告
系别：
机电工程学院
专业：
机电一体化
班号：
机电122
学生姓名：
学生学号：
设计（论文）题目：
高压单向阀设计
指导教师：
设计地点：
常州信息职业技术学院
起迄日期：
2014年6月—2014年11月
毕业设计（论文）任务书
专业机电一体化班级机电122姓名
一、课题名称：
高压单向阀设计
二、主要技术指标：
高压单向阀为I型结构；使用压力最高60Mpa,；流量最大20升/min；适用于乳化液以及液压油介质。
三、工作内容和要求：
选择阀体材料；选择阀口型式；计算阀口流量；计算阀口关闭状态时的材料比压；画出阀装配图以及零件图。
四、主要参考文献：
[1]苏沛群，吕扶才等.液压与气动技术，成都：
电子科技大学出版社，2008.
[2]周正元，赖华轻等.机械制造基础，成都：
电子科技大学出版社，2008.
[3]林建亚，何存兴.液压元件,北京：
清华大学出版社，2012.
[4]雷天觉.液压工程手册,北京：
机械工业出版社，2010.
学生（签名）年月日
指导教师（签名）年月日
教研室主任（签名）年月日
系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目
高压单向阀设计
一、选题的背景和意义：
一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。
控制元件在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。
根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。
其中方向控制阀中最常用的其中之一为单向阀。
单向阀用于液压系统中防止油液反向流动，通常安装在液压系统中的液压泵出油口处，防止油泵因突然停转造成油液倒流而产生的冲击。
此外，单向阀还可以与节流阀、顺序阀、减压阀、等组合成单向节流阀、单向顺序阀和单向减压阀。
然而，随着科技水平的不断提高，机械化程度越来越高，机械解放了人类的双手的同时也带来了一些难题。
一些体积大，重量大的物品需要用大型设备运送，传统的液压系统根本没有办法在重载大型设备中应用，所以，必须重新设计出一些能够承受较大载荷的液压元件用在液压系统中。
因此高压单向阀的研究就必不可少了。
二、课题研究的主要内容：
高压单向阀的阀体材料的选择，选择阀口形式，计算阀口流量，计算阀口关闭时的材料比压，画出阀装配图以及零件图。
三、主要研究（设计）方法论述：
1.文献研究法：
根据课题，去图书馆、网络查询相关高压单向阀的资料。
2.探索性研究法：
单向阀原理结构非常简单，本次课题主要锻炼我们的创新能力。
3.描述性研究法：
根据本人所学的液压基本知识，完成高压单向阀设计课题
四、设计（论文）进度安排：
时间（迄止日期）
工作内容
确定设计题目，制作任务书，了解学习相关内容
熟悉工作内容，查阅资料，撰写开题报告
列出提纲，整理思路
绘制装配图及零件图
分析计算，检验是否符合要求
完成初稿
修改初稿
2014.10~2014.11
完成终稿，准备答辩
五、指导教师意见：
指导教师签名：
年月日
六、系部意见：
系主任签名：
年月日
高压单向阀设计
摘要…………………………………………………………..…………..….….Ⅰ
Abstract……………………………………………………..………….….…...Ⅱ
第1章前言…………………………………………………………..….…….1
1.1液压传动的优点…………………………………………………………1
1.2液压传动的应用及发展…………………………………………………1
1.3单向阀在液压中担当的角色……………………………………………2
1.4单向阀使用注意事项……………………………………………………2
第2章高压单向阀阀体材料…………………………………………...…….3
2.1碳素钢的类型以及性能…………………………………………………3
2.245号钢的基本介绍...………………………………………….….…….3
2.345号钢的热处理…………...…………………………….…….……….3
2.445号钢的力学性能……………………………………………….……..4
第3章高压单向阀阀口的设计...……………………………………...……..5
3.1阀口的类型以及特点……………………………………………………5
3.2阀口选择…………………………………………………………………6
第4章计算阀口流量……………………………………………..……..……7
4.1阀口流量计算分析……………………..…………………………….....7
4.2计算阀口流量………………………………………………………..….8
第5章阀口关闭时的材料比压…………………………………………….…9
5.1材料比压介绍…………………...………………………………………9
5.2计算材料比压…………………………...………………………………10
第6章结束语…………………………………………………………………11
参考文献
答谢辞
附录
摘要
本课题是设计液压系统中最基础的一个液压元件——高压单向阀。
本课题设计的高压单向阀采用了I型结构，该结构是目前最流行的一种单向阀的结构。
该单向阀的最大使用压力为60MPa，属于高压单向阀的系列。
允许最大介质的流量为20升/min。
本课题选择单向阀的阀口形式为环缝形式，大多数单向阀均采用此阀口形式。
该高压单向阀要适用于液压油以及乳化液介质，所以阀芯的材料应该选择为轴承钢，阀体的材料适用最常见的45号钢。
该课题还包含了该设计的相关图纸以及装配图。
关键词：
单向阀；介质；环缝
Abstract
Thistopicisamostbasicdesignofhydrauliccomponentsinthehydraulicsystem--highpressurecheckvalve.HighpressurecheckvalvedesignedinthisthesisusesItypestructure,thestructureisaone-wayvalveisthemostpopular.Maximumworkingpressureoftheone-wayvalveis60MPa,belongtotheranksofhighpressurecheckvalve.Maximumpermissibleliquidflowrateof20l/min.Thetopicchosenvalveone-wayvalvefortheringseamform,mostone-wayvalvesareusedthisvalve.Thehighpressureoftheone-wayvalveisapplicabletothehydraulicoilandemulsionliquid,sothespoolmaterialsshouldbeselectedforbearingsteel,thevalvebodymaterialforthemostcommon45steel.Theprojectalsoincludesthedesignoftherelevantdrawingsandassemblydrawings.Thepaperfinallyhascarriedonthesummaryofthewholedesign,theissueaccordingtothereferenceandtheimplementationofrelevantnationalstandardsandnorms.
Keywords:
theone-wayvalve；liquid；ringseaml
第1章前言
1.1液压传动的优点
液压元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性，能构成用其他方法难以组成的复杂系统在同等体积下，液压装置能产生出更大的动力，也就是说，在同等功率下，液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑，即：
它具有大的功率密度或力密度，力密度在这里指工作压力。
液压元件属于机械工业基础件，系列化、标准化和通用化程度较高，有利于缩短机器的设计、制造周期和降低制造成本。
液压传动均匀平稳，换向冲击小，易于实现快速启动、制动和频繁换向。
液压装置易于实现自动化，可以方便地对液体的流向、压力和流量进行调节和控制，并能很容易地和电气、电子控制或气压传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作。
液压装置易于实现过载保护，能实现自润滑，使用寿命长。
液压装置容易做到对速度的无级调节，而且调速范围大，可以达到2000:
1，对速度的调节还可以在工作过程中进行。
1.2液压传动的应用及发展
如今，液压传动被广泛应用在社会生产、医疗科技、交通运输等领域中，在各行业中的应用见表1-1：
表1-1液压传动的应用
一般工业用液压系统
塑料加工机械（注塑机）、压力机械（锻压机）、重型机械（废钢压块机）、机床（全自动转塔车床、平面磨床）等。
行走机械用液压系统
工程机械（挖掘机）、起重机械（汽车吊）、建筑机械（打桩机）、农业机械（联合收割机）、汽车（转向器、减振器）等。
钢铁工业用液压系统
冶金机械（轧钢机）、提升装置（电极升降机）、轧辊调整装置等。
土木工程用液压系统
防洪闸门及堤坝装置（浪潮防护挡板）、河床升降装置、桥梁操纵结构和矿山机械（凿岩机）等。
发电厂用液压系统
涡轮机（调速装置）、核发电厂等。
特殊技术用液压系统
巨型天线控制装置、测量浮标、飞行器仿真台、升降旋转舞台等。
船舶用液压装置
甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等。
军事工业用液压系统
火炮操纵装置、舰船减摇装置、飞机起落架的收放装置及方向舵控制装置等。
目前，液压在实现高压、高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、小型化与轻量化、一体化、执行件柔性化等方面取得了很大的进展。
同时，由于它与微电子技术密切结合，能在尽可能小的空间内传递出尽可能大的功率并加以准确地控制，从而更使得它在各行各业中发挥出了巨大的作用。
1.3单向阀在液压中担当的角色
10用于系统回油路
1.4单向阀使用注意事项
1.正常工作时,单向阀的工作压力要低于单向阀的额定工作压力;通过单向阀的流量要在其通径允许的额定流量范围之内,并且应不产生较大的压力损失。
2.单向阀的开启压力在满足系统功能要求的情况下应尽量低,以减小压力损失;而作背压功能的单向阀,其开启压力较高,通常由背压值确定。
3.对于普通单向阀,安装时要认清进、出油口的方向,否则会影响液压系统的正常工作。
特别是单向阀用在泵的出口,如反向安装可能损坏泵或烧坏电机。
4.对于液控单向阀,应注意控制压力是否满足反向开启的要求。
如果液控单向阀的控制引自主系统时,则要分析主系统压力的变化对控制油路压力的影响,以免出现液控单向阀的误动作。
5.应合理选用内泄式和外泄式液控单向阀。
对于内泄式液控单向阀来说,当反向油出口压力超过一定值时,液控部分将失去控制作用,在这种情况下,应改用外部泄油的液控单向阀。
第2章高压单向阀的阀体材料
2.1碳素钢的类型以及性能
08F钢是一种含碳量很低的沸腾钢，强度很低，塑性很好。
主要用于制造冷冲压零件，如汽车和仪器仪表的外壳、容器、罩子等。
15、20钢属于低碳钢，强度、硬度较低，塑性、韧性好，经渗碳和淬火后可制造强度要求不高的凸轮、齿轮、活塞销等一些耐磨又要耐冲击的零件，还要用于制造焊接容器。
35、40、45、50属于中碳钢，常经调质处理后制造要求有良好的综合力学性能（即有较高强度和良好韧性）的零件。
力学性能要求不高时，也可在供应或正火状态下使用。
常用于制造轴、齿轮、连杆、曲轴等受力较大的机械零件，其中45钢应用最广。
60、65钢属于高碳钢，经过淬火、中温回火后，具有较高的轻度和弹性，常用来制造弹簧、板簧、轧辊和钢丝绳等。
60Mn、65Mn属于较高锰含量钢，与含碳量相同的普通锰含量钢相比，具有较高的淬透性，可用于只在尺寸稍大的零件。
2.245号钢基本介绍
45号钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。
它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。
2.345号钢热处理
45号钢淬火温度在A3+（30~50）℃，在实际操作中，一般是取上限的。
偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。
为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。
如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。
不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。
但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。
我们认为，如装炉量大于工艺文件的规定，加热保温时间需延长1/5。
因为45号钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液。
工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180℃左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。
因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。
由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。
另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。
静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。
45号钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56~59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中，达不到调质的目的。
45号钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560~600℃，硬度要求为HRC22~34。
因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。
但图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。
如有些轴类零件要求强度高，硬度要求就高；而有些齿轮、带键槽的轴类零件，因调质后还要进行铣、插加工，硬度要求就低些。
关于回火保温时间，视硬度要求和工件大小而定，我们认为，回火后的硬度取决于回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，一般工件回火保温时间总在一小时以上。
2.445号钢的力学性能
正火：
850℃；
淬火：
840℃；
回火：
600℃；
抗拉强度：
不小于600Mpa；
屈服强度：
不小于355Mpa；
伸长率：
16%；
收缩率：
40%；
冲击功：
39J；
综上所述，因为45号钢比较普遍，产量多，经济实用，化学性能比较稳定，且可以用作受力较大的机械零件，因此45号钢适合用作单向阀阀体的材料。
第3章高压单向阀阀口的设计
阀口形式以及特点
阀口形式有很多种，各种阀口的结构特点不尽相同，见表3-1：
表3-1阀口的形式及特点
直角凸肩
本结构的特点是过流面积和开口呈线性结构关系，结构简单，工艺性好。
但流量的调节范围较小，小流量时流量不稳定，一般单向阀较少使用。
环缝式
本结构特点是结构简单，调节范围大，由于过流断面仍是同心圆环状缝隙，水力半径较小，小流量时易堵塞，温度对流量的影响较大。
一般用于要求较低的场合。
偏心式
阀口由偏心的三角沟槽组成。
本结构的特点是，小流量调节容易。
但制造略显得麻烦、阀芯所受的径向力不平衡，只宜用在低压场合
轴向三角槽式
本结构特点结构简单，水力半径大，调节范围大。
小流量时稳定性好，最低对流量的稳定流量为50ml/min。
因小流量稳定性好，一般用在节流阀上。
周向缝隙式节流口
本结构特点可以做成薄刃结构，从而获得较小的稳定流量，但是阀芯受径向不平衡力，只适用低压单向阀中。
轴向缝隙式
本结构为薄壁阀口，壁厚约0.07~0.09mm，流量受温度的影响小，不易堵塞、最低稳定流量约为20ml/min。
阀芯的轴向位移可以改变阀口过流断面的面积。
阀口容易变形，工艺复杂是本结构的缺点。
阀口的选择
根据阀口特点，单向阀使用最多的阀口为环缝阀口，所以我设计的单向阀阀口使用了环隙阀口，如图3-2所示，当右侧压力大于左侧弹簧的压力，则单向阀的阀芯打开，形成一个环形的缝。
当右侧压力小于左侧压力的时候，这时候复位弹簧将起作用，将阀芯复位，这样就能达到油液倒流的目的，故称为单向阀。
图3-2单向阀原理结构图
第4章计算阀口流量
4.1阀口流量计算分析
在液压缸的活塞和缸筒之间，在液压阀的阀芯和阀套之间都存在圆环缝隙，下面分两种情况讨论，见图4-1和图4-2：
图4-1同心圆环缝隙液流图4-2偏心圆环缝隙液流
同心圆环缝隙的结构和液体流动情况如图4-1所示。
如果将圆环缝隙沿圆周方向展开，就相当于一个平行平板缝隙。
公式为：
Q=πDδ3∆P/12μl
其中，D----------为大圆直径，mm
δ-------为同心圆时的环缝隙值
∆P------为液体沿轴向流动的压力差,Mpa
l-------为环的轴向长度,mm
μ---------为运动粘度，m2/s
偏心圆环缝隙的结构如图4-2所示。
此时的流量公式为：
Q=πDδ3∆ε2）/12μl
其中，D----------为大圆直径，mm
δ-------为同心圆时的环缝隙值
∆P------为液体沿轴向流动的压力差，Mpa
l-------为环的轴向长度，mm
μ---------为运动粘度，m2/s
ε=e/δ，e---为偏心距，mm
由此可见，当ε=0时，它就是同心圆环缝隙的流量公式；当ε=1时，偏心环缝隙的流量比同心圆环缝隙流量大了许多。
可见，较高的同心度可以减小泄露量。
所以，本课题选择采用同心圆环缝隙。
4.2计算阀口流量
如图4-3，此时阀芯左侧压力与右侧压力相同，处于临界状态，当月左侧压力继续增大时，阀芯将被顶开，形成环形缝隙。
图4-3阀芯开启临界状态图
如图4-3所示：
经测量，δ=1，D=5.657mm，∆P=60MPa,l=1.172mm,μ2/s。
Q=20升/min
第5章阀口关闭状态时的材料比压
5.1材料比压介绍
设计原则要符合
其中，
------阀座密封面总作用力，N
------阀座密封必须作用力，N
------阀座密封面介质静作用力，N
---------阀座计算比压，N
------密封必须比压,Mpa
--------阀瓣半锥角
-------阀座密封面内径，mm
-------阀座密封面有效宽度,mm
--------工作压力,Mpa
5.2计算材料比压
上述中，
=5，
=1，
=
，
=60Mpa
则
=19.9Mpa
=10Mpa
=25Mpa（见表5-1）
可知
<
<
，合格要求。
表5-1密封面材料的许用比压（q）
材料硬度
q（Mpa）
密封面材料
密封面间无滑动
密封面间有滑动
黄铜
Hpb59-1，HMn58-2-2，H62
HB80~95
80
20
HSi80-3
HB80~110
100
25
青铜
QA19-4
HB>110
80
25
QA110-3-1.5
HB120~170
100
35
奥氏体不锈钢
1Gr18Ni9Ti
1Gr18Ni12Mo2Ti
HB140~170
150
15
马氏体不锈钢
2Gr13，3Gr13
1Gr17Ni2
HB200~300
250
25
HRC35~40
45
氧化钢
35GrMoAlA
38GrMoAlA
HV800~1000
300
80
堆焊合金
TDCoCr-1
HRC40~45
250
80
TDCr-Ni（含Si）
HB280~320
250
80
铸铁
HT200~350及其它
HB170~220
30
20
中硬橡胶
5
聚四氟乙烯
20
15
尼龙
30
第6章结束语
在刘老师的悉心指导下，我终于完成了本次毕业设计，我想总结一下我这次毕业设计过程中的所得所失。
说实话，当我分配到一个有关液压课题的时候，我心里非常的紧张，因为在我所学的课程当中我学的最不好的，可以算的上是一窍不通。
可是，在人生的道路上，有多少困难都是突如其来，让你猝不及防的。
所以，我必须得迎难而上。
俗话说的好：
“万事开头难。
”当我准备开始写的时候，脑子里根本浮现不出一个清晰的框架结构，于是我的心情开始烦躁，我特备想把最后一次作业完成，可是由于专业知识的匮乏，我下不了笔，于是我就去图书馆借书，抱着很大的希望去能借点能够启发我的书，可是，结果让我大失所望。
图书馆有关我的课题的书大多数都是介绍单向阀的书，和我们液压课本上的都一样。
所以意味着图书馆找不到有关我这个课题的资料，本来就不会液压的我又缺少了书籍的帮助，有段时间真的就不想做毕业设计，看到毕业设计就头疼。
班主任告诉我如果我能客服这个难题，那么我以后在工作上遇到的问题就都可以顺利的解决，于是我又重新打开毕业设计，去寻求毕业设计指导老师的帮助，我们的指导老师是一个经验丰富的液压专家，在指导老师的指导下，我顺利完成了本次毕业设计。
这次毕业设计是我们两年大专学习的一次综合测验，本次设计历时三个月，是我大学学习中遇到过的时间最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。
用老师的话概括就是这次毕业设计相当如是把以前的小课程设计综合在一起的过程，只要把握每个小课程的精华、环环紧扣、增强逻辑、那么此次任务也就不难了。
经过这次测验，我深感我的基础知识很薄弱，所幸我得到了老师和同学们的热情帮助，这将对我以后的工作有极大的帮助，这次毕业设计全面锻炼了我驾驭知识的能力，使我对这两年来所学的理论知识进行了系统化、条理化、全面化的回顾和复习。
让我懂得了如何运用自己所学的知识，同时又学到了猎取其他知识的方法，为我们以后所要从事的工作打下坚实的基础。
参考文献
[l]苏沛群，吕扶才等.液压与气动技术,成都：
电子科技大学出版社，2008.
[2]周正元，赖华轻等.机械制造基础,成都：
电子科技大学出版社，2008.
[3]林建亚，何存兴.液压元件,北京：
清华大学出版社，2012.
[4]雷天觉.液压工程手册,北京：
机械工业出版社，2010.
答谢辞
在刘老师的悉心指导下，
升级会员 