第一章  緒論

1.1  研究的背景與意義
目前國內(nèi)的電磁先導(dǎo)式閥都是由電磁鐵和液壓閥構(gòu)成，電磁鐵由電磁鐵元件廠專業(yè)生產(chǎn)，閥由液壓元件制造公司生產(chǎn)，液壓閥的設(shè)計(jì)者選用一種合適的電磁鐵配需要設(shè)計(jì)的液壓閥，這種分體式先導(dǎo)閥的優(yōu)點(diǎn)是便宜；其不足之處是體積大，功耗高，在要求體積小、功耗低的電磁閥裝備中不能應(yīng)用，如軍事車輛、深海裝備、航空裝備等領(lǐng)域。目前在這些領(lǐng)域應(yīng)用的先導(dǎo)式閥大多是選用進(jìn)口產(chǎn)品，如某軍用車輛進(jìn)口一支低功耗小型電磁插裝閥要 6000 元，不但價(jià)格高，供貨時(shí)間長(zhǎng)，而且一旦國外不同意進(jìn)口，整個(gè)裝備就沒有辦法生產(chǎn)。因此國內(nèi)急需開發(fā)電磁鐵和閥集成一體的小型低功耗電磁插裝閥。國外研制電磁插裝閥的公司主要有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壓件供應(yīng)商，這兩家公司在我國液壓領(lǐng)域占有很大的份額，也有專門開發(fā)小型低功耗電磁插裝閥的公司，如 Magnet  schultz 公司本來是供應(yīng)電磁鐵產(chǎn)品的一家公司，利用其小型電磁鐵開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，最近幾年開發(fā)了一系列小型低功耗電磁插裝閥供應(yīng)市場(chǎng)。hydraforce 公司也是一家主要開發(fā)小型電磁電磁插裝閥的公司。同時(shí)，國外公司能夠根據(jù)用戶需求，供應(yīng)系列成套的產(chǎn)品。 國內(nèi)飛機(jī)上應(yīng)用的小型低功耗電磁插裝閥主要是引進(jìn)前蘇聯(lián)的技術(shù)，在飛機(jī)定型時(shí)確定閥的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求，由專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)組織生產(chǎn)，如***液壓機(jī)械公司就是一家專門從事航空液壓件生產(chǎn)的企業(yè)。目前國內(nèi)還沒有一家企業(yè)開發(fā)比較通用的小型低功耗電磁插裝閥，大部分都是依靠國外進(jìn)口產(chǎn)品，主要原因是設(shè)計(jì)研究難度大，加工精度要求高，國內(nèi)軍工裝備定型后難以更改，市場(chǎng)難以打開等，但是一直依靠國外的進(jìn)口產(chǎn)品，不僅花費(fèi)高，耗時(shí)高，而且非常被動(dòng)。為了解決這一問題，本文將設(shè)計(jì)研究一種小型低功耗的電磁插裝閥，為促進(jìn)電磁鐵和閥集成一體的小型低功耗電磁插裝閥的國產(chǎn)化做出貢獻(xiàn)。 
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1.2 電磁插裝閥國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前國內(nèi)小型低功耗電磁插裝閥的技術(shù)水平與國外相差較大，還沒有相關(guān)的成熟產(chǎn)品，基本依賴進(jìn)口，相比之下國外相關(guān)的技術(shù)則成熟很多。目前，國外知名液壓元件生產(chǎn)制造廠商，如 hydraforce、hydac、parker 和 eaton 等公司生產(chǎn)的小型低功耗電磁插裝閥性能及技術(shù)水平在國際上處于領(lǐng)先地位，它們?cè)趪H市場(chǎng)上占有較大的銷售份額。因此對(duì)于一些中高端的電磁插裝閥的技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)他們都采取了保密措施，只公布了一些比較通用的電磁插裝閥的技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)。 圖 1.1 所示為 Hydraforce 公司[1]生產(chǎn)的 SV08-20：電磁鐵的銜鐵和鐵芯采用錐面的接觸結(jié)構(gòu)，中間安加復(fù)位彈簧，采用閥芯一端直接嵌插在銜鐵內(nèi)，通過銜鐵的動(dòng)作直接帶動(dòng)閥芯的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電磁鐵和閥集成一體化，電磁插裝閥的工作壓力為 20.7MPa，在壓差為 0.69MPa 時(shí)，，最大流量為 30L/min，電磁鐵通電、斷電響應(yīng)時(shí)間分別為 40ms  、46ms，在工作壓力為 20.7MPa 時(shí)的內(nèi)部泄漏量為0.15ml/min，工作溫度為-40°~120℃，總長(zhǎng)為 93mm，安裝孔總長(zhǎng)（插裝閥插入閥塊的長(zhǎng)度）為 27.7mm，直徑為 13mm。 圖 1.2 所示為 Vickers 公司[2]生產(chǎn)的 SV165-8-C/CM：該電磁插裝閥電磁鐵結(jié)構(gòu)與上述的 Hydraforce 公司電磁插裝閥電磁鐵結(jié)構(gòu)基本相同，該電磁插裝閥的工作壓力為 21MPa，在壓差為 0.65MPa 時(shí)，額定流量為 37L/min，內(nèi)部泄漏量（port2 to  port1）為 5drops/min，工作溫度為-40°~100℃，總長(zhǎng)為 86mm，安裝孔總長(zhǎng)27.6mm，直徑為 12.6mm。 
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第二章  電磁插裝閥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 

2.1 電磁插裝閥的主要性能要求 
電磁插裝閥作為液壓閥的一種，其種類和功能繁多，廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械的各個(gè)領(lǐng)域。本文將研究設(shè)計(jì)一種用在綜合傳動(dòng)裝置換擋系統(tǒng)中的小型低功耗二位三通電磁插裝閥，如圖 2.1 所示。二位三通是指電磁插裝閥在正常工作時(shí)閥芯有左、右兩個(gè)工作位置和三條通道（A、P、T）。閥體外型是一個(gè)臺(tái)階型圓柱，在兩個(gè)臺(tái)階型圓柱的側(cè)面開有兩個(gè)直徑型同的圓柱通道即工作油口 A 和回油口 T。閥體上端開有一圓柱孔安放閥座，閥座內(nèi)的圓柱型孔即為進(jìn)油口 P。閥座的下端緊接著球閥，球閥的下端緊接著推桿，推桿下端鏈接的是一個(gè)電磁鐵，電磁鐵的銜鐵內(nèi)安有一個(gè)彈簧。當(dāng)電磁鐵未通電時(shí)，在彈簧的作用下，推桿將球閥壓緊在閥座上，關(guān)閉了 P-A 通道，打開了 A-T 通道。當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，銜鐵向鐵芯吸合，通道 P 內(nèi)油液產(chǎn)生的推力推動(dòng)球閥向下移動(dòng)并壓緊在閥體流道的錐面上，關(guān)閉了A-T 通道，打開了 P-A 通道。通過插裝閥通道的啟閉來控制油缸的結(jié)合順序，實(shí)現(xiàn)綜合傳動(dòng)裝置中的換擋功能。 
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2.2  閥的主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)與計(jì)算 
閥芯作為電磁閥的核心零件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁閥性能的影響至關(guān)重要。就閥芯結(jié)構(gòu)型式而言，液壓系統(tǒng)中的閥芯結(jié)構(gòu)有三種：滑閥、錐閥、球閥。 滑閥式閥芯易于實(shí)現(xiàn)多路控制，工作、動(dòng)作可靠，工藝性好，操縱力小，制造簡(jiǎn)單，但是由于其閥芯與閥體之間有間隙，密封性能沒有錐閥和球閥好，另外，由于其閥芯與閥套的配合長(zhǎng)度較長(zhǎng)，摩擦力大，易于出現(xiàn)液壓卡緊現(xiàn)象。 錐閥式閥芯具有密封性能好，動(dòng)作靈敏，閥口開啟時(shí)無死區(qū)，閥芯錐面的導(dǎo)向性好，動(dòng)作平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。另外，錐閥能完全切斷油路，對(duì)油液中贓物的敏感性小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。一般用于大通徑。但是其對(duì)工藝方面的要求比較嚴(yán)格，容易出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，且對(duì)閥芯錐面必須進(jìn)行精磨加工。 球閥式閥芯具有結(jié)構(gòu)緊湊，安裝尺寸小、材料耗用少，并且驅(qū)動(dòng)力矩小、流阻小、制造工藝簡(jiǎn)單，操作和維修方便，工作介質(zhì)在雙面上密封可靠，具有最低的流阻，能實(shí)現(xiàn)快速啟閉并且操作無沖擊，由于其特殊的球型結(jié)構(gòu)，能在位置上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位且能很好地承受來自管道的應(yīng)力。一般多用于低壓小通徑。 綜上所述，本文研究的二位三通電磁插裝閥選用球閥式閥芯結(jié)構(gòu)。 
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第三章  基于 Ansoft 的電磁鐵仿真分析 ...........   31 
3.1 電磁鐵靜態(tài)仿真 ......   32  
3.1.1 電磁鐵靜態(tài)模型的建立及參數(shù)設(shè)置 ......   32  
3.1.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁鐵靜態(tài)特性影響的仿真分析 .......   34  
3.2 電磁鐵動(dòng)態(tài)仿真 ......   47  
3.3 本章小結(jié) ..........   53  
第四章  電磁插裝閥的試驗(yàn)研究 ..........   55 
4.1 電磁鐵試驗(yàn)研究 ......   56  
4.1.1 電磁鐵的靜態(tài)特性試驗(yàn) ........   56  
4.1.2 電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn) ........   58  
4.2 插裝閥性能試驗(yàn)研究 .......   60  
4.2.1 壓差—流量特性試驗(yàn) ....   60  
4.2.2 壓力響應(yīng)時(shí)間特性試驗(yàn) ........   63  
4.3 本章小結(jié) ..........   65  
第五章  總結(jié)與展望 ........   67 
5.1 全文結(jié)論 ..........   67  
5.2 研究不足及后續(xù)工作 .......   68  

第四章  電磁插裝閥的試驗(yàn)研究

本文研究的是小型低功耗電磁插裝閥。在第二章通過運(yùn)用電磁鐵設(shè)計(jì)理論和液壓換向閥設(shè)計(jì)理論計(jì)算得到了電磁插裝閥的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)于電磁插裝閥的電磁鐵初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化、初始設(shè)計(jì)中無法計(jì)算的、不確定的電磁鐵結(jié)構(gòu)，通過 Ansoft Maxwell 有限元仿真軟件進(jìn)行選取、改進(jìn)。對(duì)于電磁插裝閥的閥體結(jié)構(gòu)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，由于時(shí)間的有限，將不再對(duì)其進(jìn)行仿真分析。為了驗(yàn)證電磁插裝閥參數(shù)設(shè)置的正確性、合理性，加工制造出電磁插裝閥試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)。為了節(jié)約成本，簡(jiǎn)化加工工藝，將試驗(yàn)樣機(jī)的電磁鐵外殼兩端及閥體下端面制作成圓盤，用螺栓將電磁鐵外殼上端圓盤與閥體下端圓盤連接起來，同理，用螺栓將電磁鐵的外殼下端圓盤和法蘭盤連接起來。兩種螺栓連接將電磁鐵和插裝閥連成一塊，一起構(gòu)成電磁插裝閥試驗(yàn)樣機(jī)。本節(jié)將利用自主研制的電磁鐵特性測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)對(duì)直流電磁鐵試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，并將試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果和仿真得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。表 4.1為直流電磁鐵試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)表。

 

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結(jié)論

本文以綜合傳動(dòng)裝置換擋系統(tǒng)中電磁插裝閥為研究對(duì)象，分析了電磁插裝閥的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。根據(jù)電磁插裝閥的性能要求，設(shè)計(jì)了直流濕式電磁鐵和二位三通插裝閥結(jié)構(gòu)，基于 Ansoft Maxwell 仿真軟件對(duì)電磁鐵進(jìn)行仿真分析，確定結(jié)構(gòu)，最后將電磁插裝閥加工成試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，得出結(jié)論。具體內(nèi)容如下： 
1、根據(jù)性能指標(biāo)要求和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)功耗為 8W 的電磁插裝閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)電磁鐵設(shè)計(jì)理論確定了電磁鐵線圈電阻、安匝數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)液壓換向閥設(shè)計(jì)理論確定了二位三通插裝閥結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)。   
2、基于電磁鐵初步設(shè)計(jì)結(jié)果，利用 Ansoft Maxwell 仿真軟件建立了電磁鐵二維仿真模型。對(duì)電磁鐵隔磁套結(jié)構(gòu)、厚度和銜鐵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真分析并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)電磁鐵進(jìn)行了改進(jìn)，最后將改進(jìn)后的電磁鐵進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)特性的仿真分析，得出結(jié)論。 （1）隔磁套厚度對(duì)銜鐵電磁吸力的影響微乎其微。 （2）整體式隔磁套結(jié)構(gòu)和三段式銜鐵套管結(jié)構(gòu)都能滿足初始位置 1.2mm 處獲得初始電磁吸力 30N 的要求，但是為了簡(jiǎn)化制造工藝，減小尺寸，采用整體式隔磁套結(jié)構(gòu)。 （3）凸臺(tái)型和圓錐型銜鐵結(jié)構(gòu)都能獲得比平面型銜鐵結(jié)構(gòu)更平穩(wěn)的位移-力特性。為了簡(jiǎn)化制造工藝、減少?zèng)_擊，設(shè)計(jì)銜鐵端部結(jié)構(gòu)為凸臺(tái)型。 （4）改進(jìn)后的電磁鐵能滿足初始位置 1.2mm 處獲得初始電磁吸力 30N 的性能要求，且整個(gè)行程中位移-力特性比較平緩，沖擊小。 （5）通過對(duì)電磁鐵的動(dòng)態(tài)特性仿真，得出該電磁鐵的吸合動(dòng)作時(shí)間為 24ms，釋放動(dòng)作時(shí)間為 39ms，最大工作電流為 0.32A，最大動(dòng)態(tài)電磁鐵吸力為 111.2N。該電磁鐵動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、速度快，吸力平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)性能好。
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參考文獻(xiàn)(略) 

本文編號(hào)：48998