第一章  緒論

1.1  研究的背景與意義
目前國內的電磁先導式閥都是由電磁鐵和液壓閥構成，電磁鐵由電磁鐵元件廠專業(yè)生產，閥由液壓元件制造公司生產，液壓閥的設計者選用一種合適的電磁鐵配需要設計的液壓閥，這種分體式先導閥的優(yōu)點是便宜；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用，如軍事車輛、深海裝備、航空裝備等領域。目前在這些領域應用的先導式閥大多是選用進口產品，如某軍用車輛進口一支低功耗小型電磁插裝閥要 6000 元，不但價格高，供貨時間長，而且一旦國外不同意進口，整個裝備就沒有辦法生產。因此國內急需開發(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商，這兩家公司在我國液壓領域占有很大的份額，也有專門開發(fā)小型低功耗電磁插裝閥的公司，如 Magnet  schultz 公司本來是供應電磁鐵產品的一家公司，利用其小型電磁鐵開發(fā)經驗，最近幾年開發(fā)了一系列小型低功耗電磁插裝閥供應市場。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，國外公司能夠根據(jù)用戶需求，供應系列成套的產品。 國內飛機上應用的小型低功耗電磁插裝閥主要是引進前蘇聯(lián)的技術，在飛機定型時確定閥的結構和技術要求，由專業(yè)生產企業(yè)組織生產，如***液壓機械公司就是一家專門從事航空液壓件生產的企業(yè)。目前國內還沒有一家企業(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口產品，主要原因是設計研究難度大，加工精度要求高，國內軍工裝備定型后難以更改，市場難以打開等，但是一直依靠國外的進口產品，不僅花費高，耗時高，而且非常被動。為了解決這一問題，本文將設計研究一種小型低功耗的電磁插裝閥，為促進電磁鐵和閥集成一體的小型低功耗電磁插裝閥的國產化做出貢獻。 
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1.2 電磁插裝閥國內外研究現(xiàn)狀
目前國內小型低功耗電磁插裝閥的技術水平與國外相差較大，還沒有相關的成熟產品，基本依賴進口，相比之下國外相關的技術則成熟很多。目前，國外知名液壓元件生產制造廠商，如 hydraforce、hydac、parker 和 eaton 等公司生產的小型低功耗電磁插裝閥性能及技術水平在國際上處于領先地位，它們在國際市場上占有較大的銷售份額。因此對于一些中高端的電磁插裝閥的技術參數(shù)及結構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參數(shù)及結構。 圖 1.1 所示為 Hydraforce 公司[1]生產的 SV08-20：電磁鐵的銜鐵和鐵芯采用錐面的接觸結構，中間安加復位彈簧，采用閥芯一端直接嵌插在銜鐵內，通過銜鐵的動作直接帶動閥芯的移動，實現(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，，最大流量為 30L/min，電磁鐵通電、斷電響應時間分別為 40ms  、46ms，在工作壓力為 20.7MPa 時的內部泄漏量為0.15ml/min，工作溫度為-40°~120℃，總長為 93mm，安裝孔總長（插裝閥插入閥塊的長度）為 27.7mm，直徑為 13mm。 圖 1.2 所示為 Vickers 公司[2]生產的 SV165-8-C/CM：該電磁插裝閥電磁鐵結構與上述的 Hydraforce 公司電磁插裝閥電磁鐵結構基本相同，該電磁插裝閥的工作壓力為 21MPa，在壓差為 0.65MPa 時，額定流量為 37L/min，內部泄漏量（port2 to  port1）為 5drops/min，工作溫度為-40°~100℃，總長為 86mm，安裝孔總長27.6mm，直徑為 12.6mm。 
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第二章  電磁插裝閥結構參數(shù)設計計算 

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，廣泛應用在工程機械的各個領域。本文將研究設計一種用在綜合傳動裝置換擋系統(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閥芯有左、右兩個工作位置和三條通道（A、P、T）。閥體外型是一個臺階型圓柱，在兩個臺階型圓柱的側面開有兩個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，閥座內的圓柱型孔即為進油口 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電磁鐵，電磁鐵的銜鐵內安有一個彈簧。當電磁鐵未通電時，在彈簧的作用下，推桿將球閥壓緊在閥座上，關閉了 P-A 通道，打開了 A-T 通道。當電磁鐵通電時，銜鐵向鐵芯吸合，通道 P 內油液產生的推力推動球閥向下移動并壓緊在閥體流道的錐面上，關閉了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合順序，實現(xiàn)綜合傳動裝置中的換擋功能。 
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2.2  閥的主要結構尺寸設計與計算 
閥芯作為電磁閥的核心零件，其結構參數(shù)對電磁閥性能的影響至關重要。就閥芯結構型式而言，液壓系統(tǒng)中的閥芯結構有三種：滑閥、錐閥、球閥。 滑閥式閥芯易于實現(xiàn)多路控制，工作、動作可靠，工藝性好，操縱力小，制造簡單，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度較長，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，動作靈敏，閥口開啟時無死區(qū)，閥芯錐面的導向性好，動作平穩(wěn)等優(yōu)點。另外，錐閥能完全切斷油路，對油液中贓物的敏感性小，結構簡單。一般用于大通徑。但是其對工藝方面的要求比較嚴格，容易出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，且對閥芯錐面必須進行精磨加工。 球閥式閥芯具有結構緊湊，安裝尺寸小、材料耗用少，并且驅動力矩小、流阻小、制造工藝簡單，操作和維修方便，工作介質在雙面上密封可靠，具有最低的流阻，能實現(xiàn)快速啟閉并且操作無沖擊，由于其特殊的球型結構，能在位置上實現(xiàn)自動定位且能很好地承受來自管道的應力。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構。 
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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)設置 ......   32  
3.1.2 關鍵結構參數(shù)對電磁鐵靜態(tài)特性影響的仿真分析 .......   34  
3.2 電磁鐵動態(tài)仿真 ......   47  
3.3 本章小結 ..........   53  
第四章  電磁插裝閥的試驗研究 ..........   55 
4.1 電磁鐵試驗研究 ......   56  
4.1.1 電磁鐵的靜態(tài)特性試驗 ........   56  
4.1.2 電磁鐵的動態(tài)特性試驗 ........   58  
4.2 插裝閥性能試驗研究 .......   60  
4.2.1 壓差—流量特性試驗 ....   60  
4.2.2 壓力響應時間特性試驗 ........   63  
4.3 本章小結 ..........   65  
第五章  總結與展望 ........   67 
5.1 全文結論 ..........   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。在第二章通過運用電磁鐵設計理論和液壓換向閥設計理論計算得到了電磁插裝閥的初始結構參數(shù)，對于電磁插裝閥的電磁鐵初始結構參數(shù)的優(yōu)化、初始設計中無法計算的、不確定的電磁鐵結構，通過 Ansoft Maxwell 有限元仿真軟件進行選取、改進。對于電磁插裝閥的閥體結構的初始結構參數(shù)，由于時間的有限，將不再對其進行仿真分析。為了驗證電磁插裝閥參數(shù)設置的正確性、合理性，加工制造出電磁插裝閥試驗樣機并進行試驗。為了節(jié)約成本，簡化加工工藝，將試驗樣機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，一起構成電磁插裝閥試驗樣機。本節(jié)將利用自主研制的電磁鐵特性測試試驗臺對直流電磁鐵試驗樣機進行靜態(tài)和動態(tài)性能測試，并將試驗測得的結果和仿真得到的結果進行對比分析。表 4.1為直流電磁鐵試驗樣機結構參數(shù)表。

 

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結論

本文以綜合傳動裝置換擋系統(tǒng)中電磁插裝閥為研究對象，分析了電磁插裝閥的國內外發(fā)展狀況。根據(jù)電磁插裝閥的性能要求，設計了直流濕式電磁鐵和二位三通插裝閥結構，基于 Ansoft Maxwell 仿真軟件對電磁鐵進行仿真分析，確定結構，最后將電磁插裝閥加工成試驗樣機進行試驗，得出結論。具體內容如下： 
1、根據(jù)性能指標要求和有關標準規(guī)定，對功耗為 8W 的電磁插裝閥的結構進行了初步設計計算。根據(jù)電磁鐵設計理論確定了電磁鐵線圈電阻、安匝數(shù)等關鍵參數(shù)。根據(jù)液壓換向閥設計理論確定了二位三通插裝閥結構和關鍵參數(shù)。   
2、基于電磁鐵初步設計結果，利用 Ansoft Maxwell 仿真軟件建立了電磁鐵二維仿真模型。對電磁鐵隔磁套結構、厚度和銜鐵結構參數(shù)進行仿真分析并根據(jù)分析結果對電磁鐵進行了改進，最后將改進后的電磁鐵進行動靜態(tài)特性的仿真分析，得出結論。 （1）隔磁套厚度對銜鐵電磁吸力的影響微乎其微。 （2）整體式隔磁套結構和三段式銜鐵套管結構都能滿足初始位置 1.2mm 處獲得初始電磁吸力 30N 的要求，但是為了簡化制造工藝，減小尺寸，采用整體式隔磁套結構。 （3）凸臺型和圓錐型銜鐵結構都能獲得比平面型銜鐵結構更平穩(wěn)的位移-力特性。為了簡化制造工藝、減少沖擊，設計銜鐵端部結構為凸臺型。 （4）改進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，且整個行程中位移-力特性比較平緩，沖擊小。 （5）通過對電磁鐵的動態(tài)特性仿真，得出該電磁鐵的吸合動作時間為 24ms，釋放動作時間為 39ms，最大工作電流為 0.32A，最大動態(tài)電磁鐵吸力為 111.2N。該電磁鐵動態(tài)響應時間短、速度快，吸力平穩(wěn)，動態(tài)性能好。
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參考文獻(略) 

本文編號：48998