《机床与液压》２００４． Ｎｏ． １０・１７・液压电梯限速切断阀的设计’徐兵，刘贺，杨华勇，高强 （浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，杭州３１ ００２７）摘要：根据应用对象要求，提出了一种新的阀芯结构，设计了一种新的液压电梯限速切断阀，并进行了仿真和实验分 析。 关键词：液压电梯；限速切断阀；设计中图分类号：ＴＨ１ ３７． ５文献标识码：Ａ文章编号：１００１－３８８１ （２００４） １０－０１７－３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｉｐｅ Ｒｕｐｔｕｒｅ Ｖａｌｖｅ ｏｎ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ＥｌｅｖａｔｏｒｓＸＵ Ｂｉｎｇ， ＬＩＵ Ｈｅ，ＹＡＮＧ Ｈｕａ－ｙｏｎｇ， ＧＡＯ Ｑｉａｎｇ（Ｔｈｅ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｙｒ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ； Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｉｐｅ ｕｒｐｔｕｒｅ ｖａｌｖｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｋｉｎｄ ｏｆ ｆｏｒｅｉｇｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，场ｔｈｅ ｅｒｑｕｉｅｒｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ， ａｎ ｉｎｎｏｖａ－ｔｉｏｎ ｐｉｐｅ ｕｒｐｔｕｒｅ ｖａｌｖｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｇｏｏｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒ场ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｌｅｖａｔｏｒ； Ｐｉｐｅ ｕｒｐｔｕｒｅ ｖａｌｖｅ； Ｄｅｓｉｇｎ０前言口处的面积梯度较大，因而在阀口处的压力损失较 限速切断阀是一种超流量自动切换保护装置，具小，能够满足限速切断阀４００有结构简单、反应灵敏、切换迅速、动作可靠、使用在整个工作段的性能要 官￣日 剐方便等优点。国内外已将其广泛应用于液压电梯、起求。另外由于面积梯度增、已 、叫 ３２０重机、挖掘机、装载机、自卸卡车、公路除雪机、清大，水力直径也相应增璐冷捌扫车、电弧转炉等液压机械执行器限速或管道失压保大，改善了节流口在小开帐２４０护上，最典型的应用是作为举升液压缸防坠落安全口量时过流面积变化的问２００５ ６，ａ ９阀。题。阀芯开度加． 液压电梯限速切断阀直接与液压柱塞缸连接，在通过以上的仿真分图２圆柱面切割阀口限速系统正常运行时，限速切断阀基本不起作用。当发生析，不难看出，这种阀芯切断阀阀芯开度一流管道爆裂、控制阀失控、液压锁失灵等意外故障时，内留有三角槽过流，阀口量特性仿真曲线限速切断阀能自动切断油路，防止工作装置发生坠落为圆柱面切割而成的限速切断阀的阀芯结构，无论是事故；当故障排除后，能够自动接通油路，使工作装在静态性能、阀内流体流动特性，阀芯运动的稳定置转人正常。所以说限速切断阀是液压电梯的重要安性、阀芯的导向性，以及工程实用性等方面，都要比全部件。国外同类产品略胜一筹。１限速切断阀阀芯结构的确定２限速切断阀的设计１．１圈柱面切刻间口限速切断阀阀芯的仿真分析２．１限速切断阀的设计要求及相关参数电梯用限速切断阀的应用对象是电梯，因此参照 根据实际电梯系统，确定设计参数如下： 欧洲标准ＥＮ８１一２《液压电梯制造与安全安装规 最高工作压力Ｐ－二１０． ＯＭＰａ；范》，并根据设计使用对象的要求，我们设计出了自最大工作流量Ｑ二二４ ００Ｌ／ｍｉｎ ；己的阀芯结构，如图１所示。该阀芯的最大特点是在最小工作流量Ｑｍ ｉｎ＝１００Ｌ／ｍｉｎ ；阀芯与阀体的配合处铣去三块，作为阀内的流道。阀芯关断压差却。二０． １５ ＭＰａ与限速切断阀设计相关的液压系统的主要参数包 括以下几项：（１）系统所用液压油：２０＃汽轮机油，油液密度 为８８０ｋｇ／扩，油液的运动粘度为４６ ｘ １０ －６ ｍ２／ｓｏ（２）液压系统的工作压力等级：对于液压电梯 图１圆柱面切割阀口限速切断阀阀芯结构简图 而言，标准规定系统压力不超过１ＯＭＰａ，实际应用中 图２为该种阀芯的仿真结果曲线。从图上可以看系统压力大概处于１．５一６ＭＰａ之间。出，流体通过该阀的压差较小，在阀芯开度为９ｍｍ， （３）液压系统的工作温度范围：为了使液压电关断压力为０． １５ＭＰａ时，该阀的关断流量即达到了梯正常工作，液压系统的油温不应超过６０９０。４２０Ｌ／ｍｉｎ，原因在于阀口是由圆柱面切割而成，在阀（４）液压管道中的流速范围：由于液压电梯系 基金项目：国家十五科技攻关项目（项目编号：２００２ＢＡ２０８Ｂ０２） 统为中、低压系统，管道中的流速范围是４一７ｍ／ｓｏ２．２基本几何尺寸的确定 （１）进出油口直径ｄ根据经验公式，进出油口的直径： ｄ ？４． ６３甲 Ｑ／ｖ（ｍｍ）限速切断阀的最大额定流量为Ｑ二４００１ Ｊｍｉｎ。取进出油口ｄ处油液流速。＝４ｍ／ｓ，得：ｄ＝ －４．６３丫 Ｑ／ｖ ＝４６． ３ｍｍ圆整为标准值，取ｄ二４８ｍｍ（２）阀芯主结构尺寸的确定 最大工作流量通过阀口的液流速度的许用值在８ 一１４ｍ／ｓ之间，在这里取，二ｌｏｍ／ｓ。则在额定流量Ｑ＝ ４００ＬＪｍｉｎ时，三角形过流面积Ａ应为：Ａ二口／ｖ＝６６６． ７ 取阀芯直径Ｄ。二４０ｍｍ；三角形高Ｈ二３１ ｍｍ２。ｍｍ，，如图３所示，求出过流面积： Ａ， ＝ ３ ｘ〔ｒａｃｏｓ ｋ— ，Ｈ一ｒ、 ）一ｋ＂一ｒ）价，一（Ｈ一ｒ）’］＝６３２ ｍｍ＇ （３）阀芯锥面结构确定这一部分是在阀芯关闭 时阀芯与阀体的接触部分，采用锥形密封，可以减小系统的泄漏量。为了保证有足够的过流面积和阀芯的抬起高度，取锥角的半角：ａ｝ ＝４５“这样能使阀芯与阀体接近图３阀芯过流面积图线接触，既保证密封可靠，又便于加工。锥底面直径＝阀芯直径＋２ｍｍ，所以锥底面直径 Ｄ，二ｄ＋２＝５０ｍｍ （４）阻尼器结构和尺寸的设计计算在阀芯背腔与阀的Ｐ口之间加阻尼器，可以在 阀芯的背腔形成一定压力，当限速切断阀关闭时，能防止由于阀芯关闭过快而造成的对液压系统的冲击过大。考虑到应用的灵活性，要求阻尼器的阻尼可调，所以采用可拆卸式固定液阻方案。根据薄壁小孔的流量公式： Ｑ＝ＣＡ２＇ Ｖ －ｐ却式中：Ｃ为流量系数，这里取Ｃ二０． ７７；Ａ为阻尼孔面积，Ａ二二式／４ ； ｐ为油液密度；Ｑ为通过阻尼孔的流量，这里取Ｑ二１ ｘ１０一，ｕｍｉｎ；却为阻尼器两端的压差，这里取却＝２ＭＰａ；所以有：ｄｏ二２二０． ６４ （ｍｍ）一’却《机床与液压》２００４． Ｎｏ． １０根据经验，阻尼孔长度Ｌ＝１ ． ５ｍｍｏ （５）调节装置的设计由于该限速切断阀在工程实际中的应用，要求关 断流量和关断时间都可调节，因此，调节装置的设计是必不可少的。调节装置主要是调节阀芯的初始开度，用以调节 阀的关断流量。由于阀芯背腔弹簧力的作用，将阀推向开启的方向，我们可以很方便地设计出调节杆装置来实现阀芯开口度的调整，如图４所示：０）ｏ Ｆ－－－ｌ Ｉ，Ｌ竺＿＿一乡限位杆调节杆图４限速切断阀结构简图 ２．３弹簧的设计弹簧影响着阀的动作和性能，与阀的静态性能和 动态性能都密切相关，减小弹簧的刚度，有利于提高阀的启动特性，提高阀的压力稳定性，但是刚度过小，关闭时间过快，可能会影响阀的动态性能。目前，液压阀中以采用圆柱形螺旋压缩弹簧居多，在这里也选用该类弹簧。３限速切断阀的静态仿真分析 静态性能是指阀在稳定工况时的性能。限速切断阀的关闭主要是靠阀芯两端的压差力实现的，当过流流量达到一定值时，在阀芯两端产生的压差力大于使阀芯开启弹簧力，使阀芯开始关闭。图５中的曲线１是阀 芯两端压差为０． １５ＭＰａ时，食｝．绷！７护．．；：关断特性曲线的仿真结果。、巴、叫３００从图上可以看出，在 鹅冷２００真曲线阀芯开度较小时，关断流帐１００验曲线量与阀芯开度基本成正比Ｏｌｓｅ玄．一咭一咭一筋一节关系；在阀芯开度达到一闷芯开度４Ｔ定位置时，关断流量随阀图５限速切断阀静态特芯开度的增加而变化的量性仿真及实验曲线 值变小，即阀芯的开度对关断流量影响较小。这主要有两个原因：首先是因为阀口的流量系数变小，在相同的压差条件下，相同的节流口面积变化对关断流量的影响变小。另外一点是流道处的压力损失的影响，在阀芯开度较小的情况下，此时限速切断阀的关断流量不大，流道处的压力损失相对节流口处的压力损失小，因而对整体的影响不大；而当阀口开度增大，关断流量也相应增大，这时流道处的压力损失已是相对不小的值了，而节流口处的压力损失因为流量系数变小反而变化相对不大，因此关断特性曲线变得更平了。《机床与液压》２００４． Ｎｏ． １０・１９・４限速切断阀的实验分析 动与密封，１９９６ （１）．对该阀进行静态特性实验，一方面检验设计的阀 ［２１ Ｂｅｒｉｎｇｅｒ ｃｏｍｐａｎｙ． Ｐｉｐｅ Ｒｕｐｔｕｒｅ Ｖａｌｖｅ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｍａｎｕａｌ，芯结构是否合理，另一方面检验是否能够符合应用对２００１． 象的要求。［３］Ｂｕｃｈｅｒ ｃｏｍｐａｎｙ． Ｐｉｐｅ Ｒｕｐｔｕｒｅ Ｖａｌｖｅ Ｐｒｏｄｕｃｔ Ｍａｎｕａｌ，图５中的曲线２为限速切断阀的静态实验特性曲 ２００１． 线，表明了关断流量和阀芯开度的关系。可以看出，［４】雷天觉．液压工程手册．北京：机械工业出版社，１９９０． 该曲线的走势与仿真曲线的结果基本吻合，关断流量［５】宋鸿绕．液压阀设计与计算．北京：机械工业出版与阀芯开度基本上呈线性关系，可见该阀的实验性能社，１ ９７９．达到了设计时的要求。［６］吴根茂．实用电液比例技术杭州：浙江大学出版从实验曲线上看，阀芯开度不大时，限速切断阀 社，１ ９９３．９．所表现的性能是良好的。而阀芯开度较大时，关断流［７］ ＥＮ８１一２液压电梯制造与安全安装规范，１９９９．量变化的趋势变小，甚至接近于水平，也就是说，在［８］盛敬超．液压流体力学．北京：机械工业出版社，相同阀口的压差情况下，阀芯开度对关断流量的影响１９７９． 变小，则相应的流量系数也变小，这与我们仿真分析［ ９ ］ Ｔｙｐｅ ＰＳＬ ａｎｄ ＰＳＶ ｐｏｒｐｏｔｒｉｏｎａｌ ｄｉｅｒｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｐｏｏｌ类似，认为阀口开度大到一定时候，相当于一个局部 ｖａｌｖｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ一ｓｅｎｓｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ． Ｈａｗｅ场－压力损失，节流口的流量压差方程已不再适用。ｄｒ ａｕｌｉｃ Ｐａｍｐｈｌｅｔ Ｄ７７００一５．５结论［１０］ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ｅｎｇｉｎｅｅｒ－本文根据应用对象要求，设计出一种阀芯结构独 ｉ ｎｇ ｍａｎｎｅｓｍａｎｎ Ｒｅｘｏｒｔｈ． Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｒｅｘｒｏｔｈ（Ｃｈｉ－ ｎａ） Ｌｉｍｉｔｅｄ， ＲＥ ００ １７８／０４．９８．特的限速切断阀。经过仿真分析和实验研究，该阀的作者简介：徐 兵，男，１９７１年生。浙江大学流体传稳定性好，关断流量一阀芯开度特性理想，调节精度动及控制国家重点实验室副教授、博士。研究方向为电液高，在实践中得到了良好应用效果。速度控制系统及节能研究。发表论文４０余篇。联系电话：参考文献０５７１一８７９５２５００一２２１。［１］邱敏秀．缓冲时间可调式限速切断阀的研究．液压气收稿时间：２００４－０６－２１ （上接第６页）（上接第１６页）［ ８ ］ Ｓｏｍａｄａ， ｅｔ ａｌ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａｎ ａｃｔｉｖｅ ａｃｃｕ一ｍｕｌａｔｏｒ （ ａｃｔｉｖｅ参考文献 ｃｏｎｔｏｒｌｏｆ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｆｏｗ ｒａｔｅ ｉｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ［１ｌ杨华勇，周华．水液压技术的研究现状与发展趋势．ｓ ｙｓｔｅｍｓ） Ｙｏｋｏｔａ， Ｓｈｉｎｉｃｈｉ（Ｔｏｋｙｏ Ｉｎｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）． 中国机械Ｔ－程，２０００， １１ （２）； １４３０一１４３３．ＪＳＭＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒａｌ． １９９６，Ｓｅｒｉｓ Ｂ， ｖ３ ９，ｎｌ，［２ ］ Ｖｉｒｖａｌｏ， ＭａｔｔｉＶｉｌｅｎｉｕｓ． Ｓｏｍｅ ｓｔｅｐｓ ｉｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆＦｅｂ： １１９￣１２４． ＩＳＳＮ： １３４０一８０５４ ＣＯＤＥＭ ；ＪＳｔ＇ ＰＥ＇Ｌｍｏ ｄｅｒｎ ｗａｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ． （ｉｎｌａｎｄ， ２００１．［９］邢科礼等．新型串联囊式蓄能器对油源压力脉动影响［３］Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｂａｃｋｅ． Ｗａｔｅｒ一ｏｒ一Ｏｉｌ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕ－的试验研究．西安交通大学机械工程学院．机床与液 ｔｕｒｅ． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ６ｔｈＳｃａｎｄｉｎａｖｉａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒ－压，１ ９９８（１）．ｅ ｎｃｅ ｏｎ Ｆｌｕｉｄ Ｐｏｗｅｒ． Ｔａｍｐｅｒｅ， Ｆｉｎｌａｎｄ， １９９９． ９； ５１－６４． ［１０】陈照弟，李洪仁等．蓄能器对管路系统压力冲击影［ ４ ］ Ｕｓｈｅｒ， Ｓ． Ｍａｉｎｓ ｗａｔｅｒ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ。一Ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔ，响的分析研究．液压气动与密封，１ ９９９， ２ （４）．ｐｕｔ ｔｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｔｏ ｗｏｒｋ． ． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｗａｔｅｒ一ｂａｓｅｄ ｌｆｕ－ 作者简介：孔祥东，男，教授、博士生导师，燕山大ｉ ｄｓ ｉｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｌｏｎｄｏｎ， ＵＫ， Ｍａｒｃｈ １３，学机械电子工程研究所。中国机械工程学会高级会员、中２００１． 国机械工程学会流体传动与控制分会常务委员兼副总干［５］谢伟，周华，弓永军．纯水液压阀气蚀试验系统事、中国机械工程学会流体传动与控制分会青年工作委员研制．液压与气动，２０ ０４ （５）：１４￣１６．会主任、中国机械工业教育协会机械设计制造及其自动化［６Ｊ杨署东，李壮云．水压传动的发展及其关键基础技术．教学委员会副主任、河北省机械工程学会流体传动与控制机床与液压，２ ０００ （５）：６一９．分会理事长、《锻压技术》编委会委员。研究方向为流体［７］焦素娟，周华，杨华勇．直动式纯水溢流阀实验研传动及电液控制、新型液压元件开发研制。已发表论文５０究．Ｉ ＣＦＤＭ＇ ２００２，大连，２００２．７：５１２一５１４．作者简介：弓永军，男，１ ９７４年生，浙江大学流体传余篇。电话：０３３５一８０５１１６６（办公室），８０５７０７３（研究动及控制国家重点实验室博士生，现主要从事纯水液压元所）。Ｅ一ｍａｉｌ； ｙｉｇａｏ＠ ｙｓｕ． ｅｄｕ． ｃｎｏ件及应用基础研究工作。Ｅ一ｍａｉｌ； Ｓｋｌｏｆｐ＠ Ｓｏｈｕ． ｃｏｍａ收稿时间：２００４ －０７ －０６收稿时间：２００３－０６－２１
