頂部鋼絲繩張緊油缸液壓閥組的設計與應用研究

孟慶楠

（上海圣克賽斯液壓股份有限公司，上海 201617）

液壓系統廣泛應用在工程機械、礦山機械、石油海洋等重型設備上，隨著工業的高速發展，要求以最小的成本制造設計出高性能、高效率的設備，液壓設備作為工業設備的一部分，也逐漸走向輕量化節能高效的發展之路，比有集成液壓動力單元、集成閥組等液壓設備，其中液壓集成組是液壓系統的關鍵零部件，它集閥件、測量設備、管件或法蘭件、固定方式于一體，既是元件的承裝載體，又是元件間油路連通的通道體，它使液壓系統結構變得緊湊，管道連接變得簡化，隨著計算機設計軟件在各個行業的應用，使得設計閥塊變得更輕松更直觀，提高了設計質量，縮短了設計周期，提高了工作效率，本公司設計三維軟件采用的是INVENTOR,軟件自身帶有應力分析插件，可以對設計的閥塊進行應力分析，對閥塊的內部狀態進行分析，以便校核所使用的材料是否安全可靠。礦上機械鑿巖機設備上使用的液壓閥組要求重量盡量小，便于安裝維修調試。經過前期的理論設計，再到后期的加工制作工藝控制質量把關試制出樣品，樣品經過測試其性能和運行安全可靠。

1 液壓閥組設計和三維建模

頂部鋼絲繩張緊油缸液壓閥組裝置總成由集成塊及其上面安裝的1個減壓閥、1個單向閥，1個溢流閥、1個換向閥，6個管接頭和1個測壓接頭組成，該集成閥組可實現頂部鋼絲繩油缸的伸出、退回，完成設備的加緊、松開。液壓控制原理圖如圖1所示。

圖1 液壓原理圖

1.1 閥塊油道孔徑的確定

閥塊內油道的孔徑按流速來選取，設計閥塊體的孔道時應考慮盡可能減小流阻損失及加工方便，孔徑計算后取整并參考標準孔徑尺寸或公司現有加工刀具，為便于去毛刺和避免污染物沉積，相交孔的結構采用T字形，避免長孔、斜孔及工藝孔的大量使用，合理計算并結合客戶對液壓閥組的使用要求，使集成塊的孔道和油口位置布置更趨合理。

閥塊內油道的孔徑可以根據下述公式確定：

式中，d為油道孔徑，單位：mm；Q為流經該油道孔的流量，單位L/min；ν為油道孔的允許流速，單位m/s，推薦流速：對于吸油管路取1～2m/s對于壓力管取ν=3～6m/s(系統壓力高，管路短或油液黏度小取最大值，反之，取小值，局部或者特殊情況可取≤10m/s)，對于回油管取1.5～2m/s。

1.2 閥塊材料的選取

不同材料決定了不同的壓力等級，根據使用壓力合理選材，液壓閥塊材料可用鑄鐵、鋼和鋁合金等。使用壓力低于6.3MPa,材料選擇鋼、鐵、鋁均可；壓力低于21MPa,材料可以選用鋁合金、鋼件、鐵件；壓力大于21MPa,選用鋼、鐵有焊接要求的需要選擇鋼件，選擇材料還需考慮客戶的要求和成本，一般鑄鐵件對刀具的磨損比鋼件輕，鑄鐵比鋼價格便宜，綜合考慮。

本設計頂部鋼絲繩張緊油缸液壓閥組安裝在鑿巖機設備上，系統使用壓力比較高24MPa,工況惡劣，材料選取45#鋼，45#鋼抗拉強度為600MPa，屈服強度為355MPa，伸長率為16%，斷面收縮率為40%，密度為7.85X103kg/m3。

1.3 相鄰油道最小壁厚的計算

閥塊相鄰油道最小壁厚的計算設計時，可先按管道厚壁公式進行計算確定，設計完成后，在用inventor自帶有限元分析對強度進行校對，也可根據經驗值來確定。相鄰孔之間的壁厚控制，一般孔徑小于10mm，最小壁厚不小于3mm，孔徑小于25mm，最小壁厚不小于3mm,孔徑大于25MM，最小壁厚不小于8～10mm，深孔加工防止鉆頭因偏斜引起的加工誤差，壁厚應適量加大。

式中，δ為最小壁厚，mm；D為孔道內徑，mm；P為工作壓力，MPa；[σ]為材料許用應力,MPa，對于鋼材料[σ]=Rm/s，(Rm為抗拉強度，MPa；s為安全系數)，當P≤7.0MPa時，S取8；當7MPa≤P≤17.5MPa時，S取6；當P≥17.5MPa時，S取4。

頂部鋼絲繩張緊油缸液壓閥組工作壓力為24MPa，系統工作流量35L/min,選用硬質材料45#鋼，根據孔徑公式，計算孔徑分別是8、12、15，最小壁厚計算如表1所示。

表1 閥塊油道孔間最小壁厚計算表

1.4 閥塊各面油口和閥件的布置

根據設備的總體布局，張緊油缸閥組需要安裝在鑿巖機設備上，根據現場設備的要求，所有油孔布置在閥塊前、后兩個面，根據油管的走向P、T孔布置在前部，A1、A2、B1、B2、測壓口G布置在后面，以便管路連接。為防止與其他設備干涉、方便調節，可調節閥件放置在頂面，單向閥布置在右側，閥塊體底面固定。

1.5 閥塊的三維設計

遵循上述設計原則，根據客戶提供的要求選擇合適的閥件，本設計閥件均采用螺紋插裝閥。根據插裝閥插孔為成型孔,利用成型刀具進行加工，精度高，在INVENTOR平臺上設計出閥組總成的三維圖如圖2所示，通過設置圖形的透明度或者用刪除面的辦法可以很方便地校核各孔道的連通關系和閥件油口標識，如圖3所示。

圖2 閥塊總成三維圖

圖3 閥塊總成三維透視圖

2 閥塊體應力分析

2.1 閥塊的應力分析

用三維軟件INVENTOR中的應力分析，對設計的閥塊進行應力和應力變形進行分析，以檢測閥塊的強度，以免因應力集中而影響閥塊使用壽命或因應力變形嚴重造成泄漏。如圖2閥組裝配圖，閥塊尺寸為118×75×62。螺母把合固定面距端部厚度為10mm，四角采用螺栓固定底面固定，利用有限元分析對閥塊的應力和應力變形進行分析，根據閥結構形式和受力情況，建立整體分析模型，并進行網格劃分，設置固定面，由于閥塊是在四個角通過螺釘把合在設備上，因此將四個角設定固定面，閥塊體受載荷為作用在孔道內壁的油液壓力,方向垂直指向孔的內壁，P,A1、A2孔（包括連接孔）插裝閥對應油口，換向閥1和2號口的壓力為24MPa,B1、B2、換向閥插孔3號口，減壓閥插孔3號口，溢流閥插孔2號口（包括連接孔）的壓力1.5MPa,T孔的壓力為0.5MPa,設置材料仿真參數，閥塊的底座和螺栓固定面為固定約束，采用Inventor自帶應力分析，自動劃分網格，在具有材料屬性的體積塊中創建單元，應力分析的應力云圖，位移云圖見圖4和圖5。

圖4 閥塊體應力云圖

圖5 閥塊體位移云圖

2.2 分析結果

通過應力分析，閥塊各壓力油道孔內壁應力大部分為22.5～112.5MPa相鄰兩油道壁厚較薄處應力為11.44～56.43MPa，圖5可以看出，最大位移出現在P1孔的側表面處，最大位移為3.36μm，閥塊最大應力值出現在P孔與減壓閥插孔的孔道相貫處，最大值為112.5MPa最小安全系數S=600/112.5=5.33，滿足閥塊安全設計要求。

3 樣件試驗驗證

按要求加工組裝好液壓閥組在液壓試驗臺進行功能測試，檢測閥組中各液壓閥安裝表面和安裝孔的密封性，按要求設定好各閥的壓力值，整個液壓閥組在壓力31.5MPa的情況下，保壓30min測試閥塊的耐壓及密封情況，閥塊各油口和閥件有無泄漏，整體測試結果表明，該閥組沒有出現漏油、發熱現象，噪聲低，運行平穩，安全可靠。

4 設備運行

客戶將設計制造的集成閥組應用在鑿巖機頂部鋼絲繩張緊油缸的控制回路設備中，安裝調試,油缸動作平穩加緊力反復測試滿足設備要求，運行可靠。

5 結語

液壓控制閥組的集成不僅簡化了液壓系統的設計和安裝，而且實現了液壓設備的集成化和標準化，降低了制造成本，提高了系統的可靠性。設計采用三維軟件提高了工作效率，縮短了設計周期，特別是在滿足客戶設備的使用要求受到連接油口尺寸、空間布置、定位安裝等限制時，利用三維軟件的建模功能，使得對設計反復修改調整帶來了很大的方便，利用有限元分析模塊對閥塊進行應力分析，校核所使用材料是否安全可靠，避免造成重大安全事故，節約了材料，達到了節能高效的目的，加快液壓系統設備產品的研發更新換代速度，提高企業的社會經濟效益。