永磁弹簧式溢流阀的结构设计【字数：11613】
1第1章 绪论 31.1引言 31.2溢流阀与永磁技术研究的历史与现状 31.3 溢流阀与永磁技术的发展趋势 41.4 课题解决的方案 4第2章 溢流阀的作用与分类 62.1溢流阀的作用 62.2溢流阀的类型与工作原理 62.2.1先导式溢流阀 62.2.2直动式溢流阀 72.2.3溢流阀常见的问题 8第3章 永磁弹簧式溢流阀的结构设计 93.1永磁弹簧的优点 93.1.1 机械弹簧与永磁弹簧 93.1.2 永磁弹簧的类型 93.2永磁弹簧式溢流阀的设计思路及参数 93.2.1 永磁弹簧式溢流阀的设计思路 93.2.2 永磁弹簧式溢流阀的设计参数 93.3永磁弹簧溢流阀材料 103.4相关计算尺寸 113.5 永磁弹簧式溢流阀的结构原理图 14第4章 建模过程与仿真 164.1二维图绘制 164.2三维建模 164.3基于Ansoft Maxwell3D的永磁力仿真分析 234.3.1 永磁弹簧力的计算方法 234.3.2 Asoft Maxwell简介 234.3.3 Ansoft仿真步骤 234.3.4 永磁弹簧的三维建模 234.3.5永磁弹簧的仿真分析 24总结 28致谢 29参考文献 30永磁弹簧式溢流阀的结构设计溢流阀作为液压系统中常用的元件，其性能也尤为重要。螺旋式压缩弹簧在使用的过程中容易发生疲劳破坏；对此设计了一种由永磁弹簧直接作用的溢流阀。永磁弹簧具有非接触式、体积小、举升大、无摩擦、能耗低、寿命长、噪音低、无润滑等优点，并且设计合理时可在工作点周围获得良好的刚度。本文主要介绍了溢流阀的研究现状与分类、永磁弹簧式溢流阀的结构设计，通过有限元分析确定磁力间隙，设计永磁弹簧。最后，通过绘制三维建模和CAD图纸完成永磁弹簧式溢流阀的设计。
目录
永磁弹簧式溢流阀的结构设计 1
Structural Design of Relief Valve with Permanent Magnet Spring
Abstract
As a common component in hydraulic system, the performance of relief valve is particularly important. The spiral compression spring is *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
prone to fatigue damage in the process of using. A relief valve with permanent magnet spring acting directly is designed. Permanent magnet spring has advantages of noncontact, small volume, heavylift, frictionless, low energy consumption, long lifespan, lower noise and no lubrication, and it can achieve good stiffness around the working point with proper design.
In this paper, the research status and classification of relief valve, the structure design of permanent magnet spring relief valve are introduced. The magnetic clearance is determined by finite element analysis, and the permanent magnet spring is designed. Finally, the design of permanent magnet spring relief valve is completed by drawing threedimensional modeling and CAD drawings.
Key Words: mechanical spring; permanent magnet spring; simulation analysis;relief valve
第1章 绪论
1.1引言
作为一门新兴的应用学科，液压技术虽然诞生只有短短的两百多年，但它却日新月异地发展着，相比于传统的机械传动，采用液压传动可以传递很大的力或力矩，压力流量可控性好，进行功率放大，可柔性传动动力，同时又有着较低的制造成本，故而被广泛地用于各种工程领域：如锻压机械、大型机床、船舶、大型工程机械、汽车行业、冶金工业等领域。液压系统一般由四大元件组成：动力元件、执行元件、控制元件以及辅助元件。
作为一种液压控制元件，溢流阀在液压系统中主要起溢流调压，稳压，系统卸荷和安全保护作用，通过对启闭特性的分析就可以判断出溢流阀性能的好坏。市面上常见的溢流阀主要分为直动式和先导式两大类，其中直动式溢流阀中的调节和复位元件就是螺旋式压缩弹簧，但是这种弹簧的的缺点是在长时间使用过程中产生噪音、疲劳断裂、氢脆断裂、腐蚀开裂、压力下屈曲和倾斜卡死等一系列问题，从而影响溢流阀的启闭性能，无法达到预期的工作要求，严重影响液压系统的工作。
本课题旨在设计一种利用永磁体之间气隙特性的磁力变化的结构，即采用永磁弹簧，来代替传统直动式溢流阀中的螺旋式压缩弹簧，实现与之相似的性能。与普通螺旋压缩弹簧相比，永磁弹簧具有非接触式、体积小、无摩擦、无需润滑、噪音小、抗冲击能力更强等优点，在实现相同性能的前提下，若采用永磁弹簧则可以简化溢流阀的结构，同时提高溢流阀的可靠性与稳定性。
随着近年来高性能磁铁材料的出现，永磁弹簧越来越有望取代螺旋式压缩弹簧，来克服传统螺旋式压缩弹簧的不稳定和容易失效的缺点。通过本课题的研究，将永磁弹簧运用于溢流阀，对有效改善溢流阀的性能，延长其使用寿命，提高溢流阀在液压系统中的稳定性、可靠性、安全性具有指导作用，同时，也为日后永磁弹簧在其他液压元件中的应用提供了理论参考。
1.2溢流阀与永磁技术研究的历史与现状
永磁弹簧式溢流阀的结构设计基础主要有永磁力设计理论、机械设计、电磁场、液压元件设计的相关理论。其中电磁场理论是研究电磁场各物理量之间的关系及其空间分布和时间变化的理论，对永磁弹簧部分具体指导意义，而机械设计、液压与气动技术则对溢流阀的机械结构部分给出了指导。
对溢流阀的研究,主要包括理论研究、实验研究和数值仿真三方面。国内外的相关学者从上世纪六、七十年代就开始对溢流阀进行相关研究,经历了定性和定量研究两个阶段。溢流阀静态性能的指标包括压力调节范围、开启闭合特性以及卸荷压力。根据研究的结果，总结出了比较完善的设计准则以及阻尼孔尺寸选择范围,通过对溢流阀的结构参数和静态特性进行分析,发现启闭压力比的影响是产生溢流阀启闭特性误差的主要原因。对于先导式溢流阀，先导阀控制机构是实现理想恒压特性的关键。通过数值仿真对阀的相关特性进行模拟分析,可以对阀的结构进行进一步优化。
作为一种反馈的控制系统,溢流阀的动态特性的研究主要包括溢流稳定性和动态响应特性。对于锥阀与管道相连接系统的稳定性问题,发现提高稳定性需要满足的条件是尽量缩短管道的长度,以减少容腔,加大阻尼。利用反馈，原浙江大学的路雨祥教授发明了机械反馈式先导溢流阀,从而提高了溢流阀的稳态调压精度和动态稳定性，而这种溢流阀是在传统差压式溢流阀的基础上改进的。
永磁技术的发展可以追溯到上世纪60年代的美国，首先成功研制了磁力轴承，随后德日等国相继开展了这方面的研究，中国也于上世纪八十年代开始了这方面的研究，最开始由清华大学开始研究磁力轴承的稳定性，随后磁悬浮概念逐年为人们熟知，神舟号载人飞船上也有永磁技术的身影，2013年，兰州理工大学的司国雷设计了YCL01永磁弹簧式溢流阀；2017年，昆明理工大学的马侯婷设计了永磁式单向阀，这些都为永磁技术在液压方面的应用提供了一定的理论基础。
目录
永磁弹簧式溢流阀的结构设计 1
Structural Design of Relief Valve with Permanent Magnet Spring
Abstract
As a common component in hydraulic system, the performance of relief valve is particularly important. The spiral compression spring is *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
prone to fatigue damage in the process of using. A relief valve with permanent magnet spring acting directly is designed. Permanent magnet spring has advantages of noncontact, small volume, heavylift, frictionless, low energy consumption, long lifespan, lower noise and no lubrication, and it can achieve good stiffness around the working point with proper design.
In this paper, the research status and classification of relief valve, the structure design of permanent magnet spring relief valve are introduced. The magnetic clearance is determined by finite element analysis, and the permanent magnet spring is designed. Finally, the design of permanent magnet spring relief valve is completed by drawing threedimensional modeling and CAD drawings.
Key Words: mechanical spring; permanent magnet spring; simulation analysis;relief valve
第1章 绪论
1.1引言
作为一门新兴的应用学科，液压技术虽然诞生只有短短的两百多年，但它却日新月异地发展着，相比于传统的机械传动，采用液压传动可以传递很大的力或力矩，压力流量可控性好，进行功率放大，可柔性传动动力，同时又有着较低的制造成本，故而被广泛地用于各种工程领域：如锻压机械、大型机床、船舶、大型工程机械、汽车行业、冶金工业等领域。液压系统一般由四大元件组成：动力元件、执行元件、控制元件以及辅助元件。
作为一种液压控制元件，溢流阀在液压系统中主要起溢流调压，稳压，系统卸荷和安全保护作用，通过对启闭特性的分析就可以判断出溢流阀性能的好坏。市面上常见的溢流阀主要分为直动式和先导式两大类，其中直动式溢流阀中的调节和复位元件就是螺旋式压缩弹簧，但是这种弹簧的的缺点是在长时间使用过程中产生噪音、疲劳断裂、氢脆断裂、腐蚀开裂、压力下屈曲和倾斜卡死等一系列问题，从而影响溢流阀的启闭性能，无法达到预期的工作要求，严重影响液压系统的工作。
本课题旨在设计一种利用永磁体之间气隙特性的磁力变化的结构，即采用永磁弹簧，来代替传统直动式溢流阀中的螺旋式压缩弹簧，实现与之相似的性能。与普通螺旋压缩弹簧相比，永磁弹簧具有非接触式、体积小、无摩擦、无需润滑、噪音小、抗冲击能力更强等优点，在实现相同性能的前提下，若采用永磁弹簧则可以简化溢流阀的结构，同时提高溢流阀的可靠性与稳定性。
随着近年来高性能磁铁材料的出现，永磁弹簧越来越有望取代螺旋式压缩弹簧，来克服传统螺旋式压缩弹簧的不稳定和容易失效的缺点。通过本课题的研究，将永磁弹簧运用于溢流阀，对有效改善溢流阀的性能，延长其使用寿命，提高溢流阀在液压系统中的稳定性、可靠性、安全性具有指导作用，同时，也为日后永磁弹簧在其他液压元件中的应用提供了理论参考。
1.2溢流阀与永磁技术研究的历史与现状
永磁弹簧式溢流阀的结构设计基础主要有永磁力设计理论、机械设计、电磁场、液压元件设计的相关理论。其中电磁场理论是研究电磁场各物理量之间的关系及其空间分布和时间变化的理论，对永磁弹簧部分具体指导意义，而机械设计、液压与气动技术则对溢流阀的机械结构部分给出了指导。
对溢流阀的研究,主要包括理论研究、实验研究和数值仿真三方面。国内外的相关学者从上世纪六、七十年代就开始对溢流阀进行相关研究,经历了定性和定量研究两个阶段。溢流阀静态性能的指标包括压力调节范围、开启闭合特性以及卸荷压力。根据研究的结果，总结出了比较完善的设计准则以及阻尼孔尺寸选择范围,通过对溢流阀的结构参数和静态特性进行分析,发现启闭压力比的影响是产生溢流阀启闭特性误差的主要原因。对于先导式溢流阀，先导阀控制机构是实现理想恒压特性的关键。通过数值仿真对阀的相关特性进行模拟分析,可以对阀的结构进行进一步优化。
作为一种反馈的控制系统,溢流阀的动态特性的研究主要包括溢流稳定性和动态响应特性。对于锥阀与管道相连接系统的稳定性问题,发现提高稳定性需要满足的条件是尽量缩短管道的长度,以减少容腔,加大阻尼。利用反馈，原浙江大学的路雨祥教授发明了机械反馈式先导溢流阀,从而提高了溢流阀的稳态调压精度和动态稳定性，而这种溢流阀是在传统差压式溢流阀的基础上改进的。
永磁技术的发展可以追溯到上世纪60年代的美国，首先成功研制了磁力轴承，随后德日等国相继开展了这方面的研究，中国也于上世纪八十年代开始了这方面的研究，最开始由清华大学开始研究磁力轴承的稳定性，随后磁悬浮概念逐年为人们熟知，神舟号载人飞船上也有永磁技术的身影，2013年，兰州理工大学的司国雷设计了YCL01永磁弹簧式溢流阀；2017年，昆明理工大学的马侯婷设计了永磁式单向阀，这些都为永磁技术在液压方面的应用提供了一定的理论基础。
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