第一章緒論PAGE33PAGE34電控卸載閥控制器的機械結構設計摘要從改革開放至今，我國一向是煤炭資源大國，煤炭探明儲備量為世界前五，煤炭消耗量為世界第一。隨著煤礦業的日益發展，煤礦行業的安全問題成為許多人關心的大問題。但現今的乳化液泵站卸載閥控制系統有些部分都是人工手動操作，這對于井下的工人來說十分不安全，并且現有的機械式卸載閥和電磁式卸載閥也十分落后，占地大，效率低下。因此本文根據這兩種卸載閥設計一種全新的電控式卸載閥，希望它能代替現有的卸載閥控制系統。本文從現有卸載閥系統入手，查閱大量有關卸載閥的資料，弄清卸載閥的原理，并初步畫出電控式卸載閥控制系統圖。然后根據控制器總體草圖，開始對每個非標準件零件進行結構設計。零件的設計完成后，進行組裝和干涉檢查。最后對關鍵的凸輪結構和小閥桿軸結構進行強度校核，其中的重點是對小閥桿軸的強度校核。關鍵詞：電控式卸載閥，乳化液泵站，凸輪，小閥桿軸。目錄TOC\o'1-3'\h\z\u摘要 I第一章緒論 11.1選題背景及研究意義 11.1.1選題背景 11.1.2研究意義 21.2國內外卸載閥研究發展現狀 21.2.1國外發展現狀 21.2.2國內發展現狀 41.3現有卸載閥控制器的缺點 41.4選題的研究目標與主要內容 51.4.1研究目標 51.4.2主要研究內容 51.5本章小結 5第二章卸載閥組成結構與壓力控制過程以及控制器機械裝置設計 62.1自動卸載閥結構與工作原理 62.1.1卸載閥的結構 62.1.2卸載閥的工作原理 72.2控制器總體思路設計 72.3本章小結 8第三章卸載閥控制器機械裝置設計 93.1外部采購零件的確定 93.1.1電動推桿的選擇 93.1.2導軌的選擇 113.2平臺結構設計 123.3墊板組件結構設計 143.4小閥桿組件結構設計 163.5小閥桿固定板結構設計 213.6凸輪結構設計 223.7連接板結構設計 243.8電控式卸載閥控制器標準件選擇 273.9總裝配體結構干涉檢查 273.9.1電控式卸載閥機械結構靜態干涉分析 273.9.2電控式卸載閥控制器機械結構動態干涉分析 283.10本章小結 28第四章電控式卸載閥控制器主要結構強度校核 294.1凸輪組件結構強度校核 294.2閥桿軸強度校核 314.3本章小結 32第五章總結與展望 335.1總結 335.2展望 33第一章緒論1.1選題背景及研究意義1.1.1選題背景乳化液泵站是將壓力液體輸送至綜采液壓支架或一般回采工作面單體液壓支柱的動力設備，其工作的是否可靠直接決定了采煤綜采工作面是否安全。而在近十多年來，隨著許多超大采高型液壓支架設備進入采煤工作領域，乳化液泵站也呈現出向高壓大流量泵站發展的趨勢。國內現階段常用的幾種乳化液泵的壓力控制技術有大體以下三種：變量泵壓力控制系統、溢流閥壓力控制系統、卸載閥壓力控制系統。[1]其一，以變量泵為基礎的壓力控制系統是通過對液壓系統流量大小的檢測而改變泵的排量，從而進一步確保乳化液泵系統壓力正常。當液壓系統的流量變大時，會導致泵的排量增加；當液壓系統流量變小時，會導致泵的排量減少；停止工作時，泵的排量減小到零。隨著海內外滔滔不絕的研究和改進，變量泵有了越來越多的形式，但是由于自身存在的結構的復雜性和產生高成本的性質，并且還存在不好排液等問題，使得變量泵注定不能在礦業尤其是井下礦業進行大量運用。其二，溢流閥的壓力控制是在一定的壓力下使用溢流閥的開閉特性，從而使壓力變化在乳化液泵的可承受范圍內，壓力上升時，系統排出多余的乳化液；壓力降低時，溢流閥停閉，從而使壓力穩定。相對于變量泵，溢流閥生產成本低，結構簡單，所以擁有相對更多的應用空間。但是在溢流閥的壓力控制下，使得乳化液泵一直處于滿載狀態，所以使設備磨損太快，從而需要大量的維護成本與能源消耗，所以溢流閥控制系統也只能在小流量的場合使用其三，基于卸載閥的壓力控制是現在應用最為廣泛的乳化液泵壓力控制方式，也是當前研究最廣泛，研究深度最深的壓力控制方法。因為卸荷閥的壓力控制系統有能耗低、設備壽命長、運轉可靠等獨到之處。另外，控制方式采取“開關量控制”。卸載閥打開的話，乳化液泵排出的液體通過卸載管直接返回箱體內。從而削減柱塞壓力，從而使乳化液泵卸載，減少了設備的損耗。而卸載閥分為兩類：機械閥和電控閥。機械閥總成的先導閥采用純機械結構，根據彈簧力和流體壓力來決定導氣閥的開啟。機械式卸載閥結構簡單，工作狀況穩定，成本低，早期被國內外大量運用，但其卸載恢復力很低，輸出的壓力很差。而電控式卸載閥用電磁感應技術與傳感器技術和自動控制技術的結合，使其卸載恢復力比機械式更高更穩定，而且采用自動控制技術可以實現空載開動和空載停止，有效提高卸料系統的使用壽命。但是由于卸載閥的結構復雜，所需要的成本較高，從而使得電控式卸載閥大多運用于大流量高壓的工作情況下。[2]1.1.2研究意義因為人口基數的原因，我國是煤炭生產消耗的第一大國，近年來煤炭行業的成長為我國國民經濟連續快速發展，電力，冶金等行業的快速生長供應了大量的能源基礎。所以為了滿足煤炭行業的快速發展，必須要進行高速高產高效的智能化，自動化采煤。另外，隨著能源需求的不停增長，對煤炭生產效率的渴求也在提高。乳化液泵是煤礦作業面不可缺少的設備，其性能和可靠性潛移默化的影響煤礦的生產效率和礦井下人員的生命安全。[3]在長期的發展下，我國煤炭綜采工作面自動化程度越來越高，其中乳化液泵站是用于將高壓乳化液輸送到綜采工作面的液壓支架或普采工作面的單一液壓支柱，它能夠實現推移刮板運輸機的各種常規的和復雜的運動，是因為現場的乳化液泵提供多種壓力流體，用于千斤頂的移動。所以說乳化液泵站的自動化水平很大情況下影響采煤工作面的安全性和穩定性。而卸載閥是乳化液泵站中很重要的一個零件，國內外許多公司對卸載閥進行大量研究，但相比于國外，國內的卸載閥研究水平不是很高，國內的卸載閥產品也大多數是電磁先導閥作為控制器的卸載閥，并且大部分的研究方向是卸載閥的工作原理以及仿真研究，很少有關于卸載閥控制器的機械結構的優化方案。在對現有有關卸載閥的資料進行調查分析后發現：由于電磁先導閥的結構復雜，在經過多次開啟與關閉之后，先導閥會因為震動導致加速閥芯磨損嚴重，并且因為閥芯與調節螺釘存在電位差，使得閥芯受到電化學腐蝕，進一步加重了先導閥的磨損。[4]隨著如今采礦工作對乳化液泵站的供液需求變得越來越大，使得急需一種安全，可靠，穩定的大功率電控卸載閥。但現在的電磁先導閥的構造注定當加大乳化液的排量時，就要用更大體積的電磁鐵才能滿足要求，而大體積的電磁鐵造價高，工藝要求高且本身的機能不穩定。在這種背景下，本課題旨在設計一種機械式先導閥取代電磁式先導閥從而控制卸載閥開啟與關閉，并能被單片機進行控制的卸載閥控制系統。因為此機械式先導閥不是用的電磁控制，而是改用電機控制，從而有效避免電磁體過大使得先導閥結構過大的情況。因此用電機控制的機械式先導閥也稱為電機控卸載閥控制器。本課題就是設計控制器的機械結構以及校核該機械零件的強度。1.2國內外卸載閥研究發展現狀1.2.1國外發展現狀早在20世紀60年代，美國便最先開始了對于水傳動技術的研究，但初期研究進展緩慢。到70年代石油危機爆發，使得歐美各國開始研究新的介質想要頂替液壓油。80年代時，日本將水基液壓技術研究列為攻關課題，引進美國最新技術，由政府投資，號召近60個企業進行水基液壓技術的相關實驗研究。通過各個國家的不懈努力，到20世紀80年代末期，研究工作有了實質性的突破。直到21世紀，與自動卸載閥以及其有關產品逐漸面世，其中以美國威格士（VICKERS）公司、德國力士樂（Rexroth）公司、意大利阿托斯公司、英國波爾頓公司的卸載閥產品運用最為廣泛。[5]圖1-1圖1.1為美國威格士（VICKERS）公司的EURG/T型卸載閥，其中EURG型卸載閥為版式；EURT型卸載閥為螺紋式。EUR型卸載閥最顯著的特點是三級同心結構，最大的優點是卸載時三級同開，靈敏度高，排油快。但是不足之處是對污染的靈敏度過高，使其極其容易因為部分污染導致整個卸載閥都不能用，并且它結構復雜，價格昂貴。圖1-2圖1.2是德國力士樂（Rexroth）公司的DA型卸載閥，其卸載閥可以在非正常工作情況下由高壓供油變為低壓供油狀態[6]圖1.3是意大利阿托斯公司的AGIU型卸載閥圖1-3圖1.4是英國波爾頓公司的TRIMAX型卸載閥，此閥的工作液有兩種，分別是乳化液和中性水，這兩種工作液都能使工作平穩，從而可以減去卸載口的蓄能器，大大簡化了乳化液泵站系統。此閥的主先導閥還有簧片體積小，結構長度小，行動機動，精確可靠，容易實現自動控制的優點。[7]1.2.2國內發展現狀我國的乳化液泵卸載閥研究與發達國家相比，起點低、發展慢，早期主要是靠進口國外的卸載閥后加以改進。在很長一段，國內的卸載閥壓力系統都是通過人工手動控制調節，效率低，浪費人力、財力成本，使得生產周期過長，不及滿足自動化工作面的需求。直到21世紀之后，國內開始出現如無錫煤機、南京六合、浙江中煤等乳化液泵站的生產廠家，在此以神東集團乳化液泵站為例。神東集團從2017年1月開始在補連塔煤礦8m采煤工作面使用了第一個國產大流量630L/min泵站，截止2020年1月神東集團在井下使用的國產630L/min及以上泵站已經達到9套這些國產大流量泵站的使用機能已經到達甚至超過進口乳化液泵站水平。[8]即便如此，國內的卸載閥自動控制精度與加工精度還是不如國外，需要進一步提高。1.3現有卸載閥控制器的缺點通過上文的研究意義與國內外卸載閥的發展現狀可知，目前對乳化液泵站壓力控制的研究主要集中在機械式卸載閥與電磁式卸載閥。但是傳統的機械式卸載閥壓力控制器只能在低壓環境下穩定運行，不能用于高壓大排量的工況。而電磁式卸載閥壓力控制器想要在高壓大流量的工況下工作時，就必須要有更大的電磁鐵來支持，而這在現實情況下是無法做到的。所以急切需要設計出最新的電控式卸載閥控制器取代已有的機械式卸載閥控制器與電磁式卸載閥控制器，從而實現高壓大流量下的乳化液泵站的壓力自動控制。1.4選題的研究目標與主要內容1.4.1研究目標由于上文所提到的現有的機械式卸載閥控制器與電磁式卸載閥控制器各有許多缺陷，本課題決定設計一種新型的電控式卸載閥控制器從而克服現有控制器的缺點，并使所設計出來的電控式卸載閥控制器可以適應高壓大流量的工作場合，進一步實現乳化液泵的壓力自動控制過程，從而節約成本，提高工作效率。本課題從進行各種資料調查、對各部分零件結構設計、標準件與非標準件的配合、針對性的改進和完善以及強度校核入手，最終研究出能饜足井下工況需求的新型卸載閥控制器。1.4.2主要研究內容本文先對卸載閥進行詳細的資料調查，摸清楚它的結構原理，之后初步設計出電控式卸載閥控制器的整體結構草圖。本文主要內容是對電磁式卸載閥控制器機械裝置的各個部分進行結構設計，包括平臺、凸輪、小閥桿固定板、墊板等。并用到cad與solidworks軟件來進行二維圖繪制與三維建模。再通過solidworks軟件進行靜態干涉檢查與動態干涉檢查。最后分別對凸輪組件和小閥桿軸進行強度校核。1.5本章小結本課題的研究對象是可以頂替乳化液泵站機械式卸載閥控制器與電磁式卸載閥控制器的新型控制器，該控制器是電機式，可以適應井下高壓大流量的工作情況。本章主要介紹了乳化液泵站卸載閥的發展現狀與研究現狀，再針對本文的研究對象，指出了如今的卸載閥控制器的優點和瑕疵，并且因為現有的兩種卸載閥控制器所留存的問題，使得設計新型控制器是必要的，最后敘述了本課題的研究方針與主要內容。第二章卸載閥組成結構與壓力控制過程以及控制器機械裝置設計第二章卸載閥組成結構與壓力控制過程以及控制器機械裝置設計2.1自動卸載閥結構與工作原理2.1.1卸載閥的結構在本文的第一章提到過現在主流的卸載閥有四種，分別是美國威格士（VICKERS）公司的EURG/T型卸載閥、德國力士樂（Rexroth）公司的DA型卸載閥、意大利阿托斯公司的AGIU型卸載閥、英國波爾頓公司的TRIMAX型卸載閥，現以TRIMAX型卸載閥為例對卸載閥的結構進行介紹圖2-1圖2-2TRIMAX卸載閥主要由主閥、主先導閥、副先導閥組成，如圖2.1所示。主閥由主閥體、彈簧、接頭、閥套構成，這是閥的主干，如同人體的軀干，重要的工作狀況都是通過主閥來完成的。主先導閥由主先導閥體、簧片、閥座、閥芯構成，這是卸載閥的控制部分，如同人體的大腦，控制卸載閥進行自動卸載。副先導閥由簧片、閥芯、壓力管、等組成，這是閥的枝干，如同人體的四肢。主先導閥直徑支配副先導閥來控制連接其他的閥體。[9]2.1.2卸載閥的工作原理卸載閥主要有三種不同的工作狀態，分別是泵排出的正常壓力的工作液、泵排除的工作液壓力升高、壓力恢復正常。在正常情況下，卸載閥的進液口與泵的出液口相連，而當泵排出的工作液壓升高時，通過逆止閥芯與先導閥芯的配合作用，使單向閥3在工作液壓升高時及時關閉，從而保證泵的空載，最后得到自動卸載的效果，使其對泵有庇護作用。在卸載之后，綜采工作面的液壓設備會從新工作，該泵通過自動引壓閥將高壓工作液排到綜采工作面的油壓設備，最后壓力恢復正常，卸載閥完成一次卸載工作。2.2控制器總體思路設計圖2-3圖2.2電控式卸載閥控制系統的工作原理圖想要對控制器進行設計，首先要對電機控卸載閥系統的工作原理有一個基礎的了解，如圖2.2是電控式卸載閥系統的工作原理圖，工作原理如下：卸載閥主閥芯口有壓力傳感器，接收到的壓力信號會被處理成數據發送到單片機系統來分析，當壓力信號高于設定的壓力值時，單片機系統便會便會控制機械裝置部分的電動推桿動作，經過凸輪式機械轉換裝置將電動推桿的橫向線性位移轉化為軸向位移并作用在先導閥芯上，先導閥芯開啟，此時先導閥與主閥相連接，先導閥卸載，主閥開啟，卸載閥開始卸荷。在卸載閥卸荷一段時間后，壓力開始減小，當壓力減小到設定的壓力時，主閥芯口的壓力傳感器會發出型號到單片機控制系統，此時單片機控制電動推桿向回收縮，從而控制先導閥關閉，直到主閥關閉，卸載閥恢復正常工作狀態，完成一次卸載。本文主要對乳化液泵站卸載閥控制器的機械部分的凸輪式機械轉換裝置進行機械結構設計，并對其進行校核與靜力學分析。而機械裝置結構需要饜足以下幾點要求：1.當系統壓力低于設定的排出壓力時，機械部分必須保證閥芯密封的可靠性。同時，為了保證卸載閥的壓力，應該補償先導閥芯長期工作后的磨損量。2.當單片機發出回縮指示時，能順利收回閥芯。3在擔保操作可靠性的條件下，結構應盡可能簡單緊湊。圖2-4圖2.3機械結構草圖如圖2.3所示，電控式卸載閥控制器的重要的機械部分有平臺，電機組件，凸輪，連接板，小閥桿組件等零件。電動推桿的直線運動可以通過凸輪組件轉換成閥組件的垂直運動。小閥桿組件下端模塊連接先導閥，通過控制小閥組件，間接控制導閥的運動。先導閥的閥芯的垂直運動范圍由凸輪的下表面曲線結構決定在本文后面會進行詳細的靜態干涉與動態干涉檢查，并且對電控卸載閥機械裝置的非標準件的尺寸設計以及與標準間的配合設計。還有對其進行強度校核。2.3本章小結本章首先主要進行了對卸載閥結構與其工作原理的認識，以TRIMAX型卸載閥為例，對卸載閥有了一個初步的認識，從而對乳化液泵站電控卸載閥控制器系統的工作原理也有了一定的了解，最后就是對本課題最重要的控制器機械結構的總體設計有了一個大體的規劃，按照本章的設計思路開始對各個機械結構進行詳細的設計。第三章卸載閥控制器機械裝置設計第三章卸載閥控制器機械裝置設計本課程設計的電控式卸載閥控制器機械裝置是一種創新型結構設計，當前國內外對于乳化液泵站卸載閥壓力控制系統的研究大多為機械式卸載閥與電磁式卸載閥，但是本課程所設計的結構是過去沒有研究過的，因此，該結構設計是獨立自主的設計。本設計為了完成對電控式卸載閥控制器機械裝置結構的設計，在初期做了巨量的資料考察工作，在所查得的資料下，按著機械式卸載閥與電磁式卸載閥的特有結構與現有性能、實際使用條件為依據，完成電控式卸載閥控制器機械裝置結構的設計。本次設計是以電動推桿和凸輪的結構為設計基礎，采用電動推桿通過橫向力作用在凸輪上，通過凸輪將力作用在小閥桿上，從而完成對先導閥芯的控制，進而控制卸載閥的工作。綜上所述，最終的機械裝置結構是由電動推桿，凸輪，小閥桿，小閥桿固定板，連接板，墊板，電機，導軌，平臺組成。3.1外部采購零件的確定本課題的電控式卸載閥機械結構中的電動推桿、導軌組合中的導軌和導軌滑塊都是外部采購零件，其中電機組的尺寸大小是本次設計中非標準件零件的設計基礎，所以電機組的尺寸選擇非常重要。3.1.1電動推桿的選擇根據主閥閥芯開啟力與閉合力和工況環境的限定，此次設計的電動推桿需要滿足的主要參數為下表所示表3.1電動推桿設計參數表3-1行程電壓速度推力拉力高度30mm24V18mm/s2000N1500N80mm根據表格與實際結構和廠商交流，最后選擇的電推桿是LYX牌LX600型電動推桿。其實物圖如下：圖3-1圖3.1電動推桿實物圖將電動推桿用solidworks軟件展現出來的三維圖如圖3.2所示圖3-2圖3.2電動推桿三維圖其中電動推桿由電機與推桿兩部分組成，其重要結構尺寸如下表所示表3.2電動推桿尺寸表3-2總高度電機長度電機寬度推桿長度80mm140mm45mm71mm推桿橫截面電機前端孔推桿后端孔φ20mmφ8.5φ103.1.2導軌的選擇在本設計中，電動推桿推動凸輪組件，從而完成小閥桿組件的軸向位移控制，所以須要導軌對凸輪組合的行動軌跡進行限定，防止凸輪在前后運動時出現跑偏或脫軌的跡象，從而沒法精確的完成對凸輪的控制。導軌組件分為導軌和導軌滑塊，其就是為了對凸輪組合的行程進行限制，在結構盡可能緊湊的條件下，最終選擇MGN15微型直線導軌和MGN15H滑塊，詳細參數見表3.2，具體實物圖見圖3.2表3.3導軌組件具體參數表3-3導軌組件（滑塊）高度導軌寬度滑塊寬度滑塊長度滑塊螺孔導軌螺栓導軌安裝孔距16.1mm15mm32mm58.8M3×4M3.5×340mm圖3-3圖3.3導軌組件實物圖按照表3.3的具體參數，用solidworks畫出三維圖，如圖3.4.其中導軌滑塊上的四個螺紋孔直徑為M3，導軌上的三個螺紋孔直徑為M3.5圖3-4圖3.4導軌組件三維圖3.2平臺結構設計本課題的平臺是整個電控式卸載閥控制器機械結構的設計和支持的根本，連接板結構，導軌結構，凸輪結構，小閥桿與小閥桿固定板結構等都是以平臺結構為基礎進行設計。因此，平臺機械結構的通孔布局設計、材料選型強度、尺寸大小精度和整體結構大小的是否合理將會對其他所有零部件的結構尺寸與工作狀態產生影響。根據上述所說的平臺機械設計在整個電控式卸載閥控制器機械裝置中的重要性，平臺設計應滿足以下需求:（1）平臺一定要固定在主閥門上。在不影響主閥的正常工作性能的條件下，在閥芯的四周打螺紋孔，使用螺栓和閥體的配合來固定平臺。（2）平臺上方需要為電機組件，凸輪結構，導軌組件留出一定的空間。因為平臺下方是用螺栓結構牢固在主閥的上面，因此，須要適當的留出主閥閥芯空間；凸輪結構是此電控式卸載閥結構中最大，最關鍵的一個結構，所以需要預留比較大的空間來放置凸輪；在凸輪的下方是小閥桿結構，所以要在平臺的前方預留一個小閥桿能夠通過的通孔；導軌結構是直接固定在平臺上的，所以需要給導軌結構預留空間。（3）因為現實煤礦井下工作環境比較狹小，區域不大，因此，平臺的尺寸設計要最大限度的緊湊。（4）電控式卸載閥機械結構是在井下應用，所以平臺因盡量減少通孔，并且要保證整體機械裝置的密封性，所以在擔保電機結構，導軌組件，凸輪組件空間足夠的同時，縮小挖空留白的體積（5）平臺的薄厚需要根據所需要的載荷強度來決定，整體厚度尺寸為45mm。在本課題電控式卸載閥機械裝置設計中，平臺是其他零件和結構的設計根本，根據以上五點需求，可以先根據電機組件，導軌組件和小閥桿組件的組合完成空間構造的設計和通孔的設計，再根據在煤礦井下要求盡量小的結構完成最終尺寸的設計，最終的平臺設計的二維結構體如圖3.5，3.6所示圖3-5圖3.5平臺的上視結構圖圖3-6圖3.6平臺的左視結構圖最終的平臺結構的各個詳細參數如下表3.3表3.4平臺詳細參數表3-4平臺長度平臺寬度平臺總高平臺主體厚度250mm200mm80mm45mm與閥體固定連接的通孔/mm與閥芯連接固定的螺紋孔/mm8-φ20沉孔φ32沉孔深30φ65H7孔深50螺紋深30與墊板組件連接固定的螺紋孔/mm與小閥桿配合的通孔直徑/mm4-M12孔深18螺紋深15φ25與小閥桿固定板連接固定的螺紋孔/mm與導軌連接固定的螺紋孔/mm4-M6-H7孔深20螺紋深156-M4-H7孔深10螺紋深8間隔40在進行對平臺結構的優化設計之后，按照二維視圖與詳細參數，開始使用solidworks軟件進行三維建模。先以圖3.3為模板畫一個草圖，畫完草圖后通過“拉伸凸臺/基體”命令繪制出一個大概的模型；然后通過“拉伸切除”命令，并且根據表3.3的詳細數據切除出各個通孔以及螺紋孔；再用“異型孔導向”選項中的“螺紋線”命令將各個螺紋線畫上；最后進行具體細節的修飾。平臺結構的三維圖如圖3.5圖3-7圖3.7平臺的三維結構圖3.3墊板組件結構設計電動推桿通過墊板組件與平臺連接在一起，墊板組件的作用是固定電動推桿在平臺上，所以墊板組件是使電動推桿能在平臺上穩定工作的重要結構。墊板組件由一個墊板與兩個墊板耳組成，它的結構設計與尺寸精度是整體結構中十分關鍵的一環。根據以上基礎，設計墊板組件需要滿足之下的結構設計要求：（1）墊板組件所設計的螺紋孔必須與平臺上的螺紋孔相互配合，并且墊板組件需要與平臺大面積接觸，以保證受力盡量均勻分布在整個墊板組件平面上。（2）因為電控式卸載閥實在煤礦井下作業，結構尺寸要盡量緊湊，所以墊板組件的厚度不可以太大。（3）兩個墊板耳之間的距離應該略寬于電動推桿的頭部，并且墊板耳的通孔需要與電動推桿頭部的通過相配合，方便在后期裝配時使用螺栓牢固電動推桿。（4）在煤礦井下工作需要減少零件結構中的空氣含量，及需要良好的密封性，因此墊板組件的通孔要盡可能的少。根據以上四點要求，對墊板組件進行二維圖設計，得到的二維結構圖如下圖3.8、3.9所示。圖3-8圖3.8墊板組件上視結構圖圖3-9圖3.9墊板組件側視結構圖最終墊板組件結構詳細尺寸參數如下表3.5表3-5墊板組件總長墊板組件寬度墊板組件高度140mm100mm50mm墊板厚度墊板耳厚度墊板耳寬度20mm5mm20mm墊板耳通孔直徑墊板通孔直徑墊板深孔直徑2×φ84×φ12.54×φ20在對上述的二維圖與詳細尺寸數據進行整理后，開始進行solidworks軟件三維建模繪制，先按照墊板正視圖畫出草圖，再根據草圖進行“拉伸凸臺/基體”與“拉伸切除”命令建模出墊板與其通孔。最后再拉伸出墊板耳，并且打出2×φ8的通孔。建模后與平臺上的螺紋孔相配合后發現完全可以配合成功，并與電動推桿也能配合。墊板組件的三維圖如下圖3.10所示圖3-10圖3.10墊板組件三維結構圖3.4小閥桿組件結構設計電動推桿的一端固定在墊板組件，推桿的一端固定在凸輪組件上，推桿的線性運動作用在凸輪上使凸輪進行線性運動，凸輪通過自身的結構曲線，使小閥桿組件進行軸向運動，從而控制先導閥與主閥的工作而完成對電控式卸載閥的控制。歸因于小閥桿是與先導閥閥芯直接相連的，所以小閥桿組件是十分重要的一個結構，它的機械機構設計、尺寸大小和封閉性是十分重要的一環。綜上所述，初步設計的小閥桿組件需要滿足以下要求：（1）連接凸輪。因為是凸輪的結構曲線控制了小閥桿組件的運動規律，所以在小閥桿的結構上必須與凸輪緊密相連，以至于凸輪能夠時刻控制小閥桿的運動。（2）緊貼平臺。平臺的上最大的通孔便是小閥桿組件的通孔，它們的配合密封性決定了是否在工作過程中出現漏液的問題，但是也不能使用過盈配合，防止凸輪結構不能對閥桿進行有效的控制。（3）小閥桿本身結構需要緊湊性。小閥桿組件由，兩個套筒，一個閥桿，一個銅套，一個閥軸和標準件一個深溝球滾動軸承和兩個擋圈組成，其中滾動軸承與套筒通過閥軸緊密結合在閥桿內部，擋圈固定在閥桿外部，起到固定閥軸的作用。銅套固定套在深溝球滾動軸承外面，起到保護滾動軸承的作用。（4）小閥桿本身長度不易過長，需要在平臺內部完成軸向運動，因為過長的小閥桿組件會伸進先導閥中，這對會影響凸輪對小閥桿的軸向控制。綜上所述，按照上面的要求進行結構設計，得到如下小閥桿組件各零件的二維圖。圖3-11圖3.11閥軸結構圖圖3-12圖3.12銅套結構圖圖3-13圖3.13閥桿結構圖圖3-14圖3.14套筒結構圖小閥桿組件有兩個標準件，分別選擇GB/T276-1994深溝球軸承和GB894.1-86軸用擋圈，在后面的solidworks建模是，這兩個標準件可以直接從倉庫中調入。最終小閥桿組件的詳細尺寸參數如下表3.6所示：表3-6閥軸長度閥軸直徑銅套直徑閥桿長度31mmφ6.7外徑φ24內經φ19H769mm閥桿直徑閥桿通孔直徑閥桿圓柱部分長度套筒直徑φ25d9φ7H1135mm外徑φ12內經φ7H11銅套寬度套筒寬度6mm2mm通過對小閥桿組件各個零件的二維圖繪制以及詳細尺寸標注，開始繪制各個零件的三維結構圖。閥桿：先畫一個φ25的圓作為草圖，然后經過一次“拉伸凸臺/基體”命令與三次“拉伸切除”命令畫出大概輪廓圖，再用“倒圓角”命令倒出圓角，最后建模出來的三維結構圖如圖3.15所示：圖3-15圖3.15閥桿三維結構圖閥軸：先按照圖3.11畫出草圖，再通過“旋轉凸臺/基體”命令使草圖回旋一周便得到閥軸的三維結構圖，如圖3.16所示：圖3-16圖3.16閥軸三維結構圖套筒：先按圖3.14畫出草圖，直接“拉伸凸臺/基體”命令拉伸即可，獲得套筒的三維結構圖，如圖3.17所示：圖3-17圖3.17套筒三維結構圖銅套：按圖3.12畫出草圖，再通過“拉伸凸臺/基體”命令拉伸即可，獲得銅套三維結構圖，如圖3.18所示：圖3-18圖3.18銅套三維結構圖最后在軟件中找出GB/T276-1994深溝球軸承和GB894.1-86軸用擋圈的標準件，與上面的非標準件進行配合。先將所有零件插入裝配圖中，然后用“配合”命令將閥軸與套筒、擋圈、銅套、軸承進行同心配合，再讓其與閥桿通孔進行同心配合，最后定好距離。完成的裝配圖如圖3.19所示圖3-19圖3.19小閥桿組件總三維結構圖3.5小閥桿固定板結構設計根據3.4節中小閥桿的長度為69mm，這遠遠超出了平臺的厚度，但是要求規定小閥桿組件的運動推程不能超過平臺底部，所以小閥桿組件有近乎一般的體積需要露出平臺。因此，在不影響導軌安裝以及小閥桿組件正常運動的情況下，設計一個小閥桿固定板來固定小閥桿組件，以保證它不會偏移出平臺。小閥桿固定板的尺寸以及結構直接關系到小閥桿組件能不能正常推動，所以設計小閥桿固定板的結構也尤為重要。綜上所述，小閥桿固定板的設計需要滿足以下要求。（1）不能影響小閥桿組件的正常推動的功能，但是也不能對小閥桿組件沒有約束功能。所以需要固定板能剛好固定主小閥桿組件（2）小閥桿固定板的尺寸結構應該盡量小，因為過高可能會碰到滾動軸承上的銅套，過寬可能會碰到導軌，所以需要盡可能小的尺寸結構。（3）固定板應該與平臺緊密貼合，不要有縫隙。綜上所述，初步設計出小閥桿固定板的二維設計圖如下：圖3-20圖3.20小閥桿固定板二維結構圖按照上述要求與二維圖，小閥桿固定板詳細結構尺寸如下表3.7所示：表3.7小閥桿固定板結構尺寸表表3-7固定板長固定板寬固定板厚通孔直徑倒角半徑35.65mm34.33mm8mmφ6.5mmR4mm通過上述小閥桿固定板的二維結構圖和詳細尺寸詳細，用solidworks軟件進行三維建模，先按照二維圖畫出草圖，再進行“拉伸凸臺/基體”命令拉伸即可。得到如圖3.21的小閥桿固定板的三維圖。圖3-21圖3.21小閥桿固定板三維結構圖3.6凸輪結構設計本課程所設計的凸輪屬于移動型凸輪，通過電動推桿的推動作用使凸輪前后移動，用凸輪的結構曲線控制小閥桿組件的軸向移動。所以凸輪的結構設計決定了小閥桿組件的運動規律，從而控制先導閥閥芯的開啟與閉合。根據上述基礎，凸輪的結構設計須要滿足之下的要求。（1）凸輪前端要與電動推桿中的推桿相連接，從而前端通孔要與推桿通孔尺寸一樣，并且凸輪的行程范圍要小于電動推桿的最大行程范圍。（2）凸輪下方與小閥桿組件的銅套直接相接觸，所以凸輪的結構不能太過于尖銳，以免損傷小閥桿組件。（3）凸輪因通過連接件與導軌滑塊相連接，從而隨著導軌滑塊沿著導軌前后滑動，因此凸輪結構側方因留出通孔與連接板相連接（4）凸輪的輪廓曲線直接關系到小閥桿組件的運動規律，因此在電動推桿的推程范圍之內完成小閥桿的軸向運動。根據上文表3.1可知，電動推桿的行程為30mm，所以要在30mm行程中完成對小閥桿組件的控制，從而完成對先導閥閥芯的開啟與關閉。而根據實際先導閥閥芯開閉的要求，小閥桿組件需要5mm的行程才能保證正常工作。綜上所述，初步設計出凸輪的二維結構圖。圖3-22圖3.22凸輪正視結構圖圖3-23圖3.23凸輪俯視結構圖圖3-24圖3.24凸輪側視結構圖按照上述要求與凸輪結構三視圖寫出凸輪的詳細結構參數，如下表3.8表3.8凸輪結構詳細參數表3-8凸輪長度凸輪寬度凸輪厚度凸輪凹槽深度93mm42mm20mm23mm凸輪前長度曲線角度與長度凸輪前通孔直徑凸輪后通孔直徑60mm30°10mmφ10.5mmφ8mm通過上述凸輪結構三視圖與凸輪結構詳細參數，用solidworks軟件進行三維建模，先按圖3.23畫出草圖并用“拉伸凸臺/基體”命令拉伸；然后根據表3.8的數據用“拉伸切除”命令打出三個通孔；最后畫出凸輪曲線結構并切除。完成的凸輪結構三維圖如下：圖3-25圖3.25凸輪三維結構圖3.7連接板結構設計根據上文凸輪結構設計與導軌結構選擇，發現需要一個連接凸輪與導軌滑塊的結構件，所以需要設計一個連接板結構。連接板連接凸輪與導軌滑塊，使凸輪能夠在電動推桿的推動下隨著導軌滑塊一起運動。因此連接板的尺寸精度與強度對凸輪的正常運動十分重要，連接板在整個結構中十分重要。根據上述基礎，連接板結構設計需要滿足以下要求。（1）連接板與凸輪之間通過螺母連接，為了保證連接的穩定性，連接版的通孔尺寸應該與凸輪上的通孔尺寸相同。（2）為了減少摩擦，連接板與導軌滑塊的接觸面需要比導軌滑塊面大。（3）因為凸輪的側面與導軌滑塊的上表面成90度，所以當直接用兩塊連板將凸輪與導軌滑塊連接時，連接板的強度會非常低，因此需要在兩塊連扳中間設計一個可以加強連接板強度的肋板。根據上面的要求，對連接板結構進行二維圖設計，如圖3.26、3.27、3.28所示圖3-26圖3.26連接板結構正視圖圖3-27圖3.27連接板結構側視圖圖3-28圖3.28連接板結構俯視圖按照上述要求與二維結構圖寫出連接板結構詳細尺寸表3.9連接板結構詳細尺寸表3-9連接板長度連接板寬度連接板高度58.8mm39mm35mm連接板厚度肋板斜度肋板高度3mm41.5°30mm肋板寬度大孔直徑小孔直徑5mmφ8.5mmφ3.5mm通過上述連接板二維三視圖與詳細尺寸介紹，用軟件畫出連接板的三維建模圖。先畫出草圖，用“拉伸凸臺/基體”命令與“拉伸切除”命令畫出兩個相互垂直的連板，然后在兩個連板的中間新建一個基準面畫出肋板即可。最后畫出的連接板三維圖如下所示：圖3-29圖3.29連接板組件三維結構圖3.8電控式卸載閥控制器標準件選擇設計任何機械結構都是對其非標準零件結構進行設計，但當設計好非標準件之后，需要例如螺栓、軸承、螺釘等標準件來對非標準件進行固定、連接。而這些標準件零件在solidworks軟件與cad軟件中都可以直接調用，可以不用對其重新設計，并且標準件的使用可以在加工時更加方便。在本設計中，用到了螺堵、螺釘、螺母、螺栓、銷軸等標準件。下表詳細解釋了各個標準件出現的位置與其詳細尺寸表3.10各標準件詳細尺寸代號與出現位置表3-10代號名稱與其尺寸出現位置GB/T70.1-2008內六角圓柱頭螺釘M6×25小閥桿固定板與平臺連接處GB/T882-2000銷軸-BM8×45電動推桿與墊板組件連接處GB/T882-2000銷軸-BM10×57.5電動推桿與凸輪連接處GB/T5782-2000螺栓M8×50連接板與凸輪連接處GB/T41-2000六角螺母-C級M8連接板與凸輪連接處GB/T70.1-2008內六角圓柱頭螺釘M12×35墊板組件與平臺連接處XZF01-5螺堵M6平臺下方GB/T70.1-2008圓柱頭螺釘M3×10連接板與導軌滑塊連接處GB/T70.1-2008圓柱頭螺釘M3×10導軌與平臺連接處3.9總裝配體結構干涉檢查Solidworks軟件不僅能進行三維建模，零件裝配成裝配體，而且還能用來進行干涉檢測，動態仿真等3.9.1電控式卸載閥機械結構靜態干涉分析在solidworks軟件中設計的零件模型，在進行裝配之后可能會因為誤差導致出現零件重合的情況，即所謂的干涉。如果在裝配體中出現干涉的情況，那么在現實生產裝配中將沒法進行正常裝配。在solidworks中有“干涉檢查”命令，可以在裝配體中檢查一整個裝配體或者某些個零件中是不是有干涉的情況出現。“干涉檢查”命令是檢測當前狀態的裝配體是否有干涉情況出現，所以用“干涉檢查”命令稱為靜態干涉檢查。在本次電控式卸載閥控制器機械裝置結構比較復雜，單憑眼睛看是無法確定是否有干涉的情況產生，所以為了檢查各個零件之間是否存在干涉，須要單獨對整個裝配體進行靜態干涉檢查。打開電控式卸載閥控制器機械裝置結構圖，依次進行“評估”命令、“干涉檢查”命令、“計算”命令進行靜態干涉檢查。得出的結果如圖3.30所示。從圖中可以看出電控式卸載閥控制器機械裝置并沒有產生靜態干涉。圖3.30電控式卸載閥控制器結構干涉檢查3.9.2電控式卸載閥控制器機械結構動態干涉分析在solidworks軟件所設計的三維裝配體，如果設計出的裝配圖和其零部件在正常運動中也發生了重復，這種情況也是干涉。這種干涉會在實際運動中阻礙機器的運動。所以需要在移動的過程中檢查出到底有沒有動態干涉。電控式卸載閥控制器是運動的機械裝置，它不是一個靜止的機械。所以只進行靜態干涉檢測是遠遠不足的，還需要對預期運動過程進行動態干涉檢測，防止在現實生產加工中，推桿運動與凸輪運動與預想的情況有差異。打開電控式卸載閥控制器結構的裝配圖，在“布局”工具欄中選擇“移動零部件”命令，首先選擇“自由拖動”，在選項中選擇“碰撞檢查”，檢測范圍為“所有零部件之間”，最后勾選上在“碰撞時停止”，其他選項都是默認狀態，如圖3.31所示。運動推桿移動端，在運動過程中未發現高亮畫面與警報聲，所以電控式卸載閥控制器并沒有動態干涉的存在，所以卸載閥控制器機械結構設計是準確的。圖3.31電控式卸載閥控制器裝配圖動態干涉檢查3.10本章小結本章的主要內容是對控制器機械裝置的各部分結構進行設計。首先是對外購件電動推桿和導軌組件進行選擇，其中電動推桿選擇LYX牌LX600型，導軌選擇MGN15微型直線導軌和MGN15H滑塊。然后進行非標準件的設計，其中的核心設計是小閥桿組件的設計以及凸輪結構設計，并且在下一章中還要對凸輪和小組件閥軸進行強度校核。最后是對整體結構裝配體進行靜態干涉檢查和動態干涉檢查，發現無論動態還是靜態都沒有發生干涉。第四章電控式卸載閥控制器主要結構強度校核第四章電控式卸載閥控制器主要結構強度校核卸載閥控制器是通過電動推桿線性前后運動作用在凸輪上進而使小閥桿組件進行軸向運動，所以控制器的機械結構強度校核中，最重要的是凸輪和小閥桿組件滾動軸承和閥軸的強度校核。所以本章要對凸輪，滾動軸承以及閥軸進行強度校核。在實際先導閥液壓力的調查中發現，先導閥閥芯產生的最大液壓力為P=1311N，所以在進行結構強度校核時，先確定先導閥閥芯對小閥桿組件的最大液壓力為P=1311N。4.1凸輪組件結構強度校核凸輪組件是把電動推桿的線性運動轉換為小閥桿組件的軸向運動的核心元件。通過凸輪組件的緩沖作用，可以很好的保護電動推桿不被先導閥閥芯的液壓沖力所損壞。該結構的設計與強度會改變小閥桿組件運動的可靠性和不變性。（1）凸輪輪廓曲線分析根據第三章的凸輪輪廓設計可得，凸輪下表面輪廓曲線的兩條水平線相差為5mm，這是先導閥的開口差值，為保障小閥桿組件運動的堅固性，凸輪下表面兩水平線與其相連接的過渡斜線用平滑曲線連接。凸輪輪廓由圖4.1所示，其中θ為平滑曲線角度，θ=30°。L為電動推桿的推程，也是小閥桿組件的滾動軸承在凸輪上的運動軌跡，L=30mm。D為先導閥閥口開口差值，D=5mm。圖4-1圖4.1凸輪輪廓曲線（2）小閥桿在凸輪上的滾動運動分析本設計的控制器機械裝置采用卸載閥滾子在凸輪下表面運動的方式，從而使電動推桿控制小閥桿組件的運動。所以需要分析滾子在凸輪下表面的受力分析，以保證小閥桿組件的正常運動。如圖4.2所示，對卸載閥先導閥的開啟狀態A，關閉狀態C，和運行狀態B這三個狀態時的小閥桿組件的滾子進行分析。圖4-2圖4.2先導閥開啟與關閉時滾子受力圖對于狀態A時的滾子來說有以下方程ΣMf所以滾動軸承滾動所需的水平力計算公式為：FA=MAf/R（4.2）式中FA--推動滾子的最小推力MAf—最大扭矩對于狀態C時的滾子來說，受力情況與狀態A的受力一樣，對于狀態B時的滾子來說，滾子受到凸輪下表面斜面的側向壓力。現在對凸輪進行受力分析，如圖4.3所示。圖4-3圖4.3凸輪下表面受力圖分析圖4.3，發現A點與C點的受力一樣，并且受到的壓力Fp都是先導閥閥芯對小閥桿組件的液壓力，而B點因為壓力Fpb被斜面分解為Fpb1和Fpb2兩個力，所以B點受到的壓力并沒有A,B點大。由上文可知，最大液壓力P=1311N。凸輪結構材料選擇3Cr13，查詢資料得屈服強度為230000000N/m2，而滾輪與凸輪接觸面積約為6mm2，通過計算可得滾輪作用在凸輪上的強度為21850000N/m2，遠小于凸輪的屈服強度，所以凸輪滿足強度要求。