摘 要：利用无返回力矩擒纵机构控制液压阀的开闭，设计一种新型可定时液压阀。并针对该阀开启时出现的瞬态冲击设计了一种避免瞬态冲击力矩放大机构。对该阀的无返回力矩擒纵机构在理论上进行了初步分析，并结合实际，提出无返回力矩擒纵机构在给定周期条件下的设计准则。

　　关键词：定时换向阀;无返回力矩擒纵机构;战术力矩。 0 引言

　　在炮采工作面喷雾除尘过程中，由于除尘工作是间歇的，在实际生产中液压阀的开闭一般采用人工操作，不易把握液压阀开启时机，影响了除尘效果。本文利用无返回力矩擒纵机构控制液压阀的开闭，设计一种新型可定时液压阀。该阀能比较准确地控制液压阀开闭时间，提高了对矿尘的捕集效率，降低了工人劳动强度。同时，本文还提出了无返回力矩擒纵机构有力矩输出情况下的一种计算方法并进行了初步理论分析。

　　1 定时换向阀结构和工作原理

　　1.1 阀体结构

　　阀体主要分为三个部分：无返回力矩擒纵机构;力矩放大机构;换向机构。如图1所示：固定在擒纵机构主轴上的凸轮通过力矩放大机构和换向阀的挡块相连接。

图1 定时阀工作原理图

　　力矩放大机构由杠杆、弹簧和棘爪组成，杠杆与凸轮接触端安装一棘爪。

　　擒纵机构一般由原动机、回转体、过渡轮、擒纵轮和平衡摆组成。在这个机构中回转体是凸轮，凸轮轮廓曲线由两段曲线构成，两段曲线在b点以渐开线连接，保证压力角不变，a点为休止点。

　　1.2 工作原理

　　凸轮沿逆时针方向旋转一定角度，定时器开始工作。当凸轮转到b点与棘爪重合时，凸轮通过杠杆推动挡块，使阀芯向左移动，A、T接通。当凸轮转到a点与棘爪重合时，阀芯在弹簧的作用下向右移动，此时A、T断开。如果凸轮与杠杆时刚性接触，凸轮逆时针旋转时也同样通过杠杆推动阀芯左移，由于时间很短会造成很大的瞬态冲击。为解决这个问题，在杠杆与凸轮接触端安装一棘爪，凸轮逆时针转动，在a点棘爪在凸台和摩擦力的作用下逆时针转动折向杠杆，杠杆与凸轮是弹性接触，杠杆不动作。凸轮顺时针转动，在弹力和摩擦力的作用下，棘爪打开，杠杆和凸轮此时变为刚性接触。

　　2 阀芯受力分析及凸轮转矩

　　2.1 阀芯受力

阀在工作过程中的力学特性对于液压阀原理的的分析、设计、理解以及液压阀的正确使用都十分重要。液压阀在工作过程中受液动力，侧向压力，摩擦力和弹簧力。液动力又分为稳态液动力和瞬态液动力。 稳态液动力[1]： (1) 瞬态液动力[1]： (2) 侧向压力[1]： (3) 摩擦力[1]： (4) 弹簧力[1]： (5)

本设计是一种二位二通阀，令开启液压阀的合力为，则

(6)

　　由于我们设定该液压阀是由弹簧复位，所以在开始关闭阀的时候弹簧力应能够克服所有的阻力。即：

(7)

把带入(6)式得液压阀启动力的另外一个表达式：

(8)

　　2.2 转矩计算

构由一杠杆构成，设凸轮端到铰链的长度为，挡块到铰链的长度为。因为凸轮转速不高，可以认为杠杆处于平衡状态。设凸轮的法向力为，由静力学平衡方程得：

(9)

　　前文已经陈述凸轮2段轮廓曲线在b点的连接曲线是渐开线，设压力角为α，棘爪在凸轮的过渡曲线上运动，我们可以近似当作齿轮啮合处理。

=Fttgα= (10)

　　把(10)式带入(9)式得：

(11)

式中是凸轮与棘爪啮合点的曲率半径。为凸轮转轴上所需要的力矩。

　　3 擒纵机构的战术力矩[6]

　　所谓战术力矩是指：在一定战术条件下，使平衡摆仍然能以一定的周期振动的擒纵轮输出力矩。本设计的战术力矩是定时器在凸轮对外做工开启液压阀时仍然有足够的力矩让平衡摆以一定的周期振动。

　　3.1 动力学方程

根据动量矩定理分别对过渡轮及擒纵轮建立动力学方程，分别为过渡轮和擒纵轮的转动惯量。为齿轮传动效率。

　　过渡轮

擒轮 回转体 图2 无返回力矩钟表机构动力学模型

(12)

(13)

式中为过渡轮作用在回转体上的力矩。为擒纵轮作用在过渡轮上的力矩。为作用在过渡轮上的摩擦力矩。为作用在擒纵轮上的摩擦力矩。 为平衡摆作用在擒纵轮伤的力矩。 分别为回转体和过渡轮之间，过渡轮和擒纵轮之间的传动比。

方程(11)和(12)组成的方程组有三个变量无法求解，需求出。

　　3.2 Crossley公式[3]

　　由于擒纵轮和平衡摆由刚度很大的金属材料制成，碰撞时两物体接触时间远小于他们的最大固有周期，因此略去碰撞过程中转化为弹性振动的那一部分能量，即不考虑碰撞时物体内产生的弹性波，认为碰撞时物体中各质点在同一瞬时完成相同的速度改变。这就是所谓的“刚体碰撞”模型。根据Crossley公式得接触力为：

(14)

式中为相对变形量，法向相对速度，为接触刚度。

(15)

(16)

　　式中V为碰撞发生前瞬间两物体相对速度。

　　3.3 接触力矩的计算[3]

根据点与直线之间的几何关系可以判断齿尖与瓦面之间是否接触，并可以得到齿尖与瓦面之间的接触变形量及相对速度，继而利用Crossley公式求出接触力和力矩。图3中, 是擒纵轮入瓦传冲齿尖，BC为入瓦传冲面。

　　图3擒纵轮和平衡摆

　　BC所在的直线方程为：

(17)

　　令

(18)

当0时，擒纵轮与平衡摆接触，齿尖与BC之间的接触变形量为;

(19)

(20)

代入Crossley公式求出接触力。擒纵轮与平衡摆之间的摩擦力为：

(21)

为摩擦系数，可求出擒纵轮与平衡摆之间的接触力矩为：

(22) (23)

是擒纵轮作用在平衡摆上的力矩。把代入式(12)(13)求出，。

　　4 设计准则

从方程(22)(23)中可以看出接触力矩和平衡摆及擒纵轮的运动参数有关，符合分析结果，在理论上有一定的指导意义。在实际设计和计算中并不适用。同时，这种分析计算是事先假定擒纵轮作用在平衡摆上的力矩大于开摆力矩。况且，也没有考虑钟表机构还需向外输出力矩的情况。考虑到定时器对外输出力矩时仍需保留足够的转矩让擒纵机构以一定的周期振动， 设定时器对外做功时平衡摆的振动周期为。是平衡摆常数，与平衡摆转动惯量有关。

(24)

　　由(24)式得：

(25)

是平衡摆振动周期为所需要的力矩，为保证擒纵机构能正常振动，须满足：

(26)

与的比值和接触力无关。设它们的比值为，即:

(27)

把(27)式代入(13)式得： (28)

代入(12)式得：

　　(29)

是原动机输出力矩。由(29)式结出得：

　　(30)

　　由(30)式可得出：

(31)

(31)式给出了无返回力矩擒纵机构在给定周期的设计准则。结合本设计，原动机需输出的总力矩：

　　5 结束语

　　本文提出一种新型定时换向阀的设计原理，把定时器和换向阀有机结合在一起，实现了换向阀的定时开闭，设计了一种避免瞬态冲击力矩放大机构。这种换向阀调节方便，操作简单，工作可靠。对该阀的无返回力矩擒纵机构在理论上进行了初步分析，并结合实际，提出无返回力矩擒纵机构在给定周期条件下的设计准则。为该类定时器的设计提供了理论依据，对引信的设计和分析也同样有参考价值。

　　参 考 文 献

　　[1] 章宏甲等. 液压与气压传动. 北京： 机械工业出版社， 2002

　　[2] 濮良贵等. 机械设计. 北京： 高等教育出版社，1996

　　[3] 陆文广,芮筱亭. 无返回力矩钟表机构动力学研究[J]. 兵工学报,2005,26

　　[4] 马宝华. 引信构造与作用[M]. 北京: 国防工业出版社. 1984: 51-65.

　　[5] 哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学. 北京： 高等教育出版社， 2002