傅祖發(fā)， 曹明閩

（1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建 南平 353000； 2.華閩南配集團股份有限公司， 福建 南平 353000）

0 引言

溢流閥作為壓力控制閥元件中重要閥體，是液壓設(shè)備中將壓力的變化作為信號來控制其它元件動作的部件[1]。在實際工程領(lǐng)域液壓系統(tǒng)中多處使用到溢流閥， 其性能穩(wěn)定對整個液壓設(shè)備的正常工作具有重要意義。 由于溢流閥的選擇受到壓力、方向、油壓回路等各方面的影響，溢流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往復(fù)雜且成本較高， 掌握其結(jié)構(gòu)及功用較為困難。因此，通過模擬拆裝真實的溢流閥和裝配過程，利用Pro/E 軟件設(shè)計出三維模型、模擬裝配，3D 打印等一系列過程。實現(xiàn)對液壓閥體的結(jié)構(gòu)認識及結(jié)構(gòu)改良，扎實對液壓閥體結(jié)構(gòu)知識，提高拆裝閥體能力，改善結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性以及油路設(shè)計能力， 為在企業(yè)工作運用液壓閥體提供思路和技術(shù)保障。

1 溢流閥內(nèi)部構(gòu)造及工作方式

直動式溢流閥結(jié)構(gòu)種類繁多，依據(jù)內(nèi)部構(gòu)造不同，其閥口采用滑閥式溢流口、錐閥式溢流口，無論閥口采用何種方式，其閥口節(jié)流邊均用錐面充當[2]。 直動式溢流閥結(jié)構(gòu)，一般由閥體，調(diào)整手柄，固定螺帽，調(diào)整手柄套，閥套，閥座，塞頭，調(diào)節(jié)螺栓，彈簧，O 型圈等組成，其中閥套，閥座，塞頭，調(diào)節(jié)螺栓，彈簧，O 型圈在閥體的內(nèi)部。

直動式溢流閥的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 根據(jù)其閥芯的不同可分為滑閥、錐閥和球閥三類。 直動錐閥工作方式是其閥芯通過彈簧自身彈力固定在閥座上，閥體上開有P 和T兩個通油口，油液壓力從進油口P 作用在閥芯上[3]。 溢流閥是利用彈簧力與進油口油液所產(chǎn)生的作用力相平衡來進行工作的。 當管路中的油壓大于調(diào)定壓力時，調(diào)整彈簧被壓縮，液體P 進油口流到T 口回油箱，此時開口量越開越大，直至彈簧力與管道中液體的液壓作用力相平衡，調(diào)節(jié)彈簧調(diào)的越緊，則進油口的壓力就越大。當管道中的油液壓力小于調(diào)定壓力時，油液中P 與T 不 通，閥芯被彈力固定在閥座上，溢流口T 閥口關(guān)閉。

圖1 直動式溢流閥的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of direct acting relief valve

2 直動式溢流閥三維實體建模

2.1 溢流閥本體的建模

通過拆裝直動溢流閥， 掌握其溢流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理。利用游標卡尺測量出閥體本體零件尺寸，學(xué)會拆裝并掌握部分結(jié)構(gòu)與功用， 見圖2。 本體是溢流閥的主要結(jié)構(gòu)， 分析其三維構(gòu)建過程包含實體的拉伸， 內(nèi)螺紋的設(shè)計， 棱邊倒斜角和圓弧過渡等，將零件最大平面作為拉伸的基準面， 并拉伸出本體的三維模型。其中溢流閥的上部有4 個貫穿孔，對應(yīng)的是進油口、出油口、調(diào)整手柄、塞頭，根據(jù)測量出的基本尺寸，利用Pro/E 拉伸工具將閥體拉伸出其實體，利用軟件建立模型，輸出零件，見圖3。

圖2 直動溢流閥本體Fig.2 Direct acting relief valve body

圖3 直動式溢閥本體模型Fig.3 Direct acting overflow valve body model valve

2.2 閥座及閥芯的建模

閥座及閥芯是安裝在本體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，閥座支撐著閥芯的開啟，它們對溢流閥的穩(wěn)定工作極為重要[4]。 分析閥座的組成要素，其包括外螺紋、沉孔、割槽等設(shè)計， 利用Pro/E 旋轉(zhuǎn)命令，旋轉(zhuǎn)出閥座。用螺紋掃描命令，在閥座的圓柱體表面添加螺紋，拉伸去除命令，在閥座的內(nèi)部設(shè)計沉頭孔，見圖4。 閥芯是整個溢流閥的關(guān)鍵部件，其精度的高低，決定了液體壓力開啟的穩(wěn)定性。 分析閥芯結(jié)構(gòu)可知，閥芯包含圓柱、圓錐角、倒角的設(shè)計，其中，外閥座的沉孔與圓錐的閥芯相配合，利用軟件建立其閥座、閥芯模型，見圖5。 將創(chuàng)建好的閥座與閥芯三維模型進行虛擬裝配， 并檢查配合間隙及干涉程度，見圖6。

圖4 閥座Fig.4 Valve seat

圖5 閥芯Fig.5 Valve core

圖6 閥座閥芯裝配圖Fig.6 Assembly drawing of valve

2.3 彈簧及調(diào)整推桿的建模

溢流閥的彈簧是軟彈簧， 在溢流閥中起到油路的啟閉作用，彈簧分別與調(diào)整推桿、閥芯相配合，溢流閥的彈簧在建立的過程需要測量其內(nèi)徑、螺距、長度等。 在建立其模型時用到的是螺旋掃描命令、畫出掃引軌跡、輸入螺距、截面等參數(shù)，掃描出彈簧，見圖7。 調(diào)整推桿與彈簧相配合，控制閥體的調(diào)定壓力。 推桿三維構(gòu)造過程中，運用Pro/E 的旋轉(zhuǎn)命令，構(gòu)造出零件造型。 利用旋轉(zhuǎn)命令去除材料功能，設(shè)計特定的尺寸，使用倒斜角功能去除設(shè)計，去除錐體尖角，得到調(diào)整底座，見圖8。 模擬閥座及閥芯的裝配，并檢查配合間隙及干涉程度，見圖9。

圖7 彈簧Fig.7 Spring

圖8 調(diào)整推桿Fig.8 Adjusting putter

圖9 內(nèi)部裝配圖Fig.9 Internal assembly drawing

2.4 調(diào)節(jié)螺帽、固定螺栓、手輪的建模

調(diào)節(jié)螺帽是連接閥體、推桿和固定螺栓，其作用使推桿按軸向上下移動，控制其彈簧的壓力。 分析該零件由內(nèi)螺紋、外螺紋、圓柱體等部分組成。利用旋轉(zhuǎn)命令，旋轉(zhuǎn)出調(diào)節(jié)螺帽，螺旋掃描去除材料功能，掃描出其牙型，利用拉伸去除材料命令設(shè)計其貫穿孔，同時拉伸出其盲孔，見圖10。固定螺栓主要是起到限位、調(diào)定最大壓力，當手輪調(diào)到最底端時，起到限位手輪，保護閥體的作用。 在利用軟件的拉伸命令拉伸出六棱柱，拉伸命令的貫穿孔去除中間孔部分，利用螺紋掃描切口命令，掃描內(nèi)螺紋，輸出零件，見圖11。 手輪結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，利用草繪畫出曲線，并利用邊界混合出曲面，同時利用加厚命令，做出其手輪的造型，見圖12。

圖10 調(diào)節(jié)螺帽Fig.10 Adjusting nut

圖12 手輪Fig.12 Handwheel

3 溢流閥虛擬化拆裝研究

3.1 溢流閥虛擬裝配

將溢流閥各零件創(chuàng)建好后，根據(jù)實際零件的位置進行裝配，在Pro/E 裝配模塊平臺上，將創(chuàng)建好的三維零件進行分組，并將零件進行裝配工藝分析，最后確定其虛擬裝配方案[5]。 裝配完成后，需對裝配組件進行測量分析，利用軟件找出其配合間隙，全局間隙，全局干涉等不利影響，同時采用匹配，對齊，同軸等命令進行裝配方法進行連接。

按上述裝配思路進行溢流閥裝配任務(wù)， 確定裝配流程及方案，具體裝配方案如下：首先，將溢流閥的本體裝配模塊在缺省的狀態(tài)裝配，將本體固定在軟件中。 其次，利用加載工具將閥套，閥座，固定在溢流閥本體。 最后將零件手柄，固定螺帽，調(diào)整手柄套，塞頭，調(diào)節(jié)螺栓，彈簧，O 型圈三維模型完成裝配。

3.2 溢流閥爆炸圖分解

零件裝配過程中，內(nèi)部構(gòu)造比較難以表達。 Pro/E 組件功能具有表達視圖裝配過程中的有效工具[6]。采用爆炸圖來分解視圖，對現(xiàn)有三維裝配模型進行特殊位置表達，查看內(nèi)部裝配狀態(tài)，見圖13。 爆炸圖可以方便查看溢流閥內(nèi)部的各個組成部件， 通過虛擬仿真來模擬部件的裝配過程，并新建zpt.asm 文件。首先，裝配模式功能界面，選擇菜單欄上“分解視圖”命令，導(dǎo)入裝配文件，軟件提供手動或自動分解視圖2 種方式，自動分解是系統(tǒng)默認分解，效果通常無法滿足設(shè)計者需求[7]。 因此，通常采用手動方式分解各零部件相對位置、距離、角度等。例如調(diào)節(jié)鏍帽的分解，首先載入溢流閥的裝配模型，在裝配模型的模型樹中選取調(diào)節(jié)鏍帽零件，將調(diào)節(jié)鏍帽按逆時針旋轉(zhuǎn)上移運動，設(shè)置坐標方向、零件移動方向以及零件移動距離等參數(shù)。 設(shè)置鏍帽沿水平X 軸向左移運動，輸入沿水平X 軸移動的距離10cm，實現(xiàn)調(diào)節(jié)鏍帽向左移動的動作。 相同方式， 選擇閥芯沿Y軸移動， 同時沿Y 軸方向移動15cm，X、Y 軸的2 個方向可以分開設(shè)置，見圖14。 而在實際的運動中，閥芯同時向X、Y同時運動[8]。 因此，將模型樹中的零件設(shè)置2 個以上的動作方式可以疊加。 為了更為清晰看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各零件的相對位置及角度有一定視角，清晰看到閥體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖13 三維模型虛擬裝配圖Fig.13 Virtual Assembly drawing of 3D model

圖14 三維模型的虛擬拆裝圖Fig.14 Virtual disassembly diagram

3.3 觀察和分析部件

Pro/E 具有強大的觀察和分析零部件功能。 通過剖視圖來觀察零件體內(nèi)各部件的相對位置，清晰表達出各零件的相對位置關(guān)系。 選擇剖視圖的方式表達視圖， 使用3/4剖，對于國家標準件選擇不必剖切處理，如彈簧、螺母，墊片等。從圖示中可以清晰看到閥體各部件的裝配關(guān)系[9]。利用Pro/E 提供的干涉命令，檢查各零件之間裝配位置。如果檢測過程軟件有發(fā)現(xiàn)有干涉，設(shè)計人員返回至零部件模型優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減小干涉量，利用軟件來虛擬優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)。

4 3D 打印三維模型

將創(chuàng)建好的溢流閥三維實體模型轉(zhuǎn)換為細小的三角網(wǎng)格，通過模型另存方式轉(zhuǎn)化為弦高為0.01mm，并把它轉(zhuǎn)成STL 格式，該格式是3D 打印機識別的通過格式。 三角網(wǎng)格是對實體模型進行表面三角網(wǎng)格化， 用細小三角形擬合出該模型[10]。 將STL 格式模型導(dǎo)入Cura 打印軟件中進行切片參數(shù)設(shè)置，見圖15。 選擇最高質(zhì)量模式打印，打印層高為0.01 mm，密度填充為30%，增加底座采用自由支撐，打印速度為50mm/s，噴頭溫度為210℃，熱床溫度為70℃，消耗PLA 材料152g，打印時間8h，回到3D 打印界面回參考點，主界面顯示完成量，打印過程顯示走刀路徑，具體打印路徑，見圖16。

圖15 3D 打印零件排布Fig.15 3D printed parts layout

圖16 3D 打印噴頭路徑圖Fig.16 3D printed nozzle path map

5 結(jié)論

本文以生產(chǎn)實際的直動式溢流閥為載體，將溢流閥的零部件進行拆裝分析。通過三維造型軟件建立其三維數(shù)字化模型，將零件模型進行虛擬裝配分析及干涉檢測。 運用Pro/E 軟件反復(fù)模擬拆裝實驗， 可以更加深入掌握溢流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點以及工作原理，便于企業(yè)運用溢流閥過程中找出故障原因，學(xué)會溢流閥在生產(chǎn)過程故障方式的排除方法。同時，利用現(xiàn)代軟件技術(shù)與液壓溢流閥設(shè)備相結(jié)合，并延伸到同類閥體的拆裝，提高閥體拆裝的效率，減小設(shè)備損耗，通過控制3D 打印構(gòu)建液壓閥體模型制件，并組裝到實驗設(shè)備中，能在虛擬軟件中反復(fù)拆裝，實現(xiàn)人機協(xié)同，達到虛擬裝配的新方法，最大程度優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免溢流閥拆裝中損壞，延長閥體生產(chǎn)使用周期。