Гидроаппараты, их виды и назначение

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ о Гидроаппаратах

Гидроаппараты в гидроприводах и объемных гидропередачах (ОГП) предназначены для управления потоком рабочей жидкости. При помощи гидроаппаратов осуществляют пуск и перекрытие потока рабочей жидкости, изменяют направление движения потока жидкости, давление и расход.

Классификация гидроаппаратов. Гидроаппараты, применяемые в гидроприводах, разделяют по следующим признакам (ГОСТ 17752--81); по принципу действия -- на клапаны и гидроаппараты неклапанного действия; по способу внешнего воздействия на запорные и запорно-регулирующие элементы -- на регулируемые и настраиваемые; по конструкции запорных и запорно-регулирующих элементов -- иа золотниковые, крановые и клапанные; по характеру открытия рабочего проходного сечения -- на направляющие и регулирующие.

Для конструкции любого гидроаппарата характерно наличие запорного или запорно-регулирующего элемента (рис. 1) -- подвижной детали (клапана, золотника, крана), при перемещении которой частично или полностью перекрывается рабочее проходное сечение. В клапане (рис. 1, а) рабочее проходное сечение создается между кромками седла 2 и клапана) при его осевом перемещении; в золотниковом гидроаппарате (рис. 1, б) --между острыми кромками цилиндрической расточки корпуса 4 и цилиндрического пояска золотника 3 при его осевом перемещении; в крановом гидроаппарате (рис. 1, в) -- между острыми кромками каналов корпуса 6 и крана 5 при его повороте.

Клапаном называется гидроаппарат, в котором размеры рабочего проходного сечения (рабочего окна) изменяются от воздействия потока рабочей жидкости, проходящего через гидроаппарат. Клапан является гидроаппаратом, не требующим во время работы какого-либо внешнего воздействия на запорно-регулирующий элемент.

В гидроаппаратах неклапанного действия (распределителях и дросселях) размеры рабочего проходного сечения изменяются от внешнего управляющего воздействия. Чтобы изменить размеры рабочего проходного сечения в распределителе или дросселе, необходимо воздействовать на их запорно-регулирующие элементы извне, например, переместить золотник распределителя при помощи электромагнита, повернуть кран распределителя вручную и т.д.

Рис. 1. Запорные и запорно-регулирующие элементы гидроаппаратов: а - клапан; б - золотник, в - кран

В регулируемых гидроаппаратах размеры рабочего проходного сечения или силовое воздействие на запорно-регулирующий элемент можно изменить извне в процессе работы аппарата для получения заданного давления или расхода рабочей жидкости.

В настраиваемых гидроаппаратах размеры рабочего проходного сечения или силовое воздействие на запорно-регулирующий элемент можно изменить извне только в нерабочем состояний аппарата для получения заданного давления или расхода рабочей жидкости.

Направляющие гидроаппараты применяют для управления пуском, остановкой и направлением потока рабочей жидкости путем полного открытия или полного закрытия рабочего проходного сечения, т. е. работают по принципу «открыто--закрыто». При этом при перемещении запорных элементов (клапана, золотника, крана), не создаются дросселирующие щели, в результате чего давление или расход рабочей жидкости, проходящей через полностью открытые рабочие окна, не изменяются (без учета местных потерь). К направляющим гидроаппаратам относятся обратные клапаны, направляющие распределители, гидрозамки и т. д.

Регулирующие гидроаппараты используют для управления давлением, расходом и направлением потока рабочей жидкости путем частичного открытия рабочего проходного сечения (рабочего окна). В таких гидроаппаратах запорно-регулирующие элементы при работе могут занимать много промежуточных положений, образуя дросселирующие щели. Чем больше воздействие на запорно-регулирующий элемент, тем больше рабочее проходное сечение (щель).

К регулирующим гидроаппаратам относятся клапаны давления (напорные, редукционные и др.), гидроаппараты управления расходом (дроссели, регуляторы расхода и т.д.), дросселирующие распределители и т. д.

По способу присоединения различают гидроаппараты трубного присоединения, стыковые, модульные и встраиваемые.

Гидроаппараты трубного присоединения соединяются с другими гидроустройствами при помощи трубопроводов и рукавов; стыкового -- при помощи каналов, выведенных на наружную плоскость, по которой происходит стыковка с другими гидроустройствами; модульные -- при помощи вертикальных каналов, выведенных на две параллельные наружные плоскости с одинаковыми координатами присоединительных отверстий (см. п. 6.3).

1. Встраиваемые гидроаппараты, как правило, не имеют корпусов; их монтируют в специальных монтажных гнездах гидравлических блоков, соединенных с соответствующими каналами. Встраиваемые гидроаппараты могут быть вставными и ввертными.

Присоединительные отверстия гидроаппаратов (ГОСТ 24242--80) обозначают прописными буквами латинского алфавита: С -- отверстие для входа рабочей жидкости под давлением; А и В -- отверстия для присоединения к другим гидроустройствам; Т -- отверстие для выхода рабочей жидкости в гидробак; Ч, Х --отверстия потока управления; L -- дренажное отверстие.

Основные параметры. Главным параметром гидроаппаратов является условный проход Dy

Типоразмерные ряды всех гидроаппаратов строятся по их условным проходам.

К основным параметрам гидроаппаратов относятся номинальное давление, номинальный расход рабочей жидкости, масса аппарата (без рабочей жидкости) и др.

Под номинальным давлением с_ном понимают наибольшее избыточное давление рабочей жидкости, поступающей на вход аппарата при котором он должен работать в течение установленного ресурса (срока службы) с сохранением параметров в пределах установленных норм. Ряды номинальных давлений для гидроприводов устанавливает ГОСТ 12445--80.

Под номинальным расходом жидкости Q _ном гидроаппарата понимают расход жидкости с определенной вязкостью. Ряды номинальных расходов жидкости для гидроприводов устанавливает ГОСТ 13825--80.

ОБРАТНЫЕ КЛАПАНЫ

Обратным клапаном называют направляющий гидроаппарат, предназначенный для свободного пропускания рабочей жидкости в одном направлении и для перекрытия движения жидкости в обратном направлении. Применяют обратные клапаны с шариковыми и коническими запорными элементами.

На рис. 2, а показана конструкция обратного клапана типа Г51-3 [61, состоящего из корпуса 1, конического клапана 2, пружины 3 и пробки 4 с уплотнительным кольцом. В корпусе клапана имеется отверстие С для подвода потока и отверстие А для присоединения к другим гидроустройствам.

Принцип работы обратного клапана следующий. При подводе рабочей жидкости

в отверстие С клапан 2 отходит от седла и обеспечивает движение жидкости в отверстие А и далее на выход. При обратном направлении потока рабочей жидкости в отверстиях А и К клапан 2 под действием силы давления жидкости· плотно прижимается к седлу корпуса 1 и перекрывает проход из отверстия А в отверстие Р.

Рис. 2. Конструкции обратных клапанов: а - типа Г51-3; б - по ГОСТ 21464-76; в - условное обозначение

Обратные клапаны по ГОСТ 21464--76* Е (рис. 2, б) состоят из корпуса 1, седла 5, конического клапана 2, пружины 3, пробки 6 и уплотнений. Прямой поток рабочей жидкости свободно проходит из отверстия С в отверстие А; при обратном подводе жидкости к отверстию А и в полость К клапан под действием силы давления запирается.

Обратные клапаны должны быть герметичными в закрытом положении и обладать минимальным гидравлическим сопротивлением в открытом положении. На планках корпусов обратных клапанов наносят стрелки, указывающие направление движения рабочей жидкости.

Условное графическое обозначение обратных клапанов в схемах устанавливает ГОСТ 2.781-68* (см. рис. 2). В обратных клапанах применяют пружины с малыми усилиями, так как они предназначены лишь для преодоления сил трения при посадке запорного элемента на седло корпуса. Поэтому пружины не включены в условное графическое обозначение клапана.

Обратные клапаны получили широкое применение в гидроприводах и объемных гидропередачах (ОГП). Их используют, например, в гидроприводах и ОГП с несколькими насосами для исключения взаимного влияния при их работе; в блоках фильтров, предназначенных для установки в реверсивных линиях, с целью обеспечения движения жидкости через фильтр только в одном направлении; в гидроприводах и ОГП с замкнутым потоком и системой подпитки как подпиточные клапаны; в линиях с реверсивным потоком и дросселем с целью обеспечения дросселирования жидкости только в одном направлении; в напорных линиях гидроприводов для исключения возможности слива рабочей жидкости из гидросистемы при выключении насоса. К основным параметрам обратных клапанов (ГОСТ 16517--82*) относятся условный проход, номинальное давление, давление открытия, номинальный и максимальный расходы жидкости, максимальные внутренние утечки через пару седло--клапан, зависимость перепада давлений от расхода

[Дс =f(Q)].

ГИДРОЗАМКИ

Гидрозамком называется направляющий гидроаппарат, предназначенный для запирания рабочей жидкости в одном направлении и пропускания ее в обратном направлении при отсутствии управляющего воздействия, а при наличии управляющего воздействия -- для пропускания потока в обоих направлениях. Гидрозамки широко применяют в гидроприводах как средство защиты для автоматического запирания рабочей жидкости в полостях гидродвигателей с целью стопорения их выходных звеньев в заданных положениях.

Гидрозамки разделяют по числу запорных элементов на односторонние и двусторонние; по виду управляющего воздействия на гидрозамки с гидравлическим, пневматическим, электромагнитным и механическим управлением. В следящих гидроприводах чаще всего применяют гидрозамки с коническими клапанами и гидравлическим управлением.

На рис 3 показана конструкция одностороннего гидрозамка типа КУ 161 и схема его включения в гидросистему с направляющим распределителем РН и гидроцилиндром Ц. Гидрозамок состоит из корпуса 1 (рис. 3, а) с крышками 4 и 7; поршня 2 с толкателем 6; конического клапана 3 с пружиной 5 и уплотнений. Поршень 2 жестко соединен с толкателем 6.

1

Рис. 3. Односторонний гидрозамок типа КУ: а - конструкция; б - схема включения в гидросистему

Правая часть клапана 3 выполнена в виде направляющего цилиндра. Клапан 3 поджат к седлу корпуса пружиной 5. Поршень с толкателем находятся в левом положении. Корпус 1 имеет следующие полости» РТ -- для соединения гидрозамка с напорной или сливной линией (например, при помощи распределителя РН); А -- для соединения с гидродвигателем (например, с гидроцилиндром Ц); торцовую Б, соединенную наклонным каналом с полостью А, и полость X гидравлического управления.

Гидрозамок работает аналогично обратному клапану при отсутствии гидравлического воздействия на поршень 2 со стороны полости X. При этом возможны два режима работы поршня фиксирование и подъем. При режиме фиксирования оба электромагнита (ЭМ1 и ЭМ2) распределителя РН (рис. 3, б) выключены. Клапан 3 закрыт под действием силы давления жидкости, поступающей в полость Б через полость А. В результате поршневая полость гидроцилиндра Ц оказывается запертой, а его поршень застопорен в заданном положении. При режиме подъема поршня включается электромагнит ЭМ1, запорно-регулирующий элемент распределителя РН занимает позицию 1. При этом полость РТ гидрозамка соединяется с напорной линией гидросистемы. Клапан 3 под действием силы давления открывается, и рабочая жидкость через его рабочее окно поступает сначала в полость А гидрозамка, а затем в поршневую полость цилиндра Ц. В результате поршень цилиндра поднимается.

При наличии управляющего воздействия гидрозамок работает аналогично клапанному распределителю с гидравлическим управлением. При этом происходит опускание. Для этого включается электромагнит ЭМ2, запорный регулирующий элемент распределителя РН занимает позицию //. В результате полость X гидрозамка соединяется с напорной линией Р1 распределителя, а полость РТ гидрозамка -- со сливной полостью Т1. Поршень 2 с толкателем под действием силы давления жидкости, преодолевая усилие пружины 5 и давление жидкости в полости Б, перемещается вправо. При этом толкатель поршня 2 открывает клапан 3, обеспечивая пропускание рабочей жидкости в обратном направлении из поршневой полости гидроцилиндра Ц в полость А гидрозамка через рабочее окно клапана, полость РТ и далее на слив. В результате этого поршень гидроцилиндра Ц опускается под действием силы тяжести. Для прекращения управляющего воздействия электромагнит ЭМ2 отключают, и гидрозамок снова работает в режиме фиксирования.

В гидроприводах применяют также двусторонние гидрозамки с двумя запорно-регулирующими элементами 16].

Основными параметрами гидрозамков (ГОСТ 16517--82*) являются: условный проход; номинальное давление; давление открывания; номинальный и максимальный расход жидкости; максимальные внутренние утечки жидкости; масса (без рабочей жидкости)

КЛАПАНЫ ДАВЛЕНИЯ

Клапаном давления называется регулирующий гидроаппарат, предназначенный для управления давлением рабочей жидкости.

Клапаны давления делятся на напорные (предохранительные или переливные), редукционные и клапаны разности давлений. Существуют также комбинированные аппараты, выполняющие функции переливного или редукционного клапанов (в зависимости от направления потока), редукционного клапана и реле давления.

Предохранительные клапаны предохраняют гидросистему от давления, превышающего установленное значение. Они действуют лишь в аварийных ситуациях (перепускают масло из напорной линии в сливную) в отличие от переливных клапанов, предназначенных для поддержания заданного давления путем непрерывного слива масла во время работы. В станкостроении централизованно не изготовляются клапаны для работы только в аварийном режиме; предохранительные клапаны станочных гидросистем, как правило, работают в режиме переливных клапанов.

При небольших расходах масла и рабочих давлениях применяют предохранительные клапаны прямого действия (рис. 4), в которых давление масла, создаваемое насосом 2, воздействует на шарик 5 (или плунжер) предохранительного клапана 3, прижатый к седлу пружиной 4. Когда сила от давления масла на шарик превышает силу сжатия пружины, шарик отходит влево, и масло через щель между шариком и седлом перепускается в резервуар 1, причем вследствие дросселирования потока давление в напорном трубопроводе б поддерживается постоянным и примерно равным отношению силы сжатия пружины 4 к площади шарика 5, на которую действует давление масла. При увеличении расхода масла и рабочего давления резко увеличиваются размеры пружины, поэтому в гидросистемах чаще используют аппараты непрямого действия, в которых небольшой вспомогательный клапан управляет перемещением переливного золотника, подключенного к напорной и сливной линиям.

Рис. 4. Схема действия предохранительного клапана

Предохранительные клапаны должны поддерживать постоянным установленное давление в возможно более широком диапазоне изменения расходов масла, проходящего через клапан. В динамических режимах необходимо быстродействие, исключающее возникновение пика давления при резком увеличении расхода (например, в момент включения насоса или торможения гидродвигателя). Однако повышение быстродействия часто вызывает потерю устойчивости, сопровождающуюся шумом и колебаниями давления. Таким образом, конструкция клапана должна обеспечивать оптимальную величину демпфирования; при этом пик давления обычно не превышает 15... 20%.

На базе предохранительных клапанов непрямого действия созданы разгрузочные клапаны, обеспечивающие автоматическую разгрузку насоса при условии, что давление в напорной линии гидросистемы достигло установленного значения. Типичная область применения - насосно-аккумуляторные гидроприводы и гидросистемы с несколькими насосами.

Редукционные клапаны служат для создания установленного постоянного давления в отдельных участках гидросистемы, сниженного по сравнению с давлением в напорной линии.

При рабочем давлении до 10 МПа (иногда до 20 МПа) для предохранения гидросистем от перегрузки, поддержания заданных значений давления или разности давлений в подводимом и отводимом потоках масла, для дистанционного управления потоком и различных блокировок применяют гидроклапаны давления (напорные золотника), в которых на торец золотника действует давление масла в одной линии управления, а на противоположный - давление в другой линии управления и регулируемое усилие пружины. Аппараты имеют две основные линии и две линии управления, причем, используя эти линии независимо или соединяя их, можно получить четыре исполнения клапана, имеющие различное функциональное назначение (клапаны могут работать в режиме предохранительного или переливного клапанов, а также в режимах регулируемых клапанов разности давлений и клапанов последовательности).

К группе комбинированных аппаратов относятся трехлинейные регуляторы давления и клапаны усилия зажима. Первые предназначены для поддержания установленного давления в линии отвода независимо от направления

потока (например, в системах уравновешивания) и являются аппаратами непрямого действия. Вторые аналогичны по функциональному назначению, однако являются аппаратами прямого действия и могут дополнительно оснащаться микровыключателем, контролирующим осевое положение золотника в корпусе, т.е. соответствие редуцированного давления заранее установленному значению.

Исполнения. Клапаны давления имеют различные исполнения по типу управления, условному проходу, присоединению и номинальному давлению.

Большинство клапанов имеет ручное управление и лишь некоторые исполнения имеют электрическое управление разгрузкой или пропорциональное электроуправление (см. гл. 6).

Клапаны, применяемые в станкостроении, имеют условные проходы 10; 20 или 32 мм. Промышленностью выпускаются также аппараты с условными проходами 40 и 50 мм, однако их применение крайне ограничено.

Клапаны имеют резьбовое (трубное) и стыковое исполнения по присоединению. При резьбовом присоединении отверстия корпуса для подключения гидролиний имеют коническую или метрическую резьбу; в клапанах стыкового присоединения отверстия выводятся на стыковую плоскость и оканчиваются цековками под кольца (по ГОСТ 9833-73) для уплотнения стыка между аппаратом и специальными панелями или промежуточными плитами, в которых нарезана резьба для монтажа штуцеров.

По номинальному давлению клапаны имеют исполнения на 1; 2,5; 6,3; 10; 20 и 32 МПа.

Клапаны давления разделяют по воздействию потока на запорно-регулирующий элемент -- на клапаны прямого и непрямого действия; по назначению -- на напорные, редукционные, разности давлений и соотношения давлений.

В клапанах прямого действия рабочее проходное сечение изменяется в результате непосредственного воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент.

Клапаны непрямого действия представляют собой совокупность двух клапанов: основного и вспомогательного, причем рабочее проходное сечение основного клапана изменяется в результате воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент вспомогательного клапана.

Напорный клапан предназначен для ограничения давления в подводимом к нему потоке рабочей жидкости. Напорные клапаны разделяют на предохранительные и переливные.

Предохранительные клапаны служат для предохранения гидропривода от давления рабочей жидкости, превышающего установленное. Это клапаны эпизодического действия, т. е. при нормальных нагрузках гидроприводов они закрыты и открываются лишь при давлении рабочей жидкости в гидросистеме, превышающем установленное. Основные технические требования к предохранительным клапанам: высокая герметичность сопряжения седло--клапан и стабильность давления настройки клапана (±5%).

На рис. 5 показана конструкция предохранительного клапана прямого действия, который состоит из корпуса 1, конического клапана 2 (запорно-регулирующего элемента), цилиндрической пружины 3 и пробки 4. В корпусе клапана имеются два отверстия: для подвода и отвода рабочей жидкости.

Рис. 5. Конический предохранительный клапан прямого действия

Рис. 6. Расчетные схемы предохранительных клапанов с запорно-регулирующим элементом

Принцип работы клапана основан на уравновешивании силой F₀ пружины (рис. 6), силы давления С_д на запорно-регулирующий элемент, определяемой по формуле (без учета сил трения и инерции)

С_д = рD²_у/4, (1)

где с -- давление в напорной линии;

D_у -- условный проход.

Давление р₀, при котором клапан начинает открываться, преодолевая силу пружины, называют давлением открытия. Полное открытие клапана сопровождается его подъемом от седла на высоту



h=Q(/2p_кл ) / d_ср sin (2)

где Q -- расход жидкости через открытую щель клапана, м²/с;

с -- плотность жидкости, кг/м³;

м -- коэффициент расхода через щель;

d_ср-- средний диаметр щели клапана, м;

б -- угол конусности клапана = 45° для шарикового клапана, б = 30 ... 60° для конического клапана);

p_кл =p₀ + Дp_Q -- потеря давления в клапанной щели, Па (здесь Дp_Q -- изменение давления в линии гидросистемы при пропускании жидкости через клапан с расходом Q).

Изменение давления Дp_Q Дp объясняется изменением cилы пружины при подъеме клапана для пропускания жидкости до значения

F = F₀ + kh (3)

где k -- жесткость пружины.

Значение Дp_Q задают или выбирают по возможности минимальным. При заданном Дp_Q можно определить жесткость пружины

k= Дp_QD²_у/4h (4)

При закрытии клапана сила пружины превышает силу давления жидкости на запорно-регулирующий элемент, т.е. p_зак S < F₀, где S -- площадь затвора, на которую действует давление жидкости. Площадь затвора при закрытии клапана равна сумме площадей конического опорного пояска запорно-регулирующего элемента и седла:

S= (D²_у/4)+(1/2)(/4) (D² - D²_у ) (5)



где D -- наружный диаметр конического опорного пояска. Давление закрытия клапана в этом случае

p_зак = Fo/S. (6)

Разность между давлениями открытия и закрытия Дp_гист = p₀ - p_зак называют гистерезисом клапана (рис. 7). На практике стремятся к минимальному значению гистерезиса, что достигается уменьшением опорного пояска, уменьшением сил трения, которые при проведении выкладок не учитывались. Стабильность работы клапана тем выше, чем меньше значение Дp_гист. Внутренняя герметичность клапана обеспечивается, если между запорно-регулирующим элементом и седлом под действием силы пружины создается замкнутая линия контакта, а контактное напряжение на опорной поверхности значительно превышает давление жидкости;

= Fo / (D² - D²_у )/4> p₀ (7)

При открытии клапана часть жидкости из напорной линии сливается в бак. Если причину, вызвавшую повышение давления в напорной линии, не устранить, то клапан останется открытым или будет совершать колебательное движение, а давление будет изменяться в пределах p_кл … p_зак.

Рис. 7, 8

Устойчивость клапана означает отсутствие незатухающих колебаний, приводящих к ударам клапана о седло и его разрушению, а также к значительным колебаниям давления во всей напорной линии. Динамика клапана обусловливается ускорением его подвижных частей в переходном режиме. В момент открытия клапана вследствие инерции его подвижных элементов и трения давление перед ним резко возрастает, а клапан получает импульс силы и открывается с большим ускорением. При этом пружина сжимается, скорость потока в проходных каналах клапана увеличивается, давление резко уменьшается. Это вызывает обратное движение клапана в сторону седла, что в свою очередь приводит к увеличению давления жидкости и новому подъему клапана. Таким образом, цикл повторяется.

Для устранения вибрации применяют демпфирующие устройства, создающие при движении клапана силы сопротивления, которые приблизительно пропорциональны скорости движения запорно-регулирующего элемента. На рис. 8 показан предохранительный клапан прямого действия с демпфирующим устройством. Особенностью его конструкции является то, что конический клапан 2 имеет хвостовик, заканчивающийся цилиндрическим пояском А; последний перемещается в отверстии корпуса 1. Сила пружины 3 регулируется винтом 4. Принцип работы клапана следующий. При повышении давления сверх допустимого клапан 2 поднимается, и жидкость через его проходное сечение сливается в бак. При перемещении клапана 2 на его пояске возникают демпфирующие силы, обусловленные дросселированием жидкости через кольцевую щель между расточкой корпуса 1 и цилиндрическим пояском А клапана 2, в результате чего обеспечивается работа (клапана без вибрации.

Напорные золотники

Гидроклапаны давления Г54-3 резьбового присоединения (рис. 9, а) состоят из следующих основных деталей: корпуса 3, колпачка 5, золотника 2, пружины б, регулировочного винта 8 и втулки 7. Масло подводится к аппарату через отверстие Р и отводится через отверстие А. В исполнении, показанном на рис. 9, а, линия Р через канал 10 и малое отверстие (демпфер) 11 соединяется с полостью 1, а полость 9 через канал 4 - с отверстием А. Когда сила от давления масла на торец золотника в полости / преодолевает усилие пружины б (регулируется винтом 8) и силу от давления масла на противоположный торец золотника в полости 9, золотник перемещается вверх, соединяя линии Р и А.

Рис. 9. Конструкция гидроклапанов давления Г54-3 резьбового (а) и стыкового (б) присоединений



	Функция клапана	Функциональная группа	Наличие пробок в отверстиях (см рис 5.2)	Условное обозначение
			Y	К	С	X
1.	Если линия А соединена с баком, аппарат работает в режиме предохранительного клапана. Аппараты стыкового присоединения (рис. 5.2, 6) отличаются конструкцией корпуса. В состоянии поставки гидроклапаны давления имеют конструкцию, показанную на рис. 5.2; при необходимости потребитель может переставлять пробки К'/8" в отверстиях Y, К, С и X, изменяя исполнение по схеме (табл. 5.1).Номер схемы1	Поддержание заданной разности давлений в подводимом и отводимом потоках (регулируемый клапан разности давлений, переливной или предохранительный клапан)	Регулирующий аппарат	*			*
2	Пропускание потока масла только при достижении в линии управления X заданного давления, определяемой настройкой пружины и давлением в отводимом потоке		*		*
3	Пропускание потока масла в обоих направлениях при достижении в линиях управления X и У заданной разности давлений, определяемой настройкой пружины	Направляющий аппарат		*	*
4	Пропускание потока масла при достижении в нем заданного давления, определяемой настройкой пружины и давлением в линии управления Y (регулируемый клапан последовательности)			*		*

В схеме (рис. 10, а) гидроклапан давления 4 исполнения 1 по схеме используется в качестве переливного и служит для поддержания определенного давления масла в линии 3, а клапан 2 - в качестве регулируемого клапана разности давлений, который обеспечивает превышение давления в линии / над давлением влинии 3 на величину, определяемую настройкой его пружины. Клапан исполнения 2 по схеме обеспечивает в гидросистеме (рис. 10, б) блокировку по давлению. Масло от насоса / через распределитель 2 поступает в цилиндры зажима 3 и подачи 4, однако первым начинает движение цилиндр 3, а цилиндр 4 - лишь после открытия клапана 5.

Рис. 10. Типовые схемы применения гидроклапанов Г54-3

Гидроклапан б защищает систему от перегрузки. При включении электромагнита пилота 3 (рис. 10, в) гидроклапан давления 4 исполнения 2 по схеме пропускает масло в бак, обеспечивая быстрое движение цилиндра 2 (минимальное давление управления поддерживается клапаном I). При выключении электромагнита скорость ограничивается дросселем 5. Гидроклапан давления 4 исполнения 3 по схеме (рис. 10, г) обеспечивает возможность движения цилиндра 3 лишь при заданной частоте вращения гидромотора 2, при которой перепад давлений на дросселе 1 достаточен для преодоления усилия пружины клапана 4. Гидроклапан давления 1 исполнения 4 по схеме (рис. 10, д) настроен на более высокое давление, чем клапан 4, причем давление в линии 2 практически не зависит от давления в линии 3. В гидросистеме (рис. 10, е) гидроклапан давления 2 исполнения 4 по схеме используется в качестве регулируемого клапана последовательности, обеспечивающего начало движения цилиндра 3 лишь после того, как цилиндр / доходит до упора, и давление в напорной линии возрастает.

Гидроклапаны давления с обратным клапаном Г66-3 по ТУ2-053-1627-83 РУП «Гомельский завод Гидропривод» (Беларусь) дополнительно комплектуются обратным клапаном 1 (рис. 11), пропускающим поток из линии А в линию Р с минимальным сопротивлением. Линия управления Y всегда имеет отдельный вывод, а линия X может соединяться с линией Р или выводиться отдельно. В последнем случае пробка 3 (К'/₈") устанавливается в отверстие 2 корпуса.

Основные параметры аппаратов приведены в табл. 5.2, размеры - в табл. 5.4, шифр обозначения - на рис. 5.3.

Примером применения гидроклапана давления с обратным клапаном 2 (рис. 12) может служить гидропривод перемещения пиноли токарного станка. При зажиме детали масло свободно проходит в поршневую полость цилиндра / через обратный клапан аппарата 2, причем скорость движения пиноли определяется дросселем 3, а сила зажима - клапаном 4. Обратный ход пиноли возможен лишь тогда, когда давление в напорной линии достаточно для преодоления усилия пружины аппарата 2.

При случайном падении давления в гидросистеме клапан запирает поршневую полость, исключая возможность самопроизвольного отхода центра от обрабатываемой детали в процессе аварийного торможения шпинделя (далее давление в цилиндре падает из-за утечек в цилиндре и клапане).

Рис. 11. Конструкция гидроклапанов давления с обратным клапаном Г66-3 резьбового (а) и стыкового (б) присоединений

Двухступенчатые предохранительные клапаны

При применении клапанов прямого действия в системах высоких давлений диаметры их затворов практически ограничены размером 25мм, поскольку при более высоких их значениях недопустимо растут усилия пружин.

Рис. 12. Двухступенчатые предохранительные клапаны

Жидкость под рабочим давлением р₁ подводится в камеру а, соединенную через дроссельное отверстие b с полостыо с и полостью е на входе во вспомогательный предохранительный клапан 3. Давление р₁ в полости с действует на поршень 1, удерживая (совместно с пружиной 4) затвор 5 в закрытом положении. Клапан закрыт до тех пор, пока давление р3 в полости с не преодолеет усилия пружины 2 и не откроет вспомогательный клапан 3. После открытия этого клапана давление жидкости в полости с вследствие сопротивления дроссельного отверстия b понизится по сравнению с давлением в полости а, в результате затвор 5 оторвется от своего седла и давление р₁ в полости а понизится до значения, при котором расход жидкости через клапан 3 будет равен тому количеству жидкости, которое поступит в полость с через дроссельное отверстие b. Процесс вытеснения жидкости, а следовательно, и открытия основного затвора клапана 5 зависит от перетекания в камеру с жидкости из напорной магистрали через дроссельное отверстие b.

Изменением усилия предварительного сжатия пружины 2 затвора вспомогательного клапана 3 можно регулировать основной (запорный) клапан.

Для уравновешивания затвора 5 от сил сливного давления в нем выполнено сверление g, соединяющее сливную полость h клапана с цилиндрической камерой d, диаметр которой равен диаметру седла 6 клапана.

В конструкции клапана обычно предусматривается возможность дистанционного управления разгрузкой насоса (переводом его в режим холостого хода). Для этого в клапане выполнено отверстие 1, при соединении которого со сливной магистралью давление в полости с понизится до давления в этой магистрали (р₁ р₂), в результате затвор 5, переместившись вправо, соединит напорную и сливную магистрали.

На рис. 12, б представлена схема подобного клапана со вспомогательным шариковым клапаном внутри основного клапана.

Рис. 12. Схема действия двухступенчатого предохранительного клапана

Этот клапан прост в изготовлении, однако отличается неуравновешенной силой сливного давления, значение которой определяется отношением

где d₁ и d₂ -- диаметр поршня затвора и гнезда клапана.

Рассмотренный клапан часто выполняется по схеме, представленной на рис. 12. 'При давлении в системе ниже заданного (рис. 12, а) затвор шарикового клапана-датчика 3 закрыт. При этом давления в полостях b и с, которые сообщаются между собой через дроссельное отверстие а в поршне 1, равны. Пружина 4 удерживает поршень 1 в положении, при котором входной канал b закрыт.

При повышении давления выше заданного значения, на которое рассчитана пружина 2, шариковый затвор 3 клапана-датчика открывается, и давление в полости с падает, в результате чего в полостях b и с создается перепад давления, под действием которого поршень 1 переливного клапана перемещается, соединяя канал нагнетания с баком (рис. 12, б).

Для сглаживания (срезания) забросов давлений (например, давлений, развивающихся при гидравлическом ударе), рекомендуется применять клапаны прямого действия, так как при применении для этих целей клапанов с серводействием (см. рис. 11-12) могут возникнуть вследствие неизбежного запаздывания в отработке сигнала (в открытии основного затвора клапана) большие забросы давления. Как видно из схемы, приведенной на рис. 12, смещение основного затвора (переливного клапана) может произойти лишь после того, как будет открыт вспомогательный клапан и жидкость, заполняющая камеру с, вытеснится в бак через отверстие клапана-датчика 3. Однако эти клапаны отличаются более высокой, чем одноступенчатые их типы, стабильностью давления, которая достигается здесь благодаря тому, что нагрузка на затвор 5 (см. рис. 11) клапана осуществляется давлением жидкости, максимальное Значение которого определяется характеристикой пружины 2 вспомогательного клапана 3 небольшого размера. Благодаря небольшому расходу жидкости через дроссельное отверстие b в поршне давление жидкости на поршень 1 при изменении расхода практически не будет изменяться, а следовательно, стабильным будет и давление р₁ при всех режимах потока жидкости через рабочее окно (щель) переливного клапана.

Рис. 13. Предохранительный клапан непрямого действия

На рис. 13, б показана конструкция предохранительного клапана непрямого действия. состоящего из основного и вспомогательного клапанов. Основной клапан имеет корпус 2, гильзу 3, золотник 4, пружину 5, крышки 1 и 6 и уплотнение. Золотник поджат пружиной 5 к седлу гильзы 3. Корпус 2 имеет полости: напорную Р, сливную Т, торцовые Г и Ж. Для уменьшения силы пружины 5 полость Ж соединена через малое отверстие (дроссель) Е с полостью Р. Полость Г также соединена с полостью С при помощи канала Д. Вспомогательный клапан состоит из корпуса 7, седла 8, конического клапана 9, пружины 10, винта 11 и уплотнений. Давление настройки клапана 9 регулируется винтом 11, сжимающим пружину 10. Напорная полость седла 8 соединена с полостью Ж основного клапана каналом И. Полость Л соединена со сливной полостью Т основного клапана каналом М.

Принцип работы клапана следующий. Если давление в полости С не превышает давления настройки, то оба клапана (основной и вспомогательный) закрыты. При этом золотник 4 основного клапана поджат к седлу корпуса 2 под действием суммарной силы Fnp + Fp, где Fnp --· сила пружины 5 и Fp -- сила давления жидкости в полости Ж. При увеличении давления в полости С сверх давления настройки вспомогательный клапан 9 открывается, и рабочая жидкость из полости Ж поступает через щель клапана в полость Л, а из нее по каналу М в сливную полость Т.

Из-за потери давления в отверстии (дросселе) Е давление в полости Ж уменьшается, и золотник 4 под действием силы давления жидкости в полостях Г и Ж перемещается влево, сжимая пружину 5 и открывая проход рабочей жидкости через основной клапан из полости Р.

Клапан имеет каналы КЙ, К2 и X, которые при необходимости могут быть соединены с внешними распределителями для его дистанционной разгрузки.

На рис. 13, в приведена характеристика клапана с -- f (Q) -- зависимость давления настройки с от расхода рабочей жидкости Q, проходящей через клапан (на рисунке Q _min и Q _ном -- минимальный и номинальный расходы; Дс -- изменение давления настройки в диапазоне расхода от Q _min до Q _ном)·

гидроаппарат жидкость клапан гидропривод



Рис. 14. Конструкция (а) и типовая статическая характеристика (б) предохранительного клапана непрямого действия МКПВ для стыкового монтажа

Предохранительные клапаны непрямого действия МКПВ для стыкового и трубного монтажа по ТУ2-053-1737-85 (рис. 14) состоят из следующих основных деталей и узлов: корпуса, клапана 8, размещенного в гильзе 10, пружины 9 и вспомогательного клапана 3, а в исполнении с электроуправлением они дополнительно комплектуются пилотом, устанавливаемым на клапане 3. Масло из напорной линии подводится к отверстию Р корпуса и отводится в сливную линию через отверстие Т. Отверстие Р через малое отверстие в клапане 8 соединено с надклапанной полостью 2, откуда масло через клапан 3 может поступать в отверстие Т по каналу 7. Если давление в гидросистеме не превышает давления настройки клапана 3 (регулируется винтом б, сжимающим пружину 5), последний закрыт до тех пор, пока сила от давления в отверстии Р не уравновесит силу от давления в полости 2 и силу пружины 9, после чего давление в отверстии Р (в напорной линии гидросистемы) автоматически поддерживается постоянным в широком диапазоне расходов масла через клапан. Если отверстие X соединить с линией слива, давление в полости 2 упадет, и клапан 8 под действием небольшого давления (~0,3 МПа) в отверстии Р поднимется, сжимая сравнительно слабую пружину 9 и соединяя отверстия Р и Т (режим разгрузки). В аппаратах с электроуправлением разгрузка производится при выключенном (нормально открытое исполнение) или включенном (нормально закрытое исполнение) электромагнита при необходимом

Рис. 15. Типовые схемы применения клапанов МКПВ для стыкового и трубного монтажа

В гидросистеме, показанной на рис. 15, а масло от регулируемого насоса через распределитель 4 поступает в поршневую полость цилиндра 5, а из штоковой вытесняется в бак. Давление масла определяется нагрузкой на цилиндре и контролируется манометром 2. Предохранительный клапан 3 срабатывает лишь в случае перегрузки. Предохранительный клапан3 в схеме, рис. 15, б, работает в переливном режиме, так как дроссель б ограничивает поток масла, поступающего от нерегулируемого насоса 1 в цилиндр 5, а оставшаяся часть масла через клапан 3 возвращается в бак, причем давление в гидросистеме определяется настройкой клапана и практически не зависит от нагрузки на цилиндре. В гидросистеме, рис. 15, в, насос разгружается от давления при выключении магнита клапана 3 с электроуправлением. Поскольку в сливной линии установлен подпорный клапан 7, слив управления выведен в бак из отверстия У. Это позволяет обеспечить постоянство давления в линии Р независимо от настройки давления подпора. В схеме предусмотрена возможность ручной разгрузки насоса с помощью вентиля 8, подключенного к отверстию X.

Переливные клапаны предназначены для поддержания заданного давления в напорной линии путем непрерывного слива рабочей жидкости во время работы.

Переливные клапаны отличаются от предохранительных характеристикой пружин. Для обеспечения слива рабочей жидкости в большом, диапазоне изменения расхода необходимо обеспечить как можно меньшее изменение давления в напорной линии. Для этого используют пружины с возможно меньшей жесткостью.

Рис. 16. Переливные клапаны прямого действия с золотником: а -- обыкновенным; б -- дифференциальным

К герметичности переливных клапанов не предъявляют высоких требований, поэтому их запорно-регулирующие элементы часто выполняют в виде золотников (рис. 16). Основными элементами переливного клапана с обыкновенным золотником (рис. 16, а) являются корпус 1, цилиндрический золотник 2 и пружина 3. Клапан на заданное давление регулируют при помощи регулировочного винта 4. В корпусе имеются два отверстия С к Ф для подвода и отвода рабочей жидкости. Принцип работы клапана следующий. При подводе к клапану рабочей жидкости под давлением золотник 2 под действием разности сил давления и пружины перемещается вверх. При этом образуется рабочее проходное сечение (щель) между острыми кромками цилиндрической расточки корпуса и золотника. Чем больше расход рабочей жидкости, поступающей из напорной линии, тем больше степень открытия клапана. При этом изменение давления в напорной линии пропорционально перемещению запорно-регулирующего элемента и жесткости пружины.

Переливной клапан с дифференциальным золотником (рис. 16, б) состоит из аналогичных элементов, но золотник имеет два цилиндрических пояска разных диаметров d₁ и d₂. Пружина клапана воспринимает давление жидкости, действующее на эффективную площадь, равную разности площадей торцов золотника. Использование в клапане дифференциального золотника, работающего по принципу гидравлического уравновешивания, позволяет уменьшить размеры пружины.

Переливные клапаны в гидроприводах с дроссельным управлением подключают к напорным линиям параллельно. В сливных линиях переливные клапаны иногда устанавливают последовательно. В этих случаях они выполняют функцию подпорных клапанов.

К основным параметрам напорных клапанов (ГОСТ 16517--82*) относятся условный проход; номинальное давление; диапазон регулирования давления; максимальные внутренние утечки жидкости (для предохранительных клапанов); масса (без рабочей жидкости); зависимость давления настройки от расхода.

Редукционным называется клапан давления, предназначенный для поддержания давления в отводимом от него потоке рабочей жидкости более низкого, чем давление в подводимом потоке.

Редукционные клапаны применяют в гидроприводах, в которых от одного источника питаются несколько потребителей, работающих при разных давлениях.

Редукционные клапаны постоянного давления

Рис. 17. Расчетные схемы редукционных клапанов

Редукционный клапан или редуктор (рис. 17, а) представляет собой автоматически действующий дроссель, сопротивление которого равно в каждый данный момент разности между переменным давлением р_н на входе в клапан и постоянным (редуцированным) давлением P_ред<Р_н на выходе. Клапан предназначен для понижения (редуцирования) давления в каком-либо отводящем участке магистрали (гидролинии) и поддержания этого давления постоянным независимо от давления в подводящей магистрали, которое должно лишь несколько (на 2--3 кГ/см²) превышать редуцированное давление.

Эти клапаны применяются в основном в том случае, если от одного источника расхода (насоса) питается несколько потребителей, (исполнительных двигателей), требующих разных давлений. Источник расхода (насос) в этом случае рассчитывают на максимальное давление, необходимое для питания какого-либо из потребителей.

В простейшем виде редукционный клапан (рис. 17, а) представляет собой плунжер 2 с дросселирующей конусной головкой с на правом конце и с уравновешивающим поршеньком а на левом. Жидкость под высоким давлением р_н подводится к каналу b и отводится под редуцированным давлением р_ред<р_н через канал е. Понижение давления с входного р_н до выходного р,%д и поддержание последнего на постоянном уровне обусловлено динамическим равновесием сил, действующих на подвижный плунжер 2, из которых усилие пружины 1 действует в сторону увеличения открытия проходной щели высотой у, соединяющей каналы b и е, а давление р_ред в камере d и гидродинамическая сила действуют в сторону уменьшения этой щели.

При некотором малом ч (меньше расчетного) давлении р_ред плунжер 2 усилием пружины 1 отжимается вправо и увеличивает зазор у, по которому жидкость поступает из канала b высокого давления р_н в канал е редуцированного давления р_ред. После того как давление р_ред в последней линии превысит расчетное давление, на которое отрегулирована пружина 1, плунжер 2 под действием давления р_ред жидкости переместится влево, частично или полностью перекрывая доступ жидкости из канала b в канал е редуцированного давления.

При условии, что диаметр сечения конусной головки с затвора плоскостью, проходящей по точкам контакта ее с кромками седла (соответствует седлу с острыми кромками), равен диаметру поршенька а, силы давления р_н на плунжер 2 в начале открытия щели (зазор у -- 0) уравновешиваются (р_ред не зависит от р_н), и уравнение состояния клапана имеет вид (силами инерции и трения пренебрегаем).

где - площадь указанного сечения конуса затвора;

P₀ = Сy₀ -- усилие предварительного сжатия пружины 1 (при у = 0);

y₀ и С -- предварительное сжатие пружины и ее жесткость.

При открытой щели (у > 0) на затвор будет дополнительно действовать в сторону закрытия затвора гидродинамическая сила Р_г, с учетом которой уравнение равновесия плунжера 2 примет вид

;

где р'_ред -- редуцированное давление при у > 0.

При небольших перемещениях величинами у и Р_г можно вследствие их относительной малости пренебречь, в результате для расчета редуцированного давления можно пользоваться предыдущим уравнением, которое показывает, что при принятых допущениях расчетное значение р_ред не зависит от входного давления р_н. Однако вследствие нестабильности влияния на гидродинамические силы Р_г перепада давления ?р=р₁--р₂, наблюдается также некоторое нарушение стабильности р_ред, т. е. р_ред=f(p_н)

Для компенсации, влияния на р_ред возможных изменений давления р_сл в сливной магистрали гидросистемы последняя соединена с камерой 1, ввиду чего сила сливного давления на поршенек а плунжера 2 суммируется с усилием пружины 1.

Недостаток этого клапана -- низкая чувствительность к изменениям р_ред, обусловленная трением поршня и малой площадью элемента, на который действует редуцированное давление. Для устранения трения и повышения чувствительности при невысоких (3--5 кГ/см²) редуцированных давлениях применяют клапаны, роль поршня в которых выполняет резино-каневая гофрированная мембрана 2 (рис. 18, б).

Жидкость под высоким давлением р_н подводимая через канал d в камеру с, пройдя дросселирующую щель высотой у, образованную конусным затвором 3 и гнездом клапана, поступает в камеру е и канал b потребителя редуцированного давления р_ред. Пружина 1, как и в рассмотренной выше схеме, стремится открыть затвор 3 клапана, а силы давлений р_ред жидкости на мембрану 2 и силы давления р_н на связанный с ней затвор 3 стремятся его закрыть (уменьшить высоту щели у). Для демпфирования колебаний применен дроссель 4.

Выражение, отражающее работу такого клапана, основано на следующих исходных уравнениях:

расхода жидкости через щель клапана

; (4)

равновесия затвора под действующими на него силами (допускаем равномерное распределение давления по площади затвора и пренебрегаем силами трения и гидродинамического воздействия)

, (5)

где у и б -- открытие (ход затвора) клапана и угол конуса затвора при его вершине;

Р₀ -- усилие сжатия пружины при закрытом затворе клапана (при у = 0);

D и d -- диаметры мембраны и седла клапана.

Подставив в выражение у из выражения, получим

.

где

Положив в уравнении (43) y=0, получим выражение для определения максимального давления p_ред на выходе из редуктора

.

Рис. 19. Редукционный клапан мембранного (сильфонного) типа (а) и редукционно-предохранительные клапаны (б и в)

Из последнего выражения следует, что выходное давление р_ред несколько зависит от входного р_н, увеличиваясь с уменьшением последнего.

Благодаря значительному превышению диаметра D мембраны над диаметром d гнезда клапана, а также уменьшенному трению рассмотренный клапан отличается высокой чувствительностью.

При более высоких редуцированных давлениях мембрана заменяется поршнем 1 того же диаметра D (рис. 19, в). Расчет производится по тем же уравнениям с добавлением в выражение силы трения поршня.

В некоторых случаях требуется обеспечить высокую чувствительность и поддержание заданного редуцируемого давления при малых расходах (близких к нулю). Поскольку при рассмотренных выше плунжерных схемах с щелевым уплотнением и конусными затворами (рис. 19) обеспечить требуемую герметичность трудно, применяют клапаны с пластинчатым (плоским) затвором 1, в котором уплотнение подвижного соединения осуществлено при помощи металлического сильфона 2 (рис. 20, а).

Условие равновесия такого клапана без учета гидродинамической силы может быть приближенно записано

,

где - площадь поперечного сечения входного канала (отверстия) диаметром d,

F -- полезная площадь сильфона;

Р_пр -- суммарное усилие пружины 3 и сильфона 2 при нулевом подъеме клапана (у = 0);

С₁ -- суммарная жесткость пружины 3 и металлического сильфона 2;

у -- открытие клапана.

При малом подъеме клапана величиной С₁у можно пренебречь, в результате получим выражение для вычисления редуцированного давления

Редукционно-предохранительные клапаны

На рис. 20, б в представлена схема клапана, в котором совмещены функции редукционного и предохранительного клапанов. Положение клапана, представленное на рис. 73, б, соответствует подводу к потребителю жидкости под редуцированным давлением. При этом жидкость из магистрали нагнетания под давлением р_н поступает через щель между грибком клапана 1 и седлом в корпусе 2 к потребителю.

До того, пока давление р_ред в системе потребителя не достигло заданного значения, поршень 3 отжат пружиной 4 в крайнее левое положение. В этом положении конусная игла клапана 1 упирается в седло поршня 3, пружина 5 сжата, поэтому клапан открывает максимальный проход жидкости к потребителю.

При повышении давления р_н на входе в редуктор повышается также давление р₁ в полости потребителя, в результате поршень 3 под действием давления жидкости сжимает пружину 4 и перемещается вправо. При этом под действием пружины 5 вправо перемещается также и клапан 1, в результате зазор между левым грибком клапана и седлом корпуса уменьшается. При достижении заданного редуцированного давления р_ред в системе клапан 1 закроется полностью. При уменьшении редуцированного давления в системе поршень 3 снова переместится влево и откроет клапан, в результате давление в системе увеличится.

...