Гидроклапаны
Гидроклапан – это гидроаппарат, в котором проходное сечение (положение запорно-регулирующего элемента) изменяется под воздействием потока рабочей жидкости.
По характеру воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана различают гидроклапаны давления прямого и непрямого действия.
В гидроклапане давления прямого действия проходное сечение изменяется в результате непосредственного воздействия контролируемого потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана.
Гидроклапаны давления непрямого действия представляют собой совокупность, как правило, двух клапанов: основного и вспомогательного, причем величина открытия рабочего проходного сечения основного клапана изменяется в результате воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент вспомогательного клапана.
Гидроклапаны могут быть направляющими и регулирующими.
Направляющие гидроклапаны
Из всего многообразия направляющих гидроклапанов наибольшее распространение получили обратные гидроклапаны и гидрозамки.
Обратнымназывается направляющий гидроклапан, предназначенный для пропускания жидкости только в одном направлении. Они широко используются в системах подпитки, а также в гидролиниях, где требуется однонаправленное движение потока. Обратные клапаны могут изготавливаться как в отдельном исполнении, так и встроенными в узлы и агрегаты.
Обратный клапан должен обеспечивать минимальное сопротивление движению жидкости в разрешенном направлении и герметичность в обратном направлении.
Рисунок 91 – Направляющие гидроклапаны: 1, 2 –гидролинии подвода и отвода жидкости; 3 –гидролиния управления; а –обратный шариковый; б –обратный конусный; в –условное обозначение обратного клапана; г –односторонний гидрозамок; д — его условное обозначение
На рисунке 91 а, б показаны обратные клапаны с разными запорно-регулирующими элементами: соответственно шариковым и конусным. При движении жидкости в направлении, указанном стрелками, запорно-регулирующий элемент отжимается от седла и поток с минимальными потерями проходит через клапан. При обратном направлении движения жидкости запорно-регулирующий элемент клапана прижимается жидкостью к седлу и движение жидкости в этом направлении прекращается.
Пружина, прижимающая клапан к седлу, является вспомогательным элементом и служит лишь для удержания запорно-регулирующего элемента вблизи седла для надежного перекрытия потока при изменении его направления. Для уменьшения потерь давления на клапане предварительное поджатие и жесткость пружины выбирают минимальными.
При повышенных требованиях к герметичности клапанов их запорно-регулирующие элементы или седла снабжаются эластичными уплотнениями. Условное обозначение обратного клапана приведено на рисунке 91 в.
Разновидностью обратного клапана является управляемый обратный клапан, или гидрозамок, – направляющий гидроклапан, предназначенный для пропускания потока жидкости в одном направлении при отсутствии управляющего воздействия и в обоих направлениях при его наличии.
Схема одностороннего гидрозамка приведена на рисунке 91 г. Он содержит элементы обратного клапана (седло и запорно-регулирующий элемент с пружиной), а также поршень с толкателем. Если давление в гидролинии 3 отсутствует, то при движении жидкости из гидролинии 2 в гидролинию 1 запорно-регулирующий элемент отжимается от седла, а поршень с толкателем перемещаются вправо. Если направление потока изменяется, то клапан закрывается, и движение жидкости прекращается. Если в гидролинию 3 подать давление управления, то поршень толкателем отожмет запорно-регулирующий элемент клапана от седла, и жидкость будет проходить через клапан в обоих направлениях. Условное обозначение такого гидрозамка приведено на рисунке 91 д.
Гидрозамки могут быть односторонними и двусторонними. В последних жидкость пропускается в каком-либо направлении только при наличии управляющего сигнала.
Регулирующие гидроклапаны
К регулирующим гидроклапанам, применяемым в гидроприводе, относятся предохранительные и редукционные. Кроме того, в системах гидроавтоматики применяются регулирующие гидроклапаны специального назначения, такие как гидроклапаны выдержки времени, делители потока, гидроклапаны разности давлений и т.п.
Для ограничения и поддержки давления в гидролиниях путем непрерывного или эпизодического слива рабочей жидкости служат предохранительные клапаны.
Предохранительными клапанаминазываются гидроклапаны, предназначенные для предохранения объемного гидропривода от давления, превышающего установленное, путем слива жидкости в моменты увеличения этого давления.
Схема простейшего предохранительного клапана прямого действия приведена на рисунке 92 а. В корпусе 2 имеются два отверстия: сквозное – для подсоединения клапана к гидролинии, в которой требуется обеспечить ограничение давления, и отверстие для подсоединения к сливной гидролинии. В корпусе размещены запорно-регулирующий элемент 1, пружина 4, опора 5 и регулировочный винт 3.
Рисунок 92 – Предохраниетльные гидроклапаны прямого (а, б, в) и непрямого (г) действия и их условные обозначения (д, е)
В качестве запорно-регулирующего элемента 1 служит шарик, который под действием усилия пружины 4 садится в гнездо и закрывает рабочее окно клапана. При повышении давления в защищаемой клапаном гидролинии на шарик будет действовать усилие, развиваемое пружиной, шарик отойдет от седла и пропустит часть жидкости на слив, ограничивая подводимое давление. С увеличением расхода через клапан на слив Qсл будет увеличиваться отжим шарика и, следовательно, сжатие пружины. Поэтому с увеличением расхода Qсл будет увеличиваться и давление в защищаемой гидролинии.
Несмотря на простоту такие предохранительные клапаны имеют ряд недостатков. Один из них – неустойчивая работа клапана при малых расходах на слив. В этом случае шарик, не имеющий специальных направляющих, совершает колебания в направлении, перпендикулярном к оси гнезда, и разбивает гнездо. Поэтому такие напорные клапаны применяются в качестве предохранительных в системах низкого давления, когда клапан работает эпизодически.
В качестве переливных клапанов по этой причине применяются, как правило, клапаны с золотниковым распределителем или так называемые плунжерные клапаны, схема одного из которых приведена на рисунке 92 б.
В обоих случаях давление в напорной гидролинии устанавливается с помощью регулировочных винтов, обеспечивающих требуемый натяг пружин.
Недостаточный контакт запорно-регулирующего элемента с седлом при давлениях, близких к давлению настройки клапана, схема которого приведена на рисунке 92 а, отсутствует в напорных клапанах с индикаторным стержнем.
На рисунке 92 в приведена одна из возможных схем напорного клапана с индикаторным стержнем, на основе которой разрабатываются клапаны на давления до 50 МПа. Он состоит из запорно-регулирующего элемента (шарика) 1, поджимающей его пружины 6, поршня 5 с центральным отверстием, силовой пружины 3 и индикаторного стержня 4, закрепленного в корпусе 2.
При повышении давления в напорной гидролинии шарик 1 вместе с поршнем 5 начнет опускаться, преодолевая усилие пружины 3. При этом контакт шарика и седла будет увеличиваться. Отрыв шарика от седла произойдет тогда, когда шарик, опускаясь, сядет на торец индикаторного стержня и четко откроет проходное рабочее окно клапана.Условное изображение предохранительного клапана прямого действия показано на рисунке 92 г.
Редукционными клапанами называются гидроклапаны, предназначенные для уменьшения давления в гидролинии, отводимой от основной линии, и поддержания этого давления или перепада давлений на постоянном уровне.
Редукционные гидроклапаны используются в случаях, когда к гидролинии, давление в которой выше, чем нужно потребителю, подключается один или несколько потребителей, рассчитанных на разное давление питания. Редукционные клапаны применяются также для уменьшения и стабилизации давления питания в предварительных каскадах усиления гидравлических усилителей, а также для обеспечения постоянного перепада давления на регулируемых дросселях регуляторов потока.
Схема редукционного клапана прямого действия приведена на рисунке 93 а. Его запорно-регулирующим элементом служит однощелевой золотник 1. В корпусе 2 клапана расположены также пружина 3 с опорами и регулировочный винт 4, обеспечивающий необходимую степень сжатия пружины 3. Давление напора рн, подводимое к рабочей полости золотника 1, не оказывает на него силового воздействия в осевом направлении, так как эффективные площади буртов золотника равны. Основными осевыми силами, действующими на золотник клапана, являются: сила пружины; сила, обусловленная давлением на выходе клапана, и сила, обусловленная давлением в сливной гидролинии.
а) б)
Рисунок 93 – Схема редукционного клапана (а), условное обозначение (б)
Очевидно, что положение золотника 1, благодаря пружине 3, будет определяться величиной разности редуцируемого давления рред и давления слива рсл. С увеличением этой разности золотник будет прикрывать рабочее окно клапана, уменьшая подачу жидкости на выходе клапана, что приведет к уменьшению разности перепада давления на клапане до величины, на которую настроен редукционный клапан. Если же вследствие увеличения расхода на выходе редукционного клапана давление рред, уменьшится, то под действием усилия пружины 3 золотник 1 приоткроет рабочее окно клапана, и редуцируемое давление восстановится.
Делители потока предназначены для разделения одного потока жидкости на два или более потоков и поддержания расходов в разделенных потоках в определенном соотношении.
На рисунке 94 а и б приведены две схемы делителей потоков, которые отличаются числом дросселирующих элементов, участвующих в разделении и поддержании требуемого соотношения разделенных потоков.
На рисунке 94 а приведена схема делителя потоков с клапанными запорно-регулирующими элементами. Он состоит из блока подвижных сопл 2, способного перемещаться в осевом направлении относительно корпуса 3, и двух упоров-заслонок 1 и 4. Положение блока сопл 2 определяется перепадом давления на его торцах. В случае увеличения давления на одном из торцов блока сопл, что соответствует уменьшению расхода, проходящего через сопло, принадлежащее этому торцу, блок сопл сместится в сторону и уменьшит противоположный зазор между соплом и заслонкой, что приведет к уменьшению расхода в другой гидролинии.
Рисунок 94 – Схемы делителей потоков
Из-за квадратичной зависимости между расходами и перепадами давления в зазорах регулируемых дросселей, а также нелинейной зависимости коэффициентов расхода в этих дросселях точность деления потока в таком делителе невысокая. Поэтому область его применения распространяется на случаи, когда к точности соотношения разделяемых потоков не предъявляются высокие требования.
Для разделения потоков на два неравных потока необходимо диаметры соответствующих сопл выполнить в отношении, которое требуется от соотношения разделяемых потоков.
В тех случаях, когда к разделяемым потокам предъявляются высокие требования по точности соотношения, применяют делители потока, схема одного из которых приведена на рисунке 94 б. Он состоит из двухщелевого золотникового распределителя 3 и двух постоянных дросселей 1 и 2, которые монтируются обычно в корпусе 4. При изменении одного из разделяемых потоков в торцовой полости золотникового распределителя 3 изменяется и давление в этой полости. Золотник 3 при этом перемещается в сторону торца с меньшим давлением, выравнивая эти давления с высокой точностью, достигающей 2…3 %. Равенство расходов в разделяемых гидролиниях объясняется равенством перепадов давлений на постоянных дросселях 1 и 2. Ошибка в соотношении разделяемых потоков объясняется наличием контактного трения в золотнике 3 и отличием реальных характеристик постоянных дросселей.
Для получения постоянного соотношения двух неравных потоков необходимо установить постоянные дроссели с разным гидравлическим сопротивлением в отношении, равном требуемому соотношению разделяемых потоков.