Гидроклапаны.

Гидроклапаном называется гидроаппарат, в котором степень открытия проходного сечения (положение запорно-регулирующего органа) изменяется под воздействием напора рабочей жидкости, проходящей через него.

Гидроклапаны бывают регулирующие и направляющие. К регулирующим в первую очередь относятся клапаны давления, предназначенные для регули­рования давления в потоке рабочей жидкости. Наиболее широко применяются напорные и редукционные гидроклапаны.

Напорный гидроклапан — регулирующий гидроаппарат, предна­значенный для ограничения давления в подводимом к нему потоке рабочей жидкости. По назначению эти гидроклапаны делятся на предохранительные, которые ограничивают верхний предел давления в системе, и переливные, предназначенные для поддержания заданного уровня давления путем непрерывного слива рабочей жидкости во время работы.

Принцип действия всех напорных клапанов одинаков и основан на уравно­вешивании силы давления рабочей жидкости, действующей на клапан, усилием пружины или другим противодействующим устройством. Когда давление жид­кости р превышает заданный уровень давления закрытия р₃, запорно-регулирующнй орган смеща­ется, открывая проход рабочей жидкости на слив. На рис. 4.8 представлены наиболее простые схемы напорных клапанов.

Рис. 5.8. Напорные клапаны.

а, б — клапанного типа; в — золотникового типа

Клапаны шарикового и конусного типа (рис. 5.8., а и б) применяют обычно в качестве предохранительных клапанов, так как, несмотря на про­стоту и надежность, они хорошо работают только в случае эпизодического действия, характерного для предохранительных клапанов. При постоянной работе быстро изнашивается седло клапана, в результате чего при р< р₃ нару­шается герметичность системы.

Расчет усилия предварительного поджатия пружины при условии, что дав­ление слива близко к нулю, проводится по формуле

,

где d — диаметр седла клапана.

В качестве переливных клапанов, для которых характерно непрерывное движение запорно-регулирующего органа, чаще применяются напорные клапаны зо­лотникового типа (рис. 4.8., в). Основной характеристикой переливного кла­пана является стабильность поддерживаемого им давления р₃. Величина изме­нения р₃ определяется соотношением

,

где с — жесткость пружины; х₀ — предварительное поджатие пружины; х_к — конечное поджатие пружины при открытом клапане, зависящее от расхода жидкости через клапан; S_к — эффективная площадь, на которую действует давление р₃.

На рис. 4.9 приведены принципиальные схемы напорных клапанов прямого действия с шариковым, конусным, плунжерным и тарельчатым запорно-регулирующими элементами.

Рис. 5.9. Принципиальные схемы напорных клапанов с запорно-регулирующими элементами:
а - с шариковым; б - с конусным; в - с золотниковым; г - с тарельчатым

Особенностью схем на рис. 4.9 б) и с) является наличие полости – гидравличесвкого демпфера под штоком 8.

В клапанах прямого действия возникает вибрация запорно-регулирующего элемента, сопровождаемая ударами о седло и колебаниями давления в системе. Вибрация и удары могут служить причиной износа и потери герметичности клапанов.

Для уменьшения силы удара и частоты колебаний клапана о седло применяют специальные гидравлические демпферы (рис.4.9. б, г). Устройство состоит из камеры 7, в которой перемещается плунжер 8. Камера заполнена жидкостью. С линией слива эта камера соединяется тонким калибровочным отверстием 9 диаметром 0, 8…1 мм. При открывании клапана плунжер вытесняет жидкость из камеры демпфера. Создаваемое при этом гидравлическое сопротивление, пропорциональное скорости движения плунжера, уменьшает частоту колебаний, силу удара запорно- регулирующего элемента и частично устраняет его вибрацию.

Достоинство клапанов прямого действия - высокое быстродействие. Недостаток - увеличение размеров при повышении рабочего давления, а также нестабильность работы.

Для повышения стабильности клапана необходимо уменьшать жест­кость пружины и увеличивать площадь S_к. Однако увеличение площади при высоких давлениях приводит в недопустимому росту размеров пружины, а следовательно, и размеров клапана. Поэтому в системах с высоким рабочим давлением применяют напорные гидроклапаны непрямого действия, в кото­рых поток рабочей жидкости воздействует на запорно-регулирующий орган не непосредственно, как в клапанах, представленных на рис.5.9, а через вспомогательное устройство. Одна из существующих схем клапана непрямо­го действия показана на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Клапан непрямого действия Рис.4.11. Клапан с дифференциальным

золотником

Входная полость клапана через дроссель 1 соединена с полостью А. При р < р₃ в полости А устанавливается давление р_А = р, которое действует на поршень 2 (площадь S ₂) совместно с пружиной 3 и прижимает поршень к седлу, закрывая проход рабочей жидкости. При р > р₃ открывается шариковый кла­пан 4, пружина которого рассчитана на усилие F _пр = p₃S₁, где S₁ — площадь отверстия 5. После открытия шарикового клапана давление в полости А падает, и под действием усилия pS_K > р_AS₂ + F _пр поршень 2 смещается вправо, от­крывая проход рабочей жидкости на слив. Достоинством такого клапана явля­ется стабильность давления р₃ при изменении расхода в широком диапазоне.

В промышленности широко используются напорные клапаны типа Г52-1 и БГ52-1. Клапаны работают на минеральном масле вяз­костью 10—60 мм²/с (10—60 сСт) при температуре до 50 °С. Рекомендуется масло индустриальное 20 и 30. Эти клапаны рассчитаны на давление от 5 до 20 МПа. Расход через клапан определяется его типоразмером и находится в пределах от 0, 3 до 10 л/с.

Другим способом уменьшения действующих сил и размеров пружин яв­ляется применение в качестве запорно-регулирующего органа дифференци­ального золотника (рис. 5.10.). В этом случае усилие предварительно сжатой пружины определяется из соотношения

.

Разность площадей основного (диаметром d₁) и вспомогательного (диамет­ром d₂) поршней может быть выбрана как угодно малой, однако на практи­ке для надежного преодоления силы трения разность выбирают не менее 0, 25 площади основного поршня.

Важным параметром напорных гидроклапанов является собственная частота колебаний подвижных частей клапана. При установке клапана в системе для предотвращения возможности возникновения резонансных колебаний надо соблю­дать соотношение

ω _к ≠ ω ₀

или

∆ ω = |ω _к – ω ₀ | = (0, 1 – 0, 15) ω _max,

где ω _к — собственная частота клапана:

;

c – суммарная жёсткость пружин;

т — масса подвижных частей;

ω ₀ — частота пульсаций давления в гидро­системе, определяемая частотой пульсаций насоса и характером работы потре­бителей.

Для гашения резонансных колебаний подвижных частей напорных кла­панов в некоторых случаях используют гидравлические демпферы, поглоща­ющие энергию колебаний. Напорные гидроклапаны устанавливают, возмож­но ближе к тем агрегатам, для защиты которых они предназначены. Для снижения мгновенных пиков давления рекомендуется применять клапаны прямого действия с малой инерцией подвижных частей, так как применение клапанов непрямого действия вследствие их большего запаздывания может привести к недопустимым скачкам давлений. Подробнее о гидроклапанах см. в литературе [9, 67].

Управляемые обратные клапаны получили распространение в прессах и используются для пропускания больших объемов жидкости во время холостых перемещений основного поршня или плунжера. Как правило, применяются обратные клапаны с кониче­ским затвором, для управления которым имеется несколько конструктивных решений.

Рис. 5.11 Управляемый обратный клапан

Рассмотрим конструкцию управляемого обратного клапана с управлением от основного потока и некоторые вопросы технологи­ческого характера, используя для этой цели аппарат[*], изображен­ный на рис, 2. В ступенчатый клапан 5 под углом 45° встроен дву­сторонний шариковый клапан 3, который в зависимости от на­правления основного потока жидкости соединяет надклапанную полость 6 с каналами 1 и 4. К полости 6 подключен двухпозиционный распределитель с электрическим управлением 7. Когда золот­ник в распределителе 7 занимает положение а, то полость 6 замк­нута, при этом клапан 5 прижат к седлу втулки 9. Если золотник в распределителе займет положение б, то полость 6 соединяется с баком, а клапан 5 отойдет от седла, пропуская основной поток жидкости в необходимом направлении, причем независимо от того, где находится жидкость под давлением. Для сглаживания резкого падения давления в каналах 1 и 4 при срабатывании распредели­теля 7 и для создания перепада давления между ними и полостью 6 отверстие 8 сделано малого диаметра, которое выполняет функцию демпфера.

Идея, воплощенная в конструкцию аппарата по рис. 2, а, правильная, однако расположение шарикового клапана 3 под углом вызывает технологические неудобства при изготовлении. Очевидно для высверливания отверстия и нарезания резьбы под штуцер 2 потребуется дополнительное приспособление. Сверление же всех отверстий в ступенчатом клапане даже при наличии приспособле­ния происходит в неблагоприятных условиях, так как возможна поломка сверла при выходе его из металла.

В варианте, показанном на рис. 2, б, изготовление всех отвер­стий, расположенных под прямым углом к соответствующим поверхностям, не нуждается в дополнительном приспособлении. Такое конструктивное решение несомненно технологичней, однако появилась необходимость в дополнительной детали 10.

Введение кольцевой проточки 11 (рис. 2, в) еще в большей степени упростило технологию изготовления внутренних коммуника­ций в клапане.

Редукционный гидроклапан — регулирующий гидроаппарат, предназначенный для поддержания постоянного давления в отводимом от не­го потоке рабочей жидкости при условии р₂< р₁, где р₂ — давление в отводи­мом потоке (давление на выходе); p₁ — давление в подводимом потоке (дав­ление на входе).

Редукционные клапаны обычно устанавливают в системах, где от одно­го насоса работает несколько потребителей с разным значением рабочего давления. В этом случае насос рассчитывается на максимальное давление, необходимое для работы одного из потребителей, а перед другими устанав­ливают редукционный клапан. Кроме того, эти клапаны являются стабилиза­торами рабочего давления, поддерживающими р₂ = const при р₁ = var. Принципиальная схема редукционного клапана представлена на рис. 5.12, а.

Рис. 5.12. Редукционные клапаны:

а — клапан постоянного давления; б — клапан постоянного перепада давлений

Если допустить, что силы трения в подвижных элементах малы, уравне­ние равновесия можно записать в виде

.

Отсюда для достаточно эластичной пружины с малой погрешностью мож­но записать:

,

где F _пр — предварительное усилие пружины 1, устанавливаемое регулировочным винтом 2.

Разновидностью редукционных клапанов является гидроклапан перепада давления, предназначенный для поддержания заданного перепада давлений на входе и выходе при р₁> р₂ (рис. 4.11, б). Уравнение равновесия без учета сил трения и диаметра отверстия а в поршне 1 можно записать в виде

,

откуда

.

В случае больших расходов через редукционный клапан с целью умень­шения габаритов пружины используют клапаны непрямого действия, в кото­рых управление основным запорно-регулирующим органом осуществляется вспомогательным устройством, работающим под действием потока рабочей жидкости с давлением р₂.

Обратные клапаны.

Это — направляющий гидроаппарат, предназначен­ный для пропускания рабочей жидкости только в одном направлении. При изменении направления потока обратный клапан закрывается, прекращая подачу рабочей жидкости в соответствующую гидролинию. Основные требо­вания, предъявляемые к обратным клапанам: полная герметичность при за­крытом положении и минимальное гидравлическое сопротивление потоку в открытом положении.

В промышленных гидроприводах широко применяется серийно выпуска­емый обратный клапан типа Г51-2 (рис. 5.13.). При прямом направлении потока рабочая жидкость подается через отверстие А под клапан 1, который, преодолевая усилие пружины 2, поднимается вверх и открывает проход ра­бочей жидкости. При изменении направления потока клапан 1 давлением ра­бочей жидкости и усилием пружины прижимается к седлу 3, перекрывая по­ток. Усилие пружины незначительно и обеспечивает только надежную посад­ку клапана на седло.

Разновидностью обратных клапанов является гидрозамок – управляемый обратный клапан с управляющим воздействием на поток рабочей жид­кости. Гидрозамок пропускает жидкость только в одном направлении при отсутствии управляющего воздействия и в обоих направлениях — при его наличии.

На рис. 5.14. представлен гидрозамок типа КУ. При отсутствии давления управления поршень 1 и толкатель 4 под действием пружины 2 отжаты вниз, и гидрозамок работает как обратный клапан, пропуская жид­кость только в одном направлении — от полости А к полости Б. В случае уп­равляющего воздействия поршень 1 и толкатель 4, преодолевая воздействие пружин 2 и 5, открывают клапан 3, обеспечивая проход рабочей жидкости в любом направлении. Гидрозамок типа КУ работает на минеральных маслах вязкостью 10—60 мм²/с (10—60 сСт) при температуре до 50 °С, номинальное давление до 32 МПа, давление управления от 1 до 32 МПа, потери давления при номинальном расходе не более 0, 4 МПа. Расход через гидрозамок зави­сит от его типоразмера и находится в пределах от 0, 7 до 7 л/с.