Гидравлика и гидропривод

Логический клапан «ИЛИ» (рис. 12.6, б) предназначен для пропуска рабочей жидкости при наличии давления только в одной из подводящих гидролиний. При этом свободно переме­ щающийся в корпусе клапан запирает другую подводящую гидролинию.

Условные обозначения клапанов на гидравлических схемах приведены в прил. 6.

Клапаны выдержки времени (реле времени) применяются для создания выдержки времени между операциями в системе гидропривода. Клапан выдержки времени, как правило, состоит из цилиндра и порщня с исполнительным штоком, на котором устанавливается контактная группа. Выдержка клапана зависит либо от времени наполнения цилиндра жидкостью, либо от времени его опоражнивания, либо от времени перетекания жид­ кости из одной полости цилиндра в другую. Во всех случаях истечение происходит через дроссель. Регулирование времени срабатывания осуществляется за счет изменения хода поршня или сопротивления дросселя.

12.3. Регуляторы давления

Регуляторы давления разделяются по назначению на предохра­ нительные, переливные, редукционные клапаны, клапаны разно­ сти давления и соотношения.

12.3.1. Предохранительные клапаны

Предохранительный клапан предназначен для ограничения дав­ ления в месте его подключения. При повышении давления до настроечного предохранительный клапан срабатывает (открыва­ ется) н сбрасывает часть жидкости из гидравлической системы: давление уменьшается, и клапан, как правило, закрывается. Такой режим работы клапана является эпизодическим.

В зависимости от конструкции запорного элемента клапаны

разделяются на шариковые, конические, тарельчатые, плунжер­ ные, золотниковые и мембранные. Принципиальные схемы пер­ вых трех типов практически не отличаются от схем обратных клапанов (см. рис. 12.4), но в предохранительных клапанах меньшие сечения проходных каналов.

Условное обозначение клапана на гидравлических схемах

приведено в прил. 6.

Предохранительный клапан устанавливают как можно бли­ же к защищаемому объекту (насосу, гидроаккумулятору, гид­ родомкрату и т. д.), чтобы обеспечить минимальные потери дав­ ления до клапана при его срабатывании и, следовательно, ми­ нимальное повышение давления по сравнению с настроечным.

Запорный элемент клапана в закрытом положении находит­ ся в равновесии под действием сил давления жидкости и реак­ ции седла — с одной стороны, и силы сжатия пружины — с дру­ гой стороны. При достижении предельного (настроечного) давления в жидкости пружина сжимается, запорный элемент поднимается над седлом, и через образовавшуюся щель начина­ ет протекать рабочая жидкость. Чем больше давление жидкости перед клапаном, тем больше площадь проходного сечения между седлом и запорным элементом и, следовательно, больше расход через клапан. Расход должен быть достаточным, чтобы исклю­ чить в этот момент любое повышение давления в системе сверх настроечного.

Исправный предохранительный клапан до срабатывания должен иметь хороший контакт во всех точках поверхности со­ прикосновения седла с запорным элементом, а контактное дав­ ление должно быть значительно больше перепада давления жидкости на запорном элементе. При отсутствии такого контак­ та клапан пропускает жидкость при давлении, меньшем давле­

и к самопроизвольному изменению рабочего режима насоса и гидродвигателя (см. рис. 11.8). В замкнутых гидравлических системах (например, в гидроцилиндрах с гидрозамками), где отсутствует поступление в них жидкости, негерметичность кла­ панов вообще недопустима.

Рассмотренный принцип действия предохранительного кла­ пана является упрощенным. Действительный динамический про­ цесс в момент срабатывания клапана значительно сложнее. Суть его сводится к следующему.

Вследствие наличия сил трения в подвижных элементах кла­ пана (запорный элемент, пружина и др.) и их инерционности сила, приложенная со стороны жидкости к запорному элементу в момент срабатывания клапана, будет больше силы сжатия пружины, и он движется ускоренно. С прекращением подъема над седлом запорного элемента исчезают приложенные к нему и направленные против перемещения силы трения и инерции, поэтому под действием избыточной силы со стороны пружины запорный элемент приближается к седлу. Этому способствует такж е уменьшение давления со стороны жидкости в образовав­ шейся щели между запорным элементом и седлом. Последнее объясняется значительными скоростями движения жидкости в щели (до 15—20 м/с), что, согласно уравнению Бернулли, при­ водит к уменьшению давления. Сила, действующая со стороны жидкости на запорный элемент, может уменьшиться до такой степени, что приведет к закрытию клапана. Но если причина, вызвавшая срабатывание предохранительного клапана, к тому времени не исчезла, то пов^шецное давление вновь приведет к

кратковременному открытию клапана. В гидравлической системе возникнут колебания, которые неблагоприятно сказываются на самом клапане и на всех ее составных элементах, причем ам­ плитуда колебаний будет тем больше, чем больше расход через клапан, меньше коэффициент сопротивления запорного элемен­ та и больше длина щели между седлом и запорным элементом. Влияние последних двух факторов является довольно сильным. Так, в тарельчатых клапанах (см. рис. 12.4, в) из-за значитель­ ного коэффициента сопротивления запорного элемента и некото­ рого увеличения его миделевого сечения после открытия клапа­ на, сила, действующая со стороны жидкости на элемент, как правило, не уменьшается, и колебания быстро затухают. В ша­ риковых и конических клапанах (см. рис. 12.4,а,б ), несмотря на некоторое увеличение миделевого сечения запорного элемен­ та, сила, действующая на него со стороны жидкости, как прави­ ло, уменьшается вследствие малого коэффициента сопротивле­ ния, и клапан закрывается. Но если причина, вызвавшая сра­ батывание клапана, не исчезла, возникают колебания.

Предохранительные клапаны должны отвечать основным тре­ бованиям: высокая герметичность (даже при давлении близком к давлению срабатывания); достаточная пропускная способность во время срабатывания; отсутствие вибрации запорного элемен­ та при срабатывании.

Первые два требования особенно важны для предохрани­ тельных клапанов стоек гидрокрепей, работающих в тяжелых условиях. Так, при недостаточной герметичности с повышением нагрузки стойка перестанет выполнять свои функции — поддер­ живать кровлю горной выработки, при недостаточной пропуск­ ной способности может разрушиться, особенно под действием горного удара.

Вышеперечисленные требования обязательно учитываются при разработке конструкций клапанов. Например, в золотнико­ вых и, особенно, в плунжерных клапанах пропускная способ­ ность достаточная, колебательные явления почти не возникают, так как уменьшение давления жидкости в щели при открывании клапана почти не вызывает изменения сил на запорном элемен­ те. Однако, золотниковые клапаны негерметичны, поэтому при высоких значениях давления они практически не применяются. В шахтных гидравлических крепях, где давление жидкости до­ стигает 40—60 МПа, с целью герметизации гидросистем часто применяют шариковые и конические клапаны. Колебания в этих случаях устраняются с помощью специальных устройств.

В корпус 8 клапана ЭКП (рис. 12.7, а) помещено подвижное седло 5, проходное отверстие в котором закрыто запорным эле­ ментом 6, поджимаемым давлением жидкости и пружиной 7. По мере увеличения давления жидкости седло 5 вместе с запор­ ным элементом перемещается вверх, сжимая тарельчатую пру-

жину 1. При этом увеличивается контактное давление в паре «седло — запорный элемент». После перемещения этой пары на величину 6 движение запорного элемента 6 прекращается, а седло, продолжая двигаться, открывает доступ жидкости под тарельчатый запорный элемент 2. При этом происходит четкое открытие клапана, так как сила, действующая на запорный эле­ мент 2, будет значительной вследствие большой поверхности его соприкосновения с жидкостью высокого давления. Уплотнитель­ ное кольцо 4 одновременно является демпфером седла 5. Шарик

3 предназначен только для центрирования запорного элемента 2 и передачи усилия от пружины / к седлу 5 и не является запорным элементом, так как в торце седла под шариком имеет­ ся канавка, обеспечивающая доступ жидкости к запорному эле­ менту 2.

В клапане КГУЗ вместо пружины используется сжатый газ (азот). Клапан (рис. 12.7, б) состоит из корпуса 5 и корпуса газовой камеры 3, в которой находятся резиновый баллон 2 со

баллона 2 прилегает пластмассовая мембрана 6, перекрываю­ щая кольцевые щели между седлом 8, втулкой 7 и стаканом 9. При превышении давления (сверх настроечного) рабочей жид­ кости в полости стойки крепи мембрана 6 отжимается, и жид­ кость поступает на слив через кольцевые и торцовые щели меж­ ду седлом 8, втулкой 7 и стаканом 9. Колебание в клапане КГУЗ отсутствует вследствие малой жесткости сжатого газа. Клапан имеет достаточную пропускную способность и сравни­ тельно малый износ контактной пары. Аналогично устроен предохранительный клапан ГВТН [8, 12].

При больших значениях настроечного давления и расхода необходимая жесткость пружины клапана становится настолько значительной, что он может потерять свою чувствительность, т. е. срабатывать при значениях давления с большими отклоне­ ниями от настроечного. В этих случаях, как правило, применяют клапан непрямого действия (двухступенчатый), состоящий из двух запорных элементов (рис. 12.8): основного — конического 3 (или золотникового) и дополнительного — шарикового 1. При повышении давления до настроечного шариковый клапан, сжи­ мая свою пружину, открывается и сбрасывает жидкость через обводной канал 2. Конический клапан при этом, за счет возник­ шего на нем перепада давления, также открывается и сбрасыва­ ет основную часть жидкости. Наличие жиклерного канала 4 в коническом клапане и большое сопротивление обводного канала 2 исключают колебательные явления в клапане.

Часто в системах гидроавтоматики применяют реле давле­ ния, принцип действия которых отличается от предохранитель­ ных клапанов только тем, что вместо сброса жидкости при настроечном давлении выдается сигнал в систему автоматичес­ кого управления или телеконтроля.

12.3.2. Переливные клапаны

Переливной клапан предназначен для поддержания заданного давления в месте его подключения за счет непрерывного слива рабочей жидкости. Принципиально переливной клапан отлича­ ется от предохранительного только постоянством своего дейст­

вия. Это накладывает на его конструкцию ряд требований: скорость жидкости, протекающей через клапан, должна быть сравнительно небольшой (не более 5—8 м /с); пропускная способ­ ность клапана должна быть значительной (в пределе— равной

давления в системе после его срабатывания в качестве перелив­ ных чаще всего применяют клапаны непрямого действия (см. рис. 12.8), реже — с дифференциальным золотником. В послед­ нем случае пояски золотника выполняют разного диаметра d\ и d.2 и давление подводят в полость между поясками. Усилие предварительного сжатия пружины Р в этом случае может быть небольшим, так как оно должно уравновешивать только силу

давления на кольцевую поверхность площадью (di2—d j) X л/4, т. е. P=p(di2—d£)n/A.

Для предотвращения колебаний золотника в корпусе имеется обводной канал.

Переливные клапаны устанавливаются чаще всего после подкачных насосов (см. рис. 11.10, в, поз. 3) для сбрасывания избыточного расхода и поддержания постоянного давления в подводящем патрубке основного насоса ,[10].

12.3.3. Редукционные клапаны

Редукционный клапан предназначен для поддержания заданно­ го более низкого давления рабочей жидкости в отводимом от не­ го потоке по сравнению с давлением в подводимом к нему потоке. Редукционный клапан, как и переливной, при работе нормально открыт и отличается от него тем, что поддерживает постоянное давление жидкости по потоку после себя, а перелив­ ной — до себя.

Так как отводимое давление должно быть стабильным, а расход через клапан — значительным, по вышеуказанным при­ чинам для этих условий наиболее применимы клапаны непрямо­ го действия (рис. 12.9).

Клапан состоит из корпуса 8, золотника 7 с дроссельным каналом 6 и шарикового клапана 2. Оба запорных элемента прижаты пружинами / и 4. Жидкость повышенного давления подводится в полость 5, а редуцированная (пониженного давле­ ния) отводится через канал 10.

Поступающая в клапан жидкость повышенного давления по каналам 10, 9 и 6 подводится к шаровому клапану 2, и он от­ крывается. Под действием перепада давления в дроссельном канале 6 открывается золотник, и жидкость из полости 5 через щелевой дроссель, образованный выступом в корпусе 8 клапана и кромкой нижнего пояска золотника 7, поступает в отводящий

канал 10. При повышении давления в канале 10 сверх настроеч­ ного увеличивается давление на торец, золотника 7, и он припод­ нимется вверх, дросселируя зазор между нижним пояском и кромкой кольцевой канавки в корпусе, вследствие чего давле­ ние в канале 10 понижается. При понижении давления в отво­ дящем канале 10 падает давление на торец золотника 7, и он пружиной 4 отжимается вниз: зазор между пояском и крышкой в корпусе увеличивается, а перепад давления в зазоре умень­ шается. В итоге, давление в отводящем канале 10 повышается до настроечного. Регулирование редуцированного давления осу­ ществляется винтом 11. В процессе работы клапана шарик 2

Редукционные клапаны применяются в схемах с несколькими потребителями, требующими разных значений давления, но пи­ тающихся от одного насоса. Например, в гидравлической схеме маслоснабжения турбокомпрессоров ТК-250 и ТК-500 от одного рабочего насоса осуществляются принудительная смазка под­ шипников (давление 0,05—0,1 МПа), управление регулятором подачи компрессора и управление антипомпажной защитой (давление 0,4—0,5 МПа) [13].

12.4. Регуляторы управления расходом

Эти регуляторы объединяют устройства, предназначенные для управления расходом рабочей жидкости. К ним относятся дрос­ сели, регуляторы расхода, синхронизаторы расходов и, условно, дросселирующие распределители.

Втулочный дроссель (рис. 12.10, в) состоит из двух втулок: наружной с фигурными отверстиями для прохода жидкости и внутренней, перемещающейся в наружной. Регулирование рас­ хода осуществляется изменением площади фигурных отверстий торцом внутренней втулки, не испытывающей боковых прижа­ тий. Дроссель обеспечивает широкий диапазон регулирования расхода и высокую точность регулирования, мало чувствителен к облитерации.

Условное обозначение регулируемого дросселя на гидравли­ ческих -схемах приведено в прил. 6.

Расход через дроссель любой конструкции определяется по формуле истечения через малые отверстия и щели (см. 5.4 и

Q е= цш Т/2Др/р,

где ц — коэффициент расхода дросселя (для щелевых и втулоч­ ных дросселей ц = 0,64-ь0,7, для игольчатых — ц = 0,75-т-0,8); © — площадь проходного отверстия; Др — перепад давления в дросселе.

Как видно из формулы, расход через дроссель зависит не только от площади проходного отверстия, но и от перепада дав­ ления: чем меньше Ар, тем меньше Q, и наоборот. Так как перепад давления зависит от нагрузки, приложенной к исполни­ тельному органу, при переменной нагрузке нельзя получить с помощью одного дросселя стабильную скорость выходного звена гидродвигателя. Поэтому дроссели применяются только в тех гидроприводах, где не требуется высокая точность регулирова­ ния, мало изменяется нагрузка на гидродвигателе или допуска­ ется уменьшение скорости его выходного звена при увеличении нагрузки, и наоборот.

12.4.2. Регуляторы расхода

Регулятор расхода предназначен для обеспечения заданного расхода Q вне зависимости от перепада давления Ар между входным и выходным патрубками аппарата. Он состоит из дрос­ селя и клапана разности давлений, поддерживающего постоян­

кость подводится к втулочному дросселю 1 после клапана раз­ ности давлений, состоящего из золотника 6, плавающей втулки 5 и пружины 4, которые размещены вместе с дросселем / в од­

ном корпусе [10].

Поддержание постоянного перепада давления на дросселе вне зависимости от изменения значений давления pi и рг проис­ ходит следующим образом. При уменьшении давления рг в отво­ дящем патрубке аппарату п9НН^?НЧ9е давление по обводному

Рис. 12.11. Регулятор расхода ПГ 55-2

каналу 2 передается в полость втулки 5. При этом золотник 6 смещается вправо и своей кромкой дросселирует входное ок­ но гильзы в аппарат (при pi), следовательно, давление перед дросселем 1 понижается. В итоге — перепад давления на дроссе­ ле остается неизменным. При повышении давления рг повыша­ ется давление в камере втулки 5, а золотник 6, смещаясь влево, уменьшает потерю давления при входе в аппарат. В итоге — перепад давления на дросселе опять остается неизменным.

Если понизится давление на входе р\ при неизменном значе­ нии Р2, то пониженное давление передается по каналам 3 и 7 в по­ лости втулки золотника 6 и плавающей втулки 5. Вследствие уменьшения давления в указанных полостях золотник под дей­ ствием пружины 4 смещается влево и увеличивает дроссельное отверстие при входе в аппарат. В результате давление перед дросселем 1 увеличивается, а перепад давления на дросселе остается неизменным. При увеличении давления р\ увеличится сила давления, действующая на торцы золотника 6 и втулки 5, и золотник, сжимая пружину 4, смещается вправо, дросселируя входное окно. В итоге —давление перед дросселем 1 уменьша­ ется, а перепад давления на дросселе остается неизменным.

Регулирование расхода регулятором осуществляется так же, как втулочным дросселем (см. рис. 12.10,в).

Условное обозначение регулятора расхода на гидравличес­ ких схемах приведено в прил. 6.

Промышленностью выпускаются также регуляторы расхода со щелевым дросселем (Г55-2), с предохранительным, редукци­ онным или обратным клапаном [10].

12.4.3. Дросселирующие распределители

Дросселирующие распределители предназначены для изменения расхода и направления потока рабочей жидкости в нескольких гидролиниях одновременно в соответствии с изменением вели­ чины внешнего управляющего воздействия. Как правило, они