1. Гидроаппаратура

1.1. Общие сведения

Гидравлическим аппаратом называют устройство гидропривода, выполняющее хотя бы одну из следующих функций управления потоком рабочей жидкости в системе гидропривода: изменение направления потока рабочей жидкости, открытие или перекрытие проходных сечений каналов, изменение расхода рабочей жидкости или давления, поддержания их заданного значения. Термин “гидроаппаратура” является собирательным названием для гидроаппаратов.

Гидроаппараты в соответствии с ГОСТ 17752-72 подразделяют: по конструкции запорно-регулирующего элемента – на золотниковые, клапанные и крановые; по принципу воздействия на запорно-регулирующий элемент – на клапаны и гидроаппараты неклапанного действия; по возможности регулирования – на регулируемые и нерегулируемые; по характеру открытия рабочего проходного сечения – на регулирующие и направляющие; по назначению – на клапаны давления, дроссели, распределители, обратные клапаны и т.д.

Клапаном называют гидроаппарат, в котором открытие рабочего проходного сечения окна изменяется под воздействием на него потока рабочей жидкости. Клапан является автоматическим гидроаппаратом, не требующим во время работы какого либо внешнего воздействия на запорно-регулирующий элемент.

В распределителях и дросселях, являющихся аппаратами неклапанного действия, запорно-регулирующие элементы под воздействием жидкости не перемещаются. Для изменения проходного сечения в распределителе или дросселе необходимо воздействовать на запорно-регулирующие элементы извне.

Регулирующим гидроаппаратом называют гидроаппарат, предназначенный для изменения давления или расхода рабочей жидкости путем большего или меньшего дросселирования потока. К регулирующим гидроаппаратам относят напорные клапаны, дроссели, дросселирующие распределители и т.д.

Направляющим гидроаппаратом называют гидроаппарат для изменения потока рабочей жидкости. Давление и расход рабочей жидкости, проходящей через направляющий гидроаппарат, не изменяются. К направляющим гидроаппаратам относят обратные клапаны, гидрозамки, направляющие распределители и т.д. Для этих гидроаппаратов характерным является их функционирование при полном открытии или при полном закрытии запорно-регулирующего элемента.

Графические обозначения гидроаппаратов на схемах установлены ГОСТ 2.781-68.

Основным параметрами гидроаппаратов согласно ГОСТ 16517-76 являются: условный проход , расход и номинальное давление рабочей жидкости, перепад давления , площадь проходного рабочего сечения и масса гидроаппарата. Характеристикой дросселя является зависимость расхода жидкости от перепада давления , основной характеристикой клапанов давления – зависимость поддерживаемого ими давления в функции расхода жидкости .

1.2. Гидравлические распределители

Гидравлическим распределителем называют гидроаппарат, предназначенный для изменения направления потока рабочей жидкости в двух или более гидролиниях в зависимости от внешнего управляющего воздействия. Распределители подразделяют по конструкции запорно-регулирующего элемента – на золотниковые, клапанные, крановые, распределители со струйной трубкой и распределители сопло-заслонка; по количеству подведенных гидролиний – на двухлинейные, трехлинейные, четырехлинейные и т.д.; по количеству фиксированных или характерных позиций запорно-регулирующего элемента – на двухпозиционные, трехпозиционные и т.д.; по виду управления – на распределители с ручным, механическим, электрическим, гидравлическим, пневматическим и комбинированным управлением; по характеру открытия проходного сечения – на направляющие и дросселирующие. Графическое обозначения распределителей на схемах установлены ГОСТ 2.781-68. В цифровых дробных обозначениях распределителей (рис. 1) числитель указывает на количество линий, а знаменатель – на количество характерных (рабочих) позиций, например, четырехлинейный трехпозиционный направляющий распределитель обозначают дробью 4/3 (рис. 1.1, д).

Направляющие распределители предназначены для изменения направления, пуска или остановки потока рабочей жидкости в зависимости от типа внешнего управляющего воздействия. Запорно-регулирующий элемент в направляющем распределителе всегда занимает крайние рабочие позиции. Характер внешнего управляющего воздействия – дискретный. При прохождении потока через распределитель давление и расход жидкости не изменяются.

Рис. 1.1. Условные графические обозначения направляющего двухлинейного двухпозиционного распределителя 2/2 с ручным управлением (а), с гидравлическим управлением (б), распределителя 3/2 с управлением от кулачка с пружинным возвратом (в), дросселирующего распределителя 4/3 с управлением от двух электромагнитов (г), электрогидравлическим управлением (д)

Дросселирующие распределители не только изменяют направление потока рабочей жидкости, но и регулируют ее расход и давление в соответствии с изменением внешнего воздействия. Запорно-регулирующий элемент дросселирующего распределителя может занимать множество промежуточных положений, образуя дросселирующие щели. Характеристика сигналов управления – непрерывная (аналоговая). Графическое обозначение дросселирующего распределителя показано на рис. 1.1, г.

Наиболее распространенными распределителями являются распределители с золотниковыми запорно-регулирующими элементами. По форме золотники распределителей подразделяют на цилиндрические и плоские, по кинематике рабочего движения – на поворотные и золотники с поступательным движением. Золотники различают также по количеству рабочих кромок, по форме окон в гильзе и по конструкции рабочих буртиков.

Золотниковый распределитель с цилиндрическим золотником (рис. 1.2) состоит из двух основных рабочих элементов: цилиндрического плунжера 1, имеющего буртики (пояски) и гильзы 2 с окнами для подвода и отвода жидкости.

Крайние буртики плунжера являются опорными, средние – распределяют поток. Средние буртики имеют четыре рабочих кромки: две напорные и две сливные. Ширина рабочего буртика больше проточки в гильзе (а > b). Положительное перекрытие проточки буртиком плунжера в золотнике может составлять от нескольких сотых до нескольких десятых долей миллиметра. Положительное перекрытие рабочих каналов обеспечивает герметичность распределителя и позволяет фиксировать исполнительный орган в любом промежуточном положении.

Рис. 1.2. Схема цилиндрического золотникового распределителя

Для повышения точности гидроприводов применяют золотники с нулевым (а = b) или отрицательным перекрытием рабочих окон (а < b).

Величину одностороннего перекрытия рабочего окна золотника определяют по зависимости

,

где а – ширина буртика плунжера золотника; b – ширина проточки в гильзе.

В зависимости от типа управляющего сигнала распределитель, изображенный на рис. 1.2, может функционировать как в режиме направляющего, так и в режиме дросселирующего гидроаппарата.

При открытой щели золотника расход жидкости через распределитель (рис. 1.3) рассчитывают по формуле Торичелли, в закрытом положении – по формуле Пуазейля:

; ,

где – коэффициент расхода жидкости; – площадь щели рабочего окна; – плотность жидкости; – радиальный зазор; – кинематическая вязкость рабочей жидкости; – длина щели; – диаметр

Рис. 1.3. Расходная характеристика золотника

отверстия под плунжер в гильзе золотника.

При малых открытиях щели золотника истечение подчиняется переходному закону.

Площадь щели золотника с нулевым перекрытием приближенно без учета радиального зазора определяют по формуле

,

где – смещение плунжера золотника; – коэффициент использования периметра плунжера золотника.

Расход утечек жидкости через золотник, определяемый по формуле Пуазейля, с течением времени уменьшается из-за облитерации (заращивания) зазоров.

Малые радиальные зазоры в распределителе достигаются притиркой пары плунжер – гильза. Радиальный зазор принимают равным 1 мкм на каждые 2,5 мм диаметра плунжера. Утечки жидкости через кромку золотника обычно составляют несколько кубических сантиметров в минуту.

Рабочий периметр плунжера золотника можно изменять, выполняя на буртике плунжера пазы или лыски (рис. 1.4)

Рис. 1.4. Рабочие буртики плунжера цилиндрического золотника

Крутизна расходной характеристики при постоянном перепаде на дроссельной щели золотника определяется коэффициентом усиления золотника по расходу

.

Коэффициент усиления золотника по расходу определяет быстродействие исполнительного механизма.

Важной характеристикой золотника является коэффициент усиления по давлению , который равен производной от давления по перемещению плунжера золотника, определяемой для нейтрального положения золотника:

,

где – перепад давления на двигателе.

Обычно коэффициент определяют при неподвижном исполнительном механизме, что соответствует начальному положению системы ( ).

Цилиндрические золотники широко распространены в конструкциях гидравлических агрегатов и обладают рядом преимуществ по сравнению с другими распределителями. Цилиндрические золотники просты в изготовлении, герметичны, гидростатически уравновешены. Положительные качества цилиндрических золотников реализуются только в том случае, если технология их изготовления тщательно соблюдается, а рабочая среда системы подвергается тонкой фильтрации. При недостаточной очистке системы цилиндрические золотники склонны к грязевому защемлению.

Рис. 1.5. Схема грязевого защемления цилиндрического золотника

Перемещению плунжера золотника в осевом направлении препятствуют силы, которые должны преодолевать устройства, управляющие золотником. К этим силам относятся силы трения от неуравновешенной радиальной силы, силы вязкого сопротивления, осевые гидродинамические силы и силы грязевого защемления. Одной из мер исключения грязевого защемления является тщательная фильтрация рабочей жидкости. Желательная тонкость фильтрации равна 1 … 3 мкм.

Грязевое защемление возникает в результате забивки зазоров золотников твердыми частицами. Щель золотника действует подобно фильтру, отфильтровывая твердые частицы. Грязевое защемление происходит вследствие образования грязевого клина в щели золотника, деформированной рабочим давлением жидкости (рис. 1.5). Особенно значительно сила трения возрастает после сброса давления. Сила трения зависит от твердости частиц загрязнителя, увеличиваясь по мере роста их твердости. В статическом положении золотника, когда он отжат односторонне, наибольшую опасность представляют частицы, соизмеримые с радиальным зазором.

Однако даже при применении отфильтрованной жидкости золотник не будет избавлен от сил трения, которые вызываются действием неуравновешенных гидростатических сил. Эти силы прижимают плунжер к гильзе, создавая силу трения.

Радиальные неуравновешенные гидростатические силы возникают из-за неточности изготовления поясков плунжера 1 и гильзы 2. Объясняется это разным значением давления в зазорах сверху и снизу плунжера золотника. Распределение давления зависит от его величины и формы зазоров (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Эпюры давлений в щели цилиндрического золотника

Суммарная составляющая от действия сил давления прижимает плунжер золотника к гильзе. Неуравновешенная радиальная сила возникает, если зазор по ходу утечек расширяется. При параллельном или сужающем зазоре эффект прижима отсутствует. Силу радиального прижима устраняют нарезкой кольцевых канавок на поверхности опорных буртиков, так как они выравнивают давление в зазорах. Эффективной мерой уменьшения трения является использование гидростатических подшипников, а также введение центрирующих утечек.

К нежелательным явлениям в золотниках относятся также облитерация и возникающие при этом силы. Величина этих сил зависит от времени, которое золотник стоит неподвижно, рабочего давления, физико-химических свойств и состояния жидкости.

Облитерацию и силы трения в золотниках можно уменьшить, придав плунжеру золотника осциллирующие движения. В авиационных агрегатах осциллирующие движения возникают естественным путем под действием вибрации конструкции самолетов и вертолетов.

Осевая гидродинамическая сила в золотнике при высоких давлениях может достигать значительной величины. Для ее преодоления необходимо увеличить мощность управляющего устройства.

Возникновение неуравновешенной гидродинамической силы можно пояснить с помощью рис. 1.7. Гидростиатическая сила возникает вследствие реакции струи, втекающей или вытекающей из камеры, образованной гильзой и проточкой на плунжере золотника.

Рис. 1.7. Осевые силы, действующие на плунжер золотника

При течении жидкости гидростатическая уравновешенность золотника нарушается вследствие перераспределения эпюр давления на торцовые поверхности буртиков. В точках потока, где жидкость протекает с большей скоростью, давление снижается.

Неуравновешенную гидродинамическую силу можно рассчитать, воспользовавшись теоремой Эйлера об изменении количества движения потока для контрольного контура, выделенного сечениями 1-1 и 2-2 для установившегося течения:

,

где и – векторы количества движения втекающего и вытекающего потоков; –объемный расход; и – скорость втекающего и вытекающего потоков жидкости; – сила, действующая на жидкость со стороны твердых стенок.

В проекции на ось золотника уравнение будет иметь вид

,

где – сила, действующая со стороны потока на золотник в осевом направлении; – угол, который поток образует с осью золотника (для плоского потенциального течения ).

Гидродинамическая сила имеет знак, противоположный знаку скорости, и стремится закрыть золотник. У четырехкромочного золотника полная гидродинамическая сила удваивается:

.

Более удобный вид для расчетов зависимость примет, если заменить расход и скорость через рабочее давление, используя формулу Торичелли:

,

, (1.1)

где и – коэффициенты расхода и скорости истечения жидкости; – перепад давления на кромке золотника; – площадь щели золотника.

Пример. При заданном перепаде давления на одной рабо­чей кромке = 2 МПа определить реактивную силу, закрываю­щую четырехкромочный золотник, если диаметр золотника = 10 мм, коэффициент расхода = 0,70, коэффициент скорости = 0,85, угол отклонения струи = 60°, открытие щели золотника х=1 мм.

Искомая сила, действующая со стороны потока на золотник (см. уравнение 1.1):

= 4 • 0,70• 0,85• 3,14• 10^-5• 2-10⁶•0,5= 74,73 Н.

Ввиду значительной реактивной силы, составляющей примерно 5 Н на каждый киловатт передаваемой мощности, применяют различные способы компенсации реактивных сил. Чаще всего реактивная сила компенсируется специальным профилированием плунжера золотника.

Кроме золотников с поступательным движением существуют золотники с поворотным движением плунжера вокруг оси. На рис. 1.8 показана схема включения золотникового распределителя с поворотным плунжером в систему управления силовым цилиндром. Принцип действия этого распределителя такой же, как и у распределителя с плунжером поступательного перемещения.

Поворотный плунжер 1 имеет четыре сквозных непересекающихся сверления, два из которых служат для подвода жидкости к рабочим окнам и гильзы 2 и два – для подвода жидкости к разгрузочным карманам и . Поворотный золотниковый распределитель так же, как и золотниковый распределитель поступательного перемещения, разгружен от действия сил гидростатического давления. Циркуляция потоков жидкости через золотник при ходе штока силового цилиндра 3 вниз по схеме указана стрелками.

Рис. 8. Схема золотникового распределителя с поворотным плунжером:

Распределители с плоскими золотниками (рис. 1.9) отличаются технологичностью конструкции. У плоских золотников соприкасающиеся поверхности доступны для обработки такими технологическими способами, как плоскостное шлифование и притирка. Кроме того, в этих золотниках относительно просто изготовить электропрожигом рабочие окна любой формы.

Распределитель с плоским золотником (рис. 1.9, а) состоит из золотника 1, крышки 2, проставки 3, основания 4, в котором выполнены каналы подвода и отвода жидкости. Проставка имеет высоту, превышающую размер золотника на 5 … 10 мкм. Крышка, проставка и основание сжаты в единый пакет давлением рабочей жидкости, которое действует на крышку золотника. Сила от гидравлического прижима крышки составляющая 3000 … 4000 Н, достаточна для разрушения одиночных механических частиц при попадании их в зазор между подвижными деталями. Плоский золотник имеет каналы и карманы для уравновешивания от действия сил гидростатического давления (рис. 1.9, в). Каналы подвода и отвода жидкости в основании 4 распределителя имеют положительное перекрытие телом золотника. Форма золотника в плане представляет собой диск с центральным отверстием (рис.1.9, б).

Карман на верхней поверхности золотника (рис. 1.9, в) выполнен таких же размеров, как и канал подвода жидкости в основании 4. Благодаря этому эпюры давлений, действующих в стыковых зазорах сверху и снизу золотника, уравновешиваются. Для управления плоским золотником средних размеров достаточно усилия 0,5 … 5,0 Н.

Рис. 9. Схема распределителя с плоским золотником: а – продольный разрез; б – вид золотника в плане; в – сечение золотника;

Силы, потребные для перестановки золотников, могут достигать значительной величины, особенно, если распределитель рассчитан на большой расход жидкости. В этом случае распределитель снабжается усилительным звеном, роль которого выполняет вспомогательный золотник. Подобные распределители получили название двухступенчатых, двухкаскадных или золотниковых распределителей с серводействием.

Крановые распределители применяют при небольших давлениях рабочей жидкости. В крановом распределителе затвор (пробка ци­линдрического или конического типа) совершает поворотное дви­жение вокруг своей оси.

На рис. 1.10 показана схема включения кранового распредели­теля 4/3 в гидросистему с гидроцилиндром двухстороннего дейст­вия. Если пробка зафиксирована в позиции /, рабочая жидкость поступает от

Рис. 1.10. Схема включения кранового распределителя 4/3 в систему управления гидроцилиндром

насоса в полость А цилиндра, а из полости Б через распределитель сливается в бак. При повороте пробки в позицию II потоки жидкости реверсируются. В нейтральном положении за­твора все линии перекрыты.

Крановые распределители отличаются простотой конструкции и высокой герметичностью. Недостаток их состоит в том, что для перестановки пробки требуются значительные усилия.

В клапанном распределителе (рис. 1.11) клапан / под дейст­вием давления жидкости и силы затяжки пружины 2 прижимает­ся к своему седлу, перекрывая доступ жидкости от насоса к гид­родвигателю.

Для подачи жидкости в гидродвигатель клапан открывают, пре­одолевая при этом силу:

где —давление питания; —неуравновешенная площадь за­твора клапана; —сила затяжки пружины.

Усилие, потребное для перестановки клапана, уменьшают, снаб­жая затвор клапана разгрузочным поршнем 3.

Клапаны приводятся в действие вручную или с помощью элект­ромеханических преобразователей. Клапанные распределители име­ют высокую чувствительность, просты в эксплуатации и обеспечивают высокую герметичность. Для управления одной рабочей камерой силового цилиндра нужны два клапана — один для подач и один для слива жидкости.

Перспективными устройствами жидкостно-газовых систем В( являются струйные аппараты, принцип действия которых основа: на использовании кинетической энергии струй. Характерным признаком струйных устройств является наличие постоянного протока жидкости.

Рис. 1.11. Схема клапанного распределителя

Действие распределителя со струйной трубкой основано на пре­образовании кинетической энергии струи жидкости в потенциаль­ную энергию давления.

Струйная трубка 1 представляет собой трубку с коническим насадком на конце (рис. 1.12). Напротив этого насадка располо­жена плита 3 с двумя приемными окнами. Трубка 1 может под действием внешних сил (например, электромеханическим преобразователем) поворачиваться на небольшой угол относительна оси вращения в плоскости рисунка.- При смещении конца струй­ной трубки струя жидкости, попадая в одно из приемных окон на плите 3, увеличивает в нем давление, что приводит в движение поршень гидроцилиндра 2.

Если при заторможенном поршне смещать конец струйной трубки, то в полостях гидроцилиндра давление изменяется. При механическом отклонении струи специальным дефлектором давле­ние питания может составлять 10...20 МПа.

Положительным качеством струйных распределителей является их малая чувствительность

Рис. 1.12. Схема распределите­ля со струйной трубкой

Рис. 1.13. Схема распределителя соп­ло-заслонки

к за­грязнениям.

К недостаткам струй­ной трубки относят неполное ис­пользование мощности потока ра­бочей жидкости из-за ее непроизво­дительного расхода между насад­ком и приемными окнами, ограниче­ние максимальной скорости испол­нительного устройства и макси­мального усилия на нем, т. е. огра­ничение параметров, характеризую­щих быстродействие системы и сни­жение качества ее статических ха­рактеристик. Струйные трубки ши­роко применяют в системах гидро­автоматики в качестве первого кас­када усиления мощности.

Распределитель сопло-заслонки (рис. 1.13) состоит из сопла 2, за­слонки 3 и постоянного местного гидравлического сопротивления (дросселя) 1. К междроссельной камере А подключен гидроцилиндр одностороннего действия 4 с воз­вратной пружиной 5. Щель между соплом 2 и заслон­кой 3 является переменным гидравлическим сопротивлением, зависящим от расстояния между соп­лом и заслонкой. Если на вход элемента сопло-заслонки по­дать жидкость под давлением, то она будет дросселироваться на постоянном дросселе 1 и на сопротивлении, образованном торцом сопла 2 и заслонкой 3. Если заслонка прижата к соп­лу, а гидроцилиндр затормо­жен, то в междроссельной ка­мере давление равно давлению питания. При удалении зас­лонки от сопла давление в ка­мере уменьшается.

При определенной жесткости пружины 5 поршень смещается пропорционально изменению давления. Таким образом, положение поршня гидроцилиндра 4 будет соответствовать положению заслон­ки 3 относительно торца сопла 2.

Для получения симметричных характеристик и разгрузки за­слонки от неуравновешенных гидравлических сил при отсутствии сигнала управления обычно используют два сопла, которые распо­лагаются сопловыми отверстиями навстречу друг другу, а заслон­ка размещается между ними.

Распределители сопло-заслонки отличаются малыми габарита­ми и массой, обладают высокой чувствительностью, точностью, бы­стродействием, простотой изготовления, долговечностью, достигае­мой благодаря бесконтактному действию. Для привода заслонки требуются ничтожные усилия.

Недостатками распределителя являются неполное использова­ние мощности потока жидкости, подаваемой для питания гидрав­лического моста, и наличие непроизводительного расхода жидкос­ти через сопло при отсутствии сигнала управления. Но эти недо­статки покрываются простотой конструкции распределителя, высокой эксплуатационной надежностью и возможностью работать на недостаточно очищенных жидкостях. Устройства типа сопло-заслонка широко распространены в автоматизированных системах управления и гидравлических приводах.