1.3. Гидравлические клапаны давления

Клапаны давления, предназначенные для регулирования давления рабочей жидкости, подразделяют: по назначению – на предохранительные, переливные, редукционные;по воздействию на затвор – на клапаны прямого действия и клапаны с серводействием; по форме затвора – на шариковые, конические, пластинчатые, золотниковые и др.Клапаны должны иметь минимальные габариты и массу, пологую перепадно-расходную характеристику, надежно срабатывать при одном и том же давлении независимо от пауз между открытиями.

Предохранительные клапаны служат для автоматического ограничения давления в системе “перед собой”. Основными элементами предохранительного клапана (рис. 1.14) являются затвор 1, корпус с седлом 2 и пружина 3.

Рис. 1.14. Схемы и условные обозначение предохранительного (а) и переливного (б) клапанов

Принцип действия предохранительного клапана основан на уравновешивании силы давления жидкости на затвор силой затяжки пружины. Когда сила давления жидкости преодолевает силу затяжки пружины, клапан открывается, ограничивая рост давления “перед собой” путем перепускания части рабочей жидкости в сливную магистраль.

Давление настройки (открытия) клапана рассчитывают исходя из уравнения равновесия сил, действующих на затвор клапана в момент его открытия:

, откуда ,

где – сила предварительной затяжки пружины; – давление настройки клапана; – диаметр седла клапана.

Седло клапана для обеспечения высокой герметичности чаще всего имеет острую кромку.

Расход жидкости, протекающий через клапан, рассчитывают по формуле Торричели:

,

где – коэффициент расхода дроссельной щели; – площадь живого сечения дроссельной щели; – плотность жидкости; – перепад давления на дроссельной щели клапана (если можно пренебречь давлением в магистрали за клапаном, то , где – приращение давления в линии нагнетания перед клапаном при пропускании расхода).

Площадь живого сечения дроссельной щели клапана, представляющую, например, для конусного клапана площадь боковой поверхности усеченного конуса с диаметром основания и высотой , вычисляют по приближенной формуле:

,

где – половина угла при вершине конусного затвора клапана.

Подъем затвора при пропускании расхода жидкости через клапан определяют по формуле

.

При поднятом затворе возрастает сила затяжки пружины и перераспределяются давления в дроссельной щели клапана (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Эпюры давлений на затворе в закрытом (а) и в открытом (б) положении клапана

Уменьшение давления в щели клапана, обусловленный эффектом Бернулли, а также возрастающее усилие со стороны пружины при подъеме затвора клапана автоматически компенсируется за счет увеличения давления перед клапаном так, что .

Статическую характеристику клапана может быть получена на основе применения теоремы Эйлера об изменении количества движения потока, записанной для контрольного контура (рис. 1.16, а, сечения 1-1 и 2-2) для установившегося течения:

,

где – скорость течения жидкости в сечении 1-1; – скорость течения жидкости в сечении 2-2; – главный вектор поверхностных сил, действующих на выделенный объем жидкости в пределах контрольного контура.

Рис. 1.16. Расчетная схема (а) и характеристика (б) предохранительного клапана

Действием массовых сил пренебрегаем.

Приняв, что и , в проекции на ось клапана получаем

,

где – результирующая поверхностная сила, действующая на жидкость в контрольном объеме по оси клапана; – угол между истекающей струей и осью клапана.

Учитывая, что

; ,

получим

,

где – жесткость пружины; – подъем затвора клапана при пропускании расхода жидкости .

Вид характеристики клапана показан на рис. 1.16, б. Характеристика предохранительного клапана имеет положительное “перерегулирование” по давлению, т.е. с увеличением расхода жидкости через клапан давление, поддерживаемое им, возрастает, что нежелательно по соображениям прочности системы.

Пологая характеристика предохранительного клапана может быть получена за счет применения пружин малой жесткости и компенсации гидродинамических сил.

Для разгрузки затвора от действия гидродинамических сил затвор клапана профилируется. Посадочное место выполняется с дополнительным конусом, отклоняющим струю рабочей жидкости в обратном направлении (рис. 1.17, а).

Проекция полной реактивной силы, действующей на затвор для профилированной конструкции, составляет (рис. 1.17, б):

.

Если , то .

Рис. 1.17. Схема профилирования затвора (а) и компенсации (б) реактивных сил клапана

Давление жидкости при открытом затворе действует на увеличенную по сравнению с исходной площадь клапана, что делает характеристику более пологой, поскольку снижение давления в щели клапана компенсируется увеличением эффективной площади.

Эффект разгрузки затвора от действия реактивных сил достигается в предохранительном клапане с обратным ходом затвора по отношению к потоку жидкости (рис. 1.18). При протекании жидкости через клапан обратного хода эпюра давлений, действующих на площадь , не перераспределяется.

Пример. Определить перерегулирование по давлению харак­теристики предохранительного клапана обратного хода, если рас­ход жидкости через клапан = 60 л/мин, давление, поддерживае­мое клапаном р=17 МП а, эффективная площадь затвора = 2,1 см², диаметр затвора = 10 мм, плотность жидкости = 850 , угол при вершине седла клапана =30°, жест­кость пружины с=600 Н/мм, коэффициент расхода дроссельной щели клапана =0,70.

Рис. 5. Схема предохранительного клапана с обратным ходом затвора по отношению к потоку жидкости

Подъем затвора при пропускании через клапан расхода жидко­сти под давлением р_кл:

Дополнительная сила от сжатия пружины при пропускании че­рез клапан расхода жидкости:

=0,456-600=273 Н.

Перерегулирование по давлению характеристики предохрани­тельного клапана:

В отличие от предохранительных клапанов, рассчитанных на слив всей подачи насоса, переливные клапаны поддерживают постоянство давления за счет непрерывного слива только части подачи насоса. К переливным клапанам не предъявляется высоких требований к герметичности, поэтому их затворы часто выполняются в виде золотников (см. рис. 1,14 б). Переливные клапаны применяют в системах с дроссельным регулированием скорости для поддержания постоянства давления в напорной линии.

Рис. 1.19. Характеристика системы с переливным клапаном: а – характеристика клапана; б – характеристика насоса; в – характеристика системы

Характеристику системы с переливным клапаном (рис. 1.19, в) строят, совмещая характеристики клапана и насоса (рис. 1.19, а, б). Точка 2 перегиба характеристики на рис. 1.19. 6, в соответствует началу работы переливного клапана.

До момента вступления в работу переливного клапана давление в системе варьируется в пределах и вся жидкость, подаваемая насосом, поступает в систему . При нагрузках, изменяющихся в пределах , через переливной клапан в бак сбрасывается только часть подачи насоса ( ). Если же система не потребляет жидкости (потребители отключены), давление в ней устанавливается на уровне максимального (рис. 1.19, в , точка 1), а вся подача насоса через переливной клапан сбрасывается в бак ( ).

Редукционным клапаном называется клапан давления, предназначенный для поддержания в отводимом от него потоке рабочей жидкости давления более низкого, чем давление питания. Редукционный клапан регулирует давление “за собой”. Редукционные клапаны применяют в системах, в которых от одного источника питаются несколько потребителей, работающих при разных давлениях.

Основным элементом редукционного клапана (рис. 1.20, а) является корпус 3, затвор с поршнем 2, пружина 1. Клапан подключается в гидролинию последовательно и действует только при наличии давления нагрузки.

Рис. 7. Схема, условное обозначение (а) и характеристика (б) редукционного клапана

Принцип работы клапана заключается в следующем. Рабочая жидкость под давлением нагнетания подается в проточку между поршнем и затвором, затем поток дросселируется в щели между затвором и седлом и за клапаном устанавливается пониженное (редуцированное) давление , которое автоматически независимо от давления нагнетания поддерживается постоянным. При повышении редуцированного давления затвор автоматически смещается вправо, сжимая пружину 1. Дросселирующая щель уменьшается, гидравлическое сопротивление увеличивается и давление снизится до расчетного значения.

Уравнение равновесия подвижных частей клапана для момента открытия затвора без учета сил трения имеет вид

,

откуда

,

где – сила предварительной затяжки пружины; – давление настройки клапана.

При пропускании некоторого расхода жидкости давление за клапаном несколько снижается из-за перераспределения давления в затворе и уменьшения деформации пружины при подъеме клапана.

Уравнение характеристики редукционного клапана так же, как и для предохранительного клапана, может быть получено из теоремы Эйлера об изменении количества движения для контрольного контура потока:

.

В проекции на ось , учитывая, что

и ,

получают

или

.

Откуда

.

Характеристика редукционного клапана (рис. 1.20, б) имеет отрицательное “перерегулирование”, которое уменьшают, применяя пружины с малой жесткостью.

Редукционно-предохранительный клапан (рис. 1.21) может поочередно выполнять функции то редукционного, то предохранительного клапана.

В режиме редуцирования клапан 1 и поршень 3 работают как одна целая деталь. Поскольку соотношение между диаметрам клапана назначается таким, чтобы , уравнение для расчет: редуцированного давления имеет вид

где — сила затяжки пружины; —площадь поршня.

Рис. 8. Схема редукционно-предохранительного клапана

При повышении давления в двигателе выше давления настройки клапан 1 садится на седло 2, а поршень 3, сжимая пружину 4, открывает слив жидкости из гидродвигателя в бак. В этом случае клапан действует в качестве предохранительного клапана системы потребителя (системы редуцированного давления).

Для уменьшения размеров пружин и усилий их затяжки, которые в клапанах прямого действия для больших расходов и давлений принимают недопустимые значения, применяют дифференциальные клапаны с гидравлическим уравновешиванием части усилий от давления жидкости на затвор. Уравновешивание достигается с помощью дополнительного поршня, связанного с затвором клапана (рис. 1.22, а). В этом клапане пружина воспринимает лишь ту часть усилия от давления жидкости, которая действует на кольцевую площадь затвора.

Рис. 1.22. Схемы клапанов с разгрузкой пружины от действия полной гидравлической силы: а – дифференциальный клапан; б – клапан с серводействием

Чрезмерное уменьшение эффективной площади затвора приведет к тому, что доля сил трения в балансе сил, действующих на подвижные части, будет настолько велика, что клапан будет действовать со значительным гистерезисом. Обычно эффективная площадь составляет 25 % площади седла, перекрываемой затвором клапана.

Клапаны с серводействием (двухступечатые) (рис. 1.22, б) наряду с разгрузкой пружины от силы гидростатического давления обеспечивают одновременно пологую расходно-перепадную характеристику. В корпусе 1 кроме основного конического клапана 2 имеется вспомогательный шариковый клапан 3. Пружина основного клапана в этой конструкции воспринимает усилие не от полного давления на входе, а от перепада давления в полостях А и Б. Принцип работы клапана заключается в следующем. Основной конический клапан 2 закрыт до тех пор, пока закрыт вспомогательный клапан 3. При давлении рабочей жидкости в полости Б больше допустимого увеличивается давление и в полости А. При этом открывается шариковый клапан 3 и рабочая жидкость идет на слив в бак. Давление в полости А уменьшается, и возникает перепад давления между полостями А и Б, под действием которого открывается основной клапан 2.

Клапан с серводействием имеет более пологую характеристику по сравнению с клапаном прямого действия, благодаря возможности применения пружин меньшей жесткости. Быстродействие двухступенчатых клапанов более низкое.