6.2 Гидравлические клапаны

Клапаном называется гидроаппарат, в котором размеры рабочего проходного сечения (рабочего окна) изменяются от воздействия потока рабочей жидкости, проходящего через гидроаппарат. Клапан является гидроаппаратом, не требующим во время работы какого-либо внешнего воздействия на запорно-регулирующий элемент.

Они являются весьма ответственными элементами, от нормальной работы которых зависит эффективность использования гидросистем машин и средств крепления. В гидроприводе применяют предохранительные, переливные (подпорные), редукционные, обратные клапаны и гидрозамки. В зависимости от конструкции запорного органа клапаны подразделяются на шариковые, конические, тарельчатые, плунжерные и золотниковые.

Предохранительные клапаны служат для предохранения гидропривода от давления рабочей жидкости, превышающего установленное. Это клапаны эпизодического действия, т.е. при нормальных нагрузках гидроприводов они закрыты и открываются лишь при давлении рабочей жидкости в гидросистеме, превышающем установленное. Основные технические требования к предохранительным клапанам: высокая герметичность сопряжения седло-клапан и стабильность давления настройки клапана (±5 %).

На рис. 6.8 показана конструкция предохранительного клапана прямого действия, который состоит из корпуса 1, конического клапана 2 (запорно-регулирующего элемента), цилиндрической пружины 3 и пробки 4. В корпусе клапана имеются два отверстия: для подвода и отвода рабочей жидкости.

Принцип работы клапана основан на уравновешивании силой F₀ пружины, силы давления F_д на запорно-регулирующий элемент, определяемой по формуле (без учета сил трения и инерции)

,

где р – давление в напорной линии; D_y – условный проход.

Рисунок 6.8 – Конический предохранительный клапан прямого действия: а – конструкция; б – условное обозначение

Давление р₀, при котором клапан начинает открываться, преодолевая силу пружины, называют давлением открытия. При достижении предельного (настроечного) давления жидкости пружина сожмется, запорный орган поднимется над седлом и через образовавшееся отверстие будет сбрасываться (сливаться) часть жидкости из гидравлической системы. По мере слива давление уменьшается и при достижении нормального (установленного) клапан приходит в исходное состояние, т.е. закрывается.

Предохранительные клапаны подключают к напорным магистралям гидросистем как можно ближе к защищаемой гидромашине. Они должны удовлетворять следующим требованиям: безотказности в работе независимо от продолжительности пауз и времени действия разгрузки, минимальными отклонениями давления срабатывания (наименьшему запаздыванию), постоянству давления слива независимо от расхода, возможности простой и быстрой замены без больших демонтажних работ.

Шариковые предохранительные клапаны ввиду их простоты получили наибольшее распространение. Для повышения надежности и времени их работы шарики делают ориентированными, а клапаны снабжаются сменными седлами.

Существенными недостатками шариковых, конических и тарельчатых клапанов являются: сравнительно быстрое нарушение герметичности, так как запорным органом разбиваются седла клапанов, возникающие в гидравлической системе колебания которые неблагоприятно сказываются как на самом клапане, так и на всех элементах системы; причем колебания тем значительнее, чем больше жесткость пружины, т.е. чем выше давление жидкости.

У плунжерных и золотниковых клапанов колебательные явления почти не возникают, так как уменьшение давления жидкости в щели при открывании клапана почти не вызывает изменения сил на запорном органе.

Переливные (сервоклапаны) клапаны предназначаются для поддержания заданного давления в месте их подключения за счет непрерывного слива рабочей жидкости. По конструкции они аналогичны предохранительным, а в принципе отличаются только постоянством действия. В качестве переливных клапанов обычно используют предохранительные с плунжером или золотниковым запорным органом и пружинами меньшей жесткости.

Переливной клапан, установленный в сливном трубопроводе, обеспечивая подпор рабочей жидкости, предотвращает или существенно уменьшает удары и толчки в гидросистеме и неравномерное движение частей гидрооборудования.

К переливным клапанам предъявляются следующие требования:

- скорость жидкости, протекающей через клапан, должна быть сравнительно небольшой (5 – 8 м/с);

- пропускная способность клапана должна быть значительной (близкой или равной подаче насоса);

- запорный орган не должен подвергаться колебаниям.

Редукционные клапаны предназначены для поддержания заданного, более низкого давления рабочей жидкости в отводимом от него 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 после себя по потоку, тогда как переливной – до себя.

Редукционные клапаны представляют собой автоматически действующие дроссели, сопротивление которых в каждый отдельный момент равно разности между переменным давлением на входе в клапан

Рисунок 6.9 – Конструктивная

схема редукционного клапана

Рисунок 6.10 – Гидравлический замок

В машиностроении редукционные клапаны чаще всего применяют для понижения давления при питании от одного насоса нескольких потребителей с разными давлениями. Существует большое число разных конструкций редукционных клапанов.

Устройство и принцип работы редукционного клапана рассмотрим по упрощенному конструктивному рисунку (рис. 6.9). Золотник 2 с конусной головкой усилием пружины 1 постоянно отжимается вправо и открывает проход жидкости из напорной гидролинии 3 в гидролинию 4 редуцированного давления (рис. 6.9, а). Когда редуцированное давление Р_ред превысит усилие пружины, золотник переместится влево и частично или полностью перекроет доступ жидкости в гидролинию (рис. 6.9, б). Так как диаметр конуса золотника в месте контакта с седлом равен диаметру цилиндрического поршня, гидроклапан статически уравновешен от номинального давления Р_ном, существующего в напорной гидролинии.

Обратным клапаном называют направляющий гидроаппарат, предназначенный для свободного пропускания рабочей жидкости в одном направлении и для перекрытия движения жидкости в обратном направлении. Применяют обратные клапаны с шариковыми и коническими запорными элементами.

Обратные клапаны предназначены для пропуска рабочей жидкости только в одном направлении. В качестве обратных обычно применяют клапаны с шариковыми или коническими запорными органами. Особенностью обратных клапанов является малое усилие сжатия пружины, прижимающей запорный орган к седлу. Поэтому иногда для уменьшения потерь давления в клапане пружину не устанавливают. Закрытие клапана в этом случае происходит под действием давления жидкости и силы тяжести запорного органа, для чего клапан желательно располагать вертикально.

В качестве обратных клапанов иногда также используются тарельчатые и пластинчатые клапаны. Они более долговечны, но менее герметичны.

Обратный клапан, установленный на всасывающей линии, называет всасывающим, а на напорной – нагнетательным.

Обратные клапаны могут быть нерегулируемыми и регулируемыми. Нерегулируемыми клапанами называют такие, в которых жидкость проходит в одном направлении и не изменяется усилие прижима клапана к седлу, в регулируемых клапанах имеются детали, с помощью которых регулируется усилие затяжки пружины.

Гидравлические замки. Для запирания полостей гидромоторов, силовых гидроцилиндров и т. п., стопорения их в определенном положении в гидросистемах устанавливают управляемые обратные клапаны, получившие название гидрозамков.

Гидравлический замок (рис. 6.10) состоит из двух обратных клапанов, размещенных в общем корпусе. Запорные органы (клапаны) 2 и 10 прижимаются к своим седлам пружинами 4 и 9. Между обратными клапанами помещен «плавающий» поршень 6, удерживаемый в равновесии пружинами 3 и 8.

При соединении канала 13 с напорной магистралью открывается клапан 10 и через отверстия 11 и 12 жидкость проходит в силовой гидроцилиндр. Одновременно поршень под действием давления жидкости смещается влево и открывает клапан 2, действуя на его хвостовик 5. При этом жидкость по каналам 1, 14 и 15 из нерабочей полости цилиндра идет на слив. При подаче жидкости высокого давления в канал 14 поршень будет воздействовать на хвостовик 7 и процесс будет протекать в обратном направлении. Если разность давлений у каналов 13 и 14 отсутствует после прекращения подачи рабочей жидкости, то оба обратных клапана закрываются и надежно запирают обе полости силового цилиндра, прекращая перемещение его поршня.

Контрольные вопросы

1. Что понимается под номинальным расходом жидкости гидроаппарата?

2. Приведите примеры применения обратных клапанов в гидроприводах.

3. Чем отличается принцип работы клапана от принципа работы клапанного распределителя?

4. Перечислите режимы работы одностороннего гидрозамка применительно к гидроцилиндру.

5. Какой клапан называется клапаном непрямого действия?

6. Назовите две разновидности напорных клапанов в зависимости от их назначения.

7. С какой целью в гидроприводах применяются регуляторы расхода вместо дросселей?

8. Чем отличается принцип работы дросселирующего распределителя от принципа работы направляющего распределителя?

9. Охарактеризуйте конструкции запорных органов различных клапанов.

10. Назначение, устройство и принцип работы гидравлических замков.

Пример. Определить основные размеры конического предохранительного клапана прямого действия со следующими параметрами; давление открытия клапана Δp₀ = 16 МПа, увеличение давления Δp_q = 0,5 МПа при пропускании жидкости в количества q = 2 дм³/с. Рабочая жидкость – минеральное масло; ρ = 900 кг/м³.

Условный проход подводящего канала при скорости жидкости в щели V= 4 м/с

cм.

Принимаем D_у = 25 мм,  = 45°.

Средний диаметр щели клапана d_сp= D_y+ 0,5 = 25,5 мм = 2,55 см.

Высота подъема клапана

см.

Жесткость пружины

Н/см.

Сила пружины при предварительной деформации

Н.

Предварительная деформация

см.

Давление закрытия клапана

МПа.

Гистерезис клапана

Δр_гист = р₀ – р_зак = 16 – 15,33 = 0,67 МПа.

Площадь опорной фаски

см².

Контактное напряжение на опорной фаске

МПа.