26. Агрегаты распределения жидкости

Распределитель жидкости (распределительное устройство) предназначен для распределения рабочей жидкости между участками и устройствами гидросети и для ее отвода.

По конструктивному выполнению распределители жидкости делятся на три основных типа:

1) золотниковый распределитель – устройство, в котором распределение осуществляется с помощью осевого смещения цилиндрического или плоского распределительного элемента;

2) крановый распределитель – устройство, в котором распределение жидкости осуществляется путём поворота пробки крана;

3) клапанный распределитель – устройство, в котором распределение жидкости осуществляется путём последовательного открытия и закрытия расходных окон с помощью клапанов различных конструкций (тарельчатых, шариковых и пр.).

7.1. ЗОЛОТНИКОВЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛИ

Рабочим элементом распределителей этого типа является цилиндрический плунжер с кольцевыми проточками и поясками, который перемещается в осевом направлении во втулке, имеющей окна для подвода и отвода жидкости.

В распределителях более сложной конструкции, помимо осевых, использованы также и поворотные движения плунжера вокруг оси, что повышает их позиционность.

П ринцип действия золотникового распределителя показан на рис.29. Жидкость от насоса подводится к каналу 3, из которого, в зависимости от положения плунжера 2, поступает в соответствующие полости гидравлического двигателя 1. Одновременно с этим нерабочая полость двигателя соединяется с каналом 4, ведущим в резервуар.

Распределительные золотники по выполняемым функциям разделяют по числу входных и выходных каналов в корпусе на три основные группы: двухходовые, трёхходовые и четырёхходовые.

Наиболее распространёнными являются так называемые четырёхходовые золотники основной функцией которых является подача жидкости под давлением в одну из двух полостей гидродвигателя при одновременном отводе её из противоположной полости в резервуар.

Менее распространены трёхходовые золотники которые применяют в том случае, когда окна питания гидродвигателя необходимо соединить с окном источника давления, либо с окном, ведущим в резервуар с жидкостью, т.е. в гидродвигателях одностороннего действия.

Ещё меньше распространён двухходовой золотник, являющийся, по существу, запорным вентилем – он должен запирать поток жидкости или свободно пропускать его от одного проходного окна к другому.

7.2. ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗОЛОТНИКА

Размеры золотника определяются, в основном, расходом и допустимой скоростью жидкости в его каналах, которая, в свою очередь, зависит от давления в системе и назначения золотника. При расчёте сечений каналов исходят также из условия, что площадь сечения потока жидкости в любом месте внутреннего канала в золотнике была не менее ~50% площади сечения подводящей трубы. Практически скорость жидкости выбирают равной 6…10 м/с.

Расходные каналы (окна) в гильзах золотников обычно выполняются по всей окружности контакта плунжера с гильзой, благодаря чему размер ω=π·d проходного окна по окружности достигает максимального значения и его площадь f=π·d·m, где d и m – диаметр плунжера и ширина окна вдоль оси

Диаметр d₁ шеек плунжера золотника должен быть таким, чтобы было обеспечено требуемое проходное сечение:

π∙d·m ≤ ¼·π·(d²-d₁²).

Одновременно с этим должна быть обеспечена требуемая жёсткость плунжера (при изготовлении). Обычно соблюдается условие:

.

Для обеспечения герметичности минимальный диаметральный зазор в золотниках должен быть 0,004…0,01 мм. При более жёстких требованиях диаметральный зазор для диаметров золотника 25 мм и давления р=150…200 атм составляет 0,004…0,007 мм. При выборе зазоров необходимо учитывать температурное расширение материалов, из которых изготовлены детали плунжерной пары.

7.3. СИЛА ТРЕНИЯ ПЛУНЖЕРОВ

Одним из основных параметров плунжерной пары, определяющих её качество, является статическое трение (трение при страгивании плунжера с места), величина которого для реальной пары зависит от величины давления жидкости, увеличиваясь с увеличением последнего, а также от правильности геометрических форм плунжера и гильзы и соосности их расположения.

Силы давления жидкости на детали идеальной пары, характеризуемой абсолютной цилиндричностью и высоким качеством обработки поверхности, уравновешиваются как в аксиальном, так и в радиальном направлениях, а поверхности скольжения разделены слоем жидкости. Следовательно, трение плунжера такой пары будет зависеть лишь от скорости его перемещения и вязкости жидкости. Однако трение плунжера реальной пары зависит от величины давления жидкости, а также от правильности геометрических форм плунжера и втулки и соосности их взаимного расположения. Практически зависимость силы трения при движении от величины перепада давления для распространённых в практике величин давления (до 200 атм) имеет линейный характер.

Трение плунжера возникает в основном в результате неравномерного распределения давления жидкости в радиальном кольцевом зазоре, образованном плунжером и гильзой, ввиду чего возникает неуравновешенная радиальная сила, поджимающая плунжер к одной стороне гильзы. Последнее обусловлено, в основном, перекосами оси плунжера относительно оси гильзы или расточки в корпусе, а также неправильной геометрией (конусностью) поясков золотника или отверстия в гильзе. Снизить силу трения можно правильным выбором материала, из которого изготавливаются золотниковые пары, а также различными конструктивными мероприятиями.

Высокие силы трения обусловлены, в основном, сцеплением металлов плунжера и гильзы, которое может произойти при определённых условиях нагружения, качестве материалов, а также качестве обработки их поверхностей. Детали золотниковых пар фактически контактируют на весьма ограниченных участках поверхности, в результате на них создаются повышенные удельные давления, приводящие к взаимному внедрению микронеровностей поверхностей и образованию при их относительных перемещениях

небольших царапин и локальных задиров из-за схватывания на микроконтактах. Для устранения этих явлений на поверхности гильзы и золотника рекомендуется наносить окисные, сульфидные, фосфатные и другие покрытия, которые препятствуют возникновению схватывания металлов золотника и гильзы. Для повешения износостойкости плунжерных пар применяют хромирование рабочих поверхностей плунжеров.

Силы трения значительно снижаются при уменьшении неуравновешенных радиальных сил давления жидкости на плунжер. Наиболее простым способом снижения указанных сил является прорезание на поверхности плунжера или гильзы кольцевых прямоугольных канавок (рис.32), сечение которых должно быть таким, чтобы сопротивление их было ничтожно по сравнению с сопротивлением щели. Так как давление в канавке в этом случае будет одинаково во всех точках, давление по окружности в зазоре выравнивается и, тем самым, уменьшается неуравновешенность радиальных сил давления жидкости на плунжер, в результате чего трение может быть значительно уменьшено.

Для уменьшения указанных неуравновешенных радиальных сил применяют также пары со щелью, сужающейся в осевом направлении по движению утечек жидкости. Подобная щель обычно достигается при применении плунжера с небольшой конусностью, вершина которой обращена в сторону высокого давления. При этом для получения разгружающего эффекта достаточна конусность h=0,001…0,002 мм, которую во многих случаях можно получить при соответствующей технологии окончательной обработки (притирки) плунжера или отверстия гильзы. Этот способ неприменим в тех случаях, когда возможен реверс давления.

7.4. ПЕРЕКРЫТИЕ ОКОН ЗОЛОТНИКА

На рис.33 показаны запорно-регулирующие элементы трёх возможных типов: с «положительным» (t>m), нулевым (t=m) и «отрицательным» (t<m) перекрытиями.

П ри положительном перекрытии (рис.33,а) образуются наиболее протяжённые уплотняющие щели x_δ с гильзой. Это уменьшает утечки или при выбранных допустимых утечках позволяет использовать распределители с большими зазорами δ, что снижает трудоёмкость изготовления и уменьшает износ золотника. Распределители со значительными положительными перекрытиями и зазорами δ ≈ 0,01 мм широко используют для позиционного перекрытия гидролиний. Для регулирования работы гидродвигателей они малопригодны, так как при переходе через нейтральное положение благодаря значительному x₀ создают ощутимую зону нечувствительности, в которой гидродвигатель практически не реагирует на изменение смещения (рис.34).

Наиболее благоприятно для систем регулирования нулевое перекрытие (рис.33,б), которое допускает отсутствие зоны нечувствительности. По причине технологических ограничений оно неосуществимо. Поэтому, как правило, для регулирующих золотниковых распределителей используют малое положительное перекрытие.

Золотниковые распределители с отрицательным перекрытием (рис.33,в) применяют сравнительно редко. Управление работой гидродвигателя при помощи такого распределителя возможно, но связано со значительными утечками, а регулировочные характеристики системы при этом нелинейны. Преимуществом негерметичного золотникового распределителя является большая плавность регулирования, исключающая возможность появления автоколебаний в передаче, а также свободный перепуск жидкости через щели при нейтральном положении золотника и неработающем гидродвигателе, благодаря чему снижается потребление энергии насосом во время холостого хода гидропередачи.

.

При разработке гидравлических систем зачастую требуется дроссель, обладающий высоким гидравлическим сопротивлением и стабильными расходными характеристиками при колебаниях вязкости. Обеспечить подобные требования одной дроссельной шайбой не представляется возможным, поскольку размер её отверстия при этом должен быть недопустимо, с точки зрения возможности засорения, малым. Ввиду этого применяются дроссели из последовательно соединённых шайб (пакеты шайб) (рис.38,б), работа которых основана на многократном сужении и расширении потока жидкости. Сопротивление такого дросселя регулируется подбором количества шайб. Поскольку расстояние между шайбами обычно мало, а поперечное сечение велико в сравнении с сечением отверстия в шайбе, можно считать, что гидравлическое сопротивление такого пакета обусловлено, в основном, потерями в отверстиях (потерями напора при истечении через отверстия в тонкой стенке). Практика показывает, что на расходные характеристики такого дросселя несколько влияет расстояние между шайбами, которое должно быть не меньше (3…5)d, где d – диаметр отверстия; а также толщина s дросселирующей шайбы или её кромки (рис.39,а), которая обычно выбирается не более (0,4…0,5)d. Диаметр d отверстий в шайбах должен быть не меньше 0,3…0,5 мм, так как в противном случае возможно засорение отверстия. При сборке дроссельного пакета шайбы смещаются относительно друг друга так, чтобы отверстия в них не находились одно против другого. Благодаря отмеченным выше качествам этот тип дросселя получил широкое применение в гидросистемах ЛА, и в особенности аппаратов, предназначенных для эксплуатации в широком температурном интервале.

8.2. РАСЧЁТ ДРОССЕЛЯ

Потеря напора в диафрагменном дросселе с круглым отверстием с острой кромкой (рис.39,а), в основном, обусловлена потерями на удар, ввиду чего при практических расчётах этих дросселей можно применять формулу для расчёта расхода при истечении жидкости из отверстия в тонкой стенке:

.

Сопротивление диафрагменных дросселей с регулирующим вентилем (рис.39,б) можно рассчитывать по формуле для вычисления местных потерь напора:

,

где ζ – коэффициент местного сопротивления (в данном случае ζ=2…2,2).

Эти же значения ζ можно также принять при расчёте дросселей кранового типа (рис.35), скорость потока жидкости, для которых вычисляют для наиболее узкого места канала.

Площадь сечения канала в месте, наиболее узком для данного положения игольчатого дросселя, представленного на рис.39,г, рассчитывают по выражению:

.

Так как d=D - 2·a, h=m·sinα, а=m·sinα·cosα, где m – расстояние от основания конуса до острой кромки, то можно принять:

f_ДР  π∙m·D·sinα.

Угол α обычно выбирают от 3⁰ до 15⁰ (распространённое значение α ≈ 6⁰).

В каналах дросселя может быть допущена скорость жидкости примерно в 10 раз больше скорости в проводимом трубопроводе. Пользуясь этим, проходное сечение f_ДР каналов дросселя можно определять по практической формуле:

f_ДР ≈ 0,1∙ f_ТР,

где f_ТР – площадь сечения трубопровода.