Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмопривод (часть 2)

К основным параметрам гидроаппаратов относятся также номинальное давление, номинальный расход рабочей жидкости, масса аппарата (без рабочей жидкости) и др.

Под номинальным давлением рном понимают наибольшее избыточное давление рабочей жидкости, поступающей на вход гидроаппарата, при котором он должен работать в течение установленного ресурса (срока службы) с сохранением параметров в пределах установленных норм. Ряды номинальных давлений для гидроприводов устанавливает ГОСТ 12445-80.

Под номинальным расходом жидкости Qном понимают расход жидкости с определенной вязкостью, проходящий через гидроаппарат, при котором он выполняет свое назначение с сохранением параметров в пределах установленных норм. Ряды номинальных расходов жидкости для гидроприводов устанавливает ГОСТ 13825-80.

Выбор конкретного гидроаппарата для определенной гидросистемы осуществляется по величине условного прохода Dy, проверяя при этом соответствие расчетных величин максимального рабочего расхода жидкости через гидроаппарат и максимального рабочего давления номинальным значениям Qном и рном, приведенным в паспорте гидроаппарата.

Все гидроаппараты, которые используются в объемных гидроприводах, можно разделить на три основные класса: гидродроссели, гидроклапа-

ны и гидрораспределители.

6.2. Гидродроссели

Гидродроссель – это регулирующий гидроаппарат, предназначенный для получения заданной величины расхода при данной величине перепада давления в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости.

Гидродроссель представляет собой местное гидравлическое сопротивление, которое также может использоваться для снижения давления в отводимом потоке рабочей жидкости при данном расходе.

Важной особенностью гидродросселя является то, что проходное сечение в нем не изменяется под действием потока рабочей жидкости.

Применение гидродросселей в качестве регулирующих элементов объемных гидроприводов требует от них двух качеств:

•возможность получения характеристики гидродросселя желаемого

вида;

•сохранение стабильности характеристики гидродросселя во время эксплуатации.

Под характеристикой гидродросселя понимается зависимость потерь

давления ∆pдр в гидродросселе (перепада давления на гидродросселе) от расхода Q рабочей жидкости, проходящей через него.

По виду этой зависимости различают гидродроссели:

•линейные – имеют линейную характеристику

151

•квадратичные – имеют квадратичную характеристику

Линейность характеристики линейного гидродросселя на практике обеспечивается за счет наличия в его конструкции протяженного канала малого проходного сечения, внутри которого получают ламинарный режим течения жидкости (см. закон Пуазейля).

В качестве примера на рис. 6.3 приведена конструктивная схема линейного регулируемого гидродросселя, в котором дросселирующим каналом является винтовая линия прямоугольного сечения, нарезанная на поверхности цилиндрического плунжера 1, образующего прецизионную пару с поверхностью гильзы 2.

Регулирование гидродросселя осуществляется изменением рабочей длины lк дросселирующего канала за счет вращения винтовой головки 3.

Основным недостатком линейных гидродросселей является нестабильность их характеристики, а именно: зависимость крутизны их характеристики от температуры рабочей жидкости (от ее вязкости). Из-за этой температурной нестабильности характеристики линейные гидродроссели в системах автоматического управления объемными гидроприводами (системах гидроавтоматики) практически не встречаются.

Рис. 6.3. Линейный регулируемый гидродроссель

Квадратичные гидродроссели в отличие от линейных имеют стабильную характеристику, не зависящую от температуры жидкости. В связи с этим квадратичные гидродроссели получили наибольшее распространение в гидроприводах и системах гидроавтоматики.

Простейшим квадратичным нерегулируемым (настраиваемым) гид-

родросселем является жиклер (рис. 6.4, а), представляющий собой отверстие в тонкой стенке, из которого происходит истечение жидкости под уровень.

152

ние необходимого момента управления пробкой при значительном рабочем давлении питания. Поэтому крановые гидродроссели рекомендуется использовать в низконапорных гидросистемах.

а)

2

1

1

2

Рис. 6.6. Регулируемые квадратичные гидродроссели:

а) крановый; б) и в) золотниковые; г) клапанный, или игольчатый; д) «сопло-заслонка»

У золотникового гидродросселя (рис. 6.6,б и в) запорно-регули-

рующий элемент 1 (золотник) совершает осевое перемещение в корпусе 2, изменяя при этом площадь проходного сечения гидродросселя за счет изменения величины x. Существенным недостатком золотникового гидродросселя, изображенного на рис. 6.6,б, является зависимость усилия управления запорно-регулирующим элементом от рабочего давления питания. Конструкция золотникового гидродросселя, приведенная на рис. 6.6,в, лишена этого недостатка. Действительно, жидкость под давлением поступает между двумя поясками золотника, силы давления, возникающие при этом, действуют на золотник в осевом направлении и взаимно уравновешиваются. Усилие управления в этом случае должно преодолевать только силы трения между золотником и гильзой (корпусом), возникающие при перемещении золотника. Торцевые полости в корпусе такого гидродросселя, как правило, сообщаются с гидробаком дренажными гидролиниями.

155

Вклапанном, или игольчатом, гидродросселе (рис. 6.6,г) изменение площади проходного сечения происходит за счет перемещения запорнорегулирующего элемента 1 относительно седла 2, приближаясь или удаляясь от него. Недостатком этого гидродросселя является зависимость усилия, необходимого для управления его запорно-регулирующим элементом, от рабочего давления питания.

Вгидродросселе типа «сопло-заслонка» (рис. 6.6,д) запорно-

регулирующий элемент 1 (плоская заслонка) перемещается вдоль оси сопла 2, приближаясь или отдаляясь от него. Следствием этого является изменение расстояния x заслонки от торца сопла, а значит, изменение сопротивления потоку жидкости, вытекающему из сопла. Следует обратить внимание на то, что в этом гидродросселе усилие, необходимое для управления заслонкой, пропорционально величине потерь давления на гидродросселе. Эта особенность может использоваться при проектировании систем автоматического управления объемным гидроприводом.

Одним из основных условий получения стабильной характеристики

гидродросселя «сопло-заслонка» является выбор наружного диаметра dн торца сопла из диапазона dн = (1,2 … 1,3)dc .

Рис. 6.7. Регулируемый гидродроссель:

а) конструкция золотникового гидродросселя типа ПГ77-1; б) условное обозначение

156

На рис. 6.7,а в качестве примера приведена конструкция регулируемого золотникового гидродросселя типа ПГ77-1, состоящего из корпуса 1, втулки 2, втулки-дросселя 3, винта 4, валика 6, лимба 8, контргайки 7, пробки 11, пружины 10, указателя оборотов 5 и штифта 9.

Принцип работы дросселя следующий. Рабочая жидкость подводится в полость Р (подвод), проходит через дросселирующую щель, образованную острыми кромками фасонного отверстия треугольной формы во втулке 2 и торца втулки-дросселя 3 (вид Б), и отводится из полости А(отвод). Расход регулируется путем осевого перемещения втулки-дросселя 3 с помощью винта 4 в одну сторону и пружины 10 – в противоположную. Винт поворачивается от лимба 8 через валик 6. Полному осевому перемещению втулки-дросселя соответствуют четыре оборота лимба. После каждого полного оборота лимб с помощью штифта 9 поворачивает на ¼ оборота указатель 5, на торце которого имеются цифры 1 ... 4; самопроизвольный поворот указателя предотвращает шариковый пружинный фиксатор.

Условное обозначение регулируемого гидродросселя на схемах гидросистем приведено на рис. 6.7,б.

6.3. Регулирующие гидроклапаны

Гидроклапан – это гидроаппарат, в котором величина открытия рабочего проходного сечения (положение запорно-регулирующего элемента) изменяется от воздействия потока рабочей жидкости, проходящего через гидроаппарат.

Существуют как регулирующие, так и направляющие гидроклапаны.

К регулирующим гидроклапанам относятся гидроклапаны давления, а

именно: гидроклапаны напорные и редукционные, а также гидроклапаны

разности и соотношения давлений.

Гидроклапаном давления называется регулирующий гидроклапан, предназначенный для регулирования давления в потоке рабочей жидкости.

По характеру воздействия потока рабочей жидкости на запорнорегулирующий элемент клапана различают гидроклапаны давления прямо-

го и непрямого действия.

В гидроклапанах прямого действия проходное сечение изменяется в результате непосредственного воздействия контролируемого потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана.

Гидроклапаны непрямого действия представляют собой совокуп-

ность, как правило, двух клапанов: основного и вспомогательного, причем величина открытия рабочего проходного сечения основного клапана изменяется в результате воздействия потока рабочей жидкости на запорнорегулирующий элемент вспомогательного клапана.

Напорным гидроклапаном называется гидроклапан давления, предназначенный для ограничения давления в подводимом потоке рабочей жидкости.

157

К напорным гидроклапанам относятся предохранительный и переливной гидроклапаны.

Предохранительным гидроклапаном называется напорный гидро-

клапан, предназначенный для предохранения элементов гидросистемы от давления, превышающего допустимое.

Предохранительные гидроклапаны используются во всех объемных гидроприводах и устанавливаются, как правило, в непосредственной близости у насоса, а также в местах, где по условиям работы гидросистемы возможно возникновение опасных по величине давлений.

Как правило, для предохранительного гидроклапана характерен эпизодический режим работы.

Основными требованиями, предъявляемыми к предохранительному гидроклапану, являются:

1)герметичность сопряжения седло-клапан в закрытом положении;

2)стабильность давления срабатывания клапана (надежность).

С конструктивной точки зрения последнее требование означает, что в этом гидроклапане необходимо исключить вероятность заклинивания его запорно-регулирующего элемента. Поэтому предохранительный гидроклапан простейшей конструкции имеет либо шариковый (для малых расходов), либо конусный запорно-регулирующий элемент.

На рис. 6.8,а в качестве примера приведена конструкция предохранительного клапана прямого действия. В данном случае используется конусный запорно-регулирующий элемент 2, прижимающийся к седлу в корпусе 1 пружиной 3. Условное обозначение клапана в схемах приведено на рис. 6.8,б.

Рис. 6.8. Предохранительный клапан прямого действия: а) конструктивная схема; б) условное обозначение

158

Давление срабатывания предохранительного гидроклапана pк можно отрегулировать при помощи регулировочного винта 4 (рис. 6.8,а) за счет изменения силы предварительного поджатия пружины 3. В первом приближении давление срабатывания предохранительного клапана определяется по формуле:

где Fпр – сила предварительного поджатия пружины;

Dy – условный проход, обычно равен диаметру отверстия седла клапана; pсл – давление в сливной гидролинии.

Следует отметить, что если гидроклапан такой конструкции использовать в гидросистеме, где он должен срабатывать достаточно часто, то при этом конус в результате частых ударов о седло быстро потеряет свою форму или разобьет седло. В результате клапан потеряет герметичность в контакте конуса с седлом. Это значительно уменьшает срок его службы.

К существенному сокращению срока службы предохранительного клапана рассмотренной конструкции может привести и достаточно длительное его открытие по времени. Причина этого в том, что такая конструкция гидроклапана склонна к автоколебаниям запорно-регулирующего элемента из-за низкой его устойчивости. Поэтому значительные преимущества имеет конструкция предохранительного гидроклапана прямого действия с демпфирующим устройством, схема которого приведена на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Предохранительный клапан прямого действия с демпфирующим устройством

159

Особенностью его конструкции является то, что конический запорнорегулирующий элемент 2 клапана имеет хвостовик, заканчивающийся цилиндрическим пояском А, который перемещается в отверстии корпуса 1. Сила предварительного поджатия пружины 3 может изменяться при помощи регулировочного винта 4.

Гидроклапан работает следующим образом. Если контролируемое давление становится больше давления срабатывания клапана pк, то его за- порно-регулирующий элемент 2 поднимается и открывает проходное сечение, через которое рабочая жидкость начинает сливаться в бак. Во время движения запорно-регулирующего элемента 2 на его цилиндрическом пояске возникает дополнительная сила, направленная в сторону, противоположную скорости движения, и пропорциональная ее величине. Возникновение этой силы обусловлено необходимостью движения жидкости в зазоре между пояском А и внутренней поверхностью отверстия в корпусе. Так как указанный зазор достаточно мал, то движение в нем жидкости возможно лишь при наличии на нем достаточного перепада давления. Этот перепад давления и создает упомянутую выше силу на пояске А. Эта сила, всегда направленная против движения запорно-регулирующего элемента 2, очень быстро гасит автоколебания, возникающие при его открытии. Происходит также существенное смягчение удара запорно-регулирующего элемента 2 о седло при закрытии проходного сечения клапана.

Переливной – это напорный гидроклапан, предназначенный для поддержания заданного уровня давления на входе в клапан с заданной точностью путем непрерывного слива части потока рабочей жидкости.

Из этого определения следует, что переливные клапаны работают постоянно в неустановившемся режиме, поэтому в них для исключения ударов запорно-регулирующего элемента о седло, как правило, используются золотниковые запорно-регулирующие элементы. Возможность использования в конструкции переливного клапана золотникового запорно-регули- рующего элемента обусловлена также и отсутствием жестких требований к их герметичности.

На рис. 6.10 приведена конструктивная схема переливного клапана прямого действия с золотниковым запорно-регулирующим элементом.

Основным требованием, предъявляемым к переливному гидроклапану, является поддержание заданного уровня контролируемого давления с заданной точностью в рабочем диапазоне изменения величины расхода жидкости, сливающейся через клапан.

Определим факторы, влияющие на точность поддержания заданного уровня давления переливным клапаном. В качестве расчетной схемы воспользуемся схемой, приведенной на рис. 6.10.

160