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

x = (p − pк ) πdк2 .

4Cпр

Подставим полученное выражение в уравнение (6.8), тогда

Так как смещение x золотника мало по сравнению с величиной предварительного поджатия пружины x0 (что, как правило, всегда справедливо для напорных клапанов прямого действия), то в подкоренном выражении величиной второго слагаемого в скобках можно пренебречь по сравнению с первым. Учитывая это,

Отсюда получаем следующее аналитическое выражение характеристики переливного клапана в виде:

теристики переливного клапана (см. рис. 6.10,б), величина которого характеризует степень нестабильности регулируемого давления в функции расхода жидкости через клапан.

Анализ формулы, определяющей величину коэффициента Kкл, показывает, что уменьшение его значения с целью обеспечения заданной точности в достаточно широком рабочем диапазоне расхода в данных условиях работы клапана возможно только за счет уменьшения жесткости пружины. Этим обусловлено стремление использовать в переливном клапане пружину с малой жесткостью. Однако такое решение значительно усложняет конструкцию пружинного узла клапана, особенно в случае, когда требуется значительное усилие предварительного поджатия пружины. В этом случае конструкция клапана получается достаточно громоздкой, имеющей значительные размеры.

Компромиссным решением, позволяющим сократить размеры клапана высокого давления, является клапан с дифференциальным запорнорегулирующим элементом, конструктивная схема которого приведена на рис. 6.11.

162

На рис. 6.12,а приведена полуконструктивная схема переливного клапана непрямого действия, который состоит из основного клапана, в состав которого входят запорно-регулирующий элемент 7 с поршнем 6 и пружина 5, и вспомогательного клапана, состоящего из шарика 1, пружины 2 и регулировочного винта 3. Давление настройки (срабатывания) вспомогательного клапана регулируется за счет изменения предварительного поджатия пружины 2 винтом 3.

Клапан работает следующим образом. Если регулируемое давление р не превышает давления настройки вспомогательного клапана, то оба клапана (основной и вспомогательный) закрыты. При этом герметичность основного клапана обеспечивается за счет прижима его запорно-регули- рующего элемента 7 к седлу в результате алгебраической суммы сил, действующих на поршень 6 от регулируемого давления р (в полости до гидродросселя 8 снизу вверх и в полости за гидродросселем 8 сверху вниз на разные площади) и силы пружины 5.

Если давление р превысит давление настройки вспомогательного клапана, то он открывается, и некоторая часть жидкости начнет сливаться в бак. При этом на дросселе 8 возникает перепад давления. Это приводит к уменьшению давления в заклапанной полости (над поршнем 6). Начиная с некоторого момента (давление р на входе в клапан равно давлению настройки основного клапана) сила, действующая на поршень 6 основного клапана снизу, превысит сумму сил, действующих на него сверху, и запор- но-регулирующий элемент 7 основного клапана откроется для слива рабочей жидкости из напорной гидролинии. Давление р на входе в клапан практически остается равным давлению настройки основного клапана.

На рис. 6.12,в приведена характеристика рассмотренного переливного клапана непрямого действия, под которой понимается функция р = f(Q) – зависимость давления р, регулируемого клапаном, от расхода рабочей жидкости Q, сливающегося через него в гидробак. Из графика видно, что она состоит из двух диапазонов:

•от расхода, равного нулю, до Qmin (минимальное значение расхода рабочего диапазона), когда жидкость сливается только через вспомогательный клапан 4;

•от Qmin до Qном (максимальный расход рабочего диапазона), когда жидкость сливается через основной 1 и вспомогательный 4 клапаны.

Рабочим считается второй диапазон. Погрешность поддержания дав-

ления у такого клапана не превышает ∆р.

Условное обозначение переливного клапана непрямого действия приведено на рис. 6.12,б.

Переливные гидроклапаны используются в гидроприводах с дроссельным регулированием. Они подключаются к напорной гидролинии на выходе насоса или устанавливаются в сливную гидролинию последовательно. В этих случаях они выполняют функцию подпорных гидроклапанов.

164

К основным параметрам напорных клапанов (ГОСТ 16517-82*) относятся условный проход Dy; номинальное давление pном; диапазон регулирования давления; максимальные внутренние утечки жидкости (для предохранительных клапанов); масса (без рабочей жидкости); зависимость регулируемого давления от расхода, сливающегося через клапан.

Редукционным (рис. 6.13) называется регулирующий гидроклапан, предназначенный для поддержания в отводимом потоке постоянного давления р2 меньшего, чем давление р1 в подводимом потоке. Он чаще всего применяется в гидросистемах, где от одного насоса работают несколько потребителей, требующие разные уровни давлений питания.

Рис. 6.13. Редукционный клапан:

а) конструктивная схема клапана прямого действия; б) условное обозначение; в) характеристика редукционного клапана прямого действия; г) конструктивная схема редукционного клапана непрямого действия

165

Представленный на рис. 6.13,а редукционный клапан прямого дейст-

вия состоит из запорно-регулирующего элемента 3, объединенного с уравновешивающим поршнем 1, и пружины 2, размещенных в гнезде корпуса 8, образующего седло 6 клапана. Для демпфирования возможных колебаний заклапанная полость 9 соединена с областью слива дросселем 10.

В отличие от напорных гидроклапанов редукционный клапан нормально открыт, т.е. при выключенной гидросистеме запорно-регулирую- щий элемент клапана пружиной полностью открывается. Это обстоятельство отражено в условном обозначении редукционного клапана (рис. 6.13,б) тем, что стрелка внутри квадрата соединяет входную и выходную гидролинии.

Пружина стремится удержать клапан в открытом положении, ограниченном упором 4, а давление р2 в полости 5 создает силу, которая стремится клапан закрыть. В полости 7 гидростатические силы от давления р1, действующие на запорно-регулирующий элемент по кольцевой площади, взаимно уравновешиваются: одна сила действует на запирающий элемент 3 в сторону его открытия, а другая на уравновешивающий поршень 1 в противоположную сторону (эти силы имеют одну и ту же величину, так как получаются в результате действия одного давления на равные площади). Поэтому давление р1 на работу клапана непосредственного влияния не оказывает.

Таким образом, если пренебречь силами трения, то уравнение равновесия запорно-регулирующего элемента редукционного клапана имеет вид:

где Fпр0 – сила предварительного поджатия пружины при z = 0; Спр – жесткость пружины клапана;

z – смещение запорно-регулирующего элемента клапана, характеризующее величину открытия проходного сечения.

Вторым уравнением редукционного клапана является уравнение

где β – угол конусной поверхности клапана (см. рис. 6.13,а).

Если провести преобразования, аналогичные тем, которые выполнялись при анализе работы переливного клапана, то в результате можно получить аналитическое выражение характеристики редукционного клапана, которое имеет вид:

где pк – давление настройки редукционного клапана, которое в первом приближении можно определить из уравнения (6.10) при z = 0 и допущении о том, что pсл = 0

166

где z0 – величина предварительного поджатия пружины.

Примерный вид характеристики редукционного клапана прямого действия приведен на рис. 6.13,в. Из графика видно, что увеличение проходящего через редукционный клапан расхода сопровождается уменьшением редуцируемого давления. Объясняется это тем, что для пропускания большего расхода необходимо увеличение проходного сечения клапана (увеличение z), а это приводит к уменьшению силы пружины. Крутизна характеристики редукционного клапана прямого действия, а значит, и точность поддержания редуцируемого давления так же, как и у переливного клапана, зависит, от жесткости пружины. При наличии жестких требований по точности поддержания величины редуцируемого давления рекомендуется использовать редукционный клапан непрямого действия.

Один из вариантов конструктивной схемы редукционного клапана непрямого действия приведен на рис. 6.13,г. Основной клапан 5 находится под действием пружины 4 малой жесткости с малым предварительным поджатием и управляется с помощью постоянного гидродросселя 6 и вспомогательного клапана, состоящего из запорно-регулирующего элемента 1, пружины 2 и регулировочного винта 3.

Если расход, потребляемый гидросистемой на выходе редукционного клапана, уменьшится, то давление pред начнет увеличиваться. Это приведет к увеличению давления в полости на входе вспомогательного клапана, за- порно-регулирующий элемент 1 которого еще больше откроется. В результате увеличится расход, сливающийся через вспомогательный клапан. Это приведет к тому, что на постоянном гидродросселе 6 увеличится перепад давления, а значит, уменьшится давление действующего на верхнюю торцевую поверхность клапана 5. Клапан 5 под действием разности давления переместится вверх. Количество жидкости, поступающее к потребителю, уменьшится, и давление pред вернется к значению, заданному настройкой вспомогательного клапана.

К основным параметрам редукционных клапанов (ГОСТ 16517-82*) относятся условный проход Dy; номинальное рабочее давление pном; рабочий диапазон регулирования редуцируемого давления; масса (без рабочей жидкости); зависимость редуцируемого давления от расхода через клапан, рабочий диапазон расходов через клапан.

Гидроклапан разности (перепада) давлений – это гидроклапан дав-

ления, предназначенный для поддержания заданной разности давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости или в одном из этих потоков и постороннем потоке.

Схема гидроклапана разности давлений, предназначенного для поддержания заданной разности давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости, приведена на рис. 6.14,а. В его корпусе 1 размещены

167

золотниковый запорно-регулирующий элемент 2 и пружина 3. Торцевые полости золотника соединены каналами с подводимым и отводимым потоками рабочей жидкости.

Рис. 6.14. Гидроклапан разности (перепада) давлений: а) конструктивная схема; б) условное обозначение

Уравнение равновесия запорно-регулирующего элемента 2 клапана

где p1 и p2 – соответственно, давления в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости;

d – диаметр запорно-регулирующего элемента 2 клапана; Fпр0 – сила предварительного поджатия пружины 3;

Спр – жесткость пружины;

x– смещение запорно-регулирующего элемента клапана, характеризующее величину открытия проходного сечения.

Из уравнения (6.13) видно, что разность давлений (p1 – p2) на торцах золотника в подводимом и отводимом потоках определяется в первом приближении как отношение силы Fпр0 предварительного поджатия пружины 3 к площади торцевой поверхности цилиндрического золотника. Стабильность поддержания величины разности давлений (p1 – p2) зависит от жесткости пружины 3, которую стараются сделать минимальной. Очевидно, что для изменения этой разности давлений следует изменить силу Fпр0 пружины 3. Обычно для обеспечения этого гидроклапаны снабжают регулировочным винтом (на схеме не показан).

Условное обозначение гидроклапана разности давлений в схемах гидросистем показано на рис. 6.14,б.

К основным параметрам клапанов разности давлений (ГОСТ 16517-82*) относятся: условный проход Dy; максимальное рабочее давление pном; рабочий диапазон регулирования разности давлений; масса (без рабочей

168

жидкости); зависимость разности давлений от расхода, рабочий диапазон расходов через клапан.

Гидроклапан соотношения давлений – это гидроклапан давления,

предназначенный для поддержания заданного соотношения давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости или в одном из этих потоков и постороннем потоке.

Рис. 6.15. Гидроклапан соотношения давлений:

а) конструктивная схема со ступенчатым золотником; б) конструктивная схема с толкателем; в) условное обозначение

На рис. 6.15,а и б приведены варианты конструктивных схем гидроклапана соотношения давлений, предназначенного для поддержания заданного соотношения давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости. В обоих случаях он включает в себя золотниковый запорнорегулирующий элемент 2 с разной эффективной площадью сечения золотника. Последнее достигается разными способами: либо за счет использования ступенчатого золотника (рис. 6.15,а), либо за счет установки дополнительного плунжера-толкателя 1, как показано на рис. 6.15,б. С технологической точки зрения второй вариант считается предпочтительным. С помощью каналов, выполненных в корпусе 3, торцевые полости запорнорегулирующего элемента 2 соединены с подводимым и отводимым потоками рабочей жидкости.

Уравнение равновесия запорно-регулирующего элемента 2 клапана имеет вид:

169

Отсюда p1 = d22 = const .

p2 d12

Таким образом, изменение давления в одном из потоков приводит к перемещению запорно-регулирующего элемента 2, и соотношение давлений восстанавливается. Соотношение давлений обратно пропорционально отношению эффективных площадей запорно-регулирующего элемента 2.

Условное обозначение гидроклапана соотношения давлений показано на рис. 6.15,б.

К основным параметрам клапанов соотношения давлений (ГОСТ 16517-82*) относятся: условный проход Dy, максимальное рабочее давление pном, величина поддерживаемого соотношения давлений, масса (без рабочей жидкости), рабочий диапазон расходов через клапан.

6.4.Направляющие гидроклапаны

Кнаправляющим гидроклапанам относятся обратные гидроклапа-

ны, гидрозамки, гидроклапаны последовательности, реле давления и гидроклапаны выдержки времени.

Обратный – это направляющий гидроклапан, предназначенный для пропускания рабочей жидкости только в одном направлении.

Обратные гидроклапаны устанавливаются в гидролиниях, где требуется обеспечить однонаправленное движение жидкости.

На рис. 6.16,а и б показаны обратные клапаны с разными запорнорегулирующими элементами: соответственно, шариковым и конусным.

Рис. 6.16. Обратные гидроклапаны:

а) с шариковым запорным элементом; б) с конусным запорным элементом; в) условное обозначение

При движении жидкости в направлении, указанном стрелками, запор- но-регулирующий элемент жидкостью отжимается от седла и поток с минимальными потерями проходит через клапан. При обратном движении жидкость прижимает запорно-регулирующий элемент клапана к седлу и движение жидкости в этом направлении прекращается.

Основные требования, предъявляемые к обратному клапану:

170