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

больших условных проходов необходимость электрического управления гидрораспределителями обеспечивается за счет их двухступенчатой конструкции. В этом случае гидрораспределитель называется гидрораспределителем с электрогидравлическим управлением (рис. 6.23,а).

Рис. 6.23. Двухступенчатый направляющий золотниковый гидрораспределитель типа Р с электрогидравлическим управлением: а) конструктивная схема; б) условное обозначение (подробное и упрощенное)

В состав распределителя типа Р входят два направляющих золотниковых гидрораспределителя 4/3: пилот 5 (управляющий распределитель с управлением от двух электромагнитов ЭМ1 и ЭМ2) и основной гидрораспределитель с гидравлическим управлением, состоящий из корпуса 1, золотника 2, центрирующих пружин 4 и 7, боковых крышек 3 и 6. Корпус 1 имеет присоединительные отверстия Р2, Т2, А2, В2 и каналы Х и Y (рис. 6.23,б). Торцевые полости распределителя соединены с выходными отверстиями А1 и В1 пилота 5 каналами Х и Y.

Принцип работы двухступенчатого распределителя следующий. При отсутствии электрического управляющего сигнала золотники обоих распределителей под действием пружин находятся в нейтральных позициях. При этом в пилоте все каналы перекрыты (рис. 6.23,б), а в основном гидрораспределителе все внешние гидролинии соединены между собой. Таким образом, в гидросистеме обеспечивается уменьшение давления на входе в гидрораспределитель до давления управления пилотом.

При поступлении управляющего сигнала, например, на вход электромагнита ЭМ1 пилота 5 его золотник смещается до упора вправо и пилот переключается в позицию I. При этом по каналу Х поток жидкости под давлением управления поступает в левую торцевую полость основного гидрораспределителя, а его правая торцевая полость через канал Y соеди-

181

няется со сливом. На торцах золотника 2 возникает перепад давлений, под действием которого он перемещается вправо. В результате основной гидрораспределитель также переключается в позицию I. При этом соединяются гидролинии Р2 с А2 и В2 с Т2. При снятии управляющего сигнала с электромагнита ЭМ1 управляющий золотник пилота 5 и золотник 2 основного гидрораспределителя под действием пружин 4 или 7 возвращаются в нейтральное положение.

При поступлении управляющего сигнала на вход электромагнита ЭМ2 пилота 5 золотник 2 перемещается влево. В результате и пилот, и основной гидрораспределитель переключаются в позицию II. При этом соединяются гидролинии Р2 с В2 и А2 с Т2.

Основным недостатком золотниковых гидрораспределителей с цилиндрическими золотниками является наличие утечек рабочей жидкости через диаметральный зазор между цилиндрическим отверстием в корпусе и поясками золотника, которые с течением времени эксплуатации постепенно увеличиваются из-за износа прецизионной пары.

В существенно меньшей степени это свойственно золотниковым гид-

рораспределителям с плоским золотником. Конструктивная схема тако-

го распределителя приведена на рис. 6.24.

Рис. 6.24. Золотниковый гидрораспределитель с плоским золотником

В положении, представленном на рис. 6.24, золотник 1 занимает крайнее правое положение, соединяя гидролинию нагнетания Р с гидролинией В. Из гидролинии А при этом рабочая жидкость через открытое окно распределителя поступает на слив по каналу Т1. При смещении плоского золотника в крайнее левое положение гидролиния нагнетания Р соединится с гидролинией А, а из гидролинии В при этом рабочая жидкость поступит на слив по каналу Т2.

Герметичность гидрораспределителя обеспечивается за счет пружины 4, которая через втулку 3 прижимает золотник к плоскому основанию, а также за счет действия давления в потоке рабочей жидкости, поступающей из напорной гидролинии. Таким образом, с увеличением рабочего

182

давления в гидросистеме возрастает усилие прижима плоского золотника к основанию, а следовательно, уменьшается расход утечек через распределитель. Следует также отметить, что в гидрораспределителе с плоским золотником значительно проще обеспечить требуемую точность изготовления прецизионной пары и возможность контроля этой технологической операции. В связи с этим гидрораспределители с плоским золотником используются в гидросистемах с давлением больше 20 МПа.

Крановые гидрораспределители применяются при небольших давлениях и расходах. Их запорно-регулирующие элементы выполняются в виде цилиндрического или конического крана. Чаще используют крановые распределители с коническим запорно-регулирующим элементом и ручным управлением. При переключении этого гидрораспределителя его запорнорегулирующий элемент поворачивается вокруг своей оси.

Рис. 6.25. Крановый гидрораспределитель Г71-31: а) конструктивная схема; б) условное обозначение

На рис. 6.25,а показана конструкция двухпозиционного кранового гидрораспределителя Г71-31 с ручным управлением, состоящего из корпуса 7, крана 8, крышек 1 и 9, уплотнительной манжеты 6, рукоятки 5, фиксатора 3 с пружиной 4, крепежных деталей. Наличие выступа К на ступице 2 обеспечивает возможность управления распределителем от кулачка. В корпусе 7 имеются резьбовые отверстия для соединения с напорной (Р), сливной (Т) и дренажной гидролиниями (L), а также с гидролиниями (А и В), по которым рабочая жидкость поступает к другим гидравлическим устройствам.

Гидрораспределитель работает следующим образом. При положении крана 8 в позиции I (рис. 6.25,б) напорная гидролиния Р соединена с гидролинией А, а гидролиния В – со сливной гидролинией Т. Для изменения направления потока рабочей жидкости в гидролиниях А и В необходимо повернуть кран 8 на 45° против часовой стрелки. Тогда напорная гидроли-

183

ния Р соединится с гидролинией В, а гидролиния А – со сливной гидролинией Т.

Клапанные гидрораспределители по конструкции запорно-

регулирующего элемента делятся на шариковые и конические, а по способу переключения – на распределители с ручным, электромагнитным и гидравлическим управлением.

На рис. 6.26,а приведена конструкция клапанного гидрораспределителя 3/2 с гидравлическим управлением. В корпусе 1 распределителя разме-

щены два конических клапана 2 и 4 и толкатель 3 с осевыми проточными каналами для прохода рабочей жидкости. Клапан 4 имеет уплотнительное кольцо 5. Клапан 2 прижат к седлу корпуса 1 цилиндрической пружиной 6. В корпусе 1 имеются: отверстия Р для соединения с напорной гидролинией, Т – для соединения со сливной гидролинией, А – для соединения с потребителем рабочей жидкости (например, с гидроцилиндром), торцевая полость Г и полость управления Х (далее отверстия и отходящие от них гидролинии и полости обозначаются одними и теми же буквами).

Рис. 6.26. Клапанный гидрораспределитель с гидравлическим управлением: а) конструктивная схема; б) условное обозначение

Гидрораспределитель работает следующим образом. В исходной позиции I (рис. 6.26,б), когда отсутствует гидравлический сигнал управления в канале Х, гидролиния А соединена со сливной гидролинией Т, клапан 2 прижат к седлу не только пружиной 6, но и силой давления жидкости, находящейся в полости Г. В результате напорная линия Р перекрыта.

При наличии сигнала управления в виде давления в полость Х клапан 4 и толкатель 3 перемещаются под действием силы давления жидкости влево. При этом происходит переключение гидрораспределителя в другую рабочую позицию II, а именно: клапан 4 садится на седло и отсекает сливную полость Т, а толкатель 3 принудительно открывает клапан 2, соединяя

184

напорную полость Р с гидролинией А. Рабочая жидкость поступает к потребителю.

Существенным преимуществом клапанных гидрораспределителей по сравнению с золотниковыми является их высокая герметичность. С этой точки зрения клапанные гидрораспределители могут быть рекомендованы для использования в гидросистемах с высоким рабочим давлением. Однако присущая им зависимость усилия, необходимого для переключения клапанного гидрораспределителя, от рабочего давления, существенно сужает область их использования. Поэтому в гидросистемах с повышенным рабочим давлением находят применение клапанные гидрораспределители, в основном, с гидравлическим управлением.

Клапанные распределители применяются также в быстроразъемных соединениях трубопроводов и рукавов.

Основными параметрами направляющих распределителей являются: условный проход Dy, номинальное давление на входе pном, номинальный и максимальный расходы жидкости, максимальные внутренние утечки и масса (без рабочей жидкости).

6.6. Дросселирующие гидрораспределители

Дросселирующим гидрораспределителем называется регулирующий гидроаппарат, предназначенный для изменения величины расхода и направления движения потока рабочей жидкости в нескольких гидролиниях одновременно в соответствии с изменением величины внешнего управляющего воздействия.

Чаще всего в качестве дросселирующих гидрораспределителей используются золотниковые гидрораспределители.

Функции, близкие к тем, что решают золотниковые дросселирующие гидрораспределители, позволяют обеспечить струйные гидрораспредели-

тели и гидрораспределители типа «сопло-заслонка». Такие гидрораспре-

делители часто используются как предварительная ступень гидравлического управления в гидрораспределителях с многоступенчатым управлением.

6.6.1.Золотниковые дросселирующие гидрораспределители

Вотличие от направляющего гидрораспределителя, запорно-регули- рующий элемент дросселирующего гидрораспределителя может занимать, кроме характерных, бесконечное множество промежуточных рабочих положений, образуя дросселирующие проходные сечения для потока рабочей жидкости. Обычно площадь рабочего проходного сечения находится в прямо пропорциональной зависимости от величины управляющего сигнала.

Основные правила построения условных графических обозначений направляющих гидрораспределителей, изложенные в параграфе 6.5, распространяются и на дросселирующие гидрораспределители. Признаком

185

дросселирующего гидрораспределителя в его условном обозначении является наличие двух дополнительных параллельных линий (над обозначением и под ним), обозначающих как бы бесчисленное множество промежуточных позиций запорно-регулирующего элемента (см. рис. 6.27,в). При этом квадраты в обозначении соответствуют характерным позициям гидрораспределителя.

Рис. 6.27. Дросселирующий гидрораспределитель:

а) в исходной (нейтральной) позиции; б) в позиции I; в) условное обозначение гидрораспределителя с подключенным гидроцилиндром

На рис. 6.27,а показана конструктивная схема дросселирующего золотникового гидрораспределителя 4/3 с цилиндрическим золотником 2, положение которого относительно корпуса 1 может изменяться при пропорциональном электрическом управлении от двух электромагнитов ЭМ1 и ЭМ2. В корпусе 1 распределителя имеются пять цилиндрических расточек с острыми кромками. Эти расточки внутренними каналами соединены: центральная – с напорной гидролинией Р, две крайние – со сливом Т, а две рабочие А и В предназначены для подключения к распределителю гидродвигателя, например гидроцилиндра Ц. Золотник 2 имеет три цилиндрических пояска и расположен внутри корпуса 1 с радиальным зазором 4 ... 10 мкм. Рабочие проходные сечения (дросселирующие щели) в распределителе возникают при осевом перемещении золотника между кромками цилиндрических расточек корпуса 1 и кромками цилиндрических поясков золотника 2. По конструкции распределитель является двухщелевым. Это значит, что при осевом смещении золотника в любую сторону из нулевой позиции создаются две дросселирующие щели, одна на входе – в (рис. 6.27,б), другая на выходе – г.

Принцип работы распределителя следующий. При выключенных электромагнитах золотник 2 распределителя находится в исходной нейтральной позиции. При этом все проходные сечения в распределителе перекрыты. При подаче управляющего сигнала на один из электромагнитов, например ЭМ1, золотник перемещается вправо в позицию I (рис. 6.27,б, в), и рабочая жидкость поступает из гидролинии Р в гидролинию А через дросселирующую щель в, расход рабочей жидкости через которую зависит от величины ее открытия, а значит, от величины поданного управляющего

186

электрического сигнала. От распределителя жидкость поступает в бесштоковую полость гидроцилиндра Ц, его поршень перемещается вправо под действием давления, а жидкость, вытесняемая из штоковой полости гидроцилиндра Ц, по гидролинии В поступает в гидрораспределитель, где через вторую дросселирующую щель г направляется по гидролинии Т на слив. После отключения сигнала управления, поступающего на электромагнит ЭМ1, золотник 2 под действием пружин электромагнитов возвращается в нейтральную позицию.

Аналогично работает гидрораспределитель и при условии подачи управляющего сигнала на электромагнит ЭМ2. Отличие заключается только в том, что золотник при этом смещается влево, значит, и поршень под действием поступающей в гидроцилиндр жидкости будет двигаться влево.

В системах управления один из управляющих сигналов, поступающих на электромагниты ЭМ1 или ЭМ2, принимается положительным, а другой

– отрицательным. Таким образом, гидрораспределитель в зависимости от знака управляющего сигнала обеспечивает необходимое направление движения поршня гидроцилиндра, а в зависимости от величины управляющего сигнала – необходимую величину скорости его перемещения.

На рис. 6.28 показаны варианты схем перекрытий рабочих окон в золотниковых дросселирующих гидрораспределителях.

Рис. 6.28. Схемы дросселирующих гидрораспределителей и соответствующие им статические характеристики: а) с нулевым перекрытием; б) с положительным перекрытием; в) с отрицательным перекрытием

В зависимости от соотношения ширины b2 цилиндрического пояска золотника и ширины b1 цилиндрической расточки в корпусе различают гидрораспределители с нулевым (b1 = b2), положительным (b1 > b2) и от-

рицательным (b1 < b2) перекрытиями. Распределители с положительным

187

перекрытием (рис. 6.27,б) имеют меньшие утечки рабочей жидкости, но большие зоны нечувствительности δ1 и δ2 к управляющему сигналу. Распределители с отрицательными перекрытиями (проточные) имеют повышенные утечки рабочей жидкости, но более чувствительны к сигналам управления.

В общем случае расход рабочей жидкости через дросселирующую щель золотникового гидрораспределителя с кольцевой расточкой корпуса определяют по формуле

где µ – коэффициент расхода, для цилиндрических золотников µ = 0,7; d – диаметр золотника;

x – смещение золотника из нейтрального положения;

δ – величина перекрытия рабочего окна гидрораспределителя;

∆p – перепад давления на дросселирующей щели гидрораспределителя; ρ – плотность рабочей жидкости.

Основными преимуществами золотниковых гидрораспределителей являются их компактность и разгруженность от осевых сил давления рабочей жидкости, что значительно уменьшает усилие, необходимое для управления его золотником.

При уточненных расчетах усилия управления дросселирующим гидрораспределителем следует, кроме сил давления, инерции и трения, учитывать осевую гидродинамическую силу, возникающую вследствие дросселирования жидкости и всегда направленную в сторону закрытия дросселирующей щели.

Величину гидродинамической силы (с размерностью в Ньютонах), возникающей на одной дросселирующей щели гидрораспределителя, можно определить по эмпирической формуле

Fгд = 0,324Q ∆p ,

где Q – в л/мин; ∆p – в МПа.

Для уменьшения гидродинамической силы используют специальные конструкции золотников.

Существенным недостатком дросселирующих гидрораспределителей является возможность возникновения в них облитерации (заращивание поляризованными молекулами жидкости) малых дросселирующих щелей и зазоров между золотником и корпусом. При этом течение жидкости через такие проходные сечения с течением времени постепенно уменьшается, а иногда и вообще прекращается. Золотник же с корпусом соединяются, и для управления гидрораспределителем (страгивания золотника) необходимы значительные усилия. Поэтому в системах автоматического управления, где сигналы управления, как правило, маломощные, для уменьшения сил управления и устранения облитерации дросселирующих щелей в золотниковых распределителях золотникам сообщают возвратно-поступа-

188

тельные или поворотные вибрационные колебания высокой частоты (более 50 Гц) с малой амплитудой (10 ... 100 мкм). Явления облитерации при этом не успевают возникать. Обеспечивается это с помощью механических вибраторов или электромеханическими средствами.

6.6.2. Струйные гидрораспределители

Примером струйного гидрораспределителя является гидрораспреде-

литель типа «струйная трубка», принципиальная схема которого представлена на рис. 6.29,а.

Рис. 6.29. Струйный гидрораспределитель типа «струйная трубка»: а) принципиальная схема; б) и в) примеры схем гидрораспределителей

смеханическим отклонением струи

Кструйной трубке 1, имеющей возможность поворачиваться на некоторый угол, подводится поток жидкости. В сливной полости размещена плата 4 с приемными окнами, к которым подключены гидролинии 2 и 3, связанные с гидродвигателем.

В струйной трубке энергия давления потока жидкости преобразуется в кинетическую энергию струи, которая затем при попадании жидкости в расширяющееся приемное окно платы 4, расположенное напротив струйной трубки, преобразуется опять в энергию давления. При повороте струйной трубки происходит перераспределение энергии жидкости между приемными окнами. В них возникает некоторый перепад давления, который и обеспечивает движение ведомого звена гидродвигателя. Чем больше угол поворота струйной трубки, тем больше перепад давления и тем больше скорость движения ведомого звена гидродвигателя.

189

Кдостоинствам гидрораспределителя «струйная трубка» относятся: малая чувствительность к загрязнению рабочей жидкости и незначительное влияние вязкости на его характеристики.

Кнедостаткам относятся: конструктивная и технологическая сложность подвода жидкости к поворачивающейся струйной трубке и возможность возникновения вибрации струйной трубки при некоторых значениях давления питания.

Разновидностью гидрораспределителя со струйной трубкой являются распределители с механическим отклонением струи. Их схемы представлены на рис. 6.29,б и в.

На рис. 6.29,б деление струи между приемными окнами осуществляется с помощью подвижного клина 1, который образуется поверхностями двух цилиндрических отверстий в подвижном элементе, просверленных под углом друг к другу.

Получило широкое распространение отклонение струи с помощью подвижного сходящегося насадка 1 (см. рис. 6.29,в). Эта конструкция упрощает и даже решает ряд вопросов, связанных с регулировкой гидрораспределителя.

6.6.3.Гидрораспределитель типа «сопло-заслонка»

Вгидрораспределителе типа «сопло-заслонка» распределение жид-

кости основано на принципах построения гидравлических делителей давления, в которых используются регулируемые и настраиваемые гидродроссели.

На практике широкое распространение получили одно- и двухдроссельные (по числу регулируемых гидродросселей) гидрораспределители типа «сопло-заслонка».

Схема простейшего однодроссельного гидрораспределителя «сопло-

заслонка» приведена на рис. 6.30,а. Гидрораспределитель состоит из постоянного гидродросселя 1, сопла 2 и заслонки 3. Поток жидкости с постоянным давлением подводится к гидродросселю 1. Гидролиния, соединяющая постоянный гидродроссель 1 и сопло 2, образует междроссельную камеру. К ней подключена гидролиния 4, связывающая гидрораспределитель

срабочей полостью гидродвигателя. При уменьшении расстояния между соплом и заслонкой за счет поворота заслонки (увеличения сопротивления регулируемого гидродросселя «сопло-заслонка» потоку жидкости) давление p в междроссельной камере увеличивается. Под действием силы от этого давления поршень гидроцилиндра 5 смещается вправо, преодолевая сопротивление пружины. При увеличении расстояния между соплом и заслонкой давление p в междроссельной камере уменьшается. Поршень гидроцилиндра 5 при этом под действием пружины будет двигаться влево до тех пор, пока сила пружины не уравновесится силой давления жидкости в левой полости гидродвигателя.

190