Регулирующие гидроклапаны

К регулирующим гидроклапанам, применяемым в гидроприводе, относятся предохранительные и редукционные. Кроме того, в системах гидроавтоматики применяются регулирующие гидроклапаны специального назначения, такие как гидроклапаны выдержки времени, делители потока, гидроклапаны разности давлений и т.п.

Для ограничения и поддержки давления в гидролиниях путем непрерывного или эпизодического слива рабочей жидкости служат предохранительные клапаны.

Предохранительными клапанаминазываются гидроклапаны, предназначенные для предохранения объемного гидропривода от давления, превышающего установленное, путем слива жидкости в моменты увеличения этого давления.

Схема простейшего предохранительного клапана прямого действия приведена на рисунке 6.11 а. В корпусе 2 имеются два отверстия: сквозное – для подсоединения клапана к гидролинии, в которой требуется обеспечить ограничение давления, и отверстие для подсоединения к сливной гидролинии. В корпусе размещены запорно-регулирующий элемент 1, пружина 4, опора 5 и регулировочный винт 3.

Рисунок 6.11 – Предохраниетльные гидроклапаны прямого (а, б, в) и непрямого (г) действия и их условные обозначения (д, е)

В качестве запорно-регулирующего элемента 1 служит шарик, который под действием усилия пружины 4 садится в гнездо и закрывает рабочее окно клапана. При повышении давления в защищаемой клапаном гидролинии на шарик будет действовать усилие, развиваемое пружиной, шарик отойдет от седла и пропустит часть жидкости на слив, ограничивая подводимое давление. С увеличением расхода через клапан на слив Q_сл будет увеличиваться отжим шарика и, следовательно, сжатие пружины. Поэтому с увеличением расхода Q_сл будет увеличиваться и давление в защищаемой гидролинии.

Несмотря на простоту такие предохранительные клапаны имеют ряд недостатков. Один из них – неустойчивая работа клапана при малых расходах на слив. В этом случае шарик, не имеющий специальных направляющих, совершает колебания в направлении, перпендикулярном к оси гнезда, и разбивает гнездо. Поэтому такие напорные клапаны применяются в качестве предохранительных в системах низкого давления, когда клапан работает эпизодически.

В качестве переливных клапанов по этой причине применяются, как правило, клапаны с золотниковым распределителем или так называемые плунжерные клапаны, схема одного из которых приведена на рисунке 6.11 б.

В обоих случаях давление в напорной гидролинии устанавливается с помощью регулировочных винтов, обеспечивающих требуемый натяг пружин.

Недостаточный контакт запорно-регулирующего элемента с седлом при давлениях, близких к давлению настройки клапана, схема которого приведена на рисунке 6.11 а, отсутствует в напорных клапанах с индикаторным стержнем.

На рисунке 6.11 в приведена одна из возможных схем напорного клапана с индикаторным стержнем, на основе которой разрабатываются клапаны на давления до 50 МПа. Он состоит из запорно-регулирующего элемента (шарика) 1, поджимающей его пружины 6, поршня 5 с центральным отверстием, силовой пружины 3 и индикаторного стержня 4, закрепленного в корпусе 2.

При повышении давления в напорной гидролинии шарик 1 вместе с поршнем 5 начнет опускаться, преодолевая усилие пружины 3. При этом контакт шарика и седла будет увеличиваться. Отрыв шарика от седла произойдет тогда, когда шарик, опускаясь, сядет на торец индикаторного стержня и четко откроет проходное рабочее окно клапана.

Условное изображение предохранительного клапана прямого действия показано на рисунке 6.11 г.

Редукционными клапанами называются гидроклапаны, предназначенные для уменьшения давления в гидролинии, отводимой от основной линии, и поддержания этого давления или перепада давлений на постоянном уровне.

Редукционные гидроклапаны используются в случаях, когда к гидролинии, давление в которой выше, чем нужно потребителю, подключается один или несколько потребителей, рассчитанных на разное давление питания. Редукционные клапаны применяются также для уменьшения и стабилизации давления питания в предварительных каскадах усиления гидравлических усилителей, а также для обеспечения постоянного перепада давления на регулируемых дросселях регуляторов потока.

Схема редукционного клапана прямого действия приведена на рисунке 6.12 а. Его запорно-регулирующим элементом служит однощелевой золотник 1. В корпусе 2 клапана расположены также пружина 3 с опорами и регулировочный винт 4, обеспечивающий необходимую степень сжатия пружины 3. Давление напора р_н, подводимое к рабочей полости золотника 1, не оказывает на него силового воздействия в осевом направлении, так как эффективные площади буртов золотника равны. Основными осевыми силами, действующими на золотник клапана, являются: сила пружины; сила, обусловленная давлением на выходе клапана, и сила, обусловленная давлением в сливной гидролинии.

а) б)

Рисунок 6.12 – Схема редукционного клапана

Очевидно, что положение золотника 1, благодаря пружине 3, будет определяться величиной разности редуцируемого давления р_ред и давления слива р_сл. С увеличением этой разности золотник будет прикрывать рабочее окно клапана, уменьшая подачу жидкости на выходе клапана, что приведет к уменьшению разности перепада давления на клапане до величины, на которую настроен редукционный клапан. Если же вследствие увеличения расхода на выходе редукционного клапана давление р_ред, уменьшится, то под действием усилия пружины 3 золотник 1 приоткроет рабочее окно клапана, и редуцируемое давление восстановится.

Делители потока предназначены для разделения одного потока жидкости на два или более потоков и поддержания расходов в разделенных потоках в определенном соотношении.

На рисунке 6.13 а и б приведены две схемы делителей потоков, которые отличаются числом дросселирующих элементов, участвующих в разделении и поддержании требуемого соотношения разделенных потоков.

На рисунке 6.13 а приведена схема делителя потоков с клапанными запорно-регулирующими элементами. Он состоит из блока подвижных сопл 2, способного перемещаться в осевом направлении относительно корпуса 3, и двух упоров-заслонок 1 и 4. Положение блока сопл 2 определяется перепадом давления на его торцах. В случае увеличения давления на одном из торцов блока сопл, что соответствует уменьшению расхода, проходящего через сопло, принадлежащее этому торцу, блок сопл сместится в сторону и уменьшит противоположный зазор между соплом и заслонкой, что приведет к уменьшению расхода в другой гидролинии.

Рисунок 6.13 – Схемы делителей потоков

Из-за квадратичной зависимости между расходами и перепадами давления в зазорах регулируемых дросселей, а также нелинейной зависимости коэффициентов расхода в этих дросселях точность деления потока в таком делителе невысокая. Поэтому область его применения распространяется на случаи, когда к точности соотношения разделяемых потоков не предъявляются высокие требования.

Для разделения потоков на два неравных потока необходимо диаметры соответствующих сопл выполнить в отношении, которое требуется от соотношения разделяемых потоков.

В тех случаях, когда к разделяемым потокам предъявляются высокие требования по точности соотношения, применяют делители потока, схема одного из которых приведена на рисунке 6.13 б. Он состоит из двухщелевого золотникового распределителя 3 и двух постоянных дросселей 1 и 2, которые монтируются обычно в корпусе 4. При изменении одного из разделяемых потоков в торцовой полости золотникового распределителя 3 изменяется и давление в этой полости. Золотник 3 при этом перемещается в сторону торца с меньшим давлением, выравнивая эти давления с высокой точностью, достигающей 2…3 %. Равенство расходов в разделяемых гидролиниях объясняется равенством перепадов давлений на постоянных дросселях 1 и 2. Ошибка в соотношении разделяемых потоков объясняется наличием контактного трения в золотнике 3 и отличием реальных характеристик постоянных дросселей.

Для получения постоянного соотношения двух неравных потоков необходимо установить постоянные дроссели с разным гидравлическим сопротивлением в отношении, равном требуемому соотношению разделяемых потоков.

6.2.3 Гидрораспределители

Гидрораспределитель – это гидроаппарат, обеспечивающий изменение направления потока рабочей жидкости в двух или более гидролиниях в зависимости от наличия внешнего управляющего воздействия.

Гидрораспределители бывают направляющими и дросселирующими.

Направляющим называется гидрораспределитель, обеспечивающий перекрытие или изменение направления потока жидкости за счет полного открытия или полного перекрытия соответствующих проходных сечений.

Гидрораспределители подразделяются:

– по конструкции запорно-регулирующего элемента: золотниковые, крановые и клапанные;

– по числу внешних гидролиний: двухлинейные, трехлинейные и т.д.;

– по числу характерных позиций запорно-регулирующего элемента: двухпозиционные, трехпозиционные и т.д.;

– по виду управления: на распределители с ручным, механическим, электрическим, гидравлическим и комбинированным управлением;

– по числу запорно-регулирующих элементов: на одноступенчатые, двухступенчатые и т.д.

В условном обозначении гидрораспределителя (рисунок 6.14) указывают число его позиций (I, II), внешние гидролинии (А, В, Р, Т), подводимые к распределителю, их соединение, а также способ управления.

Число позиций изображают соответствующим числом квадратов (прямоугольников). Проходы изображают прямыми линиями со стрелками, показывающими направление потоков рабочей жидкости в каждой позиции, а места соединений проходов выделяют точками; закрытый проход изображают тупиковой линией с поперечной черточкой. Внешние гидролинии подводят только к исходной позиции. Способ управления распределителем указывают знаками, примыкающими к торцам обозначения распределителя.

Рисунок 6.14 – Условные обозначения направляющих гидрораспределителей:

а – двухлинейный двухпозиционный (2/2) с ручным управлением; б – двухлинейный двухпозиционный (2/2) с гидравлическим управлением; в – трехлинейный двухпозиционный (3/2) с управлением от кулачка; г – четырехлинейный трехпозиционный (4/3) с электромагнитным управлением

Чтобы представить действие гидрораспределителя в некоторой рабочей позиции, необходимо мысленно передвинуть соответствующий этой позиции квадрат обозначения на место квадрата исходной позиции, оставляя линии связи в прежнем положении. Тогда истинные направления потока рабочей жидкости укажут стрелки, имеющиеся в этом квадрате.

Условные обозначения едины для золотниковых, крановых и клапанных гидрораспределителей, т.е. условное обозначение не отражает конструкцию их запорно-регулирующих элементов.

Кроме графических обозначений гидрораспределителей приводят также их цифровые обозначения в виде дроби: в числителе указывают число подведенных к гидрораспределителю внешних гидролиний, в знаменателе – число его рабочих (характерных) позиций. Например, четырехлинейный трехпозиционный гидрораспределитель обозначают дробью 4/3 (см. рисунок 6.14 г).

Запорно-регулирующие элементы (золотник, кран, клапан) в направляющих гидрораспределителях всегда занимают фиксированные позиции по принципу «полностью открыто» или «полностью закрыто». Поэтому направляющий гидрораспределитель практически не влияет на давление и расход потока рабочей жидкости, проходящей через него.

На рисунке 6.15 а показана конструктивная схема золотникового гидрораспределителя 4/3 типа ПГ74-24М с ручным управлением. Распределитель состоит из корпуса 7, цилиндрического золотника 8, рукоятки 4 с осью 3 и пальцем 2, крышек 1 и 9 и уплотнений.

В центральном отверстии корпуса 9 выполнены пять кольцевых расточек, образующих полости Т₁, А, Р, В и Т₂, которые сообщаются каналами с входными отверстиями. Полости Т₁ и Т₂ (сливные) соединены каналом Д. Золотник 8, располагающийся в центральном отверстии корпуса 7, имеет три цилиндрических пояска, которые перекрывают соответствующие цилиндрические расточки корпуса. Каналами, выполненными в корпусе 7 и крышках 1 и 9, торцовые полости распределителя соединены с дренажной гидролинией. Шарик 5 пружиной 6 прижимается к втулке 10, обеспечивая фиксацию золотника в рабочих позициях.

Рисунок 6.15 – Направляющий золотниковый гидрораспределитель

4/3 типа ПГ74-24М с ручным управлением: 1, 9 – крышки корпуса; 2 – палец; 3 – ось; 4 – рукоятка; 5 – шарик; 6 – пружина; 7 – корпус; 8 – золотник; 10 – втулка

а –в исходной (нейтральной) позиции; б –при сдвиге золотника вправо;

в –условное обозначение гидрораспределителя с подключенным гидроцилиндром

Принцип работы распределителя следующий. В исходной позиции (ей соответствует средний квадрат условного обозначения, показанного на рисунке 6.15 в) все проходные сечения в гидрораспределителе перекрыты. При смещении золотника, например, вправо (рисунок 6.15 б)в позицию I (при этом левый квадрат на рисунке 2.14в как бы передвигается на место среднего), напорная полость Р распределителя соединяется с полостью А и поток жидкости под дав­лением поступает на выход распределителя и далее, например, в левую полость гидроцилиндра Ц (см. рисунок 6.15 в). При этом полость В распределителя, а значит и правая полость гидроцилиндра Ц, через золотник соединяется с полостью Т₂, т.е. со сливом. При смещении золотника из нейтральной позиции влево, т.е. при переключении гидрораспределителя в позицию II (см. рисунок 6.15 в),направление потока жидкости изменяется: полость Р (см. рисунок 6.15 а) соединяется с полостью В, аполость А – с полостью Т₁.

Основным недостатком гидрораспределителя с цилиндрическим золотником является наличие утечек жидкости через диаметральный зазор между корпусом (гильзой) и золотником.