Напірні гідроклапани

Напірні гідроклапани призначені для обмеження тиску в потоках робочої рідини, що підводяться до них. На рисунку 6.1 наведені принципові схеми напірних клапанів прямої дії з кульковим, конусним, плунжерним і тарілчастим запірно-регулювальними елементами.

Клапан складається із запірно-регулювального елемента 1 (кульки, конуса й т.д.), пружини 2, натяг якої можна змінювати регулювальним гвинтом 3. Отвір 5 корпусу 4 з’єднується з лінією високого тиску, а отвір 6 – із лінією зливання. Частина корпусу, до котрої запірно-регулювальний елемент клапана дотикається, називається сідлом (посадковим місцем).

Рисунок 6.1 – Принципові схеми напірних клапанів із запірно-регулювальними елементами:

а – з кульковим; б – з конусним; в – із золотниковим; г – із тарілчастим

При установці клапана в гідросистему пружину 2 налаштовують так, щоб створюваний нею тиск був більший ніж робочий, тоді запірно-регулювальний елемент буде притиснутий до сідла, а лінія зливу – відділена від лінії високого тиску. При підвищенні тиску в потоці, що підводиться, понад регламентований запірно-регулювальний елемент клапана переміщується вгору, долаючи зусилля пружини, робочий прохідний перетин клапана відкривається, і гідролінія високого тиску з’єднується зі зливною. Уся робоча рідина йде через клапан на злив. Як тільки тиск у напірній гідролінії впаде, клапан закриється, і якщо причина, що викликала підвищення тиску, не буде усунута, процес повториться.

Виникає вібрація запірно-регулювального елемента, супроводжувана ударами по сідлу та коливаннями тиску в системі. Вібрація й удари можуть служити причиною зношування та втрати герметичності клапанів.

Для зменшення частоти коливань й сили удару клапана по сідлу застосовують спеціальні гідравлічні демпфери (рисунок 6.1, б, г). Пристрій складається з камери 7, у якій переміщується плунжер 8. Камера заповнена рідиною. З лінією зливу ця камера з’єднується тонким каліброваним отвором 9 діаметром 0,8...1 мм. При відкриванні клапана плунжер витісняє рідину з камери демпфера. Створюваний при цьому гідравлічний опір, пропорційний швидкості руху плунжера, зменшує частоту коливань, силу удару запірно-регулювального елемента й частково усуває його вібрацію.

Перевага клапанів прямої дії – висока швидкодія. Недолік – збільшення розмірів при підвищенні робочого тиску, а також нестабільність роботи.

При конструюванні напірних клапанів їхній габарит і масу можна зменшити, якщо застосувати диференціальні клапани або клапани непрямої дії.

Диференціальний клапан (рисунок 6.2) складається із плунжера 1, що має два паски діаметрами D і d, на які впливає рідина.

Рисунок 6.2 – Принципова схема диференціального клапана

Завдяки наявності пасків із різними діаметрами зменшується активна площа запірно-регулювального елемента клапана, на котру впливає рідина, і він виявляється частково розвантаженим. Це дозволяє зменшити розміри пружини та всього клапана в цілому. Початкова сила натягу пружини 2 визначається з рівняння

. (6.1)

Зі зменшенням різниці площ пасків хоча й зменшується зусилля пружини, але одночасно зменшується й співвідношення діючих на запірно-регулювальний елемент клапана сил тиску рідини та сил тертя цього елемента об корпус клапана. При певних співвідношеннях D і d ці сили можуть виявитися неспіврозмірними між собою й клапан перестане працювати. Тому в реальних конструкціях диференціальних клапанів приймають таке співвідношення:

. (6.2)

Недоліком диференціальних клапанів є стрибкоподібна зміна тиску й витрати через клапан у момент його відкриття. Тому величину ходу запірно-регулювального елемента клапана обмежують величиною

. (6.3)

Ще більшого зменшення розмірів пружини й усього клапана в цілому при одночасному підвищенні його герметичності можна досягти в клапанах непрямої дії (рисунок 6.3).

Клапан складається з основного запірно-регулювального елемента – золотника 1 східчастої форми; нерегульованої пружини 2 і допоміжного запірно-регулювального елемента 3 у вигляді кулькового клапана прямої дії. Зусилля пружини 4 кулькового клапана регулюється гвинтом 5. Порожнини 7 і 8 з’єднані з гідролінією 10 високого тиску каналами в корпусі клапана. Порожнина 6 з’єднана з порожниною 8 капілярним

а	б

Рисунок 6.3 – Напірний клапан непрямої дії:

а – принципова схема; б – умовне позначення

каналом 9 у золотнику. Пружина кулькового клапана 3 настроюється на тиск P_К (на 10 – 20% більший від максимального робочого в гідросистемі).

Якщо при роботі машини тиск у гідросистемі p_Н < p_К, кульковий клапан закритий, у порожнинах 6, 7, 8 установлюється однаковий тиск P_Н, золотник 1 під впливом пружини 2 займає крайнє нижнє положення, а гідролінія високого тиску 10 відділена від гідролінії зливу 11 (положення клапана відповідає зображеному на рисунку 6.3). Зміна тиску в гідросистемі викликає зміни тиску в порожнинах 6, 7, 8 клапана. У той момент, коли тиск p_Н перевищить p_К, кульковий клапан 3 відкриється й через нього рідина в невеликій кількості почне надходити на злив. У капілярному каналі золотника створюється плин рідини із втратою тиску на подолання гідравлічних опорів. Унаслідок цього тиск рідини в порожнині 6 стане меншим від тиску в порожнинах 7 і 8. Під дією перепаду тисків, що утворився, золотник 1 переміститься нагору, стискаючи пружину й з’єднуючи лінію 10 з лінією 11. Робоча рідина буде надходити на злив, і перевантаження гідросистеми не відбудеться. Однак як тільки лінія високого тиску з’єднається зі зливом, тиск рідини в гідросистемі зменшиться до p_Н < p_К, кульковий клапан закриється й плин рідини по капілярному каналу припиниться. Тиск у порожнинах 6, 7 і 8 вирівняється й під впливом пружини 2 золотник вернеться у вихідне положення, знову відокремивши лінію високого тиску від зливу. Якщо причина, що викликала підвищення тиску в гідросистемі, не буде усунута, процес повториться, і золотник встановиться на певній висоті, при якій тиск у гідросистемі буде підтримуватися постійним.

Коли клапан перебуває в роботі, золотник робить коливальні рухи. Зменшенню коливань золотника сприяє порожнина 7, що виконує функцію демпфера.

Для розвантаження системи або якої-небудь її ділянки клапани непрямої дії можуть керуватися дистанційно. Для цього порожнину 6 за допомогою каналу 12 і крана 13 необхідно з’єднати зі зливом. У результаті тиск у порожнині 6 різко впаде, золотник 1 підніметься вгору, а лінія високого тиску 10 з’єднається зі зливом 11.

Порівняно із клапанами прямої дії клапани непрямої дії мають низку переваг:

1. Плавність і безшумність роботи.

2. Підвищена чутливість.

3. Тиск на вході в клапан підтримується постійним і не залежить від витрати робочої рідини через клапан.

Редукційні клапани

Редукційним називають гідроклапан тиску, призначений для підтримки в потоці робочої рідини, що відводиться від нього, більш низького тиску, ніж у потоці, який підводиться. У гідроприводах знаходять застосування в основному два типи редукційних клапанів.

Перший тип клапанів забезпечує встановлене співвідношення між тисками на вході й виході з клапана.

Редукційний клапан (рисунок 6.4) складається із запірно-регулювального елемента – плунжера 1, притиснутого до сідла пружиною 2, сила натягу якої регулюється гвинтом 3. Отвір 4 корпусу з’єднується

а	б

Рисунок 6.4 – Редукційний клапан:

а – принципова схема; б – умовне позначення

з гідролінією високого тиску, а отвір 5 – з гідролінією низького тиску. У вихідному положенні клапан притиснутий до сідла, а вхід клапана відділений від виходу. При підвищенні тиску P₁ плунжер піднімається й гідролінія високого тиску з’єднується з гідролінією низького тиску. Чим більший тиск p₁, тим більше відкривається прохідний перетин клапана й тим більшим стає тиск p₂.

Таким чином, тиск p₂ залежить від тиску на вході клапана, від початкової сили натягу p_пр і жорсткості пружини c

. (6.4)

Другий тип редукційного клапана підтримує постійний редукційний тиск на виході незалежно від коливання тиску в потоках робочої рідини, що підводиться та відводиться. Такі редукційні клапани можуть бути прямої й непрямої дії.

Розглянемо роботу редукційного клапана непрямої дії (рисунок 6.5). Клапан складається з основного запірно-регулювального елемента – золотника 1 східчастої форми, навантаженого нерегульованою пружиною 2 з малою жорсткістю, і допоміжного запірно-регулювального елемента 5 у вигляді кулькового клапана. Силу натягу пружини 4 кулькового клапана можна змінювати гвинтом 3. У корпусі клапана є канали, що з’єднують порожнини 7 і 8 з виходом, а в золотнику 1 – капілярний канал 9, який з’єднує порожнину 6 із порожниною 8, а через останню й з виходом клапана.

Рисунок 6.5 – Принципова схема редукційного клапана непрямої дії

Якщо пружина 4 налаштована на тиск більший, ніж тиск p₁ на вході клапана, то золотник 1 займає вихідне положення (показане на рисунку 6.5). У цьому випадку в порожнинах 6, 7 і 8 буде однаковий тиск, рівний p₁, порожнина 10 з’єднана з порожниною 11, а рідина вільно протікатиме через клапан. Редуціювання тиску при цьому не відбувається. При налаштуванні пружини 4 на тиск p₂ < p₁ кульковий клапан відкриється й рідина в невеликій кількості з порожнини 6 буде надходити на злив. У капілярному каналі 9 золотника створюється плин рідини із втратою в ньому тиску на подолання гідравлічних опорів. У результаті тиск у порожнині 6 упаде й золотник підніметься вгору, зменшивши площу живого перетину між порожнинами 10 та 11.

Це у свою чергу викличе зниження тиску в порожнинах 11, 8 і 7, опускання золотника й збільшення площі живого перетину між порожнинами 10 та 11. Процес повториться знову, і золотник, роблячи коливальні рухи, установиться на певній висоті. Усяка зміна тиску на вході або виході клапана викликає відповідне переміщення золотника. В остаточному підсумку за рахунок зміни дроселювання тиск на виході клапана підтримується постійним. У цьому клапані порожнина 7 і вузький канал, що з’єднує порожнину з виходом клапана, впливають на золотник, зменшуючи його коливання.