Предохранительные клапаны. Переливные клапаны. Редукционные клапаны.
Указания к теме 8.3.
Регуляторы давления по назначению делятся на следующие клапаны: предохранительные, переливные, редукционные, разности давления и соотношения.
Предохранительные клапаны.
Предохранительный клапан предназначен для ограничения давления в месте его подключения. При повышении давления до настроечного предохранительный клапан срабатывает и сбрасывает часть жидкости из гидравлической системы. Последнее при водит к уменьшению давления и, как правило, закрытию клапана.
Это определяет режим его работы, который является эпизодическим.
В зависимости от конструкции запорного элемента клапаны делятся на шариковые, конические, тарельчатые, плунжерные, мембранные и золотниковые. Принципиальные схемы первых трех не отличаются от приведенных на рис. 8.5 (у предохранительных будут меньшими сечения проходных каналов). Схемы остальных предохранительных клапанов приведены на рис. 8.7, а, б, в. на рис. 8.7, г показано условное обозначение клапана на гидра-влических схемах.
Запорный элемент клапана в закрытом положении находится в равновесии под действием сил давления жидкости и реакции
седла с одной стороны и силы сжатия пружины — с другой. При достижении предельного (настроечного) давления в жидкости пружина сожмется, запорный элемент поднимется над седлом и через образовавшуюся щель начнет протекать рабочая жидкость. Чем больше давление жидкости перед клапаном, тем больше площадь проходного сечения между седлом и запорным элементом, тем больше расход через клапан.
На рис. 8.8, а показана принципиальная схема включения предохранительного клапана, на рис. 8.8, б — характеристики давления клапана рК,, насоса рН и внешней гидросети рс. Территориально предохранительный клапан устанавливается на насосе или сразу за ним. Это уменьшает повышенные давления в гидроприводе при срабатывании клапана.
Как было показано выше, рабочий режим насоса определяется точкой пересечения характеристик давления насоса рН =ƒ(Q) и внешней гидросети рс = рд + pgaQm . При повышении давления у насоса (чаще всего за счет увеличения рд) до величины настройки предохранительного клапана рк.0 (см. рис.8.8, б) последний сработает и начнет пропускать жидкость. Это приведет к появлению в гидроприводе параллельного с гидродвигателем участка сети клапана с характеристикой рк = ƒ (Q). Последняя представляет собой квадратическую параболу с вершиной на оси ординат при давлении срабатывания р.к.0.
Суммарная характеристика параллельного разветвления рс + + рк изменит ранее существовавший рабочий режим насоса и он будет определяться точкой 3 (при несрабатывании клапана он бы определялся точкой 2). Как видно из рис. 8.8, б, это приведет к уменьшению давления насоса и появлению утечки ∆QK через клапан. Расход в гидролинии с гидродвигателем уменьшится до величины QД.
Как известно, потери давления в параллельно включенных участках гидросети одинаковы. Поэтому давление у насоса будет определяться потерями давления в предохранительном клапане. В свою очередь эта величина прямо пропорциональна суммарному сопротивлению проточной части клапана и его дренажной гидролинии. Чем больше величина этого сопротивления, тем круче характеристика клапана рк = f (Q) и тем больше может повыситься давление в гидроприводе при срабатывании клапана. На рис. 8.8, б максимальное давление определяется точкой 1. Очевидно, что с позиций защиты гидропривода от чрезмерно высоких давлений характеристика предохранительного клапана будет тем благоприятнее, чем меньше суммарное сопротивление его проточной части и дренажной гидролинии, т. е. чем положе характеристика рк .= ƒ(Q).
Следует отметить, что с изменением давления жидкости у клапана при его срабатывании меняется и площадь проходного сечения между седлом и запорным элементом, а следовательно, и сопротивление клапана. Естественно, что при этом будет несколько изменяться и кривизна характеристики клапана. На рис. 8.8, б кривой рк=ƒ(Q) показана характеристика при полном открывании клапана.
У исправного предохранительного клапана до его срабатывания во всех точках поверхности соприкосновения седла с запорным элементом должен быть хороший контакт. При отсутствии такого контакта клапан начнет пропускать жидкость при давлении, меньшем величины рК.0, т. е. становится негерметичным. Характеристика такого клапана показана на рис. 8.8, б пунктирной криво р’к=ƒ(Q). Характеристика эта не является стабильной, так как с увеличением давления жидкости зазор между седлом и запорным элементом будет увеличиваться, сопротивление клапана уменьшаться, а кривая р’ k = f (Q) приближаться к кривой рк = ƒ(Q). Разумеется, что с появлением утечек через клапан до его срабатывания начнет изменяться рабочий режим насоса, а следовательно, и гидродвигателя. Поэтому часто такая работа клапана является недопустимой для гидропривода.
Рассмотренная выше работа предохранительного клапана является упрощенной, а характеристики — статическими. Действительный, динамический процесс в момент срабатывания клапана значительно сложнее. Он заключается в следующем.
Вследствие наличия сил трения в подвижных элементах клапана (запорный элемент, пружина и др.) и их инерционности, в момент срабатывания клапана сила, приложенная со стороны жидкости к запорному элементу, будет больше силы сжатия пружины. С прекращением подъема над седлом запорного элемента исчезают приложенные к нему и направленные против перемещения силы трения и инерции и избыточная сила со стороны пружины начинает приближать запорный элемент к седлу. Этому благоприятствует уменьшение давления на запорный элемент со стороны жидкости в образовавшейся щели между ним и седлом. Последнее объясняется значительными скоростями движения жидкости в щели (до 15—20 м/с), что, согласно уравнению Бернулли, приводит к уменьшению давления. Сила, действующая со стороны жидкости на запорный элемент, может уменьшиться в такой мере, что это приведет к закрыванию клапана.
Если причина, вызвавшая срабатывание предохранительного клапана, к тому времени не исчезла, то повышенное давление вновь приведет к кратковременному открыванию клапана и т. д. В гидравлической системе возникнут незатухающие колебания, Которые будут неблагоприятно сказываться не только на самом Клапане, но и на всех ее составных элементах. Амплитуда колебаний будет тем больше, чем больше жесткость пружины и давление жидкости, чем меньше коэффициент сопротивления запорного элемента и чем больше длина щели между седлом и запорным элементом. Причем влияние последних двух факторов является довольно сильным. Так, у тарельчатых клапанов (см. рис. 8.5, в) из-за значительного коэффициента сопротивления напорного элемента и некоторого увеличения его миделевого сечения после открывания клапана сила, действующая со стороны жидкости на элемент, как правило, не уменьшается, и колебания быстро затухают. У шариковых и конических клапанов (см. рис. 8.5, а, б), несмотря на некоторое увеличение миделевого сечения запорного элемента, сила, действующая на него со стороны жидкости, как правило, уменьшается из-за малого коэффициента сопротивления, и клапан закрывается. Если причина, вызвавшая срабатывание клапана, не исчезла, то в этом случае возникнут колебания.
При негерметичном клапане из-за нестабильности статической характеристики вероятность появления незатухающих колебаний увеличивается.
Исходя из вышесказанного, можно перечислить следующие основные требования, предъявляемые к нормальной работе клапана:
высокая герметичность (даже при давлениях, близких к срабатыванию);
достаточная пропускная способность во время срабатывания; отсутствие вибраций запорного элемента при срабатывании. Первые два требования особенно важны для предохранительных клапанов стоек гидрокрепей, работающих в особо тяжелых условиях. Так, при невыполнении первого требования с повышением нагрузки на стойку она перестанет выполнять свои функции — поддерживать кровлю горной выработки. При невыполнении второго требования стойка может разрушиться, особенно при воздействии на нее горного удара.
Вышеперечисленные требования обязательно учитываются при разработке конструкций клапанов. Например, у золотниковых (см. рис. 8.7, б) и особенно плунжерных (см. рис. 8.7, а) клапанов колебательные явления почти не возникают, так как уменьшение давления жидкости в щели при открывании клапана почти не вызывает изменения сил на запорном элементе. Однако золотниковые клапаны негерметичны и поэтому при высоких давлениях почти не применяются. В шахтных гидравлических крепях, где давления жидкости достигают 40—60 МПа, с целью герметизации гидросистем часто используют шариковые и конические клапаны. Для устранения колебаний в этих случаях применяют специальные устройства.
На рис. 8.9, а приведена конструкция клапана гидравлической стойки типа ГС. В этом клапане шарик 3 посажен в расточку державки 2, которая может перемещаться во втулке 1 только в осевом направлении и, следовательно, препятствует боковым перемещениям шарика. После поднятия шарика резкого падения давления под ним не происходит, так как жидкость сбрасывается через дроссельное отверстие 4, в котором возникают дополнительные потери давления. Уплотнение поверхностей сопряжения седла 5 и корпуса 7 клапана обеспечивается кольцом 6.
Рассмотренный клапан может работать только на масле, имеет малую пропускную способность (из-за сопротивления дросселя 4) и не герметичен при давлениях, близких к настроечному.
На рис. 8.9, б приведен клапан КГУ-3, который может работать как на масле, так и на эмульсии. Клапан состоит из корпуса 12, седла 11 с дросселем 10 и втулкой 9, кольца 8, эластичной мембраны 7, манжеты 5, пружины 4, зарядного клапана 1, уплотнения 2 и корпуса газовой камеры 3. В клапане вместо пружины применена газовая подушка. Газообразный азот с помощью специального зарядного устройства нагнетается в корпус 3 через клапан 1 и там герметизируется. При превышении давления рабочей жидкости в полости стойки крепи мембрана 7 отжимается и жидкость поступает на слив через кольцевые и торцевые щели между седлом 11, втулкой 9 и дросселем 10. Отверстие 6 предназначено для выпуска сжатого газа при разборке клапана.
В клапане КГУ-3 не возникают колебания из-за малой жесткости сжатого газа. Клапан имеет достаточную пропускную способность и сравнительно малый износ контактной пары.
Наиболее распространенным в настоящее время является клапан ЭКП, предназначенный для работы на эмульсии (рис. 8.9, в). В проточной части корпуса 8 помещено подвижное седло 5, проходное отверстие в котором закрыто запорным элементом 6, поджимаемым давлением жидкости и пружиной 7. По мере увеличения давления жидкости седло 5 вместе с запорным элементом перемещается вверх, сжимая тарельчатую пружину 1. При этом увеличивается контактное давление в паре: седло — запорный элемент. После перемещения этой пары на величину δ движение запорного элемента 6 прекращается, а седло, продолжая двигаться, откроет доступ жидкости под тарельчатый запорный элемент 2. При этом произойдет четкое открывание клапана, так как сила, действующая на запорный элемент 2, будет значительной вследствие большой поверхности его соприкосновений с жидкостью высокого давления. Уплотнительное кольцо 4. одновременно является демпфером седла 5, что исключает необходимость в дросселе. Клапан выполняет также и функцию обратного в случае возникновения в сливной магистрали гидрокрепи высоких давлений. Шарик 3 предназначен только для центрирования запорного элемента 2 и передачи усилия от пружины 1 к седлу 5 и не является запорным элементом, так как в торце седла под шариком имеется канавка, обеспечивающая доступ жидкости к запорному элементу 2.
Часто в системах гидроавтоматики применяют реле давления, по принципу действия которые отличаются от предохранительных клапанов только тем, что вместо сброса жидкости при настроечном давлении выдается сигнал в систему автоматического управления или телеконтроля.
Переливные клапаны.
Переливной клапан предназначен для поддержания заданного давления в месте его подключения за счет непрерывного слива рабочей жидкости. Принципиально переливной клапан отличается от предохранительного только постоянством своего действия, что предъявляет к его конструкции ряд требований:
скорость жидкости, протекающей через клапан, должна быть сравнительно небольшой (не более 5—8 м/с);
запорный элемент не должен подвергаться колебательным явлениям;
пропускная способность клапана должна быть значительной (в пределе равной подаче насоса).
Обычно запорным элементом переливного клапана является золотник (см. рис. 8.7, б).
Так как усилие пружины определяется давлением жидкости и размерами проходного отверстия седла, то при больших расходах и давлениях пружина может оказаться весьма жесткой. При этом клапан становится менее чувствительным к изменению давления в гидросистеме. Поэтому для увеличения чувствительности клапана и повышения стабильности давления в гидросистеме золотник делают дифференциальным или к основному клапану пристраивают вспомогательный.
У клапана с дифференциальным золотником усилие предварительного сжатия пружины уменьшается за счет частичного уравновешивания золотника силами давления жидкости, действующими с разных сторон на торцы золотника. Для исключения колебаний запорнорегулирующего элемента в канале, соединяющем торцы золотника, устанавливается дроссель постоянного сопротивления.
В двухступенчатом клапане давление рабочей жидкости воздействует на небольшой (обычно шариковый) вспомогательный клапан. Вследствие малых размеров последнего усилие предварительного сжатия пружины также невелико. Поэтому вспомогательный клапан выполняет роль чувствительного элемента, а основной (обычно золотникового типа) — роль гидродвигателя, который регулирует давление потока большой мощности. Разумеется, такой двухступенчатый переливной клапан является непрямодействующим.
В гидроприводе горных машин переливные клапаны нашли применение в забойном оборудовании.
Редукционные клапаны.
Редукционный клапан предназначен для поддержания заданного более низкого давления рабочей жидкости в отводимом от него потоке по сравнению с давлением в подводимом к нему потоке. Редукционный клапан, как и переливной, при работе нормально открыт и отличается от него тем, что поддерживает постоянное давление жидкости после себя по потоку, в то время как переливной — до себя.
На рис. 8.10, а приведена схема клапана, предназначенного для больших перепадов давления. Гидролинией 1 к запорному элементу 2, выполненному в виде дифференциального золотника, подводится жидкость высокого давления p 1 а по гидролинии 4 отводится жидкость с пониженным давлением р2. Если давление и полости 3 снизится, то оно снизится и в полости 7, и сила давления жидкости, действующая на запорный элемент 2 снизу, окажется больше суммарного усилия пружины 8 и силы давления, действующей на запорный элемент сверху. Последний приподнимается вверх, уменьшится сопротивление щели между седлом и запорным элементом и давление в полости 3 повысится. При повышении давления в полости 3 произойдет обратное явление. Величина редуцированного давления регулируется с помощью винта 10. Для устранения колебаний запорного элемента в соединительную трубку 6 вставлена втулка 9 с капиллярным отверстием. Полость 5 соединена с линией слива.
Редукционный клапан несколько иной конструкции приведен на рис. 8.10, б. Гидролинией 10 подводится жидкость высокого давления рг в полость 3. Гидролиния 2 отводит жидкость с редуцированным давлением /?2. Если давление в полости 1 понизится, то под действием пружины 6 запорный элемент 4 переместится вниз, уменьшится сопротивление щели между седлом и запорным элементом и давление в полости 1 повысится. При повышении редуцированного давления процесс регулирования будет протекать в обратном порядке.
Регулирование редуцированного давления осуществляется с помощью винта 7. Жидкость, проникающая в полость 5, отводится на слив по трубке 9 с капилляром 8.
На рис. 8.10, в показано условное обозначение редукционного клапана на гидравлических схемах.
Редукционные клапаны применяются в схемах с несколькими потребителями, питающимися от одного насоса, но требующими разных давлений. Примером является гидравлическая схема маслоснабжения турбокомпрессоров ТК-250 и ТК-500, где от одного рабочего насоса осуществляется и принудительная смазка подшипников (давление 0,05—0,1 МПа), и управление регулятором подачи компрессора и антипомпажной защиты (давление 0,4—0,5 МПа).
Вопросы для самопроверки.
1. Что такое регулятор давления?
2. Что такое предохранительный клапан? Для чего он служит?
3. Описать работу предохранительного клапана.
4. Что такое переливной клапан? Для чего он служит?
5. Что такое редукционный клапан? Для чего он служит?
Литература: 2, 3
6.
Тема 8.4. Гидролинии.
Гидролинии предназначены для прохождения рабочей жидкости в процессе работы гидропривода. В общем случае гидролиния состоит из всасывающей, напорной и сливной. Кроме того, в гидроприводе часто имеются гидролинии управления и дренажная.
Всасывающая линия служит для подведения рабочей жидкости к насосу либо из бака, либо от распределителя, либо непосредственно от гидродвигателя.
Часть линии, по которой рабочая жидкость движется от насоса, гидроаккумулятора или гидромагистрали к гидродвигателю, называется напорной.
Сливная линия предназначена для слива рабочей жидкости в бак. В системах с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости этот участок линии отсутствует.
Гидролиния, по которой отводятся утечки рабочей жидкости, называется дренажной.
Гидролиния управления предназначена для подвода жидкости к гидроаппаратам гидропривода (предохранительным и переливным клапанам и т. п.).
Все гидролинии могут выполняться из жестких металлических труб с неподвижными или подвижными их соединениями или из гибких рукавов — шлангов. В качестве металлических рекомендуется применять стальные бесшовные холоднодеформированные и горячедеформированные трубы. Гибкие рукава применяют из резины с металлической или нитяной оплетками. Использование медных труб нежелательно, так как они способствуют старению масла. Соединение труб чаще всего осуществляется с помощью специальных муфт с резиновыми уплотнениями, муфт-угольников, тройников и т. п.
На гидравлических схемах всасывающая, напорная и сливная гидролинии показываются толстыми сплошными линиями; линии управления — сплошными тонкими; дренажные — штриховыми линиями.
Вопросы для самопроверки.
1. Что такое гидролиния?
2. Виды гидролиний.
Литература: 2, 3
Дата: 2018-12-28, просмотров: 328.
