3.3. Гидравлические клапаны давления

3. ГИДРОАППАРАТУРА

 

3.3. Гидравлические клапаны давления

 

Гидравлические клапаны (гидроклапаны) давления – регулирующие гидроаппараты – предназначены для управления давлением рабочей жидкости в гидроприводе.

К гидравлическим клапанам давления относятся напорные (предохранительные и переливные), редукционные клапаны, клапаны разности давления и другие.

Гидроклапаны давления, предназначенные для регулирования давления рабочей жидкости, подразделяют по следующим признакам:

- по назначению – напорные, редукционные, разности давлений и соотношения давлений;

- по воздействию потока на запорно-регулирующий элемент – клапаны прямого и непрямого действия.

В клапанах прямого действия рабочее проходное сечение изменяется в результате непосредственного воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент. И увеличение номинального давления приводит к значительному увеличению размеров пружин клапанов прямого действия, а, следовательно, габаритных размеров самих клапанов.

Поэтому в гидроприводах с высоким давлением (более 25 МПа) применяют клапаны непрямого действия (двухкаскадные), представляющие собой совокупность двух клапанов: основного и вспомогательного. В этих клапанах рабочее проходное сечение основного клапана изменяется в результате воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент вспомогательного клапана.

Напорным клапаном называют гидроклапан давления, предназначенный для ограничения давления в подводимом к нему потоке рабочей жидкости.

В гидроприводе строительных и дорожных машин наибольшее распространение получили напорные клапаны, например, в гидроприводе полноповоротного экскаватора устанавливают от 8 до 14 напорных клапанов, в гидроприводе стрелового самоходного крана – от 4 до 12, в гидроприводе погрузчика – 4…5.

 

3.3.1. Предохранительные и переливные клапаны

 

Напорные клапаны предназначены для ограничения или поддержания давления в гидролиниях путем непрерывного или эпизодического слива рабочей жидкости. В зависимости от функционального  назначения их принято делить на предохранительные и переливные клапаны, несмотря на идентичность конструкций.

Предохранительные клапаны предназначены для предохранения гидропривода от давления рабочей жидкости, превышающего установленное, путем слива жидкости в моменты увеличения этого давления. Предохранительные клапаны являются клапанами эпизодического действия, т.е. при нормальных давлениях они закрыты и открываются лишь при давлении рабочей жидкости в гидросистеме, превышающем установленное.

Переливные клапаны предназначены для поддержания заданного давления путем непрерывного слива жидкости во время работы. Переливные клапаны широко применяются в гидроприводах с дроссельным регулированием.

Напорные клапаны различают по следующим признакам:

§                                         по конструкции запорно-регулирующего элемента – шарикового, конического и золотникового типа;

§                                         по воздействию на запорно-регулирующий элемент – прямого и непрямого действия.

Шариковые и конические переливные клапаны отличаются от предохранительных лишь характеристикой пружин.

В напорной камере моноблочного гидрораспределителя устанавливается первичный предохранительный клапан непрямого действия в виде легко заменяемого патрона.

На корпусе гидрораспределителя устанавливают дополнительные (вторичные) предохранительные клапаны. Эти клапаны предназначены для ограничения максимального давления в гидроцилиндрах, возникающего от реактивных или инерционных нагрузок при закрытых рабочих отводах гидрораспределителя. Вторичные предохранительные клапаны, устанавливаемые на корпусе гидрораспределителя, могут быть прямого и непрямого действия.

Схема напорного клапана прямого действия приведена на рис. 3.14, а, б. В корпусе 2 (см. рис. 3.14,а) имеются каналы для подсоединения клапана к гидролинии, в которой требуется обеспечить ограничение давления, а также канал для подсоединения к сливной гидролинии. В корпусе размещены запорно-регулирующий элемент 1 шарикового типа, пружина 3 и регулировочный винт 4.

Запорно-регулирующий элемент (шарик) 1 под действием усилия пружины 3 прижимается к седлу и закрывает рабочее окно клапана. При повышении давления в защищаемой клапаном гидролинии на шарик будет действовать сила давления жидкости, превышающая усилие пружины. Шарик отойдет от седла и пропустит часть жидкости на слив, ограничивая давление в гидролинии. Давление настройки клапана регулируется изменением усилия пружины 3 с помощью винта 4.

 

Рис. 3.14. Схема напорного клапана прямого действия:

а) шарикового типа: 1 – шарик; 2 – корпус; 3 – пружина;

4 – регулировочный винт;  б) золотникового типа: 1 – золотник;

2 – корпус; 3 – пружина; 4 – регулировочный  винт

 

Такая конструкция проста и надежна в работе, она не требует точной подгонки шарика к седлу, малочувствительна к загрязнению рабочей жидкости. Однако шариковые напорные клапаны применимы лишь при относительно небольших давлениях и кратковременном действии, так как при длительной работе шарик вследствие вибрации неравномерно вырабатывает (разбивает) седло клапана. Поэтому такие напорные клапаны применяются в качестве предохранительных в гидросистемах низкого давления, так как в этом случае клапан работает эпизодически.

В качестве переливных клапанов по этой причине применяются, как правило, клапаны с запорно-регулирующим элементом золотникового типа, схема одного из которых приведена на рис. 3.14, б.

На рис. 3.15, а показана одна из схем напорного клапана непрямого действия. В корпусе 1 размещен основной клапан конического типа 7, выполненный вместе с поршнем 6.

Вспомогательный клапан, управляющий основным, содержит шарик 2, пружину 3 и регулировочный винт 4. напорная полость А с помощью дросселя 8 соединяется с рабочей полостью Б вспомогательного клапана и с полостью Г основного клапана для уменьшения усилия пружины 5. Полость В с помощью канала Д соединяется со сливной гидролинией.

 

а)                                                   б)

Рис. 3.15. Напорный клапан непрямого действия

а) схема: 1 – корпус; 2 – шарик; 3, 5 – пружина;

4 – регулировочный винт; 6 – поршень; 7 –клапан;

8 – дроссель; б) условное обозначение

 

При давлении в напорной гидролинии и полости А, меньшем давления настройки, шарик 2 усилием пружины 3 закрывает рабочее проходное сечение вспомогательного клапана. При этом давление в полости Г основного клапана равно давлению в полости А, а так как эффективные площади поршня 6 со сторон полостей А и Г выбираются равными, то суммарное усилие на клапан, создаваемое давлением жидкости, будет равно нулю. Рабочее проходное сечение основного клапана 7 под действием пружины 5 будет закрыто.

При давлении рабочей жидкости в полости А больше допустимого увеличивается давление в полости Б. При этом открывается шариковый клапан 2 и рабочая жидкость через дроссель 8 и рабочее сечение клапана 2 поступает в полость В и по каналу Д в сливную гидролинию.

Появление расхода жидкости через дроссель и вспомогательный клапан приведет к уменьшению давления в полости Г основного клапана. Под действием давления в полости А поршень 6 сместится вверх и откроет рабочее окно основного клапана. При этом давление в напорной гидролинии и полости А упадет, поршень 6 смещается вниз и клапан 7 закрывается.

Величина давления настройки клапана непрямого действия определяется усилием пружины 3, которое изменяется с помощью регулировочного винта 4.

Условное обозначение напорного клапана непрямого действия показано на рис. 3.15, б.

Важной характеристикой клапана является стабильность поддерживаемого им давления при изменении расхода рабочей жидкости, проходящей через клапан. Зависимость изменения давления настройки от расхода  является статической характеристикой клапана.

Статическая характеристика клапана (рис. 3.16), выражающая зависимость между входной и выходной величинами в установившемся режиме работы, в идеальном случае приближается к горизонтальной прямой, но у реальных клапанов имеет возрастающий характер, особенно у клапанов прямого действия (линия 1), где определяющим фактором является жесткость пружины.

 

Рис. 3.16. Статическая характеристика напорного клапана:

1 – для клапана прямого действия;

2 – для клапана непрямого действия

 

На рис. 3.16 линией 2 показана статическая характеристика напорного клапана непрямого действия. Давление настройки клапана непрямого действия практически постоянно во всем диапазоне изменения расхода и практически не зависит от него.

Динамическая характеристика описывает переходный процесс, происходящий в клапане в период перемещения запорно-регулирующего элемента и изменения нагрузки, расхода и т.д. Динамические свойства клапана характеризуются превышением давления в момент срабатывания над давлением настройки – забросом  давления, и понижением давления вслед за превышением – завалом давления, возникающими вследствие инерционности подвижных частей клапана.

Динамические свойства клапана характеризуются также амплитудой и частотой колебаний при переходных процессах открытия и закрытия и в установившемся режиме вследствие пульсации потока рабочей жидкости, подаваемой насосом. Динамические свойства клапана (их динамическая устойчивость) зависят от эффективности демпфирования, обеспечиваемого конструктивными элементами клапана.

К техническим характеристикам, определяющим эксплуатационные свойства напорного клапана, относятся также следующие:

- диапазон регулирования давления настройки, представляющий разность максимального и минимального давлений настройки;

- номинальный, максимальный и минимальный расходы жидкости через клапан;

- номинальное, максимальное и минимальное давление на входе в клапан;

- внутренняя герметичность;

- показатели надежности (ресурс, вероятность безотказной работы);

- диапазон кинематической вязкости рабочей жидкости, используемой в гидроприводе с клапанами;

- масса, габаритные размеры и др.

В зависимости от последовательности установки и срабатывания предохранительные клапаны условно разделяются на первичные и вторичные.

Первичные клапаны обычно устанавливают в напорной гидролинии или в напорной секции гидрораспределителя. Они предохраняют насос от сверхустановленных давлений, обеспечивают разгрузку насоса.

Вторичные клапаны устанавливают в гидролинии после гидрораспределителя на корпусе гидрораспределителя к его рабочим отводам. Эти клапаны предохраняют гидродвигатели и другие гидроагрегаты (при закрытых рабочих отводах гидрораспределителя) от сверхустановленных давлений, возникающих от реактивных или инерционных нагрузок в гидродвигателях. Конструкции гидроклапанов давления отличаются большим разнообразием.

Общий вид клапана 510.20.00А приведен на рис. 3.17

 

Рис. 3.17. Предохранительный клапан 510.20.00.А

 

Для предохранения от перегрузок гидромоторов к корпусу гидрораспределителя прикрепляют специальные блоки, включающие в себя два предохранительных и два подпиточных клапана.

С помощью этих гидроаппаратов в процессе разгона или торможения гидромоторов часть потока рабочей жидкости из полости высокого давления отводится в полость низкого давления, предохраняя гидромоторы от перегрузок. Подпиточные (обратные) клапаны предназначены для восполнения объемных потерь жидкости и исключения разрыва сплошности потока в линиях гидромотора.

 

3.3.2. Редукционные гидроклапаны

 

Редукционный гидроклапан предназначен для поддержания в отводимом от него потоке рабочей жидкости более низкого давления, чем давление в подводимом потоке.

Редукционные клапаны используются в случаях, когда к гидролинии, давление в которой выше, чем требуется потребителю, подключается один или несколько потребителей, работающих при разных давлениях. Редукционные клапаны применяются также для обеспечения постоянного перепада давления на регулируемых дросселях регулятора потока и в других случаях.

Схема редукционного клапана прямого действия показана на рис. 3.18, а. В корпусе 2 размещены запорно-регулирующий элемент 1 золотникового типа, пружина 3 и регулировочный винт 4. Клапан подключается в гидросеть последовательно.

Рабочая жидкость под давлением  подводится в полость А, затем дросселируется через рабочее проходное сечение клапана и через окно Б отводится под редуцированным давлением  < . Понижение давления с выходного  до выходного  и поддержание последнего на постоянном уровне обусловлено динамическим равновесием сил, действующих на подвижный золотник 1, из которых усилие пружины 3 действует в сторону увеличения открытия рабочего проходного сечения, соединяющего полость А и окно Б, а давление  действует в сторону уменьшения рабочего проходного сечения.

При повышении редуцированного давления выше заданного золотник 1 клапана смещается вниз, сжимая пружину 3. При этом рабочее проходное сечение (дросселирующая щель) уменьшается, гидравлическое сопротивление увеличивается и давление снижается до заданного значения.

При понижении редуцированного давления ниже заданного значения золотник 1 переместится вверх под действием пружины 3. При этом рабочее проходное сечение увеличивается, гидравлическое сопротивление уменьшается и давление увеличивается до заданного значения.

Для обеспечения стабильности редуцированного давления следует устанавливать пружину с малой жесткостью. Для этих же целей применяются редукционные клапаны непрямого действия (рис. 3.18, б). В корпусе размещены основной клапан 5, вспомогательный шариковый клапан 1, пружина 2, регулировочный винт 3, дроссель 6. Полость Г соединена с полостью В, в которой расположена пружина 4, открывающая рабочее проходное сечение клапана 5 при давлениях на выходе редукционного клапана ниже заданных.

 

Рис. 3.18. Схема редукционного клапана:

а)  прямого действия:  1 – золотник;  2 – корпус; 3 – пружина;

4 – регулировочный винт; б) непрямого действия: 1 – шарик;

2, 4 – пружины; 3 – регулировочный винт; 5 – клапан;

6 – дроссель; в) условное обозначение

 

Рабочая жидкость под давлением  поступает в полость А и через рабочее проходное сечение поступает в полость Б. При этом происходит дросселирование жидкости и понижение давления до редуцированного  < . При повышении редуцированного давления выше заданного давление в полости Г также увеличивается, шариковый клапан 1 открывается и часть жидкости сливается в бак.

Под действием давления  клапан 5 перемещается вверх, уменьшая рабочее проходное сечение и увеличивая гидравлическое сопротивление. Вследствие этого давление в полости Б снижается до заданного значения. При понижении редуцированного давления клапан 5 под действием пружины 4 опускается, рабочее проходное сечение увеличивается, гидравлическое сопротивление уменьшается и давление в полости Б увеличивается дот заданного значения.

Таким образом, давление  автоматически поддерживается постоянным независимо от изменения нагрузки на выходе клапана.

Условное изображение редукционного клапана показано на рис. 3.18, в.

Клапаны разности давлений предназначены для поддерживания заданной разности давлений в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости. Клапаны разности давлений можно считать разновидностью редукционных клапанов. Клапаны разности давлений получили применение в гидроприводах с объемным регулированием как подпиточные клапаны.