Аппаратура управления давлением

Размещено на http://allbest.ru

Аппаратура управления давлением

Введение

клапан гидравлический давление

Для управления заранее заданным давлением рабочей жидкости в гидросистеме или ее части применяют гидравлические клапаны давления.

Клапаны давления различают по конструктивному исполнению:

1)в зависимости от типа запорно-регулирующего элемента:

седельного типа,

золотникового типа;

2)в зависимости от типа действия:

прямого действия,

непрямого действия.

По функциональному назначению клапаны давления бывают:

напорные;

редукционные.

1.Напорные гидроклапаны

Напорные гидроклапаны предназначены для ограничения или поддержания давления в гидролиниях путем эпизодического или непрерывного слива рабочей жидкости. До тех пор, пока давление в гидролинии Р не превышает некоторого заранее заданного значения, ЗРЭ 2 клапана прижат пружиной 3 к седлу 1 и перекрывает проходное сечение, т.е. клапан нормально закрыт (рис. 1).

Рисунок 1 ? Напорный клапан седельного типа

Если контролируемое давление (в линии Р) начинает превышать заданный уровень, клапан приоткрывается и сбрасывает часть рабочей жидкости в бак до тех пор, пока давление не нормализуется. Давление в линии Р, при котором клапан открывается, зависит от давления в линии Т, жесткости пружины и степени ее сжатия, которую можно изменять путем вращения регулировочного винта 4.

Следует обратить внимание на то, что напорные клапаны, имеющие подобную конструкцию, не могут обеспечить стабильность давление в контролируемой гидролинии на строго заданном уровне. Для пояснения данного утверждения рассмотрим условие равновесия сил, действующих на ЗРЭ клапана при его срабатывании (рис. 2).

Рисунок 2 ? К расчету сил, действующих на ЗРЭ напорного клапана

Уравнение равновесия ЗРЭ клапана в момент, когда клапан только начинает открываться (рис. 2, а), выглядит следующим образом:

где р₀ -- давление в контролируемой гидролинии в момент начала открытия клапана;

d_кл -- диаметр уплотняющей поверхности ЗРЭ клапана;

F_np0 -- усилие предварительного поджатия регулировочной пружины.

При дальнейшем повышении давления в гидролинии до значения р ЗРЭ клапана начнет подниматься с седла, сжимая пружину (рис. 2, б), и условие его равновесия изменится (для упрощения давление в линии слива примем равным нулю):

где р -- давление в контролируемой гидролинии;

F_np -- усилие сжатой пружины;

с -- жесткость пружины;

h -- величина подъема клапана над седлом.

Отсюда следует

Таким образом, давление р в гидролинии, в которой установлен напорный клапан, будет зависеть от подъема ЗРЭ клапана h и жесткости пружины с. В свою очередь, значение подъема ЗРЭ h, которое определяет изменение площади проходного сечения клапана, зависит от расхода протекающей через клапан рабочей жидкости.

Схема гидравлической установки для снятия характеристики клапана и расходно-перепадная характеристика напорного клапана р=f(Q), настроенного таким образом, что при давлении 5 МПа он полностью открыт, представлены на рис. 3.

Рисунок 3 - Расходно-перепадная характеристика напорного клапана

При постепенном увеличении давления в гидролинии, которое достигается частичным перекрытием вентиля, клапан остается закрытым до тех пор, пока давление не достигнет значения р_откр=4 МПа. С этого момента клапан начинает пропускать через себя часть рабочей жидкости на слив и полностью открывается, т.е. пропускает на слив всю подачу насоса (Q_кл=Q_н), при р_max=5 МПа. Зависимость давления в гидролинии от расхода жидкости через клапан при этом соответствует верхней кривой. При уменьшении значения давления от р_mах до р_закр, при котором клапан полностью закроется (3,7 МПа), зависимость давления от расхода будет характеризоваться нижне кривой. Отсюда следует, что напорный клапан поддерживает давление в гидролинии р_ср не на строго заданном уровне, а с некоторой погрешностью Д, которая определяется из следующего отношения:

Если ориентироваться на изначально настроенные 5 МПа, то очевидно, что клапан начинает срабатывать значительно раньше, чем давление достигнет заданного уровня.

Подпружиненный запорно-регулирующий элемент клапана представляет собой систему «масса на пружине», которая склонна к автоколебаниям (Автоколебаниями называют незатухающие колебания, происходящие за счет энергии, периодическое поступление которой регулируется самим колеблющимся телом). Колебания, возникающие в клапане при его открытии, оказывают негативное влияние, как на элементы конструкции, так и на давление в системе, и должны быть задемпфированы. С этой целью ЗРЭ 4 клапана снабжают демпфирующим поршнем 3, который размещают в цилиндрической проточке корпуса 2 седла клапана (рис. 4).

Рисунок 4 - Напорный клапан седельного типа с задемпфированным ЗРЭ

Поскольку демпфирующий поршень 3 выполнен единым целым с ЗРЭ 4, то при движении последнего, жидкость поступает (или вытесняется) в торцевую полость поршня через дросселирующее отверстие 1. При этом возникает демпфирующее усилие, действующее против направления движения.

Достоинством напорных клапанов седельного типа является полная герметичность и высокое быстродействие, поскольку уже при минимальном ходе ЗРЭ обеспечивается пропускание относительно больших потоков.

Напорные клапаны золотникового типа более точно поддерживают давление на заданном уровне, так как площадь проходного сечения в них меняется не столь резко и клапан может пропускать через себя достаточно малые потоки рабочей жидкости. Плавное увеличение проходного сечения клапана становится возможным благодаря выполнению на буртике золотника 3 специальным образом спрофилированных проточек переменного сечения 4 (рис. 5).

Рисунок 5 ? Напорный клапан золотникового типа

Пока давление в линии Р не превышает заданный уровень, золотник 3 клапана под действием настроечной пружины находится в крайнем левом положении -- клапан закрыт. Когда по каналу управления 2 под левый торец золотника 3 передается давление большее, чем давление настройки клапана, золотник 3 начинает смещаться вправо, и через клапан начинает перетекать жидкость, расход которой увеличивается пропорционально увеличению суммарной площади проточек 4. Дальнейший рост давления в линии Р приводит к полному открытию клапана. Дроссель 1, расположенный в канале управления 2, выполняет демпфирующую функцию, что делает клапан нечувствительным к случайным забросам давления и исключает появление автоколебаний.

Рассмотренные конструкции по своему принципу действия относятся к клапанам прямого действия, поскольку их срабатывание (изменение проходного сечения) происходит под воздействием потока рабочей жидкости непосредственно на их ЗРЭ.

Недостатком напорных клапанов прямого действия является невозможность поддержания ими стабильного давления при возрастании расхода рабочей жидкости через клапан. Кроме того, применение клапанов прямого действия в гидросистемах с высокими номинальными давлениями и расходами становится невозможным, поскольку в таких случаях в клапанах необходимо применять пружины большого усилия. Это вызвано не только требованием поддержания высоких давлений в системе, но и необходимостью удержания ЗРЭ большой площади в закрытом состоянии. Неизбежное увеличение размеров настроечных пружин, влечет за собой резкое возрастание габаритов самого клапана.

В гидроприводах с высоким давлением (более 25 МПа) и большими расходами для обеспечения приемлемых габаритных размеров применяют клапаны непрямого действия (двухкаскадные клапаны), представляющие собой совокупность двух клапанов: основного (второй каскад) и вспомогательного (первый каскад). В этих клапанах рабочее проходное сечение основного клапана изменяется в результате воздействия потока рабочей жидкости на ЗРЭ вспомогательного клапана (рис. 6).

Рисунок 6 ? Напорный клапан седельного типа непрямого действия

Если давление в контролируемой гидролинии (линии А) не превышает давления настройки клапана первого каскада 6, рабочая жидкость к которому подводится по каналу 4, то его ЗРЭ 7 поджат к седлу пружиной 8. Предварительное сжатие пружины 8, а, следовательно, и давление срабатывания клапана первого каскада, настраивается регулировочным винтом 9.

Отсутствие течения жидкости через клапан первого каскада приводит к тому, что на основной запорно-регулирующий элемент 3 (ЗРЭ второго каскада) сверху и снизу действует одинаковое давление, равное давлению в линии А. Поскольку площадь основного ЗРЭ 3 со стороны пружины, имеющей небольшую жесткость, больше, чем площадь уплотняемой поверхности, он прижат к седлу -- клапан закрыт.

Когда давление в линии А превышает заданный уровень, ЗРЭ пилотного клапана 7, поднимается с седла -- (срабатывает первый каскад). Некоторая часть жидкости из линии А через канал 4, клапан первого каскада и канал 10 сливается в линию В. Вследствие потерь давления в демпфирующем дросселе 2 в пружинной полости основного ЗРЭ давление падает, усилие от создавшегося перепада давления на ЗРЭ 3 поднимает его с седла (срабатывает второй каскад). Жидкость перетекает из линии А в линию В, давление в линии А поддерживается на заданном уровне.

Поскольку жесткость пружины в клапане второго каскада небольшая, то увеличение проходного сечения (подъема ЗРЭ 3) практически не вызывает увеличения давления в линии А (рис. 7).

Рисунок 7 ? Расходно-перепадные характеристики напорных клапанов прямого и непрямого действия

Расходно-перепадная характеристика напорного клапана непрямого действия имеет две ярко выраженные зоны: от Q = 0 до Q_min, и от Q_min до Q_max.

В первой зоне характеристики отражена работа клапана первого каскада -- повышение давления в системе сопровождается появлением небольшого расхода через клапан. С увеличением расхода через клапан первого каскада, начинает возрастать перепад давления на основном ЗРЭ 3, и в момент, когда расход станет больше, чем Q_min, срабатывает второй каскад. Дальнейший рост расхода через клапан фактически не сопровождается повышением давления в контролируемой гидролинии.

Сравнение характеристик наглядно показывает, что точность поддержания заданного давления клапанами непрямого действия значительно выше, чем клапанами прямого действия (Др₁<<Др₂).

Двухкаскадная конструкция клапана позволяет осуществлять дистанционное управление давлением его срабатывания. Для этого пробку 1, закрывающую канал внешнего управления X, выворачивают и клапан через управляющий распределитель подключают к дополнительному внешнему напорному клапану (одному или нескольким), который берет на себя функцию клапана первого каскада.

Давление настройки внешнего клапана должно быть меньшее, чем давление срабатывания клапана первого каскада. При включении распределителя (подключении внешнего напорного клапана) второй каскад напорного клапана непрямого действия будет срабатывать, когда давление в контролируемой гидролинии превысит давление настройки внешнего клапана (рис. 8).

Рисунок 8 ? Пример схемы дистанционного управления напорным клапаном непрямого действия

В исходном состоянии, когда управляющий распределитель с электромагнитным управлением 0.4 находится в нейтральной позиции, давление в системе равно 10 МПа (настройка клапана 0.3). При подаче внешнего электрического сигнала, например, на электромагнит Y1, распределитель 0.4 переключится в позицию а, подключив к линии управления X клапана 0.3 клапан 0.5, настроенный на давление 8 МПа. Давление в системе, значение которого визуализируется манометром 0.2, станет равным 8 МПа. Переключением распределителя 0.4 в позицию b в системе можно установить давление 6 МПа (давление настройки клапана 0.6).

Путем комбинирования напорного клапана непрямого действия и распределителя с электромагнитным управлением получают клапан с разгрузкой по электрическому сигналу (рис. 9), который применяется для обеспечения безнапорной циркуляции жидкости, например во время пуска насосов.

Под разгрузкой понимается такой режим работы клапана, когда жидкость протекает через него практически свободно. Свободный проход жидкости через клапан может быть обеспечен, если пружинную полость ЗРЭ второго каскада соединить со сливом, при этом он начинает работать как простой обратный клапан.

Рисунок 9 - Напорный клапан седельного типа непрямого действия с разгрузкой

При отсутствии электрического сигнала на нормально закрытый 2/2-распределитель 1, напорный клапан непрямого действия 2 работает в штатном режиме. Включение распределителя 1 приводит к снижению давления в пружинной полости ЗРЭ второго каскада клапана и, как следствие, к его полному открытию.

В клапанах непрямого действия золотникового типа ЗРЭ 6 клапана первого каскада (пилотного клапана) -- седельного типа, а ЗРЭ второго каскада 2 -- золотникового типа (рис. 10).

Рисунок 10 ? Напорный клапан золотникового типа непрямого действия

Если давление в линии Р не превышает давления срабатывания клапана первого каскада, золотник 2 находится в крайнем левом положении только под воздействием пружины 4, так как к его торцам по каналам 1 и 3 подводится одинаковое давление, равное давлению в канале Р (рис. 10, а). Когда уровень давления е канале Р превысит давление срабатывания пилотного клапана 6, последний откроется и перепустит часть жидкости в канал Т (рис. 10, б). Возникающий при этом перепад давления на дросселе 5 приведет к падению давления в пружинной полости золотника 2. Перепад давления на торцах золотника 2 вызовет его смещение вправо, жидкость из канала Р начнет перетекать в канал Т; давление в канале Р останется на заданном уровне.

Чтобы подчеркнуть функциональное назначение конкретного напорного клапана в гидросистеме, его могут называть:

предохранительный клапан;

переливной клапан;

клапан отключения;

подпорный клапан;

клапан последовательности.

Рассмотрим назначение и названия напорных клапанов, примененных в гидроприводе, представленном на рис. 11.

Рисунок 11 ? Напорные клапаны в гидроприводе

Клапан 1 -- предохранительный. Устанавливается на насосной станции и используется для сброса давления в аварийных (или других) ситуациях, когда давление рабочей жидкости превышает предельно допустимое для данной системы значение. Это клапан эпизодического действия, так как при нормальной работе системы он закрыт.

Клапан 2 -- переливной. Предназначен для поддержания требуемого рабочего давления в приводе, путем непрерывного слива части рабочей жидкости в бак. Давление срабатывания переливного клапана ниже давления срабатывания предохранительного клапана.

Клапан 3 -- клапан отключения. Когда гидроцилиндры 1.0 или 3.0 совершают холостой ход, давление в системе низкое и подачи насосов Н1 (высокого давления) и Н2 (низкого давления) складываются для увеличения скорости выходных звеньев. В момент, когда цилиндры начинают работать под нагрузкой, давление в системе возрастает клапан 3 срабатывает, переключая насос большей производительности Н2 в режим разгрузки (вся подача насоса поступает в бак). На систему работает только насос высокого давления Н1.

Клапан 4 -- подпорный. Предназначен для создания подпора в линии слива распределителя 3.1.

Клапан 5 -- тормозной. Используется как предохранительный клапан при остановке гидроцилиндра 3.0 в промежуточном положении после выдвижении его штока, связанного с большими массами.

Клапан 6 -- клапан последовательности. Предназначен для последовательного срабатывания исполнительных механизмов. При переключении распределителя 1.1 в позицию а начинает выдвигаться шток цилиндра 1.0. Когда давление в его поршневой полости достигнет давления настройки клапана последовательности 6 (например, после полного выдвижения штока), начнет выдвигаться шток цилиндра 2.0.

2. Редукционные гидроклапаны

Редукционные клапаны предназначены для поддержания в некоторой части гидросистемы пониженного (редуцированного) давления относительно давления в основной гидролинии. При этом давление на выходе редукционного клапана автоматически поддерживается на заданном уровне вне зависимости от изменения давления на входе (в основной гидролинии) и от увеличения потребления жидкости на выходе.

Как и напорные клапаны, редукционные клапаны разделяют на клапаны прямого и непрямого действия, а по количеству присоединенных гидролиний -- на двухлинейные (рис. 12) и трехлинейные.

Рисунок 12 ? Двухлинейный редукционный клапан прямого действия

Редукционный клапан является нормально-открытым клапаном, поэтому в начальный момент времени рост давления на входе в клапан (канал Р) сопровождается ростом давления на его выходе (канал А). При этом по каналу управления 1, соединяющему канал выхода А и левый торец золотника 2, на последний действует давление, равное давлению на выходе клапана. Золотник 2 перемещает в сторону настроечной пружины 3, предварительное сжатие которой регулируется винтом 4. Перемещение золотника 2 сопровождается уменьшением проходного сечения клапана, и когда давление на выходе достигнет заданного уровня, клапан закроется. Золотник 2 будет находиться в состоянии равновесия -- на левый торец действует заданное давление на выходе, на правый -- настроечная пружина 3. Если давление на входе в клапан больше давления настройки, то его изменение не оказывает никакого влияния на равновесное состояние золотника 2.

Падение давления на выходе клапана (например, при появлении расхода жидкости к потребителю) вызывает смещение золотника влево, что сопровождается увеличением проходного сечения клапана и уменьшением перепада давления на нем -- давление на выходе начинает расти. Таким образом, редукционный клапан автоматически поддерживает на заданном уровне давление на выходе.

Существенным недостатком двухлинейного редукционного клапана является невозможность поддержания им заданного давления на выходе, если оно по каким-либо причинам (например, непредвиденное увеличение нагрузки на исполнительном механизме) превысит заданный уровень.

Данного недостатка лишены трехлинейные редукционные клапаны, которые в штатном режиме работают аналогично двухлинейным клапанам (рис. 13, а).

Рисунок 13 ? Трехлинейный редукционный клапан прямого действия

Конструктивное и функциональное отличие трехлинейного редукционного клапана от двухлинейного заключается в наличии третьего канала -- слива Т. Такая конструкция позволяет сохранять давление на выходе клапана (в канале А) даже если оно начнет превышать настроенное значение. При этом золотник клапана, перекрыв к этому моменту канал Р, смещается еще правее, соединяя каналы А и Т между собой; часть жидкости из линии А уходит на слив (рис. 13, б). Можно сказать, что в подобных случаях редукционный клапан работает в режиме предохранительного клапана.

Типичным примером применения редукционных клапанов являются приводы, исполнительные механизмы которых должны развивать постоянное по величине усилие. Например, в полиграфическом оборудовании при тиснении обложек книг, используют гидравлические прессы, развиваемое усилие которых поддерживается постоянным на протяжении всей рабочей операции. Для того, чтобы избежать повреждение материала обложки и учесть его свойства (толщина, плотность и т.п.) величина усилия тиснения может быть отрегулирована (рис. 14).

Рисунок 14 - Пример использования редукционного клапана в прессе для тиснения

Усилие, развиваемое гидроцилиндром 1.0 при прямом ходе (операция тиснения), определяется давлением в его поршневой полости, величина которого задается редукционным клапаном 1.02. Поскольку через двухлинейный редукционный клапан жидкость не может протекать в направлении А-Р, то при обратном ходе цилиндра жидкость подается на слив в обход редукционного клапана 1.02 через обратный клапан 1.01. Для поддержания пониженного давления в потоках с большими расходами применяют редукционные клапаны непрямого действия (рис. 15).

Рисунок 15 ? Двухлинейный редукционный клапан непрямого действия

В исходном положении клапан открыт, поскольку подпружиненный ЗРЭ основного каскада 2 находится в нижнем положении и через его цилиндрические окна жидкость поступает из канала Р в канал А. Рабочая жидкость под давлением, равным давлению в канале А, через дроссель 1 и канал 3 подается к пилотному клапану 5 (ЗРЭ 6 которого в исходном положении закрыт) и через дроссель 4 в пружинную полость основного ЗРЭ 2.

Когда давление в канале А достигает заданного уровня ЗРЭ 6 пилотного клапана 5 поднимается с седла и часть жидкости уходит в канал Y, при этом давление в пружинной полости основного ЗРЭ 2 падает. Вследствие возникшего перепада давления ЗРЭ 2 поднимается, сжимая пружину и перекрывая проход рабочей жидкости из канала Р в канал А. Расход рабочей жидкости через клапан регулируется таким образом, чтобы давление в канале А оставалось постоянным. Для обеспечения свободного протекания рабочей жидкости через редукционный клапан в направлении А-Р, в корпусе клапана смонтирован обратный клапан 8 (показан условно).

Завершая рассмотрение аппаратуры регулирования давления в гидросистемах, подведем некоторые итоги.

Клапаны давления подразделяются на два типа: напорные и редукционные. Назначение напорных клапанов -- предотвращение повышения давления в контролируемых точках сверх заданного уровня путем автоматического отвода части рабочей жидкости в гидробак.

Назначение редукционных гидроклапанов -- поддерживать относительно стабильный уровень давления на выходе (ниже величины давления питания) независимо от колебаний давления в подводящей гидролинии, а также при изменении расхода рабочей жидкости за клапаном.

Принципиальные отличия между двумя рассмотренными типами клапанов состоят в следующем: напорные клапаны контролируют давление на входе, а редукционные -- на выходе; напорные клапаны являются нормально закрытыми, тогда как редукционные -- нормально открытыми.

Размещено на Allbest.ru