Характеристика, типы и принцип работы редукционных клапанов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Редукционным называется клапан давления, предназначенный для поддержания давления в отводимом от него потоке рабочей жидкости более низкого, чем давление в подводимом потоке. Редукционные клапаны применяют в гидроприводах, в которых от одного источника питаются несколько потребителей, работающих при разных давлениях.

Редукционные клапаны постоянного давления.

Рис. 1. Расчетные схемы редукционных клапанов

Редукционный клапан или редуктор (рис. 1, а) представляет собой автоматически действующий дроссель, сопротивление которого равно в каждый данный момент разности между переменным давлением рн на входе в клапан и постоянным (редуцированным) давлением Pред<Рн на выходе. Клапан предназначен для понижения (редуцирования) давления в каком-либо отводящем участке магистрали (гидролинии) и поддержания этого давления постоянным независимо от давления в подводящей магистрали, которое должно лишь несколько (на 2--3 кГ/см2) превышать редуцированное давление.

Эти клапаны применяются в основном в том случае, если от одного источника расхода (насоса) питается несколько потребителей, (исполнительных двигателей), требующих разных давлений. Источник расхода (насос) в этом случае рассчитывают на максимальное давление, необходимое для питания какого-либо из потребителей.

В простейшем виде редукционный клапан (рис. 1, а) представляет собой плунжер 2 с дросселирующей конусной головкой с на правом конце и с уравновешивающим поршеньком а на левом. Жидкость под высоким давлением рн подводится к каналу b и отводится под редуцированным давлением рред<рн через канал е. Понижение давления с входного рн до выходного рред и поддержание последнего на постоянном уровне обусловлено динамическим равновесием сил, действующих на подвижный плунжер 2, из которых усилие пружины 1 действует в сторону увеличения открытия проходной щели высотой у, соединяющей каналы b и е, а давление рред в камере d и гидродинамическая сила действуют в сторону уменьшения этой щели.

При некотором малом Р (меньше расчетного) давлении рред плунжер 2 усилием пружины 1 отжимается вправо и увеличивает зазор у, по которому жидкость поступает из канала b высокого давления рн в канал е редуцированного давления рред. После того как давление рред в последней линии превысит расчетное давление, на которое отрегулирована пружина 1, плунжер 2 под действием давления рред жидкости переместится влево, частично или полностью перекрывая доступ жидкости из канала b в канал е редуцированного давления.

При условии, что диаметр сечения конусной головки с затвора плоскостью, проходящей по точкам контакта ее с кромками седла (соответствует седлу с острыми кромками), равен диаметру поршенька а, силы давления рн на плунжер 2 в начале открытия щели (зазор у -- 0) уравновешиваются (рред не зависит от рн), и уравнение состояния клапана имеет вид (силами инерции и трения пренебрегаем):

где - площадь указанного сечения конуса затвора; P0 = Сy0 -- усилие предварительного сжатия пружины 1 (при у = 0); y0 и С -- предварительное сжатие пружины и ее жесткость.

При открытой щели (у > 0) на затвор будет дополнительно действовать в сторону закрытия затвора гидродинамическая сила Рг, с учетом которой уравнение равновесия плунжера 2 примет вид:

;

где р'ред -- редуцированное давление при у > 0.

При небольших перемещениях величинами у и Рг можно вследствие их относительной малости пренебречь, в результате для расчета редуцированного давления можно пользоваться предыдущим уравнением, которое показывает, что при принятых допущениях расчетное значение рред не зависит от входного давления рн. Однако вследствие нестабильности влияния на гидродинамические силы Рг перепада давления ?р=р1--р2, наблюдается также некоторое нарушение стабильности рред, т.е. рред=f(pн).

Для компенсации влияния на рред возможных изменений давления рсл в сливной магистрали гидросистемы последняя соединена с камерой 1, ввиду чего сила сливного давления на поршенек а плунжера 2 суммируется с усилием пружины 1.

Недостаток этого клапана - низкая чувствительность к изменениям рред, обусловленная трением поршня и малой площадью элемента, на который действует редуцированное давление. Для устранения трения и повышения чувствительности при невысоких (3--5 кГ/см2) редуцированных давлениях применяют клапаны, роль поршня в которых выполняет резино-каневая гофрированная мембрана 2 (рис. 1, б).

Жидкость под высоким давлением рн подводимая через канал d в камеру с, пройдя дросселирующую щель высотой у, образованную конусным затвором 3 и гнездом клапана, поступает в камеру е и канал b потребителя редуцированного давления рред. Пружина 1, как и в рассмотренной выше схеме, стремится открыть затвор 3 клапана, а силы давлений рред жидкости на мембрану 2 и силы давления рн на связанный с ней затвор 3 стремятся его закрыть (уменьшить высоту щели у). Для демпфирования колебаний применен дроссель 4.

Выражение, отражающее работу такого клапана, основано на следующих исходных уравнениях:

- расхода жидкости через щель клапана:

(1)

- равновесия затвора под действующими на него силами (допускаем равномерное распределение давления по площади затвора и пренебрегаем силами трения и гидродинамического воздействия):

, (2)

где у и б -- открытие (ход затвора) клапана и угол конуса затвора при его вершине; Р0 -- усилие сжатия пружины при закрытом затворе клапана (при у = 0); D и d -- диаметры мембраны и седла клапана.

Подставив в выражение (2) у из выражения (1), получим

редуктор дроссель автоматический

,

где:

.

Положив в уравнении (2) y=0, получим выражение для определения максимального давления pред на выходе из редуктора:

Рис. 2. Редукционный клапан мембранного (сильфонного) типа (а) и редукционно-предохранительные клапаны (б и в)

Из последнего выражения следует, что выходное давление рред несколько зависит от входного рн, увеличиваясь с уменьшением последнего.

Благодаря значительному превышению диаметра D мембраны над диаметром d гнезда клапана, а также уменьшенному трению рассмотренный клапан отличается высокой чувствительностью. При более высоких редуцированных давлениях мембрана заменяется поршнем 1 того же диаметра D (рис. 2, в). Расчет производится по тем же уравнениям с добавлением в выражение силы трения поршня.

В некоторых случаях требуется обеспечить высокую чувствительность и поддержание заданного редуцируемого давления при малых расходах (близких к нулю). Поскольку при рассмотренных выше плунжерных схемах с щелевым уплотнением и конусными затворами (рис. 1) обеспечить требуемую герметичность трудно, применяют клапаны с пластинчатым (плоским) затвором 1, в котором уплотнение подвижного соединения осуществлено при помощи металлического сильфона 2 (рис. 2, а).

Условие равновесия такого клапана без учета гидродинамической силы может быть приближенно записано:

,

где - площадь поперечного сечения входного канала (отверстия) диаметром d, F -- полезная площадь сильфона; Рпр -- суммарное усилие пружины 3 и сильфона 2 при нулевом подъеме клапана (у = 0); С1 -- суммарная жесткость пружины 3 и металлического сильфона 2; у -- открытие клапана.

При малом подъеме клапана величиной С1у можно пренебречь, в результате получим выражение для вычисления редуцированного давления:

Редукционно-предохранительные клапаны.

На рис. 2, б и в представлена схема клапана, в котором совмещены функции редукционного и предохранительного клапанов. Положение клапана, представленное на рис. 2, б, соответствует подводу к потребителю жидкости под редуцированным давлением. При этом жидкость из магистрали нагнетания под давлением рн поступает через щель между грибком клапана 1 и седлом в корпусе 2 к потребителю.

До того, пока давление рред в системе потребителя не достигло заданного значения, поршень 3 отжат пружиной 4 в крайнее левое положение. В этом положении конусная игла клапана 1 упирается в седло поршня 3, пружина 5 сжата, поэтому клапан открывает максимальный проход жидкости к потребителю.

При повышении давления рн на входе в редуктор повышается также давление р1 в полости потребителя, в результате поршень 3 под действием давления жидкости сжимает пружину 4 и перемещается вправо. При этом под действием пружины 5 вправо перемещается также и клапан 1, в результате зазор между левым грибком клапана и седлом корпуса уменьшается. При достижении заданного редуцированного давления рред в системе клапан 1 закроется полностью. При уменьшении редуцированного давления в системе поршень 3 снова переместится влево и откроет клапан, в результате давление в системе увеличится.

При повышении редуцированного давления сверх заданного значения сила давления жидкости на поршень 3 увеличивается настолько, что он, перемещаясь вправо (рис. 2, в), отходит от конусной иглы клапана 1, в результате конусный грибок этого клапана сядет в свое гнездо корпуса 2, а между иглой клапана и седлом поршня 3 при дальнейшем его перемещении образуется зазор, через который жидкость из камеры а редуцированного давления поступает на слив. В этом случае редуктор действует в качестве предохранительного клапана системы потребителя (системы редуцированного давления).

Двухступенчатые редукционные клапаны.

Для поддержания пониженного давления в потоках с большими расходами и для повышения стабильности редуцированного давления применяют редукционные клапаны непрямого (двухступенчатого) действия (рис. 3). Этот клапан состоит из подвижного конусного затвора 1, второй конец которого выполнен в виде поршенька 2. При условии равенства диаметров поршенька d1 и гнезда d2 конусного затвора и у0 входное давление рн, действующее на затвор, уравновешивается. Кроме того, поскольку камера a выходного (редуцированного) давления рред соединена через дроссельное отверстие b с камерой с, при d1 = d2 также уравновешивается сила выходного давления рред, действующая на затвор).

При повышении выходного давления рред сверх расчетного значения шариковый клапан 3 приоткроется, в результате давление в камере с понизится и создастся перепад давления между камерами а и с, под действием которого затвор 1 переместится вверх, уменьшая при этом зазор у а следовательно, снижая расход жидкости в камеру а. В результате давление рред снизится до заданного значения, при достижении которого шариковый клапан 3 вновь закроется, а конусно-поршневой затвор 1 будет находиться в состоянии динамического равновесия под действием давления рред жидкости.

Рис. 3. Двухступенчатый редукционный клапан

Если выходное давление рред в камере а понизится ниже расчетного значения, то зазор у под действием пружины, действующей на затвор, увеличится, и давление в камере восстановится, повысившись до прежнего значения.

Таким образом, расход через шариковый клапан 3, определяемый сопротивлением дроссельного отверстия b, не зависит от расхода через зазор у, образованный седлом клапана и конусным затвором 1.

Клапан обеспечивает высокую стабильность величины р1 практически независимо от входного давления рн и расхода жидкости из камеры а.

Рассмотрим ещё одну конструкцию двухкаскадного редукционного клапана (клапана непрямого действия) представленную на рис.4. В исходном положении клапан открыт, поскольку подпружиненный запорно-регулирующий элемент (ЗРЭ) основного каскада 2 находится в нижнем положении и через его цилиндрические окна жидкость поступает из канала Р в канал А.

Рис. 4. Двухлинейный редукционный клапан непрямого действия

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).

Типовые конструкции редукционных клапанов.

Редукционные клапаны непрямого действия (рис. 5) по ТУ2-053-5749043-003-88 АООТ «Ереванский завод Гидропривод» (Армения) подобны предохранительным клапанам того же завода. Они состоят в основном из тех же деталей (за исключением золотника и корпуса).

Рис. 5. Редукционный клапан непрямого действия (двухкаскадный)

Клапан состоит из основного и вспомогательного клапанов. Основной клапан содержит корпус 2, гильзу 3, дифференциальный золотник 4, пружину 5, крышки 1 и 6 и уплотнения. В корпусе 2 имеется напорная полость Р, полость А редуцированного давления рред и торцовые полости Г к И. Полость Г соединена с полостью А каналом Д, выполненным внутри золотника 4. Полость И соединена с полостью А малым отверстием (дросселем) Ж, а с вспомогательным клапаном -- каналом К. Основной клапан является нормально открытым, т. е. при его работе всегда образуется дросселирующая щель между рабочими кромками гильзы 3 и золотника 4. Вспомогательный клапан состоит из корпуса 7, седла 8, конического клапана 9, пружины 10 и уплотнений. Усилие пружины 10 регулируется винтом 11. Вспомогательный клапан выполняет функцию переливного -- поддерживает в полости Я постоянное давление путем непрерывного слива жидкости (Q == 1 ... 2 л/мин). Полость Л корпуса 7 соединена со сливной линией Т.

Принцип работы клапана следующий. Рабочая жидкость под высоким давлением поступает в полость С и через дросселирующую щель попадает в полость А. В результате дросселирования через щель давление жидкости понижается до установленного значения.

При увеличении давления Рред выше установленного давление в полости Г увеличивается. Под действием перепада давлений на торцовых поверхностях золотник перемещается влево и сжимает пружину 5. Дросселирующая щель при этом уменьшается, а следовательно, уменьшается и рред до установленного значения. При уменьшении давления рред по сравнению с установленным значением пружина 5 смещает золотник вправо, уменьшая дросселирование жидкости. В результате этого давление рред увеличивается до установленного значения.

При необходимости полость И через клапан X может быть соединена со сливной линией при помощи внешнего распределителя. При этом давление рред уменьшается до минимального значения.

Типовые схемы применения редукционных клапанов непрямого действия представлены на рис. 5.

Рис. 5. Типовые схемы применения редукционных клапанов непрямого действия

Размещено на Allbest.ru