Клапан редукционный: устройство и принцип действия
Редукционный клапан — это автоматически действующий пневматический или гидравлический дроссель, предназначенный для поддержания на постоянном уровне давления на выходе. Сопротивление редукционного клапана в каждый момент пропорционально разности между переменным давлением на входе и постоянным (редуцированным) давлением на выходе.
Виды редукционных клапанов:
- Редукционный клапан прямого действия (не требует внешнего источника питания).
- Клапаны, управляемые пневмо- или электроприводом.
Рис. 1. Конструктивная схема простейшего редукционного клапана
Область применения
Эти клапаны применяются в гидроприводе в том случае, когда от одного источника гидравлической энергии (насоса) необходимо запитать несколько потребителей гидравлической энергии (гидродвигателей), работающих одновременно и имеющих разный характер нагрузки. Необходимость применения редукционного клапана обусловлена тем, что включение в работу одного из гидродвигателей приводит (при отсутствии данного редукционного клапана) к изменению давления на входе в остальные гидродвигатели, а следовательно, и к падению усилий на выходных звеньях гидродвигателей. Если гидродвигатели включаются в работу не одновременно или имеют одинаковые нагрузочные характеристики, то использование редукционных клапанов, как правило, не является обязательным. Например, отвал бульдозера приводится в движение обычно двумя гидроцилиндрами. Но поскольку оба гидроцилиндра приводят в движение один и тот же рабочий орган (то есть, отвал), то их характер нагрузки является одинаковым, и в гидросистемах бульдозеров редукционные клапаны, как правило, не применяются.
В пневмоприводах применение редукционных клапанов является обязательным, поскольку, вследствие сжимаемости воздуха, пневмосистемы склонны к значительным колебаниям давления.
Принцип действия
На рис. 1 показана конструктивная схема простейшего редукционного клапана. При увеличении входного давления Рн возрастает давление в полости Б, а также давление в полости В (редуцированное давление Рред). Под действием возросшего редуцированного давления плунжер смещается влево, тем самым уменьшая размер дроссельной щели у. При этом возрастает сопротивление потоку жидкости при прохождении её через дроссельную щель, а значит, возрастают и потери давления. Как следствие уменьшается значение редуцированного (выходного) давления Рред. Таким образом, обеспечивается устойчивость значения выходного давления при изменении входного давления. Следует отметить, что в описанном процессе возросшее давление в полости Б не мешает перемещению плунжеров влево, так как это возросшее давление действует не только на дросселирующую конусную головку, но и на уравновешивающий поршень, и эти силовые воздействия уравновешивают друг друга.
Клапанная аппаратура
Если вы хотите сказать спасибо автору, просто нажмите кнопку:Каждая гидросистема помимо насоса, исполнительных гидродвигателей и распределительной гидроаппаратуры имеет в своем составе клапаны. Количество клапанов в зависимости от сложности системы варьируется от единиц до нескольких десятков, а в некоторых случаях их количество измеряется сотнями.
- Предохранительные клапаны
- Редукционные клапаны
- Обратные клапаны
- Управляемые обратные клапаны
- Тормозные (контрбалансные) клапаны.
Основной принцип действия клапана
Принцип действия простейшего клапана заключается в уравновешивании силы создаваемой давлением рабочей жидкости на площади седла и силы упругости пружины. Седло клапана — это конструктивный элемент, образующий рабочую кромку, обеспечивающую герметичное прилегание запорного элемента. Простейший клапан имеет конструкцию, изображенную на рисунке 1а. В корпусе 1 имеется рабочая кромка, к которой плотно прилегает поджатый пружиной 3 запорный элемент 2. Сила, создаваемая пружиной 3, определяет разницу давлений между полостями P и T при которой происходит открытие клапана. На рисунке 1б показан клапан в открытом состоянии, где стрелками показано направление движения рабочей жидкости. Двухступенчатые клапаны в зависимости от назначения могут иметь различную конструкцию и будут рассмотрены ниже.
Классификация
По виду запорного элемента различают несколько типов клапанов. Наиболее часто встречаются: сферический (шариковый), конический, плоский (см. рисунок 2). Благодаря высоким герметизирующим свойствам и технологичности наибольшее распространение получили сферические (шариковые) и конические клапаны.
По способу монтажа различают клапаны картриджные, трубного, стыкового (фланцевого) и модульного монтажа. Картриджные клапаны дополнительно подразделяют на вворачиваемые (резьбовые) и закладные. Существует еще одна категория – бескорпусные клапаны. Бескорпусные клапаны это, как правило, набор составляющих элементов клапана предназначенный для установки в клапанную плиту или корпус.
Картриджные и бескорпусные клапаны могут быть использованы в гидросистеме только в составе клапанного блока или установленными в индивидуальный корпус. На рис. 3, на примере клапанного блока картриджные и бескорпусные клапаны показаны до установки и в установленном состоянии.
Клапаны трубного монтажа имеют резьбовые порты для присоединения гидравлических линий. Клапаны стыкового монтажа обычно предназначены для установки непосредственно на гидроагрегат (например, на гидроцилиндр или гидромотор) и фиксируются группой резьбовых крепежных элементов. Клапаны трубного и стыкового монтажа показаны на рис. 4. и рис. 5.
К подгруппе клапанов стыкового монтажа относится модульная гидроаппаратура СЕТОР (см. рис. 6). В зависимости от максимально пропускаемого потока рабочей жидкости аппаратура разбита на несколько групп: CETOP 02, 03, 05, 07 и 08. Перечень компонентов СЕТОР включает в себя целый ряд гидрокомпонентов: это и всевозможные клапаны, и гидрораспределители, и аппаратура управления расходом, и даже фильтрация рабочей жидкости. Все элементы монтируются группами или по отдельности на монтажные плиты. Пример сборки гидросистемы на элементной базе CETOP 03 показан на рис.7.
Предохранительные клапаны
Предохранительный клапан относится к клапанам регулирования давления с кратковременным срабатыванием. Он устанавливается в гидросистему для ограничения максимально возможного давления в линии. Каждая гидросистема имеет предохранительный клапан в линии высокого давления выходящей из насоса. Предохранительные клапаны могут быть установлены в линиях, давление в которых не должно превышать заданной величины. Например, в линии питания гидродвигателей устанавливают предохранительные клапаны для ограничения в них давления и, как следствие, ограничения максимального создаваемого двигателем усилия. Кроме указанных выше у предохранительных клапанов имеется множество типовых применений.
Согласно ГОСТ 2.781-96 предохранительные клапаны на схемах обозначаются как показано на рисунке 8.
В схемных решениях предохранительный клапан может быть применен для обеспечения минимально заданного уровня давления или подпора в линии гидросистемы. При таком применении предохранительные клапаны принято называть подпорными, что отражает характер их работы.
Схематично устройство предохранительного клапана прямого действия изображено на рисунке. 9. В корпусе 1 установлен конический запорный элемент 2, прижимаемый к седлу пружиной 3. Настройка пружины осуществляется регулировочным винтом 4. Контргайка 5 служит для фиксации регулировочного положения винта. Подвижная опора пружины 8 уплотнена по зазору с корпусом 1. Замкнутый объем 6 и зазор 7 являются демпфером колебаний запорного элемента клапана. Клапаны прямого действия имеют высокую скорость срабатывания, что является их основным достоинством. К недостаткам можно отнести нестабильную работу и склонность к автоколебаниям. Также при увеличении рабочих расходов сильно увеличивается и размер клапана.
Подобных недостатков лишены клапаны непрямого действия, которые часто называют двухступенчатыми или сервоклапанами. Устройство такого клапана показано на рисунке 10. К седлу корпуса 1 пружиной 9 прижат основной запорный элемент 2. В запорном элементе имеется дроссельное отверстие 3. Рабочую полость от линии слива Т отделяет пилотный клапан с запорным элементом 4, поджатый к седлу пружиной 5. Механизм регулировки поджатия пружины состоит из регулировочного винта 7 с контргайкой 10, опоры 6 и уплотнения 8.
Работа клапана происходит следующим образом: при давлении в линии Р ниже настройки срабатывания клапана, уровни давлений в рабочей полости и линии Р одинаковы, основной запорный элемент прижат к седлу пружиной 9. Начальные положения элементов клапана показаны на рисунке 10. При достижении давлением значения настройки пилотного клапана, последний открывается, и рабочая жидкость проходя через дроссельное отверстие 3 устремляется в линию Т. При прохождении рабочей жидкости через дроссельное отверстие создается перепад давлений между линией P и рабочей полостью. Этот перепад давлений воздействует на запорный элемент 2 и преодолевая усилие пружины 9, смещается, что приводит к открытию основного клапана.
Редукционные клапаны
Редукционный клапан относится к клапанам регулирования давления. Он устанавливается в гидросистему для поддержания давления в линии на более низком уровне, чем в основной линии. Иными словами, можно сказать, что редукционный клапан поддерживает давление на постоянном уровне «после себя», имея на входе более высокий уровень давления. Самым распространённым применением является поддержание давления в линии управления распределителями. Редукционные клапаны могут быть установлены в линиях питания гидродвигателей для ограничения в них давления и, как следствие, ограничения создаваемого двигателем усилия.Согласно ГОСТ 2.781-96 редукционные клапаны на схемах обозначаются как показано на рисунке 11.
Схематично устройство редукционного клапана прямого действия изображено на рисунке 12. В корпусе 1 установлен конический запорный элемент 2, прижимаемый к корпусу пружиной 3. При давлении в линии А ниже настройки редукционного клапана рабочая жидкость беспрепятственно перетекает в линию А. После того, как усилие, создаваемое давлением на запорном элементе в линии А превысит усилие, создаваемое пружиной, запорный элемент смещаясь влево, перекроет ток рабочей жидкости из линии Р в А. При этом происходит дросселирование (понижение давления) жидкости на рабочей кромке, вызывая снижение давления в линии А, уравновешивая клапан в некотором положении. Для стабильного поддержания давления редукционным клапаном, полость пружины должна сообщаться с баком. Если в полости пружины создавать некоторое давление, то значение давления, поддерживаемое в линии А, будет увеличиваться прямопропорционально давлению в полости пружины. В этом случае речь идет о редукционном клапане с внешним управлением, а давление в полости пружины называют давлением управления.
Редукционные клапаны седельного типа (см. рис.12) обладают высокой скоростью срабатывания, что может привести к частым и сильным колебаниям давления. Для снижения колебаний давления применяют клапаны золотникового типа. Они обеспечивают более плавную характеристику без забросов давления, но не герметичны и имеют перетечку рабочей жидкости по зазору золотника. Редукционный клапан золотникового типа в рабочем положении показан на рисунке 13.
Для сохранения герметичности и обеспечения плавной характеристики применяются редукционные клапаны непрямого (двуступенчатого) действия. Устройство такого клапана показано на рисунке 14. К корпусу 1 пружиной 9 прижат основной запорный элемент 2. В запорном элементе имеется дроссельное отверстие 3. Рабочую полость А от линии слива Т отделяет пилотный клапан с запорным элементом 4, поджатым к седлу пружиной 5. Механизм регулировки поджатия пружины состоит из регулировочного винта 7 с контргайкой 10, опоры 6 и уплотнения 8.
Работа клапана происходит следующим образом: при давлении в линии А ниже настройки срабатывания клапана, уровни давлений в рабочей полости и линии А одинаковы, основной запорный элемент прижат к корпусу пружиной 9. При достижении давлением значения настройки пилотного клапана, последний открывается, и рабочая жидкость проходя через дроссельное отверстие 3 устремляется в линию Т. При этом создается перепад давлений между линией А и рабочей полостью, воздействующий на запорный элемент 2 и преодолевающий усилие пружины 9, смещает запорный элемент 2 вверх, что приводит к уменьшению проходного сечения (седло-клапан), снижению давления в линии А и уравновешиванию клапана в некотором положении, обеспечивающем заданное давление в линии А.
При понижении давления в линии А клапан под воздействием пружины опускается, увеличивая проходное сечение седло-клапан, что приводит к увеличению давления в линии А и уравновешиванию клапана в новом положении.
Еще одной разновидностью редукционного клапана можно считать редукционно-предохранительный или трехходовой редукционный клапан. Его обозначение на принципиальных гидравлических схемах показано на рис. 15.
Принцип работы редукционно-предохранительного клапана показан на рисунке 16. В корпусе 1 установлены основные элементы: пружина 3 и золотник 2. Пока давление в линии А ниже чем в питающей линии Р клапан 2 находится в правом положении и свободно пропускает жидкость из линии Р в линию А. (см. рис. 16А). При повышении давления в линии Р выше настройки пружины 3, золотник 2 смещается влево и начинает дросселировать жидкость прикрывая окно линии P (см. рис. 16Б), вплоть до полного закрытия (рис. 16В). Если при полном закрытии давление в линии А продолжает расти, то золотник смещается еще левее, приоткрывает окно линии Т и начинает сбрасывать жидкость из линии А в слив (см. рис 16Г)
Обратные клапаны
Обратные клапаны относятся к клапанам управления расходом. Основным их назначением является пропускание потока рабочей жидкости в прямом и блокирование в обратном направлениях. Конструктивно обратные клапаны схожи с предохранительными, но не имеют механизма регулировки сжатия пружины, а часто и самой пружины.Согласно ГОСТ 2.781-96 обратные клапаны на схемах обозначаются как показано на рис. 17.
Рис. 17
Устройство простейшего обратного клапана соответствует показанному на рис.1а. Где жидкость имеет возможность проходить от линии P к линии Т, преодолев сопротивление пружины, которое эквивалентно значению из диапазона от 0,02 до 1МПа. При этом в обратном направлении жидкость пройти не может. Также распространены конструкции обратных клапанов без пружины.
Часто при проектировании гидросистемы появляется необходимость в применении обратного клапана способного пропускать поток жидкости в обратном направлении по внешнему сигналу управления. В таких случаях речь заходит об управляемых обратных клапанах.
Управляемые обратные клапаны называются гидрозамками и в соответствии с ГОСТ 2.781-96, имеют обозначения, показанные на рисунке 18:
Рис. 18
Схематично устройство гидрозамка изображено на рисунке 19. В корпусе 1 установлены управляющий поршень 4 и конический запорный элемент 2, прижимаемый к корпусу пружиной 3. Рабочим является закрытое положение клапана, при котором рабочая жидкость заперта в линии C2 (см. рис. 19А). Для принудительного открытия клапана давление подаётся в линию V1-C1. После того, как усилие на поршне 4, создаваемое давлением в полости V1-C1, превысит усилие на запорном элементе 2, создаваемое давлением в линии C2 и пружиной 3, поршень 4 переместится вправо и, смещая запорный элемент 2, откроет доступ жидкости из линии C2 в линию V2 (см. рис. 19Б). При подъеме нагрузки (см. рис. 19В) линия V2-C2 свободно пропускает жидкость к гидродвигателю (гидроцилиндру).
При определенных условиях в момент открытия гидрозамков в гидросистеме могут возникать ударные нагрузки, вызванные резким падением давления. Такие нагрузки отрицательно сказываются на большинстве элементов гидросистемы и снижают их ресурс. Для борьбы с этим явлением в гидрозамок встраивают декомпрессор 5 (см. рис. 20). Принцип работы замка с декомпрессором отличается от обычного тем, что при смещении управляющего поршня 4 первым открывается клапан декомпрессора 5. Смещаясь декомпрессор 5 создает небольшую перетечку жидкости из линии С2 в линию V2 и тем самым снижает в нагруженной линии давление. После этого происходит открытие основного клапана 2 и сброс жидкости из С2 в порт V2. Таким образом мгновенного соединения линии, находящейся под высоким давлением, с линией слива удается избежать.
Рис. 20
Одним из важнейших параметров гидрозамков является соотношение площадей седла основного клапана и управляющего поршня. Фактически соотношение определяет во сколько раз, запертое в полости C2 давление, может превышать давление в полости управления V1-C1 при сохранении работоспособности замка. Для замков без декомпрессора значение соотношения определяется как показано на рисунке 21А. Обычно значение соотношения лежит в диапазоне от 1:3 до 1:7. Для замков с декомпрессором определение значения соотношения показано на рис. 21Б. Значения соотношений для гидрозамков с декомпрессором может достигать значения 1:20 и более.
Рис. 21
Широкое распространение получили сдвоенные (двухсторонние) гидрозамки, предназначенные для фиксирования гидродвигателя в заданном положении независимо от направления приложенных к гидродвигателю усилий.
Согласно ГОСТ 2.781-96 двухсторонние гидрозамки на схемах обозначаются, как показано на рис 22.
Рис. 22
Устройство и принцип работы односторонних и сдвоенных (двухсторонних) гидрозамков аналогичны. В закрытом состоянии к седлам в корпусе 1 пружинами 5 и 6 прижаты запорные элементы 3 и 4 (см. рис. 23А). Управляющий поршень 2 в зависимости от наличия давления в линиях V1 и V2 смещается и открывает один из запорных элементов 3 или 4 (см. рис. 23Б)
Рис. 23
При проектировании гидравлических систем, содержащих гидрозамки нужно учитывать несколько условий:
· В закрытом состоянии для надежного удержания нагрузки линии гидрозамков, ведущие к гидрораспределителю, должны быть разгружены в слив (см. рис. 24) Пренебрежение этим правилом ведет к неполному запиранию магистралей и «сползанию» нагрузки.
· Для обеспечения безопасности при удержании нагрузки гидрозамки рекомендуется устанавливать, как можно ближе к исполнительному гидродвигателю или непосредственно на него.
· При совпадении направления нагрузки на исполнительный орган гидродвигателя с направлением его движения (попутная нагрузка), гидрозамок может работать некорректно, постоянно закрываясь и открываясь. Этот режим работы приводит к возникновению ударных нагрузок в гидросистеме и преждевременному выходу из строя ее компонентов. В подобных случаях необходимо вместо гидрозамков применять тормозные клапаны.
Типовые схемы включения односторонних и двухсторонних гидрозамков показаны на рисунке 24.
При проектировании гидравлических систем, содержащих гидрозамки, необходимо учитывать, что для их корректной работы в режиме удержания нагрузки требуется, чтобы порты V1 и V2 были открыты в сливную линию. Это требование обычно обеспечивается установкой гидрораспределителя с золотником, линии А и В которого в нейтральном положении соединены с сливной линией. Примеры подключения показаны на рисунке 24
Тормозные клапаны
Тормозной клапан относится к клапанам регулирования давления. В технической литературе данный вид клапанов часто называют уравновешивающими или контрбалансными (counterbalance). Основное применение эти клапаны находят в системах где на гидродвигателях требуется длительное удержание нагрузки и возможно возникновение нагрузки, совпадающей по направлению с движением исполнительного органа гидродвигателя (попутной нагрузки). По количеству контролируемых линий гидродвигателя тормозные клапаны бывают односторонние и двухсторонние.На схемах тормозные клапаны обозначаются как показано на рисунке 25.
Рис. 25
Далее будет рассмотрен принцип работы тормозных клапанов на примере работы гидроцилиндра.
Односторонний тормозной клапан.
На рисунке 26 показано устройство одностороннего тормозного клапана, находящегося в состоянии удержания нагрузки. Клапан состоит из корпуса 10, в котором установлены: дроссель 11, клапан 4, седло 3 с пружиной 2, опорная шайба 1, обойма 7, упор 5, пружина 6 и регулировочный винт 8 с контргайкой 9. Гидравлический цилиндр удерживает нагрузку поршневой полостью. В отличие от гидравлического замка, который удерживает нагрузку независимо от ее величины, тормозной клапан откроется и сработает как предохранительный при величине давления определяемой настройкой поджатия пружины 6. Поэтому, для гарантированного удержания нагрузки такими клапанами давление их настройки выбирают выше максимального на величину от 20% до 50%.
Рис. 26
На рисунке 27 показан тормозной клапан, находящийся в состоянии подъема груза. Для подъема груза гидроцилиндром в порт V2 подается рабочая жидкость. При этом седло 3 смещается влево, преодолевая усилие, создаваемое пружиной 2. Рабочая жидкость из штоковой полости гидроцилиндра свободно уходит в сливную линию. Таким образом осуществляется подъем груза гидроцилиндром. При последующем соединении порта V2 со сливной линией тормозной клапан переходит в режим удержания груза. Дроссель 11 выполняет роль демпфера, который обеспечивает относительно плавное перемещение клапана 4.
Рис. 27
На рисунке 28 показан тормозной клапан в режиме работы с попутной нагрузкой. В начальный момент времени тормозной клапан, запертой им поршневой полостью удерживает груз. Поскольку поршневая полость заперта, то при подаче рабочей жидкости в штоковую полость, в ней создается давление, которое через дроссель 11 воздействует на клапан 4. Под воздействием давления в штоковой полости, клапан 4 преодолевает усилие пружины 6 и смещаясь вправо приоткрывает в слив линию С2, соединенную с поршневой полостью цилиндра. Шток гидроцилиндра приходит в движение. В режиме компенсации попутной нагрузки клапан 4 находится в некотором равновесном состоянии, при котором скорость движения штока гидроцилиндра строго определяется расходом рабочей жидкости, поступающим в штоковую полость. При отклонении клапана от равновесного состояния происходит следующее:
· При слишком большом открытии клапана 4 расход жидкости С2-V2. превышает величину расхода V1-C1 (с учетом соотношения рабочих площадей штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра). Происходит падение давления в штоковой полости и зазор между клапаном 4 и седлом 3 уменьшается. При этом расход С2-V2 снижается до величины соответствующей величине расхода V1-C1 (с учетом соотношения рабочих площадей штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра). Клапан приходит в равновесное состояние.
· При слишком малом открытии клапана 4 расход жидкости С2-V2 ниже величины расхода V1-C1 (с учетом соотношения рабочих площадей штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра). Происходит увеличение давления в штоковой полости и зазор между клапаном 4 и седлом 3 увеличивается. При этом расход С2-V2 увеличивается до величины соответствующей величине расхода V1-C1 (с учетом соотношения рабочих площадей штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра). Клапан приходит в равновесное состояние.
Рис. 28
Двухсторонний тормозной клапан.
В отличие от одностороннего тормозного клапана двухсторонний клапан используется в системах где есть необходимость удерживать гидравлические двигатели под знакопеременной нагрузкой и периодическим воздействием попутной нагрузки при движении как в прямом так и обратном направлениях.
На рисунке 29 показан двухсторонний тормозной клапан в состоянии удержания нагрузки. Его устройство идентично устройству одностороннего тормозного клапана. В его состав входят корпус 20, в котором установлены: разделительный клапан 10, клапан 4(14), седло 3(13) с пружиной 2(12), опорная шайба 1(11), обойма 7(17), упор 5(15), пружина 6(16) и регулировочный винт 8(18) с гайкой 9(19). Гидравлический цилиндр на рисунке 29 может удерживать нагрузку в поршневой или штоковой полости.
Рис. 29
На рисунке 30 двухсторонний тормозной клапан показан в состоянии подъема груза. При подаче рабочей жидкости в порт V2 седло 13, преодолев сопротивление пружины 11, сместится влево и жидкость поступит в порт С2 и поршневую полость гидроцилиндра. Рабочая жидкость из полости V2, проходя через канал в клапане 14, воздействует на клапан 4, смещая его влево. Разделительный клапан 10 в этот момент закрывает канал в клапане 4. При этом между клапаном 4 и седлом 3 образуется зазор, через который рабочая жидкость из штоковой полости гидроцилиндра проходит в сливную линию. Таким образом происходит подъем груза гидроцилиндром. При последующем соединении порта V2 и V1 со сливной линией, тормозной клапан переходит в режим удержания нагрузки. При восприятии нагрузки штоковой полостью гидроцилиндра работа клапана происходит аналогично.
Рис. 30
На рисунке 31 показан тормозной клапан в режиме работы с попутной нагрузкой. В начальный момент времени тормозной клапан, запертой им поршневой полостью удерживает груз. Компенсация попутной нагрузки будет проходить в плече C2-V2. Рабочая жидкость, поданная в порт V1, преодолев усилие пружины 2, смещает седло 3 вправо и через порт С1 попадает в штоковую полость гидроцилиндра. Поскольку поршневая полость заперта, то при подаче рабочей жидкости в штоковую полость, в линии V1-C1 возникает давление, которое через канал в клапане 4 проходит к торцу клапана 14 и преодолев усилие пружины 16 смещает его вправо. Разделительный клапан 10 закрывает канал в клапане 14. При этом появляется зазор между клапаном 14 и седлом 13, через который рабочая жидкость из поршневой полости уходит в сливную линию и шток гидроцилиндра движется вниз. В режиме компенсации попутной нагрузки плечом С2-V2 клапан 14 находится в некотором равновесном состоянии, при котором скорость движения штока гидроцилиндра строго определяется расходом рабочей жидкости, поступающим в штоковую полость. При отклонении клапана от равновесного состояния происходит следующее:
При слишком большом открытии клапана 14 расход жидкости С2-V2. превышает величину расхода V1-C1 (с учетом соотношения рабочих площадей штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра). Происходит падение давления в штоковой полости и зазор между клапаном 14 и седлом 13 уменьшается. При этом расход С2-V2 снижается до величины соответствующей величине расхода V1-C1 (с учетом соотношения рабочих площадей штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра). Клапан приходит в равновесное состояние.
При слишком малом открытии клапана 14 расход жидкости С2-V2 ниже величины расхода V1-C1 (с учетом соотношения рабочих площадей штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра). Происходит увеличение давления в штоковой полости и зазор между клапаном 14 и седлом 13 увеличивается. При этом расход С2-V2 увеличивается до величины соответствующей величине расхода V1-C1 (с учетом соотношения рабочих площадей штоковой и поршневой полостей гидроцилиндра). Клапан приходит в равновесное состояние.
При удержании нагрузки штоковой полостью, компенсация попутной нагрузки будет проходить в плече C1-V1 и клапан 4 будет находится в равновесном состоянии. Порядок поддержания равновесного состояния аналогичен описанному.
Рис. 31
Так же как у гидрозамков, важнейшим параметром тормозных клапанов является отношение рабочей площади основного клапана к площади основного пилотного элемента. Фактически этот параметр показывает соотношение давлений в полостях V1 и C2 необходимых для преодоления усилия пружины 6. Обычно значения соотношений для тормозных клапанов лежат в диапазоне от 1:3 до 1:8. На рисунке 32 показано как определяется соотношение площадей исходя из геометрических размеров клапана.
Рис.32
При проектировании гидравлических систем, содержащих тормозные клапаны, необходимо учитывать, что для их корректной работы в режиме удержания нагрузки требуется, чтобы порты V1 и V2 были открыты в сливную линию. Это требование обычно обеспечивается установкой гидрораспределителя с золотником, линии А и В которого в нейтральном положении соединены с сливной линией. Примеры подключения показаны на рисунке 33
Внимание! Данная статья авторская. При копировании ее с сайта обязательно указывать источник!
С Уважением,
Начальник конструкторского отдела
Лебедев М.К.
Тел.: (495) 225-61-00 доб. 234
E-mail: [email protected]
Клапан последовательности и редукционный клапан
Рассмотрим работу клапанов последовательности
и редукционного клапана в гидросистеме. С их помощью осуществляются
дополнительные методы управления гидросистемами. Обратимся к приведенной
гидросхеме машины, в которой два гидроцилиндра питаются от одного
насоса, но работают строго поочередно. Это гидропривод зажима рабочего
инструмента и его подачи.
В нем удачно сочетается совместное использование клапанов последовательности и редукционного клапана. Задача данного гидропривода – без вмешательства оператора осуществить заданную последовательность работы гидроцилиндров, которая отражена на схеме рис.1.
Рис.1. Схема работы клапанов последовательности и редукционного клапана
1 – редукционный клапан; 2 и 3 – клапаны последовательности; Р1…Р6 – манометры
При включении оператором гидрораспределителя поток от насоса через клапан 1 поступает в поршневую полость гидроцилиндра А (цилиндр зажима рабочего инструмента). Слив из штоковой полости осуществляется через обратный клапан, установленный параллельно клапану 3.
Шток гидроцилиндра А выдвигается до крайнего положения. Инструмент зажат. После упора поршня в переднюю крышку давление на насосе возрастает до р2 = 7,0 МПа и открывает клапан 2. Шток гидроцилиндра В выдвигается до крайнего положения. Для обеспечения стабилизации движения штока в сливной линии гидроцилиндра В установлен дроссель.
Во время движения штока гидроцилиндра А и в период его остановки при движении гидроцилиндра В клапан 1, вне зависимости от величины давления на насосе, поддерживает в поршневой полости гидроцилиндра А постоянное давление р3 = 5,0 МПа. Оно обеспечивает постоянную силу зажима рабочего инструмента машины.
При включении оператором гидрораспределителя поток от насоса через обратный клапан, установленный параллельно дросселю, поступает в штоковую полость гидроцилиндра подачи В, шток втягивается до конечного положения. Слив из поршневой полости осуществляется через обратный клапан, установленный параллельно клапану 2.
После этого давление на насосе начинает расти до р4 = 6,0 МПа. Клапан 3 срабатывает, рабочая жидкость поступает в гидроцилиндр А, и начинается втягивание штока до конечного положения. Слив из поршневой полости осуществляется также через обратный клапан. Рабочий инструмент разжимается.
Система вернулась в исходное положение. В данной гидросхеме показано правильное расположение датчиков давления (манометров Р1…Р6). Они помогают лучше понять процедуры настройки клапанов, а также распределение давления в различных частях гидросистемы. Здесь клапан 1 является редукционным.
Клапаны 2 и 3 – последовательные. Это двухходовые клапаны. Они содержат два порта для силового потока рабочей жидкости: один входной (нагнетание) и один выходной (рабочий). Редукционный клапан является «нормально открытым». Он ограничивает давление в гидролинии на его выходе. На схеме это давление р3 в гидроцилиндре А зажимного устройства машины.
Давление р3 = 5,0 МПа соответствует настройке редукционного клапана. В результате сила зажима рабочего инструмента в машине не превышает заданной и практически остается постоянной. Редукционный клапан 1 управляется изменением выходного давления р3 гидроцилиндра А.
Клапаны последовательности 2 и 3 являются «нормально закрытыми». Принцип их работы и конструкция аналогичны предохранительному клапану. Срабатывание происходит при достижении определенной величины давления на их входе. Клапан 3 откроется при давлении р4 = 6,0 МПа и направит поток рабочей жидкости в гидроцилиндр А.
Клапан 2 откроется при величине давления р2 = 7,0 МПа и приведет в действие гидроцилиндр В. Следует заметить, при срабатывании клапанов последовательности 2 и 3 редукционный клапан 1 продолжает удерживать более низкое давление у себя на выходе, равное величине его настройки – 5,0 МПа. Максимальное давление всей гидросистемы ограничено 12,0 МПа.
Принцип действия редукционного клапана и клапана последовательности
Рассмотрим принцип работы клапана последовательности (рис.2). Клапаны последовательности устанавливаются в том случае, когда работа последующего контура гидросистемы должна начинаться после завершения действия предыдущего контура.
Рис.2. Принцип работы клапана последовательности
Обратимся к гидросхеме. В ней первым начнет работать гидроцилиндр 1 главного контура. Одновременно рабочая жидкость поступает под торец золотника клапана последовательности (пунктирная линия). Но развиваемая гидравлическая сила пока не может преодолеть сопротивление его пружины.
Как только поршень гидроцилиндра 1 остановится (например, достигнет крайнего положения – упрется в переднюю крышку), рабочее давление начнет расти. В результате гидравлическая сила преодолеет сопротивление пружины. Золотник клапана сместится и откроет доступ рабочей жидкости во второй контур. Шток гидроцилиндра 2 начнет выдвигаться.
Рассмотрим теперь работу редукционного клапана (рис.3). Обратимся к гидросхеме. Рабочая жидкость от насоса подается на вход редукционного клапана (линия р) и, проходя через открытый золотник, как показано на схеме, выходит по линии А в гидроцилиндр второго контура.
Рис.3. Принцип работы редукционного клапана давления
Выходная линия А внутренними каналами связана с торцевой полостью золотника (пунктирная линия на схеме). Другой канал соединяет линию А с рабочей боковой поверхностью золотника, которая перекрывает его (сплошная линия на схеме). Эта же боковая поверхность золотника перекрывает канал слива Т.
Действующее на торец золотника рабочее давление уравновешивается пружиной, которая установлена в его противоположной торцевой полости. Величина рабочего давления определяется настройкой пружины.
Неизбежные внутренние утечки, проходя по зазорам между золотником и корпусом клапана, попадают в подпружиненную полость и по каналу У направляются на слив. Повышение давления в гидроцилиндре увеличивает гидравлическую силу, действующую на торец золотника.
Золотник смещается вниз, сжимая пружину. Одновременно он уменьшает площадь рабочего окна и открывает доступ жидкости на слив. Часть рабочей жидкости из канала р направится на слив по каналу Т. Другая часть по каналу А продолжает поступать в гидроцилиндр, поддерживая в нем заданное давление.
Количество рабочей жидкости, поступающей в гидроцилиндр, будет автоматически регулироваться дросселирующими кромками золотника. При превышении давления настройки клапана золотник перекроет доступ рабочей жидкости в гидроцилиндр, и весь расход направится на слив.
Если нагрузка в гидроцилиндре уменьшится, давление снизится в линии А и, соответственно, в торцевой камере золотника. Пружина заставит золотник подняться и увеличить площадь его рабочих окон.Дополнительный расход рабочей жидкости поступит в гидроцилиндр и обеспечит заданный режим работы – восстановит требуемую величину давления. Таким образом, можно сделать следующие заключения.
Клапан последовательности — Представлен в семействе клапанов управления давлением. Однако давлением он не управляет. Этот клапан всего лишь использует сигнал давления, чтобы открыть свое рабочее окно.
Во многих случаях его можно отнести к семейству распределителей, поскольку этот клапан изменяет направление потока рабочей жидкости после открытия своего окна под воздействием давления, которое определяется настройкой пружины.
Редукционный клапан — Поддерживает в управляемом контуре заданное давление (всегда ниже максимального). Он также может выполнять функции предохранительного клапана. В этом случае редукционный клапан должен настраиваться примерно на 1,0 МПа выше, чем давление на его выходе.
При резком возрастании давления в рабочей линии клапан направит рабочую жидкость на слив в гидробак. В обоих типах упомянутых клапанов пружинная полость соединена со сливом. Это дает возможность продолжать работу клапана, когда его выходная линия нагружена давлением.
Через сливной канал в гидробак направляются внутренние утечки и излишний объем рабочей жидкости. Отсутствие сливного канала привело бы к перетеканию утечек через зазоры клапана и быстрому его выходу из строя.
При настройке любого клапана следует соблюдать следующие правила:
— Необходимо правильно подобрать манометр. Величина настройки давления клапана должна соответствовать примерно 2/3 показания шкалы манометра.
— Для нормально открытых клапанов их выходная гидролиния до точки тестирования должна быть разгруженной, т.е. не должна работать.
— Для нормально закрытых клапанов их выходная гидролиния должна быть
соединена со сливом.
1.6.4. Схема применения в гидросистеме редукционного клапана
Рис. 1.12. Схемы исполнения редукционного клапана непрямого действия с управлением от основного потока (а и б) и с дистанционным гидравлическим управлением (в)
Рис. 1.13. Схема применения в гидросистеме с двумя цилиндрами гидравлического
редукционного клапана с управлением от основного потока для подачи в цилиндр Ц2
рабочей жидкости с постоянным пониженным давлением
2. АППАРАТУРА РЕГУЛИРОВАНИЯ РАСХОДА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
2.3. Дроссели регулируемые
2.3.1. Назначение и область применения
2.3.2. Виды запорно-регулирующих элементов регулируемых дросселей
Рис. 2.1. Схемы гидравлических дросселей с резьбовым (а), игольчатым (б), плунжерным (в) и щелевым (г) запорно-регулирующими элементами
2.4. Дроссели регулируемые щелевые
2.4.1. Устройство и принцип работы регулируемых дросселей
В гидравлических приводах, для регулирования расходов рабочей жидкости от сотых долей до сотен литров в минуту, применяются регулируемые щелевые дроссели типа ПГ 77-1 (рис. 2.2). Дроссель ПГ 77-1 состоит из корпуса 1, втулки дросселя 2, винта 3, втулки 4, валика 5, лимба 6, контргайки 7, штифта 8, шарикового пружинного фиксатора 9, указателя оборотов 10, пружины 11 и пробки 12.
Рис. 2.2. Регулируемый щелевой дроссель ПГ 77-1
Рабочая жидкость подводится в полость Р, проходит через дросселирующую щель, образованную острыми кромками фасонного отверстия треугольной формы во втулке 4 и торца втулки-дросселя 2, и отводится из полости А. Расход регулируется путем осевого перемещения втулки-дросселя 2 с помощью винта 3 в одну сторону и пружины 11 − в противоположную. Винт 3 поворачивается от лимба 6 через валик 5. Полному осевому перемещению втулки-дросселя 2 соответствуют четыре оборота лимба 6. После каждого полного оборота лимб 6 с помощью штифта 8 на 1/4 оборота поворачивает указатель 10, на торце которого имеются цифры 1,…, 4. От самопроизвольного поворота указатель поворотов 10 удерживается шариковым пружинным фиксатором 9.
Расход рабочей жидкости через дроссель определяется зависимостью:
где μ − коэффициент расхода, μ = 0,6 − 0,7; fдp − площадь проходного сечения щели дросселя; g − ускорение свободного падения; γ − удельный вес рабочей жидкости; ∆р − перепад давления на дросселе.
Расход жидкости через дроссель Qдр при прочих равных условиях зависит не только от площади рабочего проходного сечения fдp, но и от перепада давлений ∆р на дросселе. Чем меньше перепад давлений ∆р, тем меньше расход Qдр, и наоборот. Квадратный корень в вышеприведенной формуле показывает, что эта зависимость применяется для квадратичных дросселей.
2.4.2. Схемы подключения регулируемых дросселей в гидросистему
При дроссельном регулировании возможны разные варианты установки дросселя в гидросистему, а именно последовательно (рис. 2.3, а, б) и параллельно (рис. 2.3, в) рабочему органу. При последовательной установке дросселя могут быть варианты на входе (см. рис. 2.3, а) и на выходе (см. рис. 2.3, б).
Рис. 2.3. Схема подключения дросселя последовательно на входе (а) и на выходе (б)
и параллельно гидравлическому цилиндру (в)
В гидравлических приводах дроссель может устанавливаться, как указывалось выше, последовательно в напорной линии (дроссель на входе), в сливной линии (дроссель на выходе) и параллельно гидродвигателю. Однако, независимо от места установки дросселя, при изменении нагрузки на гидродвигатель на дросселе меняется перепад давлений ∆р, который влияет на расход через дроссель Qдр. Вследствие этого при переменной нагрузке с помощью одного дросселя нельзя получить постоянный расход и, следовательно, стабильную скорость выходного звена гидродвигателя. Поэтому в гидроприводах с дроссельным регулированием при переменных нагрузках применяют регуляторы расхода.