Гидрораспределители

Гидрораспределители предназначены для изменения направления или пуска и остановки потока рабочей жидкости в двух или более ли­ниях в зависимости от наличия внешнего управляющего воздействия.

а) 6)

Рис. 3. Схемы действия распределителей золотникового (а) и кранового (б) типов

Функциональные возможности распределителей характеризуются рядом параметров:

-количест­во коммутируемых гидролиний,

-количество позиций переключения,

-нормальная позиция (позиция, занимае­мая ЗРЭ распределителя при отсутствии управляющего воздействия),

-способ управления.

В условном графическом обозначении распределителей каждая из возможных позиций его ЗРЭ обознача­ется квадратом, внутри которого показана схема внутренних соединений: линиями со стрелками изобража­ют направления потока рабочей жидкости, а тупиковой линией с поперечной чертой — закрытые каналы (рис. 4). Поскольку рассмотренная модель распределителя осуществляет коммутацию двух гидролиний (А и Р), а его ЗРЭ при этом может занимать две позиции (левая — поток рабочей жидкости перекрыт, правая — поток рабочей жидкости пропускается), то такой распределитель можно назвать двухлинейным двухпозиционным распределителем.

Рис. 4. Модель и принцип построения условного графического обозначения 2/2-распределителя

.

Переключение распределителей выполняется посредством перемещения их ЗРЭ из одной позиции в дру­гую в результате внешних управляющих воздействий.

Виды управления: ручное; ножное; механическое; гидравлическое или пневматическое; электрическое (с помощью электромагнитов); комбинированное.

В табл. 1 приведены стандартные условные графические обозначения наиболее распространен­ных устройств и способов управления гидравлическими распределителями.

Таблица 1

На принципиальных гидравлических схемах условные графические обозначения распределителей изображают таким образом, чтобы линии связи (рабочие гидролинии) были подведены к квадрату, обозначающему, исходную позицию распределителя

Чтобы получить представление о работе распределителя, следует мысленно передвинуть относительно линий связи соответствующий квадрат в обозначении на то место, которое на схеме занимает квадрат, изо­бражающий исходную позицию распределителя. На рис.5 распределитель коммутирует между собой три линии (Р, А, Т) и может занимать две позиции а и b.

Рис.5. Управление гидроцилиндром одностороннего действия

В исходной позиции (рис. 5.5, а) 3/2-распределитель* перекрывает поток жидкости от насоса к гидроцилин­дру, весь расход через предохранительный клапан поступает в бак (исходной является позиция b распредели­теля, поскольку справа на него «действует» пружина).

После отпускания кнопки распределитель под действием возвратной пружины переключается в исходную позицию и гидроцилиндр возвращается в исходное положение.

Золотниковые гидравлические распределители.

В золотниковых распределителях (рис. 6) измене­ние коммутации подведенных к ним гидролиний осуществляется при осевом смещении цилиндрического запорно-регулирующего элемента — золотника.

Рис. 6. Золотниковый распределитель

Золотник 4, имеющий два соединенных между собой буртика 3 и 5, расположен в продольной цилиндриче­ской расточке 2 корпуса 1. Рабочие каналы Р и А связаны с кольцевыми расточками 8, между кромками кото­рых 7 и кромками 6 буртов собственно и образуется проходное сечение распределителя. Перемещение зо­лотника в цилиндрической расточке возможно только при наличии зазора между ним и корпу­сом, что сопровождается утечками рабочей жидкости из-за разности давлений в рабочих каналах распределителя. Ограничить утечки можно уменьшая зазор, однако обеспечить зазор менее 10 мкм технологически трудно*.

При приложении управляющего воздействия на золотник распределителя приходится преодолевать толь­ко силы трения и возвратной пружины (при ее наличии). Силы же, создаваемые давлением жидкости, уравно­вешиваются благодаря равенству площадей противолежащих торцов золотника (золотник гидравлически разгружен).

Сила трения в золотниковой паре (золотник-корпус) зависит от времени пребывания золотника в состоя­нии покоя под давлением и возникает вследствие защемления буртиков, по которым происходит утечка рабо­чей жидкости.

Рис.7. Действие давления на буртик золотника

Чтобы избежать защемления золотника, на его буртиках выполняют цилиндрические разгрузочные про­точки (рис. 7, б), в которых гарантировано наличие жидкости под давлением. Под действием давления по всему периметру буртика золотник оказывается как бы вывешенным в расточке на масляной пленке, что обес­печивает его нормальную подвижность.

Для страгивания с места золотника, который долго не двигался, необходимо большее усилие, чем для дальнейшего перемещения еще и в связи с облитерацией— зарастанием зазора адсорбированными на по­верхностях золотника и корпуса молекулами.

Рассмотрим некоторые конструкции золотниковых распределителей. На рис. 8 представлен гидравлический 3/2-распределитель с управлением от нажимной кнопки и пружинным возвратом (такой же как на рис.5). Когда управляющее воздействие на толкатель 1 отсутствует, пружина 3 устанавливает золотник 2 в крайнее левое положение, которое является для данной конструкции нормальной позицией. При этом канал Р перекрыт, а канал А связан с каналом слива Т. При на­личии управляющего воздействия на толкатель 1 (в данном случае при нажатии на кнопку оператором) золотник 2, сжимая пружину 3 смещается в правую позицию, при которой каналы питания Р и потребителя А соединяются, а ка­нал слива Т перекрывается. Линия дренажа L предусмотрена для отвода утечек.

Рис. 8.

3/2-гидро-распределитель

Традиционно 3/2-распределители используются для управления нереверсивными гидромоторами и гид­роцилиндрами одностороннего действия.

Для управления реверсивными гидромоторами и цилиндрами двустороннего действия обычно применяют 4/2 или 4/3 -распределители (рис. 9 и рис. 10).

Рис.9. 4/2-гидрораспределитель

Рис. 10. 4/3-гидрораспределитель с ручным управлением

При отсутствии управляющего воздействия, золотник 5 под действием пружин 4 и 6 устанавливается в нейтральную (среднюю) позицию, все каналы распределителя оказываются перекрытыми. При повороте ры­чага 1, он, вращаясь вокруг шарового шарнира 2, через толкатель 3 смещает золотник 5 в ту или иную сторону, что приводит к смене схемы коммутации каналов, согласно приведенному условному графическому обозна­чению.

В гидроприводе, схема которого изображена на рис. 11, в исходном положении (рис11, а) полости ци­линдра заперты, его выходное звено находится в позиции, определяемой предыдущей управляющей коман­дой. При переводе золотника распределителя посредством рычага в рабочую позицию а, шток цилиндра нач­нет втягиваться (рис. 11, б).

Рис. 11. Управление гидроцилиндром двустороннего действия посредством 4/3-распределителя

В момент, когда шток займет требуемое положение, управляющее воздействие на золотник прекращают. Это сопровождается автоматической (под действием центрирующих пружин) установ­кой золотника распределителя в нейтральную позицию 0 и остановку цилиндра в новом положении (рис. 11, в).

Пример переключения 4/3-распределителя представлен также на рис. 12.

В первой (исходной) позиции все линии, подходящие к гидрораспределителю, разобщены, т. е. пере­крыты. Во второй позиции попарно соединены линии Р я А, В я Т, ав тре­тьей — Р и В, А и Т. Такой гидрораспределитель является реверсивным, и используется очень часто в гидросхемах строительных и дорожных машин.

Рис.

Позиции, которые могут занимать ЗРЭ трехпозиционных распределителей обозначают буквами «а», «в» и «0», где «а» — соответствует крайнему левому положению ЗРЭ, «в» — крайнему правому, а «0» — нейтральному или среднему положению. Двухпозиционные распределители могут занимать только положения «а» и «в.

Для систематизации разнообразных схемных решений распределителей каждому из них присвоен номер исполнения по гидросхеме.

В процессе переключения распределителей, по ходу перемещения золотников, также возможны различ­ные варианты коммутации каналов. Применение того или иного схемного решения решается в каждом конкретном случае в зависимости от требований конкретного гидропривода. Такое разнообразие схем коммутации каналов в рабочих и переходных позициях обеспечивается различ­ным конструктивным исполнением золотников (рис. 12).

Рис. 12. Примеры реализации разных схем соединения в нейтральной позиции

В зависимости от геометрии и взаимного расположения буртиков золотника и цилиндрических расточек корпуса распределителя по перекрытию проходных каналов золотником в его исходной позиции различают положительное, отрицательное и нулевое перекрытие (рис. 13, 14, 15 ). В гидрораспределителях с по ложительным перекрытием (рис. 4.4, а) длина h рабочего пояска золотника больше длины расточки t в корпусе, поэтому поясок золотника при симметричном положении по отношению расточки перекрывает проходной канал на длине

∆l= (h— t)/2.

Рис. 14. Регулировочная (а) и гидравлическая (б") характеристики двухлинейного гид­рораспределителя

В гидрораспределителях с отрицательным перекрытием (рис. 13, б) длина h рабочего пояска меньше длины расточки t в корпусе, в результате в нейтральной позиции золотника по обеим сторонам его пояска образуется зазор

—∆l == (h - 0/2.

В гидрораспределителе с нулевым перекрытием (рис. 13, в) t = h и ∆l — 0.

Регулировочная характеристика (рис. 14, а) определяет зависимость рас­хода рабочей жидкости Q от перемещения золотника /; Q = f (l). Обычно ее строят для нескольких перепадов давления на кромках золотника и крутизну наклона оценивают коэффициентом усиления по расходу

Ко —∆ Q/∆l,

который харак­теризует быстродействие распределительного устройства.

Гидравлическая характеристика (рис. 14, б) определяет величину потерь давления Δр при прохождении жидкости через гидрораспределитель в зависи­мости от расхода Q при различных позициях золотника. Перепад давления и рас­ход жидкости через гидрораспределитель связаны уравнением

Q = μ f υ_t = μ f (2∆p/p)^1/2= μπd₃ l(2∆p/p)^1/2

где μ = Q_d./Q_r — коэффициент расхода, определяемый для конкретного гидрораспреде­лителя проливками рабочей жидкости (здесь Q — действительный (измеренный) расход рабочей жидкости; Q_T — теоретический расход, вычисленный по зависимости Q_T = V_тf = f (2∆p/ρ)^1/2; f = nd₃l — площадь сечения проходного канала гидрораспределителя (здесь d₃ — диаметр золотника; l — ход золотника);

V_T = 2∆р/ρ — расчет­ная (теоретическая) скорость потока (здесь ∆р — разность давлений на входе в гидро­распределитель и на выходе из него; ρ — плотность жидкости).

Рис.14.

Рис. 15. Виды перекрытий золотников

Главным недостатком золотниковых распределителей является их негерметичность. Величина перетечек зависит от величины диаметрального зазора между золотником и корпусом, вязкости рабочей жидкости и осо­бенно от величины давления. Обычно эти перетечки незначительны, однако в ряде случаев, когда они недо­пустимы, распределители такого типа не используют.

В реальных условиях течения рабочей жидкости через гидрораспределитель, представляющий собой сложное местное сопротивление с короткими каналами, средняя скорость потока будет отличаться от ее расчетного значения. Коэффи­циент местных гидравлических потерь представляет собой отношение перепада давления ∆р_г, создаваемого дросселированием потока на кромках золотника, к скоростному напору жидкости, т. е.

Реально средняя скорость потока примерно равна

V = (2∆p_г/ρ)^1/2

Поскольку течение реальной жидкости через гидрораспределитель сопря­жено со сложной деформацией потока вследствие возмущающего действия пово­ротов, сужений и резких расширений при различных позициях золотников, то при изотермическом режиме течения коэффициенты местных сопротивлений изме­няются в пределах переходной зоны

Re_{кp min} < Re 200 можно принимать μ = 0,62-4-0,65, а при Re < 200 μ= 0,5).

Минимальное перекрытие Δl выбирают в зависимости от диа­метра золотника d₃:

d_з, мм .... 6-10 10-25 25-40 40-50

∆l, мм .... 1-2 3 4 — 5 6

Длина рабочего пояска золотника h = t + 2 ∆l, откуда длина расточки в корпусе гидрораспределителя t = h — 2∆l

Ход золотника в обе стороны от среднего положения l = t+2Δl.

Расстояние между осями каналов рабочих отводов /_к = h + t

Конструктивный зазор между золотником и корпусом

ε₀ = (d₀ – d_з)/2,

где d₀ — внутренний диаметр отверстия в корпусе.

Рекомендуемый конструктивный зазор в золотниковых гидроаппаратах d₀ > d₃/ 2,5

С учетом изменения давления и температуры радиальный зазор

ε = ε ₀ + ∆ε_p + ∆ε_т

где ∆ε_p ; ∆ε_т — изменения зазора в зависимости от давления и температуры рабочей жидкости, соответственно.

Изменение зазора в золотниковых распределителях от действия давления р_н рабочей жидкости

где р_н –давление в напорной гидролинии; d_з, – наружный диаметр золотника; d_к диаметр корпуса (гильзы) распределителя; Е – модуль упругости материала корпуса распределителя;

μ – коэффициент Пуассона, характеризующий упругие свойства материала в пределах действия закона Гука.

если для стальных и чугунных корпусов пренебречь деформацией от внутреннего давления жидкости, то радиальный зазор

ε = ε ₀ + d_з∙Δα∙ΔТ

где Δα= Δα_А- Δα_В – разность коэффициентов линейного расширения материалов сопряженных деталей корпуса Δα_А и золотника Δα_В, значения которых относятся к средней температуре +20 С⁰; ΔТ= Т –Т₀ – разность между температурой материала сопряженных деталей (Т_А-Т_В=Т) и исходной (начальной) температурой.

Суммарная осевая сила. необходимая для перемещения золотника

ΣF_з = F_тр + F_гд +F_пр +F_и ,

где F_тр – сила трения (F_тр = F_{тр.покоя}+ F_В), F_В- сила трения со смазочным материалом; F_гд –гидродинамическая осевая сила; F_пр- сила сжатия пружины; F_и- сила инерции.

Сила трения не является постоянной величиной и зависит от времени на­хождения золотника под давлением в неподвижном состоянии, от типа и качества уплотнений, точности и чистоты обработки сопряженных поверхностей трения, реологических свойств рабочих жидкостей. Для ряда секционных гидрораспредели­телей, подверженных влиянию низких температур, экспе­риментально установлено, что сила трения покоя, включающая силу инер­ции золотника, после выдержки 8—10 мин составляет 80—140 Нив зависимости от температуры рабочей жидкости составляет 0,23—0,34 общей силы, затрачи­ваемой на перемещение золотника. Сила трения со смазочным материалом

F_B = ν ρ υ₃ f_щ/ε

где ν — кинематическая вязкость жидкости; ρ — плотность рабочей жидкости; υ₃— скорость движения золотника относительно корпуса (гильзы); f_щ — площадь дроссель­ной щели, перекрываемой золотником; ε — радиальный зазор между золотником и кор­пусом гидрораспределителя.

Гидродинамическая (реактивная) осевая сила F_гд, создаваемая потоком жидкости и действующая на золотник в сторону закрытия рабочего окна при перемещении золотника из нейтральной позиции в рабочую, для четырехлиней­ного гидрораспределителя определяется из зависимости

,

где Q — расход жидкости; ∆ р — перепад давления в дроссельной щели; α —угол наклона потока относительно оси золотника при вытекании жидкости из кольцевой проточки корпуса гидрораспределителя.

Для гидрораспределителя с профилем шейки золотника, при которомкомпенсируется осевая гидродинамическая сила

где β – угол наклона потока относительно оси золотника при входе жидкости в кольцевую проточку корпуса распределителя.

Гидродинамическое уравновешивание наступит при b< α, т.е. когда действующая на золотник сила F_гд. _c будет направлена в противоположную сторону (в сторону открытия рабочего канала гидрораспределителя).

Усилие сжатия пружины, обеспечивающее принудительное возвращение золотника в нейтральную позицию,

F_np = k d₃ l₃ p_H f_тр,

где k = 0,15 ÷ 0,13 —коэффициент, зависящий от точности изготовления золотниковой пары; численное значение k принимают большим при меньших значениях d₃ и l₃; l₃ — максимальная длина золотника, на которой возможно одностороннее (неуравновешенное) рабочее давление; f_тр — коэффициент трения золотника о корпус или гильзу.

Сила инерции определяется ускорением а и приведенной массой m золот­ника и перемещающихся с ним деталей:

F_u = ma.