КЛАПАНЫ ДАВЛЕНИЯ

Клапаном давления называется регулирующий гидро­аппарат, предназначенный для управления давлением рабочей жидкости.

Клапаны давления делятся на напорные (предохранительные или переливные), редук­ционные и клапаны разности давлений.

Предохранительные клапаны предохра­няют гидросистему от давления, превышающе­го установленное значение. Они действуют лишь в аварийных ситуациях (перепускают масло из напорной линии в сливную) в отличие от переливных клапанов, предназначенных для поддержания заданного давления путем непре­рывного слива масла во время работы. В стан­костроении централизованно не изготовляются клапаны для работы только в аварийном режи­ме; предохранительные клапаны станочных гидросистем, как правило, работают в режиме переливных клапанов.

При небольших расходах масла и рабочих давлениях применяют предохранительные кла аны прямого действия (рис. 5.1), в которых давление масла, создаваемое насосом 2, воз­действует на шарик 5 (или плунжер) предохра­нительного клапана 3, прижатый к седлу пру­жиной 4. Когда сила от давления масла на ша­рик превышает силу сжатия пружины, шарик отходит влево, и масло через щель между ша­риком и седлом перепускается в резервуар 1, причем вследствие дросселирования потока давление в напорном трубопроводе б поддер­живается постоянным и примерно равным от­ношению силы сжатия пружины 4 к площади шарика 5, на которую действует давление мас­ла. При увеличении расхода масла и рабочего давления резко увеличиваются размеры пру­жины, поэтому в гидросистемах чаще исполь­зуют аппараты непрямого действия, в которых небольшой вспомогательный клапан управляет перемещением переливного золотника, под­ключенного к напорной и сливной линиям.

Предохранительные клапаны должны поддерживать постоянным установленное дав­ление в возможно более широком диапазоне изменения расходов масла, проходящего через клапан. В динамических режимах необходимо быстродействие, исключающее возникновение пика давления при резком увеличении расхода (например, в момент включения насоса или торможения гидродвигателя). Однако повыше­ние быстродействия часто вызывает потерю устойчивости, сопровождающуюся шумом и колебаниями давления. Таким образом, конст­рукция клапана должна обеспечивать опти­мальную величину демпфирования; при этом пик давления обычно не превышает 15... 20 %.

На базе предохранительных клапанов не­прямого действия созданы разгрузочные кла­паны, обеспечивающие автоматическую раз­грузку насоса при условии, что давление в на­порной линии гидросистемы достигло уста­новленного значения. Типичная область при­менения - насосно-аккумуляторные гидропри­воды и гидросистемы с несколькими насосами.

Редукционные клапаны служат для созда­ния установленного постоянного давления в отдельных участках гидросистемы, сниженно­го по сравнению с давлением в напорной ли­нии.

При рабочем давлении до 10 МПа (иногда до 20 МПа) для предохранения гидросистем от перегрузки, поддержания заданных значений давления или разности давлений в подводимом и отводимом потоках масла, для дистанцион­ного управления потоком и различных блоки­ровок применяют гидроклапаны давления (на­порные золотника), в которых на торец золот­ника действует давление масла в одной линии управления, а на противоположный - давление в другой линии управления и регулируемое усилие пружины. Аппараты имеют две основ­ные линии и две линии управления, причем, используя эти линии независимо или соединяя их, можно получить четыре исполнения клапа­на, имеющие различное функциональное на­значение (клапаны могут работать в режиме предохранительного или переливного клапа­нов, а также в режимах регулируемых клапа­нов разности давлений и клапанов последова­тельности).

К группе комбинированных аппаратов относятся трехлинейные регуляторы давления и клапаны усилия зажима. Первые предназна­чены для поддержания установленного давле­ния в линии отвода независимо от направления

потока (например, в системах уравновешива­ния) и являются аппаратами непрямого дейст­вия. Вторые аналогичны по функциональному назначению, однако являются аппаратами пря­мого действия и могут дополнительно осна­щаться микровыключателем, контролирующим осевое положение золотника в корпусе, т.е. со­ответствие редуцированного давления заранее установленному значению.

Исполнения. Клапаны давления имеют различные исполнения по типу управления, условному проходу, присоединению и номи­нальному давлению.

Большинство клапанов имеет ручное управление и лишь некоторые исполнения имеют электрическое управление разгрузкой или пропорциональное электроуправление (см. гл. 6).

Клапаны, применяемые в станкостроении, имеют условные проходы 10; 20 или 32 мм. Промышленностью выпускаются также аппа­раты с условными проходами 40 и 50 мм, од­нако их применение крайне ограничено.

Клапаны имеют резьбовое (трубное) и стыковое исполнения по присоединению. При резьбовом присоединении отверстия корпуса для подключения гидролиний имеют кониче­скую или метрическую резьбу; в клапанах сты­кового присоединения отверстия выводятся на стыковую плоскость и оканчиваются цековками под кольца (по ГОСТ 9833-73) для уплот­нения стыка между аппаратом и специальными панелями или промежуточными плитами, в ко­торых нарезана резьба для монтажа штуцеров.

По номинальному давлению клапаны имеют исполнения на 1; 2,5; 6,3; 10; 20 и 32 МПа.

Клапаны давления разделяют по воздействию потока на запорно-регулирующий элемент — на клапаны прямого и непря­мого действия; по назначению — на напорные, редукционные, разности давлений и соотношения давлений.

В клапанах прямого действия рабочее проходное сечение изме­няется в результате непосредственного воздействия потока рабо­чей жидкости на запорно-регулирующий элемент.

Клапаны непрямого действия представляют собой совокупность двух клапанов: основного и вспомогательного, причем рабочее проходное сечение основного клапана изменяется в результате воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент вспомогательного клапана.

Напорный клапан предназначен для ограничения давления в подводимом к нему потоке рабочей жидкости. Напорные клапаны разделяют на предохранительные и переливные.

Предохранительные клапаны служат для предо­хранения гидропривода от давления рабочей жидкости, превы­шающего установленное. Это клапаны эпизодического действия, т. е. при нормальных нагрузках гидроприводов они закрыты и открываются лишь при давлении рабочей жидкости в гидроси­стеме, превышающем установленное. Основные технические тре­бования к предохранительным клапанам: высокая герметичность сопряжения седло—клапан и стабильность давления настройки клапана (±5 %).

На рис. 4.9 показана конструкция предохранительного кла­пана прямого действия, который состоит из корпуса 1, конического клапана 2 (запорно-регулирующего

элемента), цилиндриче­ской пружины 3 и пробки 4. В корпусе клапана имеются два отверстия: для подвода и отвода рабочей жидкости.

Принцип работы клапана основан на уравновешивании си­лой F₀ пружины (рис. 4.10), силы давления Ρ_д на запорно-регу­лирующий элемент, определяемой по формуле (без учета сил трения и инерции)

Ρ_д = рpD²_у/4, (4.1)

где ρ—давление в напорной линии; D_у — условный проход.

Давление р₀, при котором клапан начинает открываться, преодолевая силу пружины, называют давлением открытия. Пол­ное открытие клапана сопровождается его подъемом от седла на высоту

h=Q(Or/2p_кл ) /mp d_ср sin a (4 2)

где Q — расход жидкости через открытую щель клапана, м²/с; ρ — плотность жидкости, кг/м³; μ — коэффициент расхода через щель; d_ср— средний диаметр щели клапана, м; α — угол конусности клапана a= 45° для шарикового кла­пана, α = 30 ...

Изменение давления Δp_Q Δp объясняется изменением cилы пру­жины при подъеме клапана для пропускания жидкости до зна­чения

F = F₀ + kh (4,3)

где k — жесткость пружины.

Значение Δp_Q задают или выбирают по возможности мини­мальным. При заданном Δp_Q можно определить жесткость пру­жины

k= Δp_QpD²_у/4h (4.4)

При закрытии клапана сила пружины превышает силу давле­ния жидкости на запорно-регулирующий элемент, т. е. p_зак S < F₀, где S — площадь затвора, на которую действует давление жидкости. Площадь затвора при закрытии клапана равна сумме площадей конического опорного пояска запорно-регулирующего элемента и седла:

S= (pD²_у/4)+(1/2)(p/4) (D² - D²_у ) (4.5)

где D — наружный диаметр конического опорного пояска. Давление закрытия клапана в этом случае

p_зак = Fo/S. (4.6)

Разность между давлениями открытия и закрытия Δp_гист = p₀ - p_зак называют гистерезисом клапана (рис. 4.11). На практике стремятся к минимальному значению гистерезиса, что достигается уменьшением опорного пояска, уменьшением сил трения, которые при проведении выкладок не учитывались. Ста­бильность работы клапана тем выше, чем меньше значение Δp_гист. Внутренняя герметичность клапана обеспечивается, если между запорно-регулирующим элементом и седлом под действием силы пружины создается замкнутая линия контакта, а контактное на­пряжение на опорной поверхности значительно превышает давле­ние жидкости;

s = Fo / p (D² - D²_у )/4> p₀ (4.7)

При открытии клапана часть жидкости из напорной линии сливается в бак.

Устойчивость клапана озна­чает отсутствие незатухающих колебаний, приводящих к ударам клапана о седло и его разрушению, а также к значительным колебаниям давления во всей напорной линии. Динамика клапана обусловливается ускорением его подвижных частей в переходном режиме. В момент открытия клапана вследствие инерции его по­движных элементов и трения давление перед ним резко возрастает, а клапан получает импульс силы и открывается с большим уско­рением. При этом пружина сжимается, скорость потока в про­ходных каналах клапана увеличивается, давление резко умень­шается. Это вызывает обратное движение клапана в сторону седла, что в свою очередь приводит к увеличению давления жид­кости и новому подъему клапана. Таким образом, цикл повто­ряется.

Для устранения вибрации применяют демпфирующие устрой­ства, создающие при движении клапана силы сопротивления, которые приблизительно пропорциональны скорости движения запорно-регулирующего элемента. На рис. 4.12 показан предохранительный клапан прямого действия с демпфирующим устройством. Особенностью его кон­струкции является то, что конический клапан 2 имеет хвостовик, заканчивающийся цилиндрическим пояском А; последний пере­мещается в отверстии корпуса 1. Сила пружины 3 регулируется винтом 4. Принцип работы клапана следующий. При повышении давления сверх допустимого клапан 2 поднимается, и жидкость через его проходное сечение сливается в бак. При перемещении клапана 2 на его пояске возникают демпфирующие силы, обуслов­ленные дросселированием жидкости через кольцевую щель между расточкой корпуса 1 и цилиндрическим пояском А клапана 2, в результате чего обеспечивается работа (клапана без вибрации.