Предохранительные гидроклапаны.

Это гидроаппарат, предназначенный для предохранения элементов гидросистемы от давления, превышающего допустимое. Предохранительные клапаны используются во всех объемных гидроприводах, и устанавливается, как правило, в непосредственной близости у насоса, а так же в тех местах, где по условиям работы гидросистемы может возникнуть опасное по величине давление. Как правило, предохранительные клапаны работают эпизодически. Основными требованиями, предъявляемыми к этим клапанам являются:

1. Герметичность в закрытом положении;

2. Стабильность давления срабатывания клапана;

3. Устойчивость работы (надежность);

Для обеспечения герметичности в сопряжении тарели и седла обычно делают либо шариковый (при малых расхода), либо конусный запорно-регулирующий элемент. Предохранительные клапаны обозначаются на схемах следующим образом:

Обычный нерегулируемый предохранительный клапан состоит из следующих элементов:

Корпус, запорный элемент, пружина, прижимающая запорный элемент к седлу, а так же контровочная пробка, которая закрывает отверстия, через которое в корпус клапана устанавливается чувствительный элемент и пружина.

Давление срабатывания клапана (P_раб) определяется усилием пружины. Оно определяется по формуле:

P_ср=4F_пр/πd²_у + P_сл

F_пр – сила, с которой пружина давит на чувствительный элемент, d_у – условный диаметр проходного сечения клапана.

Такие клапаны простые, надежные, однако многие из них имеют проблемы по устойчивости во время открытия чувствительного элемента. Дело в том, что при открытии клапана, под действием давления срабатывания, давление перед чувствительным элементом уменьшается. Кроме того возрастает давление P_сл. Пружина же при этом действует с постоянной силой и закрывает клапан, затем процесс повторяется, то есть клапан работает в неустойчивом режиме. При неустойчивой работе клапана разбивается его седло и теряется герметичность.

Для повышения устойчивости работы клапана часто он снабжается демпфером. Простейший: поршень, который работает в паре с цилиндром. Однако между цилиндром и поршнем имеется некоторый зазор.

В приведенном на рисунке клапане, открытие чувствительного элемента происходит под действием трех сил: силой гидростатического давления, сила упругости пружины, рабочее давление.

Поскольку проходное сечение клапана, а так же площадь запорного элемента больше чем площадь демпферы, клапан под действием рабочего давления открывается. Одновременно с открытием клапана через зазор между демпфером и корпусом рабочая жидкость натекает в полость под демпфером. Поскольку зазор мал, перетекание рабочего тела происходит медленно (не резко). При изменении баланса давления после открытия запорного элемента, он движется вниз, преодолевая сопротивление демпфера, придавливающего жидкость из полости под ним наверх. Вследствие этого колебания клапана демпируются, либо совсем устраняются.

Переливной клапан.

Переливной клапан отличается от предохранительного тем, что через него происходит постоянный проток жидкости. То есть если предохранительный клапан работает эпизодически, переливной работает постоянно, его чувствительность и точность регулировки выше, чем у предохранительного. Однако, их недостатком является постоянная потеря части рабочей жидкости, сливающейся на выход системы. Так как требования по герметичности переливных клапанов ниже, чем у предохранительных, в качестве запорно-регулируемых элементов в переливных клапанах используются золотниковые запорно-регулирующие элементы. Преимуществом золотников является еще и то, что в них отсутствуют удары запорного элемента о седло. Поэтому эти клапаны более долговечны.

При нормальном давлении в системе, канал Б приоткрыт золотником на небольшую щель, под действием давления в полости (1), куда рабочая жидкость попадает по каналу А. Сила гидростатического давления на поршень в полости (1) уравновешивается пружиной, которая имеет регулировку: при повышении рабочего давления перед клапаном, давление в полости (1) так же повышается, и золотник смещается вправо, открывая больший проход через канал Лишняя жидкость через канал Б идет на слив, и давление уменьшается до нормального. Клапан является регулируемым, натяжение пружины регулируется с помощью винта.

Любая пружина, имеющаяся в составе клапана, вследствие своей переменной жесткости, под действием нагрузки, меняет так же и свою силу давления. Поэтому характеристика переливных клапанов является возрастающей:

Чем жесткость пружины меньше, тем качество клапана выше. Особенно негативно влияет этот фактор при работе с большими расходам и давлениями. В этом случае можно применять клапаны непрямого действия. Вспомогательный клапан маленький, а основной большой.

В этом клапане имеются по сути два клапана: основной с запорно-регулирующим элементом (6), и вспомогательный шариковый, с запорным шариком (2).

Оба клапана подпружинены. Имеется постоянный проток, который обычно ограничивается дроссельной шайбой, установленной в сливной трубке, которая на рисунке не показана. Рабочее давление P_р действует как на площадь основного поршня, так и вспомогательного шарика. При закрытом основном клапане рабочее давление P_р имеется как в рабочей полости основного клапана, так и в рабочей полости вспомогательного клапана. Вспомогательный клапан регулируется винтом (4),

изменяющим напряжение на вспомогательной пружине.

Пока вспомогательный клапан не открыт, на поршень основного клапана с двух сторон действует одинаковое давление P_р. Если рабочее давление повышается до величины, превышающей настройку вспомогательного клапана, он открывается, и перепускает рабочую жидкость через отверстия в основном клапане. В канале, соединяющем входную полость клапана, где давление P_р, установлен дроссель (7), через который начинается проток жидкости. Вследствие падения давления на дросселе, давление в полостях будет меньше, чем во входной полости P_р. Поэтому основной клапан, который й ранее закрывал отверстие (3) под воздействием пружины (5) теперь открывается и жидкость уходит на слив дополнительно через дренажное отверстие. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока будет открыт вспомогательный клапан. То есть давление открытия основного клапана зависит от настройки только вспомогательного клапана.

К основным параметрам напорных клапанов относятся:

1. Условный проход клапана;

2. Номинальное давление, при котором он открывается;

3. Диапазон регулирования, то есть возможность изменения номинального давления;

4. Расход жидкости через клапан.

Графической характеристикой служит зависимость давления срабатывания клапана от расхода через него:

Характеристика имеет две ветви разной крутизны. При достижении давления Р_мин, вспомогательный шариковый клапан начинает приоткрываться и через него происходит проток жидкости. С увеличением давления перед вспомогательным клапаном проток увеличивается. Основной клапан в это время закрыт. При достижении давления в полостях клапана величины Р_ном, открывается основной клапан, и проток через него составляет величину Q_ном. Далее проток через клапан может быть увеличен только в случае регулировки номинального давления открытия на величину ∆P.

Кроме напорных клапанов широко применяются редукционные клапаны. То есть такие, которые предназначены для поддержания постоянного давления Р₂ на выходе, вне зависимости от того, как меняется давление Р₁ на входе. Чаще всего такие клапаны применяются в гидросистемах, в которых работает несколько потребителей, требующих разного давления питания от одного насоса. Так же как переливные клапаны, редукционные могут быть прямого действия и непрямого действия. Отличие от переливных клапанов – в нормальном состоянии редукционный клапан открыт.

На рисунке изображен пример редукционного клапана прямого действия.

Клапан состоит из корпуса (1), в котором перемещается регулирующий элемент (2). Этот элемент всегда приоткрыт под действием пружины (4) ограничение открытия клапана достигается за счет упора (3). Давление Р₁, поступающее на вход клапана(редуктора), не влияет на степень открытия клапана, так как оно в одинаковой степени действует на поршень клапана и на его торель. Баланс сил, действующих на клапан, можно выразить следующим уравнением:

Р₂∙πd²/4=F_пр-с∙Z – сила натяжения пружины. Она является постоянной.

Где «с» – жесткость пружины, а «Z» – ее перемещение в осевом направлении.

Вверх давит так же давление P_сл – давление в сливной магистрали. Это давление появляется входе перетекания жидкости со входа на слив, через зазор между поршнем и корпусом. В случае повышения давления Р₁ соответственно повысится и давление Р₂, которое прикроет клапан, уменьшив его проходное сечение, и соответственно текущий через него расход жидкости. Расход жидкости связан с давлением Р₂ следующим уравнением:

Q=μω

С уменьшением расхода жидкости через рабочий клапан давление Р₂ уменьшается. Таким образом это давление остается почти постоянным вне зависимости от давления Р₁ перед клапаном. Небольшие колебания давления Р₂ все таки происходят, так как это давление зависит от расхода.

P₁-ρ/2(Q/μω)=Р₂.

Если вместо давления Р₁ подставить номинальное давление настройки клапана, а все постоянные члены уравнения заменить коэффициентом K, то очевидно что расходная характеристика редукционного клапана будет падающей.

Капаны прямого действия применяются при небольших расходах и давлениях жидкостей. При больших значениях этих параметров применяются редукционные клапаны непрямого действия, которые работают по принципу, рассмотренному на примере переливного клапана.