лабораторные работы / Расчет узлов (Тудвасева) / 1 Золотниковые регулируемые дроссели

1. Золотниковые регулируемые дроссели

Золотниковые регулируемые дроссели являются основными элементами золотниковых дросселирующих гидрораспределителей.

Расход через всякое местное сопротивление, в том числе и золотниковую дросселирующую щель, определяется по формуле:

Золотниковый дроссель, как правило, состоит из золотника и гильзы с отверстиями, которые перекрываются и открываются при перемещении золотника (рисунок 1 а).

В зависимости от требуемого закона изменения площади , рабочая щель образуется элементами конструкции золотник – гильза, различными по форме.

1) кольцевой проточкой в гильзе (рисунок 1 а, б, в, г);

2) отверстиями различной формы (рисунок 3 г, д, е).

Наибольшее изменение площади сечения дросселирующей щели при смещении золотника будет в конструкции с кольцевой проточкой.

Схема золотникового регулируемого дросселя с проточкой в гильзе и прямоугольным буртом золотника показано на рисунке 1а. Она применяется в дросселирующих гидрораспределителях для управления большими расходами.

Площадь дросселирующей щели в этом случае, как правило, определяется

где - величина открытия или перекрытия () дросселирующей щели;

- диаметр золотника;

- радиальный зазор между золотником и гильзой.

Рисунок 1 – Геометрия рабочих щелей золотниковых дросселей

а) кольцевая проточка в гильзе – прямоугольный бурт золотника, б) кольцевая проточка в гильзе – конусный бурт золотника, в) кольцевая проточка в гильзе - конусный бурт золотника с плоскими лысками, г) кольцевая проточка в гильзе – конусный бурт золотника с треугольными пазами, д) два прямоугольных окна в гильзе – прямоугольный бурт золотника, е) два ступенчатых окна в гильзе – прямоугольный бурт золотника

При уменьшении коэффициента усиления золотникового дросселя с кольцевой проточкой без изменения диаметра золотника бурт золотника снабжают конусом (рисунок 1 б), лысками (рисунок 1 а) или предельными канавками треугольного сечения (рисунок 1 г). При этом крутизна изменения площади открытия дросселирующей щели уменьшается.

Одним из недостатков рассмотренных дросселей является усиление влияния зависимости коэффициента расхода дросселирующей щели от нестабильности характеристик дросселя.

Кроме того, на золотниках со сложной конфигурацией (рисунок 1 б, в, г) невозможно изготовление разгрузочных кольцевых канавок. Это ухудшает условия работы золотникового дросселя из-за увеличения сил трения эксцентриситета и т.п.

Уменьшить ширину дросселирующей щели, которая определяется как можно с помощью фрезеровки гильзы до вскрытия отверстий (рисунок 1 д) шириной . Следует отметить, что в этом случае возможно даже ступенчатое изменение ширины щели по мере смещения золотника (рисунок 1 е). Размер при этом уменьшается.

Электроэрозионные методы обработки позволяют получать рабочие окна любой формы и ширины при прямоугольном сечении бурта золотника (рисунок 2). При этом площадь дросселирующей щели с прямоугольными отверстиями будут открываться:

где - количество окон (отверстий) в гильзе; - ширина одного отверстия.

Рисунок 2 – Геометрия рабочей щели золотниковых дросселей, полученной электроэрозионным способом

а) разрез гильзы, б) вид на прямоугольное окно, в) вид на окно круглой формы, г) вид на окно треугольной формы

Здесь и далее будем называть рабочим окном непосредственно каждое отверстие в гильзе, площадью рабочей щели золотникового дросселя – значение суммарной площади открытия всех окон, соответствующих одной рабочей кромке плунжера золотника.

В общем случае следует различать течение, направленное от рабочей камеры золотника (рисунок 3 а), и течение, направленное в камеру (рисунок 3 б), так как условие подвода потока жидкости к дросселирующему окну существенно влияют на угол наклона струи и степень ее сжатия. Это отражается на величине коэффициента расхода золотникового регулируемого дросселя и значениях возникающих гидродинамических сил.

Характерными параметрами, определяющими условия течения, являются: угол золотника , радиальный зазор , осевое расстояние между отсекающими кромками , длина отверстия в гильзе , угол отключения струи истечения , поперечный размер канала .

Рисунок 3 – Схема течения жидкости в золотниковом дросселе

В области перекрытий рабочих окон золотниковых регулируемых дросселей () течение жидкости происходит по законам, соответствующим течению в щелях, ограниченных параллельными поверхностями. При этом следует учитывать, что неизбежное наличие закруглений (рисунок 4) на считающихся острыми рабочих кромках золотника обеспечивает плавный вход жидкости в зазор между золотником и гильзой. Реальные усредненные значения радиусов скругления и составляет 5…15 мкм.

Рисунок 4 – Перекрытая дросселирующая щель золотникового дросселя

а) схема течения жидкости в щели, б) расчетная схема к определению площади сечения щели с учетом радиусов скругления кромок.

Для идеального дросселя приняты следующие допущения: радиальный зазор , потери на входных и выходных участках дросселя отсутствуют, коэффициент расхода - величина постоянная, то есть не зависит от числа Рейнольдса и открытия щели, форма отверстия обеспечивает идеальный линейный закон изменения площади щели.

В реальных золотниковых дросселях в отличие от идеальных нарушается линейность зависимости расхода от осевого открытия щели. Уменьшение крутизны характеристики при больших расходах обусловлено влиянием потерь давления на местных гидравлических сопротивлениях в каналах подвода жидкости к рабочим окнам и отвода от них, поворотах и потерь давления при течении жидкости на участке между

шейкой золотника и гильзой.

Величина потерь давления на нерабочих участках золотниковой конструкции зависит от величины скорости течения жидкости.

Увеличение скорости течения жидкости в нерабочих каналах ведет к уменьшению габаритов и массы устройств, но росту потерь давления. Поэтому вопрос выбора допустимой скорости необходимо решать с учетом требований по массовым и габаритным размерам гидроусилителя. Рекомендуемые значения допустимой скорости для гидроусилителей с повышенными требованиями к уменьшению габаритов и массы составляют 10…30 м/с соответственно при давлениях питания 10…30 МПа. При этом потери давления составляют 0,1…0,5 МПа, что не превышает 2 % от давления питания.

Площадь сечения внутренних каналов конструкции, в том числе и на участке золотниковая шейка-гильза определяется следующим образом:

,

В области малых открытий дросселирующих щелей нелинейность гидравлических характеристик обусловлена влиянием параметров микрогеометрии щели, таких, как неровность рабочей кромки каждого окна и плунжера золотника, неодновременное открытие из-за смещения кромок окон относительно друг друга, радиальный зазор, скругление кромок.

В общем случае течение жидкости через золотниковый дроссель потери давления () без учета скругления радиусов рабочих кромок золотника и окон гильзы могут быть определены в следующем виде:

где - потери давления на золотниковом дросселе;

- потери давления на рабочих участках конструкции дросселя;

- коэффициент расхода управляемого дросселя ;

- коэффициент расхода управляемого дросселя при ;

- плотность жидкости.

При проектированных расчетах значение коэффициента расхода золотникового дросселя можно принимать в пределах 0,71…0,75.

Расход жидкости через золотниковый дроссель при достаточно малых потерях давления на нерабочем участке () может быть рассчитан:

Кроме того, для расчетов потерь давления можно рекомендовать формулу:

,

где и - коэффициенты, зависящие от геометрии щелей; - число Рейнольдса для потока в щели; - скорость течения жидкости в щели.

2. Золотниковые дросселирующие гидрораспределители

Золотниковый гидрораспределитель представляет собой систему управляемых дросселирующих щелей, объединенных, как правило, в одной конструкции (рис.5).

Рисунок 5 – Схема золотникового четырехщелевого распределителя

В четырехщелевом дроссельном золотнике (рисунок 5) в работе используются четыре дросселирующие щели, в связи, с чем он часто называется четырехщелевым. Гидравлические сопротивления первой и второй дросселирующей щели включается последовательно с гидродвигателем при положительном смещении золотника , а другая пара сопротивлений (третье и четвертое) – при отрицательном.

Таким образом, с помощью четырехщелевого дроссельного золотника осуществляется дросселирование жидкости на двух ступенях: на входе в гидродвигатель и на выходе из него, и, кроме того, достигается изменение знака сигнала управления.

Схема гидравлического мостика, образующегося при работе четырехщелевого золотника с учетом сопротивлений нерабочих участков, показана на рисунке 6.

Рис. 6 – Схема гидравлического мостика золотникового распределителя

В зависимости от соотношения линейных размеров окна гильзы и плунжера золотники подразделяют на золотники с положительными перекрытиями , отрицательными и нулевыми .

Рисунок 7 – Типы перекрытий золотников

Гидравлические характеристики четырехщелевого золотникового гидрораспределителя описываются системой уравнений:

где - перепад давления на гидродвигателе ;

- давление в линиях управления;

- расход жидкости в диагонали золотника, через гидродвигатель;

- расход жидкости через i-тую дросселирующую щель;

- коэффициент расхода при течении жидкости через i-тую щель;

- площадь сечения i-той дросселирующей щели.

Площади дросселирующих щелей определяются:

где - перемещение золотника;

- перекрытия соответствующих дросселирующих щелей.

Характеристики четырехщелевого золотника обеспечиваются суммарной работой и характеристиками каждой его дросселирующей щели.

Решение системы уравнений в общем случае позволяет получить обобщенную гидравлическую характеристику четырехщелевого золотника, то есть зависимость расхода в диагонали от функции перепада давления для различных фиксированных значений перемещения золотника . Обобщенная гидравлическая характеристика золотника с положительными перекрытиями представлена на рисунке 8. При этом график показан в безразмерном виде:

, , .

Частными случаями обобщенной гидравлической характеристики являются расходная характеристика золотника при , и силовая характеристика золотника при .

Рисунок 8 – Обобщенная гидравлическая характеристика четырехщелевого золотника

На рисунке 8 выделена зона (А), которой соответствует практически линейные характеристики. На этом участке, характеристики могут быть приближенно описаны линейными зависимостями. При этом золотник характеризуется коэффициентами линеаризации: коэффициентом усиления по давлению , коэффициентом усиления по расходу , коэффициентом скольжения по расходу .

Данные коэффициенты характеризуют угол наклона графиков соответствующих характеристик, и, следовательно, изменение одного из параметров при изменении другого.

Рисунок 9 – Экспериментальные гидравлические характеристики четырехщелевого золотника

а) расходная характеристика; б) силовая характеристика

Коэффициент усиления по давлению золотника зависит от радиального зазора пары золотник – гильза и от величины перекрытий. Максимальное значение коэффициента достигается при незначительных положительных перекрытиях (рис. 9). Приведенные графики позволяют выбрать параметры золотника, то есть соотношение перекрытий и радиальных зазоров для получения требуемого коэффициента усиления золотника по давлению . Уменьшение радиального зазора ведет к существенному нарастанию величины коэффициента. Положительные перекрытия золотниковых щелей приводят к уменьшению крутизны характеристики по сравнению с таким же отрицательными перекрытиями.