Агрегаты регулирования потока рабочего тела по расходу и давлению

К этой группе агрегатов относятся распределительные устройства для изменения потока рабочего тела по направлению и расходу, а также регуляторы давления. Эти агрегаты являются обязательными элементами гидравлической системы. Они поддерживают заданный режим работы потребителя и предохраняют систему от повышенных давлений, обеспечивая ее надежность.

Распределительные устройства разнообразны по своему составу и отличаются друг от друга быстродействием, усилием управления, одновременностью управления разным числом потоков.

К ним относятся электрогидравлические краны, золотниковые и клапанные распределители, распределители типа струйная трубка или сопло-заслонка.

Рис. 5.13. Схема распределителя с цилиндрическим золотником: 1 – корпус; 2 – гильза; 3 – плунжер (золотник); 4 – уплотнения

Наибольшее применение в современных системах нашли распределители на основе золотника. Этот тип распределителя удачно сочетает достаточное быстродействие, малые усилия управления и возможность управления большим числом потоков одновременно. По конструкции золотники могут быть цилиндрические и плоские с поступательным или поворотным перемещением рабочих элементов.

На рис. 5.13 представлена схема распределителя с цилиндрическим золотником. Распределитель показан в нейтральном положении. Перемещение золотника 3 вправо или влево открывает каналы питания и слива распределителя. Как следует из схемы, усилие управления в основном определяется силами трения плунжера по корпусу (гильзе).

Рис. 5.14. Схема золотникового распределителя с серводействием (распределитель показан в рабочем положении): 1 – рабочий золотник; 2– сервозолотник; 3 – корпус; 4 – пружина

В случае необходимости снижения усилия управления применяют двухступенчатые золотниковые распределители (с серводействием). Конструкция состоит из основного рабочего золотника 1 (рис. 5.14), он передвигается в ту или иную сторону потоком жидкости из системы, направление которого определяется сервозолотником 2. Малые размеры сервозолотника обуславливают малые усилия управления. Такие золотники составляют основу электрогидравлических кранов, причем нейтральное положение золотника обеспечивается пружинами при выключенных электромагнитах, а рабочие положения - включением одного или другого электромагнита.

Основная трудность при изготовлении золотниковых распределителей обусловлена сложностью обработки с высокой точностью и контроля внутренней поверхности гильзы. В этом смысле представляют интерес распределители с плоскими золотниками.

Распределители с плоскими золотниками.

Рис. 5.15. Схема распределителя с плоским золотником поворотного перемещения: 1,4 – уплотнения; 2 – подшипник; 3 – плунжер; 5 – пружина; 6 – плоский золотник; 7 – основание; 8 – штифт; 9 – корпус; 10 – каналы, подводящие жидкость в цилиндр; 11 – канал нагнетания; 12 – силовой цилиндр; 13 – каналы, отводящие жидкость из цилиндра; 14 – канал слива

Схема такого распределителя с поворотным перемещением плоского золотника, широко применяемого в рулевых приводах, показана на рис. 5.15. Распределитель состоит из основания 7, которое центрируется относительно корпуса 9 штифтами 8, и плоского золотника 6. Золотник 6 плотно прижимается к основанию 7 силой пружины 5 и силой давления жидкости, действующими на плунжер 3. Основание 7 имеет каналы 11 и 10, через которые жидкость поступает под давлением в цилиндр 12 при повороте золотника, и каналы 13 и 14, с помощью которых жидкость из цилиндра поступает на слив.

Подобные распределители отличаются высокой герметичностью при давлениях 25...30 МПа, малой вероятностью "заклинивания", относительно малой массой. Плоские золотники просты в изготовлении, могут иметь поступательное перемещение золотника и электромагнитное управление.

В тех случаях, когда главным требованием к распределителю является малая мощность управления и высокое быстродействие, целесообразно использовать распределители типа "струйная трубка" или "сопло-заслонка".

Принцип действия распределителя "струйная трубка" (рис. 5.16) основан на преобразовании кинетической энергии струи рабочего тела, вытекающего из струйной трубки 1, в потенциальную энергию давления в каналах 6приемного блока 2. При нейтральном положении струйной трубки струя рабочего тела одинаково перекрывает каналы 6приемного блока 2; давления в рабочих камерах силового цилиндра 3 одинаковы, поршень 5неподвижен. При отклонении струйной трубки 1относительно каналов 6 в ту или иную сторону возникает перепад давлений, под воздействием которого поршень 5 цилиндра 3 начнет перемешаться.

Рис. 5.16. Схема распределителя (усилителя мощности) "струйная трубка": 1 – струйная трубка; 2 – приемный блок; 3 – силовой цилиндр; 5 – поршень; 6 – каналы; 7 – сливной канал; 8 – канал давления

Для управления струйной трубкой обычно используется электромеханический преобразователь (ЭМП), представляющий собой электромагнитную систему с поворотным якорем (струйной трубкой или заслонкой).

Давление рабочего тела в струйной трубке обычно не превышает 10 МПа, расходы составляют 3...8 л/мин, диаметры струйной трубки 1...3 мм для жидкости и 0,3...1 мм для газа.

Рис. 5.17. Схема распределителя (усилителя мощности) "сопло-заслонка": 1 – электромеханический преобразователь; 2 – заслонка; 3 – сопло; 4 – силовой цилиндр; 5 – поршень; 6 – постоянный дроссель; I-I – обмотка подмагничивания; II-II – обмотка управления; III-III – обмотка осцилляции

Распределитель "сопло-заслонка" (рис. 5.17) состоит из двух сопел 3, расположенной между ними заслонки 2 и двух постоянных дросселей 6. При отклонении заслонки 2 в камерах силового цилиндра 4 возникает перепад давлений, под воздействием которого поршень 5 начнет двигаться. Внутренний диаметр сопла распределителя выполняется малым (0,5...1,0) мм.

Распределители типа " струйная трубка " и " сопло-заслонка " обладают преимуществом:

- высокая чувствительность, малая инерционность, нулевая зона нечувствительности, малая мощность управления, большая рабочая частота переключения (десятки Гц), незначительные габаритные размеры и масса.

Однако они имеют большие расходы рабочего тела при отсутствии управляющего сигнала, что и обусловливает их низкий КПД (0,1...0,2).

Если распределитель "струйная трубка" практически не чувствителен к загрязнению рабочего тела, то распределитель "сопло-заслонка" требует его тщательной фильтрации.

К распределителям потока может быть отнесен и дозатор, который регулирует поток по объему, пропуская определенную его часть к потребителю, после чего подача жидкости прекращается. Таким образом, дозатор может работать как агрегат, предохраняющий гидросистему от полной потери рабочей жидкости в случае ее разгерметизации. Обычно дозатор устанавливается перед потребителем, работающим в особо нагруженных условиях (например, в тормозной системе, расположенной на опоре шасси, подверженной тряске и ударам со стороны взлетно-посадочной полосы). Жидкость, поступающая в корпус 1 дозатора (рис. 5.17а) при нормальной работе потребителя, проходит через отверстия 2из полости А в полость В.

Рис. 5.17а. Схема дозирующего устройства: 1 – корпус; 2 – отверстия; 3 – жиклер (постоянный дроссель); 4 – клапан; 5 – пружина; 6 – поршень; А, В – полости дозатора

При падении давления в полости В (например, разрушении трубопровода) поршень 6переместится в крайнее правое положение и клапан 4закроет выходное отверстие дозатора. Пропускаемый объем жидкости определяется диаметром жиклера 3.

Методы разгрузки насосов

Рис. 5.17б. Схема редукционного клапана. 1 – пружина; 2 – плунжер; 3 – канал нагнетания; 4 – канал редуцированного давления

Поршневые насосы должны иметь устройства разгрузки. Простейшим разгрузочным устройством является предохранительный клапан, который сливает жидкость при повышении давления выше допустимого.

Наиболее эффективным способом разгрузки насосов является полное отключение насосов. В этом случае применяется реле давления, которое при достижении заданного давления отключает насос от привода или отключает привод (электродвигатель). В такой системе разгрузки в линии высокого давления установлен гидроаккумулятор, который и поддерживает давление в рабочей магистрали до минимально допустимого уровня, после чего вновь включается гидронасос.

Однако периодическое включение и отключение насоса (хотя бы с помощью кулачковой муфты) снижает его надежность.

Рис. 5.18. Схема ПК (а) и схема его включения в гидросистему (б): 1 – корпус; 2 – пружина; 3 – клапан-шарик; 4 – линия нагнетания; 5 – насос; 6 – бак; 7 – линия слива; 8 – ПК

Регулирование давления жидкости в гидросистеме может производиться с помощью редукционного и предохранительного (ПК) клапанов, автомата разгрузки насоса (АРН) и механизма (регулятора) изменения подачи насоса.

Часто в системе с рабочим давлением ряд функциональных подсистем необходимо обеспечить пониженным давлением. Эта задача решается с помощью редукционного клапана, который поддерживает это пониженное давление на постоянном уровне.

Редукционный клапан (рис. 5.18) представляет собой автоматически действующий дроссель, сопротивление которого в каждый момент времени равно Δр _др = р_вх – р _ред. При увеличении, например, редуцированного давления шарик 3 переместится вверх, что приведет к увеличению проходного сечения, снижению Δ р _др и, следовательно, к восстановлению р _ред = const.

Наиболее простым устройством ограничения давления в гидросистеме является (ПК), схема которого и способ его включения в гидросистему показаны на рис. 5.18. ПК – это клапан эпизодического действия, предназначенный для предохранения гидросистемы от повышенных давлений.

Рис. 5.19. Схема аксиального насоса с автоматическим регулированием подачи: 1 – опорная шайба; 2 – дроссельное отверстие; 3 – силовой цилиндр; 4 – клапан; 5 – мембрана

Принцип действия ПК прост: при возникновении в гидросистеме давления на 10...20% выше номинального клапан-шарик 3 отойдет от седла и перепустит часть жидкости в линию слива. Давление в системе уменьшится, и клапан 3 опустится на седло клапана. При открытом клапане насос работает при повышенном давлении, расходует большую мощность. При перепуске через ПК жидкость сильно нагревается, что нецелесообразно при продолжительном времени работы при максимальных давлениях и частых срабатываниях ПК.

Есть устройства, которые переводят насос на режим холостого хода после создания в рабочей сети высокого давления. В настоящее время широкое применение получили насосы переменной подачи с нерегулируемым приводом от двигателя. В таких насосах подача автоматически понижается до величины, достаточной для компенсации утечек и поддержания в системе требуемого давления. При понижении давления в системе, происходящем в результате включения потребителей жидкости, насос автоматически переключается на повышенную подачу.

На рис. 5.19 представлена схема аксиального насоса с автоматическим регулированием подачи за счет изменения угла наклона шайбы. Чувствительным элементом, реагирующим на повышение давления, служит мембрана 5, действующая при повышении давления выше заданной величины на клапан 4, управляющий давлением в правой полости силового цилиндра, поршень которого изменяет угол наклона шайбы 1. При открытии клапана 4 давление в правой полости цилиндра 3, питающейся из полости нагнетания насоса через дроссельное отверстие 2 в поршне, снижается и поршень перемещается под действием давления в левой полости вправо, при этом подача насоса уменьшается.

При закрытии клапана 4 давление в правой и левой полостях силового цилиндра 3 выравниваются и поршень его, перемещаясь влево под действием пружины и давления жидкости на неуравновешенную площадь поршня цилиндра 3, поворачивает наклонную шайбу 1 в положение с максимальным углом наклона, а, следовательно, устанавливает насос на максимальную подачу.

Рис. 5.20. Схема АРН (а) и схема его включения в гидросистему (б): 1 – обратный клапан; 2 – запорный клапан; 3 – пружина; 4 – поршень; 5 – гидроаккумулятор; 6 – насос; 7 – бак; 8 – линия слива; 9 – АРН

Рис. 5.21. Изменение давлений насоса и гидроаккумулятора при работе АРН: 1 – давление насоса; 2 – давление гидроаккумулятора; р разг – давление, при котором АРН переводит насос в режим разгрузки; р наг – давление, при котором АРН переводит насос в рабочий режим; р х.х. – давление насоса при холостом ходе

В гидросистемах с потребителями эпизодического действия целесообразно применять АРН, который не только ограничивает давление, но и переводит насос при неработающих потребителях на режим холостого хода (режим разгрузки). Схема АРН и способ его включения в гидросистему показаны на рис. 5.20. При неработающих потребителях (или когда потребители расходуют не всю подачу насоса) давление в гидросистеме и в гидроаккумуляторе 5 повышается, поршень 4 сдвигается влево, сжимая пружину 3, и открывает запорный клапан 2. Жидкость от насоса поступает в линию слива через запорный клапан 2, а обратный клапан 1 закрывается; насос работает в режиме разгрузки, потребляя незначительную мощность. Потребители в этом режиме работают от гидроаккумулятора 5 до тех пор, пока давление в гидроаккумуляторе не уменьшится до значения р_наг= (0,8...0,9) р _разг. Запорный клапан 2 закроется, и насос начнет подавать жидкость в систему, заряжая гидроаккумулятор и обеспечивая работу потребителей. Характер изменения давления в гидросистеме представлен на рис. 5.21.

При использовании в гидросистемах в качестве источников энергии насосов переменной подачи ограничение давления в гидросистеме происходит вследствие перевода насоса в режим нулевой подачи.

Исходя из особенностей различных способов ограничения давления, можно дать следующие рекомендации:

- ПК следует применять в гидросистемах ЛА с ограниченным временем полета, в которых требование простоты важнее требования экономичности, а саморазогрев гидросистемы из-за малого времени ее работы не приведет к отказу;

- АРН необходимо использовать в гидросистемах ЛА с продолжительным временем полета и эпизодически действующими потребителями, при этом большую часть полета насос работает в режиме разгрузки, что значительно увеличивает его ресурс;

- насос переменной подачи (с его механизмом изменения подачи) необходимо применять в гидросистемах ЛА с продолжительным временем полета и постоянно действующими потребителями, что позволяет насосу работать с высоким КПД, не приближаясь к режимам разгрузки.

 

Контрольные вопросы для самопроверки

1. Дайте определения гидросистем по их назначению, возможности дублирования, изолированности от окружающей атмосферы.

2. В чем состоит особенность работы роторных объемных насосов?

3. Оцените производительность шестеренных насосов.

4. Объясните напорную характеристику качающего узла.

5. Оцените производительность аксиально-роторного насоса в зависимости от частоты вращения и угла наклона качающего узла.

6. Назовите основные типы силовых приводов.

7. Каковы основные соотношения кинематических и силовых параметров гидроцилиндров.

8. Назначение и принцип действия гидравлических аккумуляторов.

9. Назовите основные типы распределительных устройств.

10. Каковы преимущества и недостатки струйных распределительных устройств?

11. Какие заложены принципы ограничения давления насосов при использовании предохранительных клапанов и автоматов разгрузки?

12. Чем вызвано применение гидравлических и механических замков в силовых гидроцилиндрах?

13. Объясните принцип работы гидроусилителя.

14. В чем состоит отличие работы бустеров обратимой и необратимой схем?