Конструктивное исполнение гидроаппаратов

Клапанные гидроаппараты

В качестве запорно регулирующих элементов (ЗРЭ) в клапанных аппаратах используется конус, шарик или диск (рис. 8.1).

 

 

  а                                         б                                             в

 

Рис. 8.1. Типы ЗРЭ клапанных гидроаппаратов:

а – шариковый; б – конический; в – тарельчатый

На рис. 8.1 показаны варианты исполнения клапанных гидроаппаратов. ЗРЭ в виде конуса. Поверхность гидроаппарата, с которой контактирует ЗРЭ, называют седлом. Поэтому аппараты такого типа называют еще седельными (рис. 8.2). Работа данного аппарата заключается в следующем. Под действием пружины 1 конус 2 прижимается к седлу не давая жидкости пройти от входного отверстия Р к выходному отверстию А. При приложении необходимой силы к активатору 3 конус отойдет от седла и жидкость получит возможность пройти к выходному отверстию А. Пояски 4 и 5 выполняют две функции: они центрируют конус относительно седла и предотвращают свободный проход жидкости к отверстию L, служащему для удаления жидкости, которая проникает в камеры C и D аппарата через малый зазор между поясками и отверстием корпуса (объемные утечки). Если жидкость не удалять из полостей C и D, то работа гидроаппарата станет через некоторое время невозможной, т. к. давление в этих камерах сравняется с давлением рабочей жидкости.

 

Рис. 8.2. Конструктивная схема клапанного (седельного) гидроаппарата:

1 – пружина; 2 – конус ЗРЭ; 3 – активатор; 4, 5 – уплотняющие пояски;

С и D –камеры для утечек

 

Седельные клапаны обеспечивают герметичное закрытие гидроаппарата. Другим положительным свойством седельных клапанов является эффект самоочистки. Механизм самоочистки заключается в том, что жидкость, обтекая рабочую поверхность ЗРЭ, вымывает частицы загрязнений с её поверхности. Поэтому седельные клапаны малочувствительны к загрязнениям. Для надежной работы клапана конусную поверхность ЗРЭ необходиимо выполнять с высокой степенью точности. В этом случае обеспечивается необходимая степень герметизации, что, например, важно, для распределителей. Недостатком седельных (клапанных) гидроаппаратов является необходимость в значительном усилии для перемещения ЗРЭ. В некоторых случаях это усилие можно снизить за счет того, что клапан подвергается воздействию давления с двух сторон (рис. 8.3) – со стороны рабочей кромки и одновременно давление действует с тыльной стороны запирающего элемента (клапаны с разгрузкой). Однако в большинстве случаев сконструировать седельные клапаны с разгрузкой невозможно.

а                                              б

 

Рис. 8.3. Клапанный гидроаппарат без разгрузки (а) и с разгрузкой (б)

 

Другим недостатком седельных клапанов является то, что если на седле задерживается посторонняя частица, клапан до конца не закроется, образуется щель. Скорость течения жидкости в щели может увеличиться в сотни раз по сравнению со скоростью в канале, давление в потоке при этом, согласно закону Бернулли, может упасть до величины давления упругости паров жидкости, что приведет к возникновению кавитации.

Седельный клапан с использованием шарика прост в изготовлении. Но при прохождении жидкости через клапан шарик создает шум и склонен к колебаниям. Используется в основном для запирающих устройств типа обратный клапан.

Седельный клапан с использованием диска технологичен в изготовлении, но имеет ограниченный ход и применяется в запорных клапанах. Клапанный гидроаппарат позволяет открыть (или закрыть) не более трех линий.

При этом имеет место отрицательное перекрытие. Это означает, например, что для реализации конструкции четырехлинейного двухпозиционного распределителя необходимо использовать два трехлинейных двухпозиционных клапанных распределителя.

 

Золотниковые гидроаппараты

 

Золотником 1 называют цилиндрическое тело (рис. 8.4), разделенное проточкой (проточками) на пояски (на данном золотнике их два – 2 и 3). Различают золотниковые гидроаппараты с продольным и поворотным перемещением золотника. На рис. 8.4 изображен гидроаппарат с продольным перемещением золотника.

Рис. 8.4. Золотниковый гидрааппрат:

1 – золотник; 2, 3 – пояски; 4, 5 – кольцевые проточки в корпусе;
Р и А – окна, С – зона пониженного давления

 

Золотник свободно перемещается в отверстии корпуса. Корпус имеет центральное отверстие, в котором выполнены кольцевые канавки с окнами Р и А. К окну Р подводится жидкость от напорной линии, а окно А соединяют с потребителем энергии. В исходном состоянии золотника (рис.8.4.а) проход жидкости от отверстия Р к отверстию А перекрыт пояском золотника. При перемещении золотника влево открывается проход жидкости от отверстия отверстия Р через аппарат к отверстию А.

Отделение зоны высокого давления от зоны пониженного давления С происходит за счет того, что поясок золотника образует с отверстием корпуса протяженную кольцевую щель размером (5...7,5) мкм, представляющую большое сопротивление для течения в ней жидкости. Под действием перепада давлений через эту щель в небольшом количестве все же происходит утечка жидкости (объемные потери). Утечки зависят от вязкости и исполнения аппарата по схеме (см. главу 9.1). При перепаде давления в 20 МПа и вязкости масла 38 сСт утечки могут составить от 100 см³/мин до 300 см³/мин. Это является главным недостатком гидроаппаратов золотникового исполнения.

Положительным свойством золотника является возможность создать простую конструкцию для многопозиционных аппаратов с гидростатическим уравновешиванием.

При перемещении золотника в гильзе гидроаппаратов преодолеваются следующие силы:

· сила трения золотника относительно отверстия;

· сила пружины, центрирующей золотник в гильзе.

Сила трения золотника при движении относительно корпуса может стать значительной в силу следующих обстоятельств. Неизбежные при изготовлении погрешности формы ЗРЭ (конусность, овальность, бочкообразность) и перекос в положении золотника после сборки, вызванный несоосностью базовых отверстий гильзы, приводят к тому, что закономерности падения давления в разных местах периметра уплотняющих щелей различны. Следствием этого является появление радиальной силы, отжимающей золотник к стенке гильзы, в котором он перемещается. В этом случае сила трения, препятствующая движению золотника может стать значительной. В качестве меры борьбы с этим явлением на наружной поверхности рабочих поясков золотников делают круговые проточки шириной (1…1,5) мм и глубиной 0,5 мм (рис.8.5). Наличие канавок позволяет жидкости охватить давлением золотник равномерно по его периметру и в значительной степени скомпенсировать силы, стремящиеся прижать его к гильзе. Золотник плавает на пленке рабочей жидкости и усилие для его переключения резко снижается.

 

Рис. 8. 5. Круговые проточки на пояске золотника

 

На золотник в распределителе, кроме перечисленных двух сил, действует еще гидродинамическая сила (см. главу 9.1)

Характер процесса при продольном переключении золотника определяется видом перекрытия золотника. Под перекрытием золотника понимают расстояние между кромкой кольцевой проточки гильзы и торцом пояска запорно-регулирующего элемента (рис. 8.6). На одном и том же золотнике могут иметь место разные по характеру перекрытия.

Различают положительное перекрытие, нулевое перекрытие, отрицательтельное перекрытие. Перекрытие золотника, как и зазор между золотником и корпусом определяет объем утечек рабочей жидкости. При положительном перекрытии образуются наиболее протяженные уплотняющие щели между гильзой и пояском. Это благоприятно с точки зрения утечек через уплотняющий зазор или, при выбранных допустимых утечках, позволяет использовать распределители с большими щелевыми зазорами, что снижает трудоемкость изготовления и уменьшает износ золотника.

При положительном перекрытии золотника при его переключении все присоединенные к гидроаппарату линии на короткое время отсекаются одна от другой. Провалов давления не возникает (что особенно важно для гидроприводов без аккумуляторов); имеют место гидроудары (жесткий пуск).

При отрицательном перекрытии золотника при его переключении все присоединенные к гидроаппарату линии на короткое время соединяются друг с другом. Давление на короткое время резко падает (снижается нагрузка). Имеют место перетечки жидкости из напорной линии в сливную.

 

Рис. 8.6. Виды перекрытий золотника

 

При нулевом перекрытии положение рабочих кромок золотника (перефирийная часть торца пояска, образующая проходную щель с выточкой гильзы) и торцов кольцевых канавок в гильзе совпадают. Это обеспечивает быстрое включение при малом перемещении золотника. Реализовать такое перекрытие технологически довольно сложно.

Рабочие кромки золотников нередко выполняются с фаской или с лысками или прорезями (рис. 8.7). Такое профилирование рабочей кромки позволяет мягко дросселировать поток рабочей жидкости при переключениях золотника, уменьшая тем самым эффект гидроудара.

Гидроаппараты с поворотным перемещением золотника называются крановыми (рис. 8.8). Крановый гидроаппарат может состоять из одного или нескольких поршней 1, вращающихся в цилиндрическом отверстии корпуса 2. Как правило, крановый аппарат короче гидроаппарата с продольным перемещением золотника, если его применяют в качестве распределителя. На поршне делают проходы 3, с помощью которых происходит коммутация присоединенных линий.

Распеделитель работает следующим образом. К отверстию 4 корпуса 2 подводится жидкость под давлением. Отверстие 5 корпуса соединено с линией слива, отверстие 6 – с полостью другого гидроаппарата или исполнительного устройства. В исходном состоянии поршня отверстие 5 соединено через проход 3 со сливной линией. При повороте поршня против часовой стрелки проход 3 соединяет отверстие 4 сотверстием 5, а отверстие 6 окажется запертым. Жидкость под давлением начнет поступать в полость исполнительного устройства. Крановые гидроаппараты применяют в ответ ственных случаях при требовании малых размеров (например, распределителя) и при необходимости обеспечить надежную герметичность гидроаппарата при высоких давлениях. Герметичность обеспечивается обработкой сопрягаемых поверхностей по высшим классам точности, а легкая управляемость – хорошей гидростатической уравновешенностью крана.

 

 

 

Рис. 8.7. Формы рабочих кромок золотников

Рис. 8. 8. Схема кранового гидроаппарата:

1 – поршень; 2 – корпус; 3 – канал