Элементы управления гидравлическими приводами

(гидроаппараты). Основные термины, определения и параметры

 

Приведенные ниже термины и определения даны в соответствии с ГОСТ 17752-81.

По характеру выполнения своих функций все гидроаппараты делятся на регулирующие и направляющие.

Регулирующим называется гидроаппарат, в котором изменение соответствующего параметра потока рабочей жидкости происходит за счет частичного открытия или перекрытия проходного сечения в нем.

Направляющим называется гидроаппарат, который изменяет направление потока рабочей жидкости путем полного открытия или полного перекрытия проходного сечения в нем. Под площадью проходного сечения гидроаппарата понимается минимальное значение площади живого сечения потока (выбранного нормально скорости жидкости) в нем. Эта площадь сечения определяет расход рабочей жидкости, проходящей через гидроаппарат.

Основным элементом гидроаппарата является запорно-регулирующий элемент – это деталь или группа деталей, при перемещении которых частично или полностью перекрывается проходное сечение гидроаппарата.

По конструкции запорно-регулирующего элемента гидроаппараты делятся на:

- золотниковые, в которых запорно-регулирующим элементом является цилиндрический или плоский золотник;

- крановые, в которых запорно-регулирующим элементом является плоский, цилиндрический, конический или сферический кран;

- клапанные, в которых запорно-регулирующим элементом является шариковый, конусный, игольчатый или плоский (тарельчатый) клапан.

По способу перенастройки гидроаппараты делятся на регулируемые и настраиваемые.

Регулируемым называется гидроаппарат, в котором величина открытия проходного сечения или силовое воздействие на запорно-регулирующий элемент могут быть изменены по сигналу извне во время работы гидросистемы.

Настраиваемым называется гидроаппарат, характеристики которого могут быть изменены только в условиях выключенной гидросистемы. Часто при этом бывает необходима разборка гидроаппарата или гидросистемы.

По способу подключения гидроаппараты делятся на:

- гидроаппараты трубного присоединения– соединяются с другими гидравлическими устройствами при помощи трубопроводов и рукавов;

- гидроаппараты стыкового присоединения– соединяются с другими гидравлическими устройствами при помощи каналов, выведенных на наружную плоскость, по которой происходит стыковка с другими гидравлическими устройствами;

- гидроаппараты модульного исполнения– соединяются с другими гидравлическими устройствами при помощи вертикальных каналов, выведенных на две параллельные наружные плоскости с одинаковыми координатами присоединительных отверстий;

- встраиваемые– эти гидроаппараты, как правило, не имеют корпусов. Их монтируют в специальных монтажных гнездах гидравлических блоков, соединенных с соответствующими каналами.

Присоединительные отверстия на принципиальных и полуконструктивных схемах гидроаппаратов в соответствии с ГОСТ 24242-80 обозначают прописными буквами латинского алфавита:

- Р – отверстие для подвода рабочей жидкости под давлением;

- А и В – отверстия для присоединения к другим гидравлическим устройствам;

- Т – отверстие для отвода рабочей жидкости в гидробак;

- X и Y – отверстия для потоков управления;

- L – отверстие для дренажного отвода жидкости.

К основным параметрам гидроаппаратов(эти параметры, как правило, приводятся в каталогах и паспортах гидроаппаратов) относятся следующие.

Главным параметром всех гидроаппаратов является их условный проход D y, под которым понимается диаметр условного отверстия, площадь которого равна максимальному значению проходного сечения гидроаппарата.

Последовательность значений D y регламентирует ГОСТ 16516-80. Типоразмерные ряды всех гидроаппаратов строятся по их условным проходам.

К основным параметрам гидроаппаратов относятся также номинальное давление, номинальный расход рабочей жидкости, масса аппарата (без рабочей жидкости) и др.

Под номинальным давлением р _ном понимают наибольшее избыточное давление рабочей жидкости, поступающей на вход гидроаппарата, при котором он должен работать в течение установленного ресурса (срока службы) с сохранением параметров в пределах установленных норм. Ряды номинальных давлений для гидроприводов устанавливает ГОСТ 12445-80.

Под номинальным расходомжидкости Q _ном понимают расход жидкости с определенной вязкостью, проходящий через гидроаппарат, при котором он выполняет свое назначение с сохранением параметров в пределах установленных норм. Ряды номинальных расходов жидкости для гидроприводов устанавливает ГОСТ 13825-80.

Выбор конкретного гидроаппарата для определенной гидросистемы осуществляется по величине условного прохода D y, проверяя при этом соответствие расчетных величин максимального рабочего расхода жидкости через гидроаппарат и максимального рабочего давления номинальным значениям Q _ном и р _ном, приведенным в паспорте гидроаппарата.

Все гидроаппараты, которые используются в объемных гидроприводах, можно разделить на три основных класса: гидродроссели, гидроклапаны и гидрораспределители.

 

Гидродроссели

 

Гидродроссель – это регулирующий гидроаппарат, предназначенный для получения заданной величины расхода при данной величине перепада давления в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости.

Гидродроссель представляет собой местное гидравлическое сопротивление, которое также может использоваться для снижения давления в отводимом потоке рабочей жидкости при данном расходе.

Важной особенностью гидродросселя является то, что проходное сечение в нем не изменяется под действием потока рабочей жидкости.

Применение гидродросселей в качестве регулирующих элементов объемных гидроприводов требует от них двух качеств:

- возможность получения характеристики гидродросселя желаемого вида;

- сохранение стабильности характеристики гидродросселя во время эксплуатации.

Под характеристикой гидродросселяпонимается зависимость потерь давления Δp _др в гидродросселе (перепада давления на гидродросселе) от расхода Q рабочей жидкости, проходящей через него.

По виду этой зависимости различают гидродроссели:

- линейные– имеют линейную характеристику

Δ p _др = KQ;                                          (6.1)

- квадратичные– имеют квадратичную характеристику

Δ p _др = KQ.                                           (6.2)

Линейность характеристики линейного гидродросселя на практике обеспечивается за счет наличия в его конструкции протяженного канала малого проходного сечения, внутри которого получают ламинарный режим течения жидкости (см. закон Пуазейля).

На рис. 6.1 приведена конструктивная схема линейного регулируемого гидродросселя, в котором дросселирующим каналом является винтовая линия прямоугольного сечения, нарезанная на поверхности цилиндрического плунжера 1, образующего прецизионную пару с поверхностью гильзы 2. Регулирование гидродросселя осуществляется изменением рабочей длины l к дросселирующего канала за счет вращения винтовой головки 3.

Основным недостатком линейных гидродросселей является нестабильность их характеристики, а именно: зависимость крутизны их характеристики от температуры рабочей жидкости (от ее вязкости). Из-за этой температурной нестабильности характеристики линейные гидродроссели в системах автоматического управления объемными гидроприводами (системах гидроавтоматики) практически не встречаются.

Квадратичные гидродроссели в отличие от линейных имеют стабильную характеристику, не зависящую от температуры жидкости. В связи с этим квадратичные гидродроссели получили наибольшее распространение в гидроприводах и системах гидроавтоматики.

 

 

Рисунок 6.1 - Типовые конструктивные схемы

гидравлических дросселей

 

Простейшим квадратичным нерегулируемым (настраиваемым) гидродросселемявляется жиклер, представляющий собой отверстие в тонкой стенке, из которого происходит истечение жидкости под уровень.

Расчетной формулой для такого гидродросселя является формула истечения

,                                     (6.3)

из которой получаем выражение, определяющее его характеристику:

,                                      (6.4)

где μ – коэффициент расхода, для минеральных масел в области квадратичного сопротивления его можно принимать равным μ = 0,65;

S_o – площадь проходного сечения отверстия в гидродросселе.

Недостатком этого гидродросселя является то, что для получения на нем достаточно большого перепада давления для относительно малых по величине значений расхода в гидродросселе следует иметь отверстие очень малой площади. При этом даже если удастся изготовить такое отверстие, то во время эксплуатации высока вероятность его засорения. Как следствие – изменение характеристики гидродросселя, т.е. надежность работы такого гидродросселя будет низкой. Поэтому на практике при решении подобной задачи рекомендуется использовать пакетные гидродроссели(рис. 6.1).

Такой гидродроссель состоит из набора шайб. При проектировании пакетного гидродросселя необходимо предусмотреть взаимную фиксацию шайб с целью получения максимального разведения отверстий в соседних шайбах.

Регулируемымназывается гидродроссель, в котором площадь его проходного сечения можно изменять путем воздействия на его запорно-регулирующий элемент из вне.

К регулируемым относятся крановые, золотниковые, клапанные (игольчатые) гидродроссели, гидродроссель типа «сопло-заслонка» и др.

У кранового гидродросселя(см. рис. 6.1) недостатком является увеличение необходимого момента управления пробкой при значительном рабочем давлении питания. Поэтому крановые гидродроссели рекомендуется использовать в низконапорных гидросистемах.

У золотникового гидродросселязапорно-регулирующий элемент (золотник) совершает осевое перемещение в корпусе, изменяя при этом площадь проходного сечения гидродросселя за счет изменения величины кольцевого зазора между торцем золотника и проточкой в корпусе. Недостатком золотникового гидродросселя является зависимость усилия управления запорно-регулирующим элементом от рабочего давления питания.

В клапанномили игольчатом гидродросселе(рис. 6.1) изменение площади проходного сечения происходит за счет перемещения запорно-регулирующего элемента относительно седла, приближаясь или удаляясь от него. Недостатком этого гидродросселя является зависимость усилия, необходимого для управления его запорно-регулирующим элементом, от рабочего давления питания.

В гидродросселе типа «сопло-заслонка»запорно-регулирующий элемент (плоская заслонка) перемещается вдоль оси сопла, приближаясь или отдаляясь от него. Следствием этого является изменение расстояния заслонки от торца сопла, а значит, изменение сопротивления потоку жидкости, вытекающему из сопла. В этом гидродросселе усилие, необходимое для управления заслонкой, пропорционально величине потерь давления на гидродросселе. Эта особенность может использоваться при проектировании систем автоматического управления объемным гидроприводом.

Для увеличения расхода рабочей жидкости, протекающей через дроссель в обратном направлении, в нем иногда предусматривают установку обратного клапана (рис. 6.2).

 

Регулирующие гидроклапаны

 

Гидроклапан – это гидроаппарат, в котором величина открытия рабочего проходного сечения (положение запорно-регулирующего элемента) изменяется от воздействия потока рабочей жидкости, проходящего через гидроаппарат.

Существуют как регулирующие, так и направляющиегидроклапаны.

К регулирующим гидроклапанамотносятся гидроклапаны давления, а именно: гидроклапаны напорные и редукционные, а также гидроклапаны разностии соотношения давлений.

Рисунок 6.2 - Регулируемый дроссель с обратным клапаном

 

Гидроклапаном давленияназывается регулирующий гидроклапан, предназначенный для регулирования давления в потоке рабочей жидкости.

По характеру воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана различают гидроклапаны давления прямогои непрямого действия.

В гидроклапанах прямого действияпроходное сечение изменяется в результате непосредственного воздействия контролируемого потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент клапана.

Гидроклапаны непрямого действияпредставляют собой совокупность, как правило, двух клапанов: основного и вспомогательного, причем величина открытия рабочего проходного сечения основного клапана изменяется в результате воздействия потока рабочей жидкости на запорно-регулирующий элемент вспомогательного клапана.

Напорным гидроклапаномназывается гидроклапан давления, предназначенный для ограничения давления в подводимом потоке рабочей жидкости.

К напорным гидроклапанам относятся предохранительный и переливнойгидроклапаны.

Предохранительным гидроклапаномназывается напорный гидроклапан, предназначенный для предохранения элементов гидросистемы от давления, превышающего допустимое. Предохранительные гидроклапаны используются во всех объемных гидроприводах и устанавливаются, как правило, в непосредственной близости у насоса, а также в местах, где по условиям работы гидросистемы возможно возникновение опасных по величине давлений. Как правило, для предохранительного гидроклапана характерен эпизодический режим работы.

На рис. 6.3приведена конструкция предохранительного клапана прямого действия.

Рисунок 6.3 - Предохранительный клапан прямого действия

 

В данном случае используется конусный запорно-регулирующий элемент 2, прижимающийся к седлу в корпусе 1 пружиной 3. Давление срабатыванияпредохранительного гидроклапана p _к можно отрегулировать при помощи регулировочного винта 4 за счет изменения силы предварительного поджатия пружины 3.

Переливной– это напорный гидроклапан, предназначенный для поддержания заданного уровня давления на входе в клапан с заданной точностью путем непрерывного слива части потока рабочей жидкости.

Переливные клапаны работают постоянно в неустановившемся режиме, поэтому в них для исключения ударов запорно-регулирующего элемента о седло, как правило, используются золотниковые запорно-регулирующие элементы. Возможность использования в конструкции переливного клапана золотникового запорно-регулирующего элемента обусловлена также и отсутствием жестких требований к их герметичности.

На рис. 6.4 приведена конструктивная схема переливного клапана прямого действия с золотниковым запорно-регулирующим элементом.

Рисунок 6.4 - Переливной клапан прямого действия

Лекция № 7.

Направляющие гидроклапаны

 

К направляющим гидроклапанамотносятся обратные гидроклапаны, гидрозамки, гидроклапаны последовательности, реле давления и гидроклапаны выдержки времени.

Обратный - это направляющий гидроклапан, предназначенный для пропускания рабочей жидкости только в одном направлении.

Обратные гидроклапаны устанавливаются в гидролиниях, где требуется обеспечить однонаправленное движение жидкости. На рис. 7.1показаны конструкции обратных клапанов трубного и стыкового монтажа.

Рисунок 7.1 - Конструкции обратных клапанов

 

Основные требования, предъявляемые к обратному клапану:

1) минимальное сопротивление движению жидкости в направлении разрешенного течения;

2) герметичность в обратном направлении.

Пружина, прижимающая клапан к седлу, является вспомогательной и служит лишь для надежной посадки клапана в седло в момент изменения направления движения потока. Поскольку наличие пружины приводит к увеличению перепада давления на клапане при прохождении потока в прямом направлении, а допустимая величина перепада давления на обратных клапанах составляет 0,01–0,03 МПа, то ее жесткость обычно выбирают минимальной.

В гидросистемах низкого давления при повышенных требованиях к герметичности клапана в закрытом положении их седла снабжаются эластичными уплотнениями.

К основным параметрам, характеризующим обратные гидроклапаны (ГОСТ 16517-82), относятся: условный проход D _y, максимальное рабочее давление p _ном, масса (без рабочей жидкости).

Одной из разновидностей обратного клапана является управляемый обратный клапан,или гидрозамок - это направляющий гидроклапан, предназначенный для пропускания потока жидкости в одном направлении при отсутствии управляющего воздействия и в обоих направлениях при наличии управляющего воздействия. Односторонние гидрозамки широко применяются в системах гидроавтоматики.

Конструкция одностороннего гидрозамкаприведена на рис. 7.2.

Рисунок 7.2 - Гидрозамок односторонний

 

Клапан содержит элементы обратного клапана (седло и запорно-регулирующий элемент с пружиной), а также подпружиненный поршень с толкателем. Если давление в гидролинии X (P) отсутствует, то при движении жидкости от гидролинии А к гидролинии В запорно-регулирующий элемент клапана отжимается от седла, а поршень с толкателем перемещаются влево. При изменении направления потока в гидролиниях А и В запорно-регулирующий элемент клапана прижимается к седлу и движение жидкости прекращается. Если через гидролинию X (P) в управляющую полость гидрозамка подать давление управления, то поршень с толкателем переместятся вправо, толкатель отожмет запорно-регулирующий элемент от седла, и жидкость будет проходить через открытое рабочее окно независимо от направления ее движения.

Кроме односторонних, достаточно часто используются двусторонние гидрозамки(см. рис. 7.3).

Рисунок 7.3 - Гидрозамок двусторонний

 

Например, двусторонний гидрозамок используют для запирания полостей гидроцилиндра при наличии активной помогающей или противодействующей нагрузки на его штоке. Необходимость этого возникает, когда по технике безопасности недопустимо самопроизвольное движение поршня гидроцилиндра под действием внешней нагрузки. Эта проблема не может быть решена только при помощи золотникового гидрораспределителя, который в нейтральной позиции не обеспечивает требуемой герметичности. При отсутствии гидрозамка активная нагрузка (например, вес груза) на штоке поршня вызывает движение поршня из-за утечек в золотниковом распределителе. К основным параметрам гидрозамка (ГОСТ 16517-82) относятся: условный проход D _y, максимальное рабочее давление p _ном, давление управления p _у, потери давления при номинальном расходе, масса (без рабочей жидкости).

Гидроклапан последовательности - это направляющий гидроаппарат, предназначенный для пропускания или остановки потока рабочей жидкости при достижении заданной величины давления в этом потоке или в некотором постороннем потоке. Конструктивные схемы гидроклапанов последовательности, выполняющих отмеченные выше функции, приведены на рис. 7.4.

Рисунок 7.4 - Конструктивные схемы гидроклапанов последовательности

Обычно такие гидроклапаны имеют подпружиненный золотниковый запорно-регулирующий элемент (см. рис. 7.4). Если давление управления клапаном (давление в подводимом потоке или давление p _упр) меньше заданной величины, то запорно-регулирующий элемент под действием пружины смещен в крайнее нижнее положение, и на выходе из клапана поток рабочей жидкости отсутствует. При достижении в потоке управления значения давления, равного заданной величине, запорно-регулирующий элемент под действием этого давления перемещается в крайнее верхнее положение, обеспечивая появление потока рабочей жидкости на выходе из клапана.

Гидроклапаны последовательности с управлением от давления в подводимом потоке могут снабжаться обратным гидроклапаном, через который обеспечивается сброс давления из гидролинии на выходе из клапана в подводимый поток при снятии в нем давления. Они могут иметь также гидродроссель в канале, соединяющем торцевую полость управления золотником с подводимым потоком. При этом уменьшается скорость перемещения золотника и предотвращается возможность возникновения гидравлического удара в трубопроводе.

Гидроклапан выдержки времени - это направляющий гидроаппарат, предназначенный для пропускания или остановки потока рабочей жидкости в отводимой гидролинии через определенный промежуток времени после подачи управляющего сигнала. Например, необходимо осуществить выдержку по времени между двумя следующими одно за другим движениями выходных звеньев исполнительных гидродвигателей. Конструктивная схема одного из простейших гидроклапанов выдержки времени с управлением от давления в постороннем потоке жидкости представлена на рис. 7.5.

Рисунок 7.5 - Конструктивные схемы гидроклапанов выдержки времени

 

В корпусе 4 расположен запорно-регулирующий элемент 3, который при отсутствии давления p _упр смещается вверх под действием пружины 5. Жидкость из верхней торцевой управляющей полости при этом вытесняется на слив через вспомогательный направляющий гидрораспределитель 1.

При поступлении сигнала управления в виде давления p _упр золотник вспомогательного распределителя 1, преодолевая силу пружины, переключается, и рабочая жидкость под давлением управления p _упр через регулируемый гидродроссель 2 начинает заполнять управляющую полость над запорно-регулирующем элементом 3, перемещая его в крайнее нижнее положение против действия пружины 5. Время перемещения запорно-регулирующего элемента 3 из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее и является тем временем выдержки, которое обеспечивает клапан. После того, как запорно-регулирующий элемент 3 переместится в крайнее нижнее положение, подводимый поток Р перестанет поступать в гидролинию А и начнет поступать в гидролинию В. Таким образом, будет выполнена требуемая от гидроклапана выдержки времени функция, упомянутая в его определении. При снятии сигнала p _упр распределитель 1 под действием своей пружины переключается в исходное положение, соединяя управляющая полость над запорно-регулирующим элементом 3 со сливом. После этого запорно-регулирующий элемент 3 под действием пружины 5 возвращается в крайнее верхнее положение. Теперь гидроклапан выдержки времени снова готов к работе.

Время выдержки в таких простых по конструкции гидроклапанах обычно не превышает 300 с. Минимальное значение этого времени составляет 0,5…1 с. Для расширения диапазона выдержки времени и повышения точности срабатывания гидроклапанов выдержки времени необходимо стабилизировать расход рабочей жидкости, проходящий через гидродроссель 2. Для этого вместо регулируемых гидродросселей рекомендуется использовать гидравлические регуляторы расхода.