С.Ю. Плешков, А.В. Хаит, В.Ю. Энгель

С.Ю. Плешков, А.В. Хаит, В.Ю. Энгель

 

КонструкциИ и типовые схемы

Применения аппаратуры гидропривода

Учебное электронное текстовое издание

Подготовлено кафедрой «Гидравлика»

Научный редактор: доц., канд.техн.наук А.В. Некрасов

 

Методические указания к лабораторной работе № 40 по курсу «Гидравлика и гидропневмопривод» для студентов всех форм обучения направление 150800 – Гидравлическая, вакуумная и компрессорная техника; специальность: 150802 - Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика; направление 270880 – Строительство, профиль – Гидропневмоситемы в строительстве и промышленности; направление 151900.62 – Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств; специальность: 151901 – Технология машиностроения; направление 190100 – Наземные транспортные технологические комплексы; специальность: 190105 - Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование

 

Содержит лекционный материал по дисциплине «Гидравлика и гидропневмопривод», практические задания к выполнению лабораторной работы № 40

 

© ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России

Б.Н. Ельцина», 2011

 

Екатеринбург

Цель работы: изучение конструкций направляющих дроссельных аппаратов гидропневмопривода и гидропневмоавтоматики, ознакомление с принципом действия этих аппаратов, развитие навыков чтения и составления принципиальных схем гидропривода с применением направляющей дроссельной гидроаппаратуры.

 

Клапаны давления

Клапаны давления предназначены для управления давлением рабочей жидкости. К ним относятся напорные клапаны (клапаны давления), предохранительные, редукционные, разности давлений и соотношения давлений[3]. Все клапаны давления делятся на две группы:

-клапаны прямого действия,

-клапаны непрямого действия.

2.1. Напорные гидроклапаны предназначены для ограничения давления в подводимых к ним потоках рабочей жидкости. На рис. 6 приведены принципиальные схемы напорных клапанов прямого действия с шариковым, конусным, плунжерным и тарельчатым запорно-регулирующими элементами.

Клапан состоит (рис. 6) из запорно-регулирующего элемента 1 (шарика, конуса и т.д.), пружины 2, натяжение которой можно изменять регулировочным винтом 3. Отверстие 5 корпуса 4 соединяется с линией высокого давления, а отверстие 6 - со сливной.

Рис. 6. Принципиальные схемы напорных клапанов с запорно-

регулирующими элементами: а - шариковым; б - конусным;

в - золотниковым; г – тарельчатым

 

Часть корпуса, с которой запорно-регулирующий элемент клапана приходит в соприкосновение, называется седлом (посадочным местом). При установке клапана в гидросистему пружина 2 настраивается так, чтобы создаваемое ею давление было больше рабочего, тогда запорно-регулирующий элемент будет прижат к седлу, а линия слива будет отделена от линии высокого давления. При повышении давления в подводимом потоке, сверх регламентированного, запорно-регулирующий элемент клапана перемещается вверх, преодолевая усилие пружины, рабочее проходное сечение клапана открывается, и гидролиния высокого давления соединяется со сливной. Вся рабочая жидкость идёт через клапан на слив. Как только давление в напорной гидролинии упадёт, клапан закроется, и если причина, вызвавшая повышение давления не будет устранена, процесс повторится.

Достоинство клапанов прямого действия – высокое быстродействие, дешевизна, простота в эксплуатации. Недостаток – увеличение размеров при повышении расхода и рабочего давления, а также нестабильность поддерживаемого давления. При конструировании напорных клапанов их габариты и массу можно уменьшить, если применить дифференциальные клапаны или клапаны непрямого действия.

Дифференциальный клапан

Рис. 7. Принципиальная схема дифференциального клапана

Дифференциальный клапан (рис. 7) состоит из плунжера 1, который имеет два пояска диаметрами D и d, на которые воздействует жидкость.

 

Благодаря наличию поясков с разными диаметрами уменьшается активная пло-щадь запорно-регулирующего элемента клапана, на которую воздействует жидкость, и он оказывается частично разгруженным. Это позволяет уменьшить размеры пружины и всего клапана в целом.

Недостатком дифференциальных клапанов является скачкообразное изменение давления и расхода через клапан в момент его открытия. Поэтому величину хода х запорно-регулирующего элемента клапана ограничивают величиной:

(3)

Еще большего уменьшения размеров пружины и всего клапана в целом при одновременном повышении его герметичности можно достигнуть в клапанах непрямого действия.

2.3. Напорный клапан непрямого действия (предохранительный клапан с переливным золотником) состоит (рис. 8) из основного запорно-регулирующего элемента - золотника 1 ступенчатой формы; нерегулируемой пружины 2 и вспомогательного запорно - регулирующего элемента 3 в виде шарикового клапана прямого действия. Усилие пружины 4 шарикового клапана регулируется винтом 5. Каналами в корпусе клапана полости 7 и 8 соединены с гидролинией 10 высокого давления. Полость 6 соединена с полостью 8 дроссельным каналом 9 в золотнике. Пружина шарикового клапана 3 настраивается на давление P_К (на 10÷20% больше максимального рабочего в гидросистеме).

 

Рис. 8. Напорный клапан непрямого действия: а - принципиальная схема;

б - условное обозначение

Если при работе гидропривода машины давление в гидросистеме P_Н < P_К, шариковый клапан закрыт, в полостях 6, 7, 8 устанавливается одинаковое давление P_Н, золотник 1 под воздействием пружины 2 занимает крайнее нижнее положение, а гидролиния высокого давления 10 отделена от гидролинии слива 11 (положение клапана соответствует изображенному на рис. 9). Изменение давления в гидросистеме вызывает изменения давления в полостях 6, 7, 8 клапана. В тот момент, когда давление P_Н превысит P_К, шариковый клапан 3 откроется и через него жидкость в небольшом количестве начнет поступать на слив. В дроссельном канале золотника создается течение жидкости с потерей давления на преодоление гидравлических сопротивлений. Вследствие этого давление жидкости в полости 6 станет меньше давления в полостях 7 и 8. Под действием образовавшегося перепада давлений золотник 1 переместится вверх, сжимая пружину и соединяя линию 10 с линией 11. Рабочая жидкость будет поступать на слив, и перегрузки гидросистемы по давлению не произойдет. Однако, как только линия высокого давления соединится со сливом, давление жидкости в гидросистеме уменьшится до P_Н < P_К, шариковый клапан закроется и течение жидкости по дроссельному каналу прекратится. Давление в полостях 6, 7 и 8 выровняется, и под воздействием пружины 2 золотник возвратится в исходное положение, снова отделив линию высокого давления от слива. Если причина, вызвавшая повышение давления в гидросистеме, не будет устранена, процесс повторится и золотник в конечном итоге установится на определенной высоте, при которой давление в гидросистеме будет поддерживаться постоянным.

Когда клапан находится в работе, золотник совершает колебательные движения с небольшой амплитудой. Уменьшению колебаний золотника способствует полость 7, оказывающая на него демпфирующее влияние. Но амплитуда этих колебаний очень мала. Поэтому давление в гидросистеме, поддерживаемое таким клапаном, остается практически постоянным.

Для разгрузки системы или какого-либо ее участка от давления клапаны непрямого действия могут управляться дистанционно. Для этого полость 6 посредством канала 12 и крана 13 необходимо соединить со сливом. В результате давление в полости 6 резко упадет, золотник 1 поднимется вверх, а линия высокого давления 10 соединится со сливом 11.

На рис. 9 изображен широко применяемый напорный клапан непрямого действия с обратным клапаном типа DZ фирмы «Rexroth».

 

Рис. 9. Схема и условное обозначение напорного клапана

непрямого действия с обратным клапаном типа DZ фирмы «Rexroth»:

1 – корпус; 2 – втулка; 3 – затвор конусный основного клапана; 4 – пружина основного клапана; 5 – золотник вспомогательного клапана; 6 – корпус вспомогательного клапана; 7 – пробка с внутренним шестигранником;

8 – механизм настройки давления срабатывания; 9 – пружина вспомогательного клапана; 10 – втулка распределительная; 11 – колпачок защитный;

12 – дроссель; 13 – дроссель; 14 – клапан обратный; 15 – пробка-заглушка;

16 – пробка-заглушка

 

При подаче рабочей жидкости под давлением в канал А в состоянии покоя, когда давление в канале А недостаточно для преодоления усилия пружины 9, золотник 5 вспомогательного клапана занимает такую позицию, в которой канал А отсечен от канала В. При повышении давления в канале А, когда усилие от давления рабочей жидкости, действующего на левый торец золотника 5 превысит усилие пружины 9, золотник 5 перемещается вправо и рабочая жидкость из канала А через отверстие в конусном затворе 3 основного клапана, дросселя 12 и 13, поступает в канал В, отслеживая установленное пружиной 9 давление. При этом, вследствие дросселирования потока рабочей жидкости, на дросселях 12 и 13 создается перепад давлений, в результате которого конусный затвор 3 поднимается, открывая проход рабочей жидкости из канала А в канал В через основной клапан. Рабочая жидкость, подаваемая под давлением в канал В, проходит в канал А через обратный клапан 14.

По сравнению с клапанами прямого действия клапаны непрямого действия обладают рядом преимуществ:

· плавность и бесшумность работы;

· повышенная чувствительность;

· давление на входе в клапан поддерживается постоянным и не зависит от расхода рабочей жидкости через клапан.

Редукционный клапан

Редукционным называют гидроклапан давления, предназначенный для поддержания в отводимом от него потоке рабочей жидкости более низкого давления, чем давление в подводимом потоке. В гидроприводах находят применение в основном два типа редукционных клапанов.

Первый тип клапанов обеспечивает установленное соотношение между давлениями на входе и выходе из клапана.

Рис. 10. Редукционный клапан: а - принципиальная схема; б – условное обозначение

Редукционный клапан (рис. 10) состоит из запорно-регулирующего элемента – плунжера 1, прижатого к седлу пружиной 2, сила натяжения которой регулируется винтом 3. Отверстие 4 соединяется с гидролинией высокого давления, а отверстие 5 с гидролинией низкого давления. В исходном положении клапан прижат к седлу, а вход отделен от выхода. При повышении давления Р₁ плунжер движется влево, гидролиния высокого давления соединяется с гидролинией низкого давления. Чем больше давление Р₁, тем больше открывается проходное сечение клапана, и тем больше становится давление Р₂. Таким образом, давление P₂ зависит от давления на входе клапана, от начальной силы натяжения пружины P_пр. и жесткости пружины c:

(4)

Недостатком этого типа клапанов является зависимость давления на входе от изменения давления на выходе клапана и наоборот.

Второй тип редукционного клапана поддерживает постоянное редуцированное давление на выходе независимо от колебания давления в подводимом и отводимом потоках рабочей жидкости. Такие редукционные клапаны могут быть прямого и непрямого действия.

Рис. 11. Редукционный клапан непрямого действия: а - принципиальная схема; б – условное обозначение

Рассмотрим работу редукционного клапана непрямого действия (рис. 11). Клапан состоит из основного запорно-регулирующего элемента - золотника 1 ступенчатой формы, нагруженного нерегулируемой пружиной 2 с малой жёсткостью, и вспомогательного запорно - регулирующего элемента 5 в виде шарикового клапана. Силу натяжения пружины 4 шарикового клапана можно изменять винтом 3. В корпусе клапана имеются каналы, соединяющие полости 7 и 8 с выходом, а в золотнике 1 - дроссельный канал 9, соединяющий полость 6 с полостью 8, а через последнюю и с выходом клапана.

Если пружина 4 настроена на давление, большее, чем давление P₁ на входе клапана, то золотник 1 находится в положении, показанном на рис. 12. В этом случае в полостях 6, 7 и 8 будет одинаковое давление, равное P₁, полость 10 соединена с полостью 11, а жидкость свободно протекает через клапан. Редуцирования давления при этом не происходит. При настройке пружины 4 на давление P₂ < P₁, шариковый клапан откроется, и жидкость в небольшом количестве из полости 6 будет поступать на слив. В дроссельном канале 9 золотника создаётся течение жидкости с потерей в нём давления на преодоление гидравлических сопротивлений. В результате давление в полости 6 упадёт и золотник поднимется вверх, уменьшив площадь живого сечения между полостями 10 и 11. Это в свою очередь вызовет понижение давления в полостях 11, 8 и 7, опускание золотника и уменьшение площади живого сечения между полостями 10 и 11. Процес повторится снова, и золотник, совершая колебательные движения, установится на определенной высоте. Всякое изменение давления на входе или выходе клапана вызовет ответное перемещение золотника. В конечном итоге за счет изменения дросселирования давление на выходе клапана поддерживается постоянным. В этом клапане полость 7 и узкий канал, соединяющий полость с выходом клапана, оказывают демпфирующее влияние на золотник, уменьшая его колебания.

Следует отметить, что все детали этого клапана, кроме корпуса и золотника 1, унифицированы с напорным клапаном непрямого действия (рис. 9).

На рис. 12 показана схема и условное обозначение широко используемого в гидросистемах редукционного клапана непрямого действия с обратным клапаном типа DR фирмы «Rexroth».

 

 

Рис. 12. Клапан редукционный

непрямого действия с обратным клапаном типа DR фирмы «Rexroth»: 1 – корпус; 2 – втулка; 3 – затвор плунжерный; 4 – втулка опорная; 5 – пружина; 6 – дроссель; 7 – втулка дроссельная; 8 – фильтроэлемент сетчатый; 9 – втулка-седло; 10 – затвор конусный вспомогательного клапана; 11 – дроссель; 12 – пружина; 13 – корпус вспомогательного клапана; 14 – пробка с внутренним шестигранником; 15 – механизм настройки давления срабатывания; 16 – колпачок защитный; 17, 18 – пробки-заглушки

 

При подаче рабочей жидкости под давлением в канал В, в состоянии покоя, т.е., когда давления в канале А недостаточно для преодоления усилия пружины 12, конусный затвор 10 клапана предварительного управления, поджат пружиной 12 к своему седлу. Плунжерный затвор 3 основного клапана под действием усилия пружины 5 и уравновешенного усилия давления рабочей жидкости в надклапанной (верхней) полости плунжерного затвора 3, а также давления в канале А, действующего непосредственно на рабочую поверхность затвора 3, также поджат к своему седлу. При этом канал В соединен с каналом А, через радиальные отверстия-окна во втулке 2 и подвижном плунжерном затворе 3.

При повышении давления в канале А, когда усилие от давления рабочей жидкости, действующего на рабочую поверхность конусного затвора 10 клапана предварительного управления, превысит усилие пружины 12, рабочая жидкость, отжимая затвор 10 от седла, проходит в канал отвода потока управления Y. При этом, вследствие дросселирования потока рабочей жидкости, на дросселях 6, 9 и дроссельной втулке 7, создается перепад давлений, в результате которого плунжерный затвор 3 поднимается, перекрывая проход рабочей жидкости из канала В в канал А.

При подаче рабочей жидкости под давлением в канал А основной поток проходит в канал В через обратный клапан 17.

Обратные гидроклапаны

Обратным гидроклапаном называется направляющий гидроаппарат, предназначенный для пропускания рабочей жидкости только в одном направлении. Он может иметь различные запорно-регулирующие элементы: шариковый, конусный, тарельчатый или плунжерный.

В соответствии со своим назначением обратный клапан должен быть герметичным в закрытом положении, т.е. в исходном положении запорно-регулирующего элемента. Для достижения абсолютной герметичности в закрытом положении применяют обратные клапаны с двумя или тремя последовательно соединёнными запорно-регулирующими элементами. Пружина обратных клапанов нерегулируемая, её сила натяжения должна обеспечивать лишь преодоление сил трения и инерцию, а также быстрое возвращение в исходное положение запорно-регулирующего элемента.

На рис. 13 показана схема и условное обозначение клапана обратного типа S фирмы «Rexroth».

Рис. 13. Клапан обратный типа S

фирмы «Rexroth»: 1 – корпус; 2 – затвор конусный; 3 – пружина; 4 – втулка опорная; 5 – кольцо стопорное

 

В корпусе 1 выполнена цилиндрическая расточка и соосные с ней каналы А и В для входа и выхода рабочей жидкости. В расточке корпуса 1 размещен конусный затвор 2, поджатый пружиной 3 к острокромочному седлу. Пружина 3 опирается с одной стороны на втулку 4, перемещение которой ограничено стопорным кольцом 5, а с другой стороны - на внутреннюю поверхность конусного затвора 2.

Клапан обратный типа S фирмы "Rexroth" может устанавливаться в любом положении (горизонтально или вертикально), поскольку пружина 3 постоянно поджимает конусный затвор 2 к острокромочному седлу в корпусе 1. В зависимости от цели применения давление открытия обратного клапана может составлять от 0,05 до 0,3 МПа. Например, при использовании обратного клапана в качестве байпасного[4] клапана в обход фильтра при его загрязнении давление открытия, как правило, составляет 0,03 МПа.

Рабочая жидкость, подаваемая под давлением в канал А, преодолевая усилие пружины 3, отжимает конусный затвор 2 от седла, выполненного в корпусе 1 и проходит в канал В.

При подводе рабочей жидкости под давлением в канал В конусный затвор 2 прижимается к седлу в корпусе 1 усилием пружины 3 и дополнительным усилием от действия давления рабочей жидкости на внутреннюю поверхность конусного затвора 2, перекрывая проход рабочей жидкости в канал А.

Таким образом, обратный клапан свободно пропускает рабочую жидкость в прямом направлении (из канала А в канал В) и герметично перекрывает поток в обратном направлении.

Задание №2

Определить диаметр подводящего канала, высоту подъема клапана, жесткость пружины и ее предварительную деформацию для конического клапана прямого действия. Исходные данные взять из табл. 2. Скорость жидкости в подводящем канале принять в пределах 4÷6 м/с.

Пример решения задачи (к заданию №2)

Определить основные размеры конического клапана давления прямого действия со следующими параметрами: давление открытия клапана Р=16 МПа, перепад давления ∆Р =0,5 МПа, расход Q=2 дм³/с, рабочая жидкость: минеральное масло И-45 (ρ=900 кг/м³).

Таблица 2

Исходные данные для определения параметров конического клапана

прямого действия

№ вариантов	Давление открытия клапана, Р, МПа	Расход Q через клапан, л/с	Увеличение давления при пропускании рабочей жидкости, ∆Р, МПа	Угол конуса клапана, град	Коэффициент расхода
		0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7	0,10 0,15 0,20 0,30 0,40 0,50		0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,61

Решение. Диаметр подводящего канала при скорости жидкости ν=4 м/с:

Принимаем диаметр D=25 мм, угол конусности клапана 45°. Средний диаметр d_ср=D+0,5 мм=25,5 мм. Высота подъёма клапана[5]:

Жесткость пружины:

Сила сжатия пружины при предварительной деформации:

Предварительная деформация:

Содержание отчета по лабораторной работе

В отчет следует включить:

1. Конструктивные схемы того гидроаппарата, который студент изучает на данном занятии. Описание схем давать не нужно, так как после изучения каждого типа гидроаппарата по описанию в данном методическом пособии и по разрезному макету, имеющемуся в лаборатории кафедры гидравлики, студент должен самостоятельно рассказать принцип действия и устройство данного типа гидромашины.

2. Решение задачи по расчету гидроаппарата, который студент изучает на данном занятии в соответствии с заданиями №№ 1, 2 и 3. При этом необходимо расшифровать все входящие в расчетные формулы символы.

Защита лабораторной работы

Студент обязан:

1. С помощью разрезных макетов, плакатов и данного методического руководства разобраться и объяснить:

· принцип действия и устройство каждого гидроаппарата;

· достоинства и недостатки каждого вида гидроаппаратов;

· основные термины, определения и назначение гидроаппаратов;

· в чём заключается отличие между предохранительным клапаном, переливным клапаном и клапаном давления (напорным клапаном);

· в чём состоит назначение гидродросселей и как влияет увеличение или уменьшение их гидравлического сопротивления на изменение скорости исполнительного органа гидропривода;

· в чем разница между направляющим и дросселирующим гидрораспределителем;

· в чем состоит отличие между гидродросселем и регулятором потока;

· в чём заключается функция обратного клапана.

2. Представить отчёт по выполненной лабораторной работе. В отчет включить три предложенные для решения задачи.

Библиографический список

1. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов /Т.М. Башта, С.С. Руднев, Б.Б. Некрасов и др. -2-е изд., перераб. – М.: Машиностроение, 1982. -423 с., ил.

2. Гидропневмопривод и гидропневмоавтоматика: Текст лекций. Ч.1 /В.Ю. Энгель, Н.Е. Лаптева. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1994. -96 с.

3. Акопов С.А., Артоболевский И.И., Ачеркан Н.С. и др. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Раздел 1: Инженерные расчеты в машиностроении. Т.2 / под общ. ред. Е.А. Чудаков. – М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1948. -894 с.

4. Лебедев Н.И. Гидропривод машин лесной промышленности. – М.: Лесная промышленность, 1978. -304 с.

5. Большая Советская энциклопедия. В 30-ти томах. 1969 - 1978.

Содержание

1. Дроссели и регуляторы расхода ……………………………………… 2

2. Клапаны давления …………………………………………………….. 8

2.1. Напорные гидроклапаны ……………………………………………. 9

2.2. Дифференциальный клапан ………………………………………. 10

2.3. Напорный клапан непрямого действия ……………………………. 11

2.4. Редукционный клапан ……………………………………………… 14

3. Обратные гидроклапаны...…………………………………………… 17

4. Гидро- и пневмораспределители …………………………………….. 20

4.1. Золотниковые гидрораспределители ………………………………. 21

4.2. Крановые гидрораспределители ……………………………………. 28

4.3. Клапанные гидрораспределители …………………………………... 29

5. Содержание отчёта по лабораторной работе ………………………… 33

6. Защита лабораторной работы …………………………………………. 33

Библиографический список …………………………………………… 34

 

Учебное электронное текстовое издание

Плешков Сергей Юрьевич

Хаит Анатолий Вильич

Энгель Валентин Юльевич

КонструкциИ и типовые схемы

Редактор

Компьютерная верстка С.Ю. Плешков

Рекомендовано РИС ФГАОУ ВПО УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Разрешен к публикации

Электронный формат – PDF

Екатеринбург, ул. Мира, 19

e-mail: [e-mail]

Информационный портал

С.Ю. Плешков, А.В. Хаит, В.Ю. Энгель

 

КонструкциИ и типовые схемы