Хидравлични клапани

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2010

Хидравлични клапаниХидравлични клапаниХидравлични клапаниХидравлични клапаниХидравлични клапани

Част II. Хидравлични дросели, регулатори на дебит, клапани за съотношение на дебити


       В много приложения е необходимо да се променя скоростта на хидравличните изпълнителни механизми (хидроцилиндри и хидродвигатели), което се осъществява чрез изменение на подавания към тях дебит. Сред методите за управление на скоростта е използването на регулируеми помпи (variable displacement pump). Решението е подходящо за хидравлични системи с един изпълнителен механизъм, както и за системи с няколко механизма, от които във всеки момент работи само един. В повечето приложения, обаче, хидравличните системи имат няколко изпълнителни механизма, част от които работят едновременно. В тези случаи, за управление на скоростта се използват клапани за дебит (flow control valves). Известно е, че принципно дебитът може да се променя по различни начини, включително чрез промяна на проходното сечение, промяна на диференциалното налягане в хидравлично съпротивление или чрез разделяне на дебита. В съответствие с това са разработени няколко вида клапани за дебит, най-разпространените от които са обект на разглеждане в статията. Предимства на клапаните за дебит са: елементарна конструкция, надеждна работа, добра динамична устойчивост и висока точност на регулиране. Най-същественият недостатък са относително високите енергийни загуби, съпътстващи работата им.

Хидравличните дросели
(throttle valves) са устройства, с които се изменя проходното сечение, а с това и хидравличното съпротивление в определен тръбопровод или канал на хидравличната система. Те са най-елементарните устройства за управление на скоростта на хидравличните изпълнителни механизми. Хидравличните дросели са и основен елемент в конструкцията на повечето хидравлични управляващи устройства.
Дроселите се разделят в две основни групи – постоянни и регулируеми. Постоянните дросели се изпълняват като бленди (шайби). Както личи от наименованието им, те представляват отвори с дължина по-малка от диаметъра им, дълги отвори с малък диаметър, капилярни тръбички, винтови канали и др. При регулируемите дросели се изменя проходното сечение или дължината на дроселния канал. Те се подразделят според вида на отвора или затвора. На базата на този критерий съществуват следните видове дросели, включително: иглени (конусни), плунжерни, пластинкови, винтови, шлицови, жлебови (прорезни) и др. Според движението на затвора – с паралелно изместване (вентилни) и със завъртане (кранови).

Линейни и нелинейни дросели
Друга класификация на дроселите е в зависимост от характера на течението в дросела и възникващите хидравлични загуби. В линейните дросели загубите на налягане се определят най-вече от вискозитета, т. е. от хидравличното триене при протичане през дълги канали. Загубите на налягане са линейна функция на протичащия дебит. Течението е ламинарно, затова тези дросели се наричат още ламинарни. Недостатък на този тип дросели е, че вискозитетът, а следователно и хидравличните съпротивления, са силно зависими от температурата на работната течност.
В нелинейните дросели загубите (падът) на налягане се определят основно от деформацията на потока и вихрообразуването, като сравнително слабо зависят от вискозитета, т. е. от температурата. При пренебрежими загуби от вискозно триене, падът на налягане зависи само от квадрата на дебита. Подобни дросели се наричат квадратични или турбулентни. Техните характеристики практически не зависят от температурата на флуида. Много често в конструкцията им е интегриран и успоредно включен обратен клапан за протичане в обратна посока без дроселиране. Става въпрос за т. нар. дросел с обратен клапан (throttle check valve). Произвеждат се и сдвоени дросели с обратен клапан (double throttle check valves). Те могат да управляват дебита едновременно в два канала и представляват два симетрично разположени дросела с обратен клапан в общ корпус.
На фиг. 1 е показана съвременна конструкция на дросел с обратен клапан. Примерът е типичен за хидравличен клапан, който е предназначен за монтаж непосредствено на тръбопровода (in-line mounting). При протичане с дроселиране (посока от дясно на ляво), клапанът 5 се притиска от налягането и пружината към седлото. При това флуидът постъпва през отворите 3 към дроселиращото сечение 4, образувано между корпуса 2 и регулиращата гилза 1. В обратното направление течността отваря клапана 5 и протича свободно, без дроселиране. Малка част от дебита минава и през дроселиращото сечение, осигурявайки ефект на самопочистване. На фиг. 1 са показани и условните означения (от ляво на дясно) на постоянен дросел, регулируем дросел и дросел с обратен клапан.
На фиг. 2 може да се види основната характеристика на един дросел, т. е. зависимостта на пада на налягането Dp от дебита Q при различни фиксирани положения на регулиращия елемент (обороти, ъгъл на завъртане и т.н., в зависимост от конструкцията на клапана).
На фиг. 3 a, б, в са показани трите принципни схеми за управление на скоростта чрез използването на дросели.

Първа схема на управление на скоростта
В първата схема дроселът е включен на входящия тръбопровод (meter-in control). Промяната на скоростта се реализира като резултат от съвместното действие на дросела и предпазно-преливния клапан. Както бе изяснено вече, предпазно-преливният клапан поддържа постоянно налягане p1 на входа на дросела. Съответно, налягането p2 след дросела се определя от съпротивлението, което преодолява хидравличният двигател. Следователно, при постоянно натоварване на хидродвигателя, падът на налягането в дросела Dp = p1 - p2  също е постоянен. От характеристиката на дросела (фиг. 2) е видно, че при постоянен пад Dp, с промяна на дроселното сечение (позицията на дросела) се постига и изменение на дебита. Ако сечението намалява (в конкретния пример чрез по-малки обороти на регулиращата гилза), дебитът през дросела, съответно и скоростта също намаляват. Останалата част от дебита протича към резервоара през предпазно-преливния клапан, т. е. в случая той изпълнява функцията на преливен клапан.
Схемата осигурява възможност за фино регулиране на скоростта и плавен пуск на хидродвигателя, но не е подходяща, когато външното натоварване съвпада с посоката на движение, например спускане на товар. Проблеми възникват и при внезапно пълно разтоварване. Ако, все пак, методът се използва за подобни приложения, във връщащия тръбопровод на хидродвигателя се монтира подпорен клапан, който създава определено противоналягане. Това, обаче, води до допълнително повишаване на работното налягане в системата и до намаляване на ефективността й.

Втора схема на управление на скоростта
Втората схема на управление се реализира чрез т. нар. дроселиране на изхода (meter-out control). Принципът й на работа не се отличава съществено от вече описания, с тази разлика, че налягането p1 на входа на дросела се определя от настройката на предпазно-преливния клапан и външното натоварване. Съответно, налягането p2 е близко като стойност до атмосферното. В идеалния случай падът Dp = p1 - p2 е постоянен. Описаната схема е широко разпространена, защото подпорното налягане, създавано от дросела, осигурява плавно движение на задвижвания механизъм, особено при знакопроменливо или пулсиращо изменение на съпротивителната сила. Недостатък на решението е, че в началния момент при тръгване, скоростта нараства скокообразно над стойността, която има при установено движение. Причината е, че съответното противоналягане във връщащата област не може да се създаде веднага.

Трета схема на управление на скоростта
Третата схема е с дросел, включен успоредно на хидродвигателя. Тази схема е позната още като дросел в отклонение (bleed-off control). Дебитът, подаван от помпата, се разделя на две части – единият поток се насочва към хидродвигателя, а другият - през дросела към резервоара. При затворен дросел скоростта е максимална. С отварянето му скоростта намалява, тъй като част от течността се връща директно в резервоара. Ако при напълно отворен дросел съпротивлението му е по-малко от характерното за клона към хидродвигателя, той спира работа и целият дебит се отвежда в резервоара.
Предпазно-преливният клапан в тази схема е нормално затворен и се използва единствено за защита от претоварване. Налягането на помпата се определя единствено от натоварването на хидродвигателя, което определя по-голямата ефективност на решението, в сравнение с първите две схеми. Методът не е подходящ за приложение при натоварване в посоката на движение. Освен това, в даден момент е възможно управление на скоростта само на единия изпълнителен механизъм.
Характерно и за трите схемни решения е, че с намаляване на скоростта, нараства количеството течност, която се връща в резервоара, без да извърши полезна работа, т. е. нарастват загубите на мощност и се намалява енергийната ефективност на системата.
Използването на дросели не може да осигури постоянна скорост на движение при променливо натоварване. С изменение на натоварването се променя падът Dp, което при фиксирана позиция на дросела означава и изменение на дебита през него. Това е причината дроселите да са известни още като клапани за дебит без компенсация по налягане (non-pressure-compensated flow control valve).

Регулаторите на дебит
са устройства, които управляват и поддържат постоянен протичащия през тях дебит, независимо от изменението на налягането в системата. По тази причина те са известни и като клапани за дебит с компенсация по налягане (pressure-compensated flow control valve). Използват се в случаите, при които е необходимо да се поддържа постоянна скорост на движение на хидродвигателя, независимо от промяната на съпротивителното усилие.
Регулаторът на дебит представлява комбинирано устройство, включващо дросел и клапан, който поддържа автоматично постоянна разлика между наляганията на входа и на изхода от дросела. Както вече бе изяснено, при постоянна разлика (пад) на налягането, през дросела протича постоянен дебит. На практика отклоненията на дебита не превишават ±3% от максимално управлявания дебит. В зависимост от начина на свързване на дросела и клапана за постоянна разлика - последователно или паралелно, се различават два типа регулатори - двупътни и трипътни.

Двупътни регулатори на дебит
В тях (2-way flow control valve) клапанът за постоянна разлика се включва последователно - преди или след дросела. Клапанът за постоянна разлика представлява нормален редукционен клапан, което се отразява и в условното му обозначение. На фиг. 4 е показана принципна схема на двупътен регулатор на дебит с клапан за постоянна разлика от плунжерен тип, разположен пред дросела. Илюстрирани са и двата символа – и подробният, и опростеният. Видно е, че от лявата страна на плунжера действат силата на пружината FF и силата p3 Ak, резултантна от налягането на изхода на дросела. От дясната страна на плунжера действа силата p2 Ak, която се дължи на налягането на входа на дросела. В установен режим на работа, плунжерът се намира в равновесие. След изравняване на действащите сили се получава, че падът на налягане в дросела е равен на: Dp = p2 - p3 = FF/Ak. На практика пружинната сила FF представлява константа, както и сечението на клапана Ak. Следователно, падът на налягане в дросела е постоянен и конструктивно зададен. Обикновено при проектиране на клапани от този тип се приема пад на налягане 0.2 – 0.3 MPa. Ако по някаква причина налягането p3 на изхода се повиши, регулиращият елемент (плунжерът) на клапана се измества надясно, при което се увеличава дроселното сечение, хидравличното съпротивление на клапана намалява, а налягането p2 на входа на дросела също се повишава. Резултатът е възстановяване на пада Dp в дросела. При повишаване на налягането p1 на входа на регулатора, налягането p2 на входа на дросела също се повишава, но това предизвиква изместване на плунжера наляво. Съответно, дроселното сечение на клапана намалява, а хидравличното съпротивление нараства. Резултатът е понижение на налягането p2 до първоначалната си стойност, т. е. падът Dp в дросела се възстановява, т.е. дебитът остава постоянен.
Предимство на двупътните регулатори е възможността дебитът да се регулира чрез въздействие върху течението и на входа, и на изхода (фиг. 3а и 3б). При използването им с една помпа могат да се захранват няколко хидродвигателя. Основен техен недостатък е фактът, че в процеса на регулиране излишният дебит преминава през предпазно-преливния клапан, който е постоянно отворен и определя налягането в системата. Следователно, двупътните регулатори на дебит имат по-ниска енергийна ефективност в сравнение с дроселите.

Трипътни регулатори на дебит
На фиг. 5 са показани принципна схема и условните означения на трипътен регулатор на дебит (3-way flow control valve). Той се състои от регулируем дросел, който задава дебита, и клапан, осигуряващ постоянен пад на налягането в него. Клапанът за постоянна разлика е сходен като конструкция и действие с предпазно-преливните клапани. Падът на налягането в дросела зависи само от пружинната сила и сечението на клапана, т. е. е константа. Дебитът на помпата Q се разделя на две части: дебит Q1 през дросела към хидродвигателя и дебит QR, преминаващ през клапана за постоянна разлика към резервоар. Видно е, че налягането p1 на входа на регулатора е равно на налягането на входа на дросела. При повишаване или намаляване на съпротивителната сила се изменя налягането p2, при което клапанът за постоянна разлика се притваря или отваря, променяйки дроселирането на потока към резервоар. Съответно, налягането p1 пред дросела се повишава или намалява, което запазва постоянен пада, а следователно и дебита през дросела към изхода на регулатора. Важна специфика на трипътния регулатор е, че налягането на помпата p1 следва изменението на налягането p2 в хидродвигателя. Затова трипътните регулатори се отличават с по-голяма енергийна ефективност в сравнение с двупътните регулатори.
Предпазно-преливният клапан на системата е настроен на максимално допустимо налягане и е затворен по време на движението на хидродвигателя. Съществуват редица значителни ограничения в приложната област на разглеждания елемент. Трипътният регулатор на дебит се включва винаги на входа на хидродвигателя. Тъй като налягането p1 се променя в зависимост от съпротивителната сила в съответния хидродвигател, трипътните регулатори на дебит не могат да се използват за управление на няколко хидродвигателя, захранвани от една помпа.
Известно е, че вискозитетът на хидравличното масло се променя с температурата. Затова изходящият дебит на регулаторите се изменя с промяната на температурата. При повишени изисквания към точността трябва да се използват регулатори с температурна компенсация. Характерно за тях е, че в регулируемия им дросел е вграден термочувствителен елемент, който коригира допълнително дроселното сечение и компенсира изменението на температурата. Добра температурна компенсация се получава само при работна течност с определен вискозитет.

Клапаните за съотношение на дебити
поддържат постоянно зададено съотношение между дебитите в три присъединени към тях тръбопровода, независимо от изменението на наляганията в тръбопроводите, т. е. това също са клапани за дебит с компенсация по налягане. Прилагат се за синхронизация на движението на хидродвигателите и се изпълняват в различни варианти.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top