Хидравлични клапани за налягане

 Хидравличните клапани за налягане са сред най-често използваните в хидравличните системи. Те изпълняват редица функции, от поддържане на налягането в безопасни граници и недопускане повишаването му над определената, до поддържане на определено налягане в дадена част на хидравличната система. Съответно, в зависимост от функцията, която изпълняват клапаните за налягане, обикновено се подразделят на предпазни, предпазно-преливни, подпорни, разтоварващи, редукционни клапани. Повечето от тях са нормално затворени с изключение на редукционните клапани, които обикновено са нормално отворени.

Принципът на работа на хидравличните клапани се основава на уравновесяване на силата на налягането на течността от сила, създавана от пружина, противоналягане, тежест или чрез друго конструктивно решение. Когато налягането на течността, действащо на клапана, преодолее натоварването, затворът се премества и отваря път на течността.

Конструктивни особености на предпазните клапани
Хидравличните системи обикновено са проектирани да работят в предварително определен диапазон на изменение на налягането. Това определя и широкото използване на предпазни хидравлични клапани. Тяхното основно предназначение е да не допускат повишаване на налягането в системата или в отделни нейни елементи над максимално допустимите нива при увеличаване на съпротивлението на задвижвания изпълнителен механизъм, внезапно затваряне на тръбопровод, в края на хода на хидравличните цилиндри и други. Обикновено предпазните клапани биват клапани с пряко или непряко действие. При клапаните с пряко действие затворът се привежда в движение от протичащия флуид, а при клапаните с непряко действие - чрез външно въздействие. Пример за предпазни клапани с пряко действие са сферичните и седловите клапани с конусна форма.

Характерно за предпазните клапани е епизодичният режим на работа. Когато налягането в тръбопровода достигне предварително зададена стойност, клапанът се отваря и изпуска подаваната от помпата течност. Съответно, при понижение на налягането, клапанът се затваря. Сред основните изисквания към предпазните клапани е осигуряване на висока надеждност, добра херметичност и динамична устойчивост. При работа те обикновено се настройват на налягане, превишаващо номиналното с 10 - 20%. Добре е да се има предвид, че при отворен предпазен клапан хидравличната енергия на протичащия флуид се превръща в топлина, поради което е добре да се избягва продължителна работа в този режим.

Важна характеристика на предпазните клапани е зависимостта между налягането на входа и дебита на протичащата през клапана течност или тяхната статична характеристика. При отваряне на клапана с увеличаване на протичащия през него дебит, налягането на входа му нараства. Това се отразява неблагоприятно както на работата му, така и на системата като цяло, и трябва да се отчита при настройката, за да може предпазният клапан да пропусне целия дебит на помпата без налягането да нарасне над допустимото. При затваряне на клапана налягането е по-малко поради наличието на хистерезис, който се дължи на триенето между подвижните и неподвижни части на клапана и разсейването на енергия при деформацията на пружината. Сред използваните мерки за постигане на добра статична характеристика са подобрения в конструкцията на клапана като подходящо оформление на затвора и леглото. Благодарение на тях се въвеждат допълнителни хидродинамични сили, с които е възможно да се повлияе върху характеристиката. Друга алтернатива включва използването на клапани с непряко действие.

Преливни клапани
В случаите когато предпазните клапани се използват за поддържането на определено налягане на входа, като непрекъснато пропускат течност, често се наричат преливни. Единствената съществена разлика се състои във факта, че преливният клапан е с постоянно действие, което води до изискването за по-малка скорост на протичане през него (5 - 8 m/s). Сред изискванията е преливният клапан да има пропускателна способност, равна или по-голяма от дебита на захранващата помпа. За особено подходящи се считат плунжерните клапани. Най-често преливните клапани се използват в системи с дроселно регулиране на скоростта на хидравличните двигатели.
При големи дебити и налягания пружината на предпазно-преливния клапан с пряко управление трябва да има много големи размери. За решаване на проблема са разработени т. нар. предпазно-преливни клапани с непряко действие, в които силата на пружината се замества със сила от налягането на самия работен флуид.

Предпазните клапани с непряко действие поддържат почти постоянно налягането независимо от протичащия дебит. Поради наличието на проходни сечения с малки размери, тези клапани се подходящи само за чисти флуиди и не се препоръчват за системи, в които съществуват предпоставки от по-значително замърсяване. В този случай замърсяващите частици могат да блокират управляващия клапан, а това да доведе до отказ на клапана като цяло, което е особено опасно, ако той изпълнява изцяло предпазна функция. Поради наличието на два клапана в конструкцията, предпазно-преливните клапани са с по-малко бързодействие, а по-голямото забавяне на процеса на регулиране може да доведе до недопустимо увеличаване на налягането.
Използват се и клапани с електромагнитно управляем разпределител. Обикновено в конструкцията им се прави и допълнителен канал към пружинната област на основния клапан, т.нар. разтоварващ отвор. По този начин се добавят нови функционални възможности. Възможно е да се реализира разтоварване на помпата към ниско налягане, например в периода между работните цикли или при определена екстремна ситуация. За целта разтоварващият отвор се отваря и свързва към резервоара чрез подходящ разпределител. При превключване на разпределителя пружинната област на основния клапан се свързва към резервоар, клапанът се отваря и налягането в системата се понижава до стойност, обикновено в границите 0.3 - 0.6 МРа. За целта се произвеждат серийно и предпазно-преливни клапани с непряко действие с вграден електромагнитно управляем разпределител.

Друга възможност е клапанът да се управлява дистанционно. Реализира се като към разтоварващия отвор се свърже друг предпазен клапан с пряко действие, разположен на място удобно за настройка, но не по-голямо от 5 m. За съжаление, практиката показва, че предпазният клапан се монтира близо до изхода на помпата и понякога е труднодостъпен. Предпазно-преливният клапан се настройва на максималното налягане, а дистанционният задава произволно по-ниско налягане. И накрая, ако се използват няколко разпределителя с електромагнитно управление и дистанционно разположени управляващи клапани, е възможно лесно да се получи електрическо превключване между няколко предварително настроени налягания.

Подпорни клапани
Сред разновидностите на предпазно-преливните клапани са подпорните клапани. Те се монтират последователно в отвеждащия тръбопровод на хидравличния изпълнителен механизъм, създават определено противоналягане и подобряват плавността на движението. Най-типичното им приложение е за контролирано спускане на товари.
Подпорните клапани, в зависимост от начина на управление, биват подпорни клапани с вътрешно и такива с външно управление. Основното предимство на подпорни клапани с вътрешно управление е, че осигуряват много плавно движение. Недостатъците им произтичат от важното обстоятелство, че противоналягането се определя само от настройката на клапана. Следователно, за осигуряване на оптимална работа, при всяка смяна на товара клапанът трябва да се пренастройва. Освен това, противоналягането винаги остава едно и също.

Отстраняване на тези недостатъци може да се постигне чрез използването на подпорни клапани с външно управление, при които налягането се подвежда от външна линия, свързана към буталната област. В този случай клапанът се настройва да отваря при налягане от порядъка 8 - 12 bar, независимо от товара и не е нужна пренастройка на пружината при промяна. Друго много важно предимство е, че когато товарът стигне упор, налягането нараства, клапанът се отваря изцяло и противоналягането се понижава почти до нула. Следователно, за натиск е възможно да се използва и силата от теглото. Недостатък на подпорните клапани с външно управление е известна нестабилност на движението при достигане на упор, която се проявява при ниска стойност на управляващото налягане.

Съществуват и подпорни клапани с комбинирано външно и вътрешно управление, които съчетават предимства и на двата вида. Вътрешното управление осигурява плавно придвижване на инструмента до работно положение, а външното управление елиминира противоналягането от прътовата област, когато настъпи контакт с работната повърхнина. При този вид клапани, поради наличието и на вътрешно управление, за постигане на максимална ефективност е нужна пренастройка при всяка промяна на теглото.

Разтоварващи клапани
След отваряне на предпазния клапан, хидравличната енергия, за получаването на която са изразходвани немалко средства, се превръща в топлинна. Тъй като тя се губи, при проектирането на една икономически ефективна хидравлична система основно изискване е да се минимизира престоят на предпазния клапан в отворено положение. За целта се използват разтоварващи клапани. Те са разработени на основата на предпазните клапани с една съществена разлика - налягането, което отваря затвора (управляващото налягане) се подвежда не от входа на клапана, а през отделен управляващ отвор.

Предпазно-разтоварващи клапани са разработени на базата на конструкцията на предпазно-преливните клапани с непряко действие. Най-често този вид клапани се включват в системи с хидравличен акумулатор.

Предпазните клапани се използват и в затворените хидравлични системи за предотвратяване на прекомерното нарастване на налягането при топлинно въздействие и най-вече при действие на външни сили. Типично приложение на предпазните клапани в този смисъл е в системите с хидродвигатели, в които те понякога се наричат спирателни клапани.

Характеристика на редукционните клапани с пряко и непряко действие
Редукционните клапани служат за поддържане на постоянно, по-ниско налягане на изхода си, независимо от изменението на налягането на входа и протичащия дебит. Обикновено се използват, когато от един източник (помпа) се захранват няколко консуматора с различни стойности на работното налягане. При работа редукционният клапан е нормално отворен. Добре е да се има предвид важната разлика между редукционния клапан, който поддържа постоянно налягане на флуида след себе си (на изхода) и преливният, който поддържа постоянно налягане пред себе си (на входа).
За разлика от предпазно-преливните клапани, тук регулиращият елемент е отворен в изходна позиция, при което входящият и изходящият канал са свързани помежду си. Друга особеност е свързването на пружинната област с резервоара.

При подаване на течност към клапана, първоначално наляганията са еднакви. Когато налягането в системата се повиши до стойност, определена от настройката на пружината, регулиращият елемент се повдига и притваря управляващия процеп на клапана. При изменение на налягането или на дебита регулиращият елемент се премества в съответна посока, поддържайки постоянно редуцираното налягане.
Редукционните клапани също биват с пряко и непряко действие. Важна специфика на клапаните с пряко действие е, че при повишаване на налягането във веригата след клапана, вследствие от действието на външни сили върху хидродвигателя, налягането няма да се ограничи на настроената стойност, а може да нараства неограничено. За решаване на този проблем са разработени трипътни редукционни клапани, представляващи съчетание от редукционен и предпазно-преливен клапан. При налягане по-малко от входното налягане, клапанът работи като редукционен. Когато налягането във вторичната верига се увеличи с около 4 до 6% над настроеното, регулиращият елемент се повдига, затваря областта с налягане и свързва изхода с налягане към резервоар, т. е. клапанът работи като предпазно-преливен.

За големи дебити и високи налягания редукционните клапани се изпълняват с непряко действие. Непрякото управление се осъществява, както и при предпазно-преливните клапани, с един малък управляващ (пилотен) клапан с пряко действие, включен към пружинната област на основния клапан. Сред използваните конструкции хидравлични клапани за налягане са и клапаните за постоянна разлика (пад) на налягането, които осигуряват фиксирана редукция на налягането, независимо от стойността му на входа. Съществуват и клапани за постоянно съотношение на наляганията на входа и изхода.