Хидравлични клапани
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 7, 2009
Конструкция, схеми, означения и приложение на основни видове хидравлични клапани
Силата (въртящият момент), скоростта, ускорението, положението и посоката на движение на хидравлично задвижваните механизми се управляват и регулират чрез изменение на параметрите на работния флуид - дебит, налягане и посока на протичане. За целта във всяка хидравлична система се предвиждат управляващи устройства, наречени хидравлични клапани (hydraulic valves). Те се дефинират като устройства, чрез които флуидното течение може да бъде стартирано, спирано или регулирано посредством подвижен елемент.
Видове хидравлични клапани
Хидравличните клапани могат да се класифицират на основата на много различни признаци, но най-логично е да се започне с групирането им в зависимост от изпълняваната функция. На основата на този показател се различават следните основни видове хидравлични клапани:
l клапани за налягане: предпазно-преливни, разтоварващи и редукционни клапани;
l клапани за дебит: дросели, регулатори на дебит, делителни, събирателни и делително-събирателни клапани;
l спирателни и обратни клапани;
l разпределители.
Хидравличните клапани осъществяват функциите си чрез отварянето, затварянето или изменението на междинното положение на един или няколко регулиращи елемента (затвора). Във функцията на регулиращи елементи се използват: сачмени (сферични) клапани (ball valve) - фиг. 1а, седлови клапани с конусна форма (poppet valve) - фигури от 1б до 1д, дискови клапани - фиг. 1е и плунжери (spool valve) - фиг. 1ж. Сферичните клапани обикновено се разглеждат като разновидност на седловите клапани.
Най-елементарни в конструктивно отношение са сферичните клапани
Те могат да бъдат без центриране на сачмата, както е показано на фиг. 1а, или с центриращи елементи. Първият вид конструкция не изключва странични измествания на сачмата спрямо седлото, а следователно и нарушаване на уплътнението. Този тип затвори се използват за налягания до 6 MPa и се прилагат най-вече при обратните клапани. Конструкциите с центриращи сферата елементи са по-добри, но и при тях за налягания над 10 МРа не са изключени вибрации на сачмата в границите на наличната хлабина, както и влошаване на херметичността.
Конусните клапани
са по-надеждни от сферичните. Съществен техен недостатък са осовите вибрации при пропускане на течността. Възникващите вибрации се отразяват неблагоприятно върху самия клапан, а чрез породените пулсации на налягането и върху другите елементи, както и върху тръбопроводите на системата.
Седловите клапани (сферични и конусни) имат общ недостатък, който се изразява в голямата им чувствителност към замърсяване на работната течност.
Плунжерните клапани
са най-малко склонни към вибрации. Друго тяхно предимство е нечувствителността им към замърсявания. Отличават се с голяма трайност и надеждност при експлоатация. За сметка на това се характеризират с отсъствието на пълна херметичност. В затворено положение на клапана течността преминава през пръстеновидната хлабина между плунжера и корпуса. Това стеснява приложението им за налягания до 4 - 5 МРа.
Клапани с дисков или фасонен затвор се използват по-рядко. При добра изработка те могат да осигурят голяма херметичност и надеждност.
Разновидности според начина на монтаж
Независимо от конкретното си действие, според начина на монтиране хидравличните клапани се произвеждат в няколко разновидности. Основните от тях са:
l за тръбен монтаж;
l за монтаж върху плоча;
l за блоков монтаж;
l монтиране със свързване в батерия (модулен монтаж).
Клапани за налягане
С оглед осигуряване на безопасна и ефективна работа, всяка хидравлична система се нуждае от средства за управление и регулиране на налягането. В статията се разглеждат основните видове клапани за налягане (pressure valves). Всички те работят на един и същи принцип - силата от налягането на течността се уравновесява 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. Съществуват много начини по които се реализира описаният елементарен принцип. Конструкцията на някои клапани изглежда много сложна, но принципът на регулиране остава същият. При клапаните с пряко действие (direct acting valves) затворът се привежда в движение от протичащия флуид, а при клапаните с непряко действие (pilot-operated valves) - чрез външно въздействие.
Предпазният клапан
(relief valve) е задължителен и най-често използван елемент в хидравличните системи. Обикновено това е първият елемент, разположен непосредствено след помпата (източника на налягане). Както е видно и от наименованието му, предназначението на този вид клапан е да предпази цялата система - или отделни нейни елементи, от повишаване на налягането над максимално допустимото. Типични примери за създаване на предпоставки за повишаване на налягането са: увеличаване на съпротивлението на задвижвания изпълнителен механизъм, внезапно затваряне на тръбопровод, в края на хода на хидравличните цилиндри и др.
Когато налягането в тръбопровода достигне предварително настроената стойност, клапанът се отваря и изпуска подаваната от помпата течност обратно в резервоара. Съответно, при понижение на налягането, клапанът се затваря. Режимът му на работа е епизодичен.
Изискванията към предпазните клапани са: висока надеждност, добра херметичност и динамична устойчивост. Обикновено те се настройват на налягане, превишаващо номиналното с 10 - 20%.
На фиг. 2 е показан предпазен клапан с пряко действие от седлови тип, графичният му символ и типичният начин на свързване към системата. Както е видно от фигурата, конструкцията е елементарна. Клапанът е нормално затворен и входът му Р се свързва към предпазваната система, а изходът Т - към резервоар. При отворен предпазен клапан хидравличната енергия на протичащия флуид се превръща в топлина, затова трябва да се избягва продължителна работа в този режим.
Статична характеристика на предпазен клапан
Най-важната характеристика на един предпазен клапан е зависимостта между налягането на входа p1 и дебита на протичащата през клапана течност, т. е. p1=f(q) . Характеристиката се нарича статична. Примерна статична характеристика е показана на фиг. 3. От нея се вижда, че след 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, характеристиката (не е показана на фиг. 3) не съвпада с тази при отваряне, като при един и същи дебит налягането при затваряне е по-малко. Става въпрос за добре известния на всички хистерезис, който се дължи на триенето между подвижните и неподвижни части на клапана и разсейването на енергия при деформацията на пружината. Очевидно най-благоприятната характеристика е хоризонтална или близка до нея линия. За целта се вземат подходящи конструктивни мерки, включващи най-вече подходящо оформление на затвора и леглото. Благодарение на тях се въвеждат допълнителни хидродинамични сили, с които е възможно да се повлияе върху характеристиката в желаната посока. Друга алтернатива включва използването на клапани с непряко действие.
Предпазният клапан може да бъде включен в системата, за да поддържа зададено налягане на входа си, респективно на входа на системата, като непрекъснато пропуска течност към резервоара. В този случай той се нарича преливен клапан (overflow valve). 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). Преливният клапан трябва да има пропускателна способност, равна или по-голяма от дебита на захранващата помпа. Най-подходящи за целта са плунжерните клапани. 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 (pilot-operated relief valves), в които силата на пружината се замества със сила от налягането на самия работен флуид. Типична конструкция на подобен клапан е показана на фиг. 4. Настройката се определя от управляващия клапан, който е обикновен клапан с пряко действие. Налягането на работната течност на входа на главния клапан действа и в пружинната му област, както и под затвора на пилотния (управляващия) клапан. В изходна позиция, управляващият и главният клапан са затворени. Пружината на главния клапан създава сравнително малка сила, но към нея се добавя и силата от входното налягане, което в показаната конструкция действа и върху по-голяма площ от страна на пружинната област. Управляващият клапан е затворен под действие на регулируемата сила на пружина.
Когато налягането на входа надхвърли стойността, за която е настроен пилотният клапан, последният се отваря и започва протичане на неголям управляващ дебит през малкия отвор (дросела) и пилотният клапан към изхода. Протичането през дросела е съпроводено с хидравлични загуби, а следователно и с пад на налягането, което в пружинната област става по-малко. Резултатът е отваряне и на главния клапан. След отварянето си пилотният клапан поддържа приблизително постоянно налягане в пружинната област на главния клапан, т.е. поддържа се приблизително постоянно налягане и на входа на целия клапан.
Подходящи са само за чисти флуиди
На фиг. 5 е показан подробният, а на фиг. 6 вляво и опростеният графичен символ на предпазен клапан с непряко действие. Макар че подробният символ изглежда доста сложен, в сравнение с фиг. 4, се вижда, че той отразява най-важното в конструкцията на клапана. В някои случаи се използва за максимално опростяване и символът, показан на фиг. 2.
Предпазните клапани с непряко действие имат характеристика с много по-малък наклон, т. е. те се доближават до идеалния предпазен клапан и 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 трябва да се използват в системи, където съществуват предпоставки от по-значително замърсяване. В този случай замърсяващите частици могат да блокират управляващия клапан, а това ще 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.
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. Условното означение на подобен клапан е показано на фиг. 6. 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 клапана, е възможно лесно да се получи електрическо превключване между няколко предварително настроени налягания.
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 (unloading valves). 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. Описаното е видно, при това много добре, чрез сравнение на графичните символи на фиг. 7. Обикновено работният ход на един хидравличен двигател се осъществява при високо налягане, докато при неработния ход налягането е значително по-ниско. Затова е желателно той да се осъществи с по-голяма скорост.
В подобни случаи към системата се включват две помпи и разтоварващ клапан. Принципната схема на посоченото решение е показана на фиг. 8. Помпата 1 е за високо налягане и поддържа дебит, необходим за извършване на работния ход. Съответно, помпата 2 e с дебит, който трябва да се добави за получаване на бърз ход на хидравличния двигател. Налягането на помпата за работния ход се определя от предпазно-преливния клапан VD2, който се настройва за необходимото максимално налягане Pa2. Към помпата за бърз ход е включен разтоварващият клапан VD1, с настройка за налягане Pa1, малко по-високо от необходимото за бързия, неработен ход. По време на бързия ход разтоварващият клапан VD1 е затворен и към хидродвигателя постъпва сумарният дебит от двете помпи. След превключване на хидродвигателя към работен ход, налягането се повишава над стойността Pa1 , разтоварващият клапан отваря напълно, а обратният клапан 3 - затваря. При това помпата 2 се свързва към резервоар и се разтоварва от налягане, с което се намалява консумираната от системата мощност.
Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.
Вижте още от Автоматизация
Новият брой 5/2024
