Хидравлични клапани
Начало > Машини > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 1, 2010
Част II. Специфики на утвърдени видове хидравлични клапани
продължение на публикуваната в брой 7/2009 г. на сп. Инженеринг ревю статия за видовете хидравлични клапани, в настоящия материал продължаваме темата с утвърдени конструкции и най-широко използваните им приложения.
Предпазно-разтоварващи клапани
На базата на конструкцията на предпазно-преливните клапани с непряко действие са създадени т. нар. предпазно-разтоварващи клапани (unloading relief valve). Както личи и от самото им наименование, те изпълняват две функции. Най-често този вид клапани се включват в системи с хидравличен акумулатор – фиг. 1. Акумулаторите събират работната течност под налягане, когато в хидросистемите няма консумация или тя е по-малка от дебита, който подава помпата. Когато дебитът на помпата е недостатъчен за дадена консумация, събраната течност се отдава в системата. Акумулаторите се включват в системи със съществена неравномерност на подавания към хидродвигателите дебит – машини с бърз и бавен ход, паузи и др. Включването на акумулатора позволява да се приложи помпа с дебит по-малък от максимално необходимия за конкретното приложение, а с това се намалява и консумацията на енергия. Акумулаторите работят и като гасители на колебанията на наляганията в системата. С предпазно-разтоварващия клапан се извършва автоматично изключване и включване на помпата 1 към акумулатора 2, в зависимост от налягането в нагнетателния тръбопровод. При пускане на помпата предпазно-разтоварващият клапан 3 е затворен и работната течност постъпва през обратния клапан 4 в акумулатора. Обикновено, обратният клапан е интегриран в конструкцията на клапана. Когато налягането достигне настроената предварително стойност, клапанът се отваря, помпата се свързва към резервоара, а обратният клапан се затваря и изолира високото налягане в акумулатора. При включване на хидродвигателите, акумулаторът започва да се изпразва и налягането намалява. Предпазно-разтоварващите клапани са конструирани така, че когато налягането се понижи с 15 – 30 %, клапанът се затваря, помпата се свързва отново към акумулатора и започва следващият цикъл на запълване.
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 - фиг. 2, в които те понякога се наричат спирателни клапани
При превключване на разпределителя 1 в неутрално положение се спира подаването на работната течност към хидродвигателя 2, но той не преустановява незабавно въртенето си. Тъй като задвижваният механизъм винаги има някаква инерционност, валът на хидродвигателя продължава да се върти. По причина на това, че хидравличните машини са обратими, се преминава в режим на работа като помпа, което води до значително повишаване на налягането в съответната (в случая дясната) част на системата. За решаване на проблема се вгражда предпазният клапан 3, който се отваря при подходящо настроено налягане (например около 200 bar), пропуска течността към резервоар или към входа на хидродвигателя, както е на показано на фигурата и по този начин се осъществява регулируемо спиране.
Редукционните клапани
(pressure reducing valves) 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. Трябва да се подчертае важната разлика, че редукционният клапан поддържа постоянно налягане на флуида след себе си (на изхода), докато преливният - пред себе си (на входа).
На фиг. 3 е показана принципна схема на редукционен клапан с пряко действие от плунжерен тип. 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. Всичко това се съдържа и в графичния символ на редукционен клапан с пряко действие показан на фиг. 4а. При подаване на течност към клапана, първоначално, наляганията и 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. На фиг. 5 е показано типично приложение на редукционен клапан в хидравлична система със затегателен цилиндър. Предпазно-преливният клапан 1 се настройва на налягане в зависимост от максималното усилие в цилиндъра 2. Чрез редукционния клапан 3 се регулира налягането в затегателния цилиндър 4. В края на затягането дебитът към затегателния цилиндър става равен на нула и регулиращият елемент би трябвало да затвори херметично. Поради неизбежната хлабина между плунжера и тялото обаче, това е невъзможно и налягането във вторичната верига (след редукционния клапан) би нараснало до стойността му в първичната верига. Въпреки че нарастването на налягането може да се контролира чрез предпазен клапан във вторичната верига, по-добро решение е да се осигури един малък дебит от вторичната верига към резервоар през малък дросел. В съвременните конструкции на редукционни клапани е предвидена специална канавка в долния пояс на плунжера и канал по оста му, чрез които се прави връзка с пружинната област и оттам през дренажния отвор към резервоара. По този начин се въвеждат изкуствено вътрешни обемни загуби (около 0.05 l/min) и клапанът би могъл да изпълнява регулиращите си функции и при нулев дебит на изхода.
Важна специфика на редукционните клапани 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. Графичното означение на такъв клапан е показано на фиг. 4б. 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. Графичното означение на този клапан е показано на фиг. 4в.
Най-важната статична характеристика на един редукционен клапан е зависимостта между редуцираното налягане и протичащия дебит Q, при постоянно налягане на входа . Примерен вид на тази характеристика е показан на фиг. 6. Линията с представлява идеалната характеристика на един редукционен клапан. Кривите a и b са характеристики, съответно на клапани с пряко и с непряко действие. Както и при предпазно-преливните клапани, характеристиката на редукционен клапан с непряко действие се доближава до идеалната характеристика. На фигурата е представена характеристика на трипътен клапан. Десният клон (P®A) се отнася за режима на работа като редукционен клапан, а левият клон (A®T) за режима на предпазно-преливен клапан.
Клапаните за постоянна разлика
(пад) на налягането (fixed pressure reducing valves) осигуряват фиксирана редукция на налягането, независимо от стойността му на входа, т. е. P1 - P2 = const.
Съществуват и клапани за постоянно съотношение на наляганията на входа и изхода, при които P1/P2 = const.
В хидравличните системи с повече от един изпълнителен механизъм (хидроцилиндри), често възниква необходимост от организация на определена последователност в тяхното движение. Например, обработваният детайл първо трябва да се затегне сигурно, а след това да се подведе съответния инструмент. Сред начините да се направи това е да се използват разпределители, крайни изключватели, таймери или други електрически управляващи устройства. Подобен резултат може да се получи чрез подходящо оразмеряване на хидроцилиндрите, с оглед необходимото усилие. Хидроцилиндърът, изискващ най-ниско налягане ще започне движение пръв, при достигане на края на хода налягането ще нарасне и ще се задвижи следващият цилиндър. Подобно решение не е приложимо в много инсталации, поради ограничения в работното пространство и др. Когато няма повишени изисквания за безопасност и прецизност, най-лесно проблемът се решава с използването на клапани за последователно включване (sequence valves). Те представляват нормално затворени двупътни клапани. Когато налягането на входа им достигне определена, настроена предварително стойност, те се отварят и пропускат работния флуид към следващата верига на системата. По този начин те осъществяват последователно действие на изпълнителните механизми. Подобни са на предпазно-преливните клапани с пряко управление, като разликата е, че пружинната камера е дренирана външно към резервоар. Освен това, обикновено в конструкцията е включен и обратен клапан, позволяващ протичане в обратна посока, за да може вторият изпълнителен механизъм да се върне в изходно положение. Типична система с клапан за последователно включване е показана на фиг. 7. При превключване на разпределителя в позиция 1, започва движението на буталото на цилиндър ХЦ1, което в края на хода си достига до твърд упор. Налягането в системата се повишава до настроеното, клапанът се отваря и работната течност започва да постъпва в цилиндъра ХЦ2. Когато разпределителят се превключи в позиция 2, обратният клапан се отваря и позволява обратно протичане. Двата хидроцилиндъра извършват обратния ход без строго фиксирана последователност. Първо се прибира буталото на този цилиндър, който изисква най-малко налягане. Съществуват и клапани за последователно включване с механическо задвижване, при които буталото на първия хидроцилиндър оказва механично въздействие върху ос, свързана с управляващия елемент на клапана и го отваря.
Друга разновидност на предпазно-преливните клапани саподпорните клапани
(counterbalance valves). 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. Клапанът се свързва към прътовата област на хидроцилиндъра – фиг. 8. Съществуват различни видове подпорни клапани в зависимост от начина на управление.
При подпорните клапани с вътрешно управление
налягането към регулиращия елемент се подвежда от входа на клапана – управляващата верига PL1 от фиг. 8. Клапанът се настройва на налягане малко по-голямо (с 4 – 6 bar) от необходимото за поддържане на товара в равновесие. По този начин се създава сила от налягане, противоположна и компенсираща силата на тежестта. Товарът ще се спуска със скорост, определена само от подавания от помпата дебит. Интегрираният в конструкцията обратен клапан позволява свободно движение в обратна посока (вдигане на товара), при превключване на разпределителя в позиция 2. Ако го нямаше клапана, при включване на разпределителя в позиция 1 товара би започнал движение с рязко пропадане, защото налягането в прътовата област ще намалее изведнъж, до налягането в резервоара. Основното предимство на този вид клапани 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, включително и когато буталният прът с товара достигне до твърд упор. Ако това схемно решение е приложено, например, за преса или за отрезна машина (гилотина), не се оползотворява силата от теглото при контакт с обработвания материал, въпреки че преди това е изразходвана енергия за повдигане на товара. За отстраняване на гореспоменатите недостатъци се използват подпорни клапани с външно управление, при които налягането се подвежда от външна линия, свързана към буталната област – линия PL2 от фиг. 8. 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 (буталният прът) 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.
Вижте още от Машини
Новият брой 6/2024
