Хидравлични клапани

Делители на дебит, събирателни, приоритетни и обратни клапани

   В  предишен брой на сп. Инженеринг ревю стартирахме темата за хидравличните клапани за дебит, намиращи приложение при управление на скоростта в хидравлични системи. Бяха представени принципът на работа, основните характеристики и приложните специфики на хидравличните дросели, регулаторите на дебит (двупътни, трипътни) и клапаните за съотношение на дебити. В настоящия брой продължаваме темата с представянето на делителите на дебит, събирателните, приоритетните и обратните клапани.

Делители на дебит
Делителите на дебит (flow dividers) разделят дебита от помпата на две части. Съотношението е предварително фиксирано и обикновено е 50:50, но се произвеждат и делители със съотношение до 90:10 със стъпка през 10%. Принципна схема на делител на дебит е показана на фиг. 1. Дебитът Q на помпата се разделя на две части Q1 и Q2, които преминават последователно през постоянните дросели 1 и 2 и променливите дроселни сечения 3 и 4 на регулиращия елемент. На входовете на двата дросела действа едно и също налягане p. Наляганията p1 и p2 на изходите на двата дросела действат от двете страни на регулиращия елемент, който следи за изменението им и ги поддържа равни. Например, ако се повиши налягането p3 поради по-голямото съпротивление в този клон на системата, дебитът Q1 първоначално намалява, налягането p1 нараства и регулиращият елемент се премества надясно, притваряйки дроселното сечение 4 и отваряйки дроселното сечение 3, докато наляганията p1 и p2 се изравнят. Тъй като p1 = p2, то и падът на налягането Dp в двата дросела е един и същи, Dp = p - p1 = p - p2, и съотношението на дебитите ще се определя само от сеченията на постоянните дросели. При равни сечения очевидно и дебитите ще са равни.
Делителите на дебит се включват само на входа на хидродвигателите и при еднодействащи цилиндри не могат да синхронизират движението при обратния ход. Стандартната им конструкция не позволява и обратно протичане, така че трябва да се предвидят байпасиращи обратни клапани, ако трябва работната течност да се върне по същите тръбопроводи. Разликата в наляганията (натоварванията) в двата клона трябва по възможност да е минимална, тъй като входното налягане ще се определи от по-голямото изходно налягане, а падът на налягането към изходния клон с по-ниско налягане представлява загуба на хидравлична енергия, която се превръща в топлинна и не извършва полезна работа.

Събирателни клапани
Използват се за сумиране на отделни потоци. Събирателните клапани също синхронизират движението на работната течност само в една посока. На фиг. 1 са показани условните обозначения както на делителен, така и на събирателен клапан. Символите са очевидни с оглед предназначението на елементите. В практиката приложение намират и делително-събирателните клапани, които изпълняват две функции - делят дебита на помпата по време на движението на хидродвигателите в едната посока и събират постъпващите от хидродвигателите дебити при движение в обратната посока, т. е. има синхронизация и в двете посоки, което е особено полезно за еднодействащи цилиндри.
Клапаните за съотношение на дебити се използват основно за синхронизация на движенията на изпълнителни механизми, които нямат твърда механична (кинематична) връзка помежду си. Вследствие на разликата в скоростите на хидродвигателите, предизвикана от грешката в деленето или събирането на дебитите, между положенията на изпълнителните механизми непрекъснато се натрупва грешка, която може да доведе до заклинване. Освен това, ако единият от двата хидродвигателя достигне до твърд упор по-рано, другият няма да може да довърши хода си, защото регулиращият елемент ще се измести в крайно положение и ще притвори напълно връзката на изостаналия двигател с помпата. За решаване на последния проблем в някои конструкции се предвиждат настройваеми опори, които ограничават хода на регулиращия елемент. При повишени изисквания за малка грешка при синхронизацията (под 1%) се използват други методи - синхронизация чрез механично свързване на хидродвигателите или следящи хидравлични системи.

Приоритетни клапани (priority flow divider)
Те са разновидност на делителите на дебит. Разделят постъпващия дебит на две части - една определена част, която се подава в първичната (приоритетната) верига и се поддържа постоянна и останалата част до дебита на помпата, която се подава към втора верига. При промяна на постъпващия дебит и/или натоварването, първичната верига има приоритет над вторичната. Типично приложение на този вид клапани е в хидростатичните сервоуправления на транспортни средства, където дебитът на хидравличната помпа се променя при промяна честотата на двигателя или част от дебита се използва за други функции. Приоритетният клапан гарантира, че към кормилното управление се подава достатъчен работен флуид, независимо от оборотите на двигателя или активирането на друга функция.

Обратни клапани
Обратните клапани (check valves) пропускат течност само в едната посока. В повечето случаи те се използват за херметично затваряне на части от хидравличната система. Съществуват две основни конструкции: сачмени обратни клапани - фиг. 2а и седлови обратни клапани с плунжерен затвор - фиг. 2б. Пружината не е задължителен елемент, тъй като херметизацията се осъществява от силата на работното налягане, но тя подобрява центроването и най-вече дава възможност обратният клапан да се монтира в произволно положение. Обикновено пружината се избира така, че клапанът се отваря при налягане около 0.1 MPa. Произвеждат се и клапани с по-голяма сила на пружината, които отварят при 0.3 - 0.6 MРa. Те обикновено се използват като подпорни клапани. На фигура 2в са показани и условните обозначения на обратен клапан със и без пружина.
Сачмата като регулиращ елемент има предимството, че с нея се създават по-евтини конструкции. Сериозният им недостатък е, че в някои конструкции при работа уплътняващият ръб на корпуса образува вдлъбната кръгла следа върху сачмата и тъй като тя не заема винаги едно и също положение, с времето се нарушава херметичността на затваряне.
В седловите обратни клапани с плунжерен затвор херметичността не се нарушава поради доброто водене на регулиращия елемент в тялото на клапана и притискането му винаги в едно и също положение.
Обратните клапани имат много разнообразни приложения:
l При паралелно включване на обратен клапан с друго хидравлично устройство (дросел, предпазно-преливен клапан, регулатор на дебит и др.), в едната посока на протичане течността преминава през устройството, а в другата го обхожда.
l Предотвратяват изпразването на хидравлични акумулатори при спрени помпи.
l При паралелно включване на помпи с обратния клапан се избягва обратното протичане, когато едната помпа е спряна или се разтовари от налягане.
l За предпазване на филтри и охладители от високо налягане, обратните клапани могат да се използват в качеството на преливни (байпасиращи) клапани.
l За осъществяване на една посока на протичане през филтри и регулатори на дебит, когато те са включени между хидродвигателя и превключващия посоката на движение разпределител (това е хидравлично приложение на известната електронна схема Грец) - фиг. 3.

Обратни клапани с хидравлично управление
Обратните клапани с хидравлично управление (pilot-operated check valves) се състоят от обратен клапан и управляващо бутало, с което клапанът може да бъде отворен и да се осъществи протичане в първоначално затворената посока. Схема и условното означение на такъв клапан са показани на фиг. 4. В посока от A към В протичането е свободно, както през обикновен обратен клапан. В посока от В към А клапанът е херметично затворен. Ако обаче в определен момент през отвора Х се подаде управляващ хидравличен сигнал с налягане px, буталото 2 се измества наляво и чрез стеблото 3 отваря затвора 1, при което се осъществява протичане от В към А. Тези клапани намират приложение, когато част от хидравлична система, намираща се под налягане, трябва да се затвори херметично.
Типично приложение е предотвратяване на пропадането на товара при вертикално разположен хидроцилиндър, което би се получило в резултат на вътрешните обемни загуби в разпределителя или при евентуално скъсване на тръбопровода - фиг. 5. В показаната позиция на разпределителя, обратният клапан е затворил херметично и положението на товара може да се задържи непроменено практически неопределено дълго време. При превключване на дясната позиция, налягането в захранващата линия Р отваря клапана и товарът може да се спусне.

Двойни обратни клапани с хидравлично управление
Представляват два хидравлично управляеми обратни клапана, конструктивно обединени в един елемент. Намиращото се в средата управляващо бутало може да бъде задействано от двете страни и да отваря единия или другия обратен клапан. Чрез такъв двоен клапан (или два единични) се осигурява автоматично фиксиране на буталото на хоризонтални хидроцилиндри при спиране в междинно положение - фиг. 6. В показаната позиция на разпределителя, когато каналите А1 и В1 са свързани с резервоара, обратните клапани затварят херметично буталната и прътовата област на хидроцилиндъра и той е фиксиран (заключен). Ако например се подаде течност под налягане към канала А1 (дясна позиция на разпределителя), тя преминава през съответния обратен клапан в канала А2 и от там в буталната област. Едновременно с това, управляващото бутало под действие на налягането в канала А1 отваря другия обратен клапан и течността от прътовата област преминава през каналите В2 и В1 към резервоара и се осъществява ход на хидроцилиндъра.

Напълнителни клапани (prefill valves)
Тези клапани се явяват разновидност на обратните клапани с хидравлично управление. Те намират приложение предимно в някои преси за подаване на течност с ниско налягане към хидроцилиндъра от отделен напълнителен резервоар, за да се осъществи добро запълване на цилиндъра при бърз ход надолу. За това приложение съществуват конструкции, които се монтират вертикално в напълнителния резервоар и се закрепват заедно с него върху цилиндъра на пресата.
За осъществяване на някои логически връзки в управлението на хидравлични устройства се използват двойни обратни клапани с логическа функция (shuttle valves)
Условното означение на клапан "ИЛИ", показано на фиг. 7a, отразява нагледно простата конструкция на клапана. Той се състои от една сачма или плунжер с конусни повърхности от двете страни, който се движи в отвор с уплътнителни повърхности в двата края. Клапанът свързва канала у с този от двата канала х1 или х2, в който налягането е по-високо. Конструкцията на клапан "И" (фиг. 7б) е по-сложна. В каналът у ще постъпва течност само ако и в двата входни канала х1 и х2 едновременно има налягане.
Широко използвана разновидност на хидравличните клапани са двупътните седлови клапани (2-way cartridge valves)
Тези клапани са особено подходящи за големи дебити, когато плунжерните елементи се получават с големи размери и се управляват трудно. Клапаните се изпълняват във вид на патрони, монтирани в отвори на специално изработен за конкретното приложение хидравличен блок. Чрез подходящо вграждане и комбинации с тези клапани могат да се получат функциите на разпределители, обратни, предпазни, редукционни и други видове клапани и различни дросели. Основните резултати от използването им са: подобряване на функционалността и бързодействието; намаляване на обема и теглото, а от това и стойността на хидравличната система.