 |
предохранительного клапана
|
|
|
|
Вид характеристики клапана 
показан на рис. 1.16, б. Характеристика предохранительного клапана имеет положительное “перерегулирование” по давлению, т. е. с увеличением расхода жидкости через клапан давление, поддерживаемое им, возрастает, что нежелательно по соображениям прочности системы.
Пологая характеристика предохранительного клапана может быть получена за счет применения пружин малой жесткости и компенсации гидродинамических сил.
Для разгрузки затвора от действия гидродинамических сил затвор клапана профилируется. Посадочное место выполняется с дополнительным конусом, отклоняющим струю рабочей жидкости в обратном направлении (рис. 1.17, а).
Рис. 1.17. Схема профилирования затвора (а) и
компенсации (б) реактивных сил клапана
Проекция полной реактивной силы, действующей на затвор для профилированной конструкции, составляет (рис. 1.17, б):
.
Если 
, то 
.
Давление жидкости при открытом затворе действует на увеличенную по сравнению с исходной площадь клапана, что делает характеристику более пологой, поскольку снижение давления в щели клапана компенсируется увеличением эффективной площади.
Эффект разгрузки затвора от действия реактивных сил достигается в предохранительном клапане с обратным ходом затвора по отношению к потоку жидкости (рис. 1.18). При протекании жидкости через клапан обратного хода эпюра давлений, действующих на площадь 
, не перераспределяется.
Рис. 1.18. Схема предохранительного клапана
с обратным ходом затвора по отношению к потоку жидкости
Пример. Определить перерегулирование по давлению характеристики предохранительного клапана обратного хода, если расход жидкости через клапан 
л/мин, давление, поддерживаемое клапаном, 
МПа, эффективная площадь затвора 
см2, диаметр затвора 
мм, плотность жидкости 
Н·с2·м-4, угол при вершине седла клапана 
жесткость пружины 
Н/мм, коэффициент расхода дроссельной щели клапана 
|
|
|
Подъем затвора при пропускании через клапан расхода жидкости 
под давлением 
мм.
Дополнительная сила от сжатия пружины при пропускании через клапан расхода жидкости:
Н.
Перерегулирование по давлению характеристики предохранительного клапана:
МПа.
Переливные клапаны
В отличие от предохранительных клапанов, рассчитанных на слив всей подачи насоса, переливные клапаны поддерживают постоянство давления за счет непрерывного слива только части подачи насоса. К переливным клапанам не предъявляется высоких требований к герметичности, поэтому их затворы часто выполняются в виде золотников (см. рис. 1.14, б). Переливные клапаны применяют в системах с дроссельным регулированием скорости для поддержания постоянства давления в напорной линии.
Характеристику 
системы с переливным клапаном (рис. 1.19, в) строят, совмещая характеристики клапана и насоса (рис. 1.19, а, б). Точка 2 перегиба характеристики на рис. 1.19, в соответствует началу работы переливного клапана.
Рис. 1.19. Характеристика системы с переливным клапаном:
а – характеристика клапана; б – характеристика насоса;
в – характеристика системы
До момента вступления в работу переливного клапана давление в системе варьируется в пределах 
и вся жидкость, подаваемая насосом, поступает в систему 
. При нагрузках, изменяющихся в пределах 
, через переливной клапан в бак сбрасывается только часть подачи насоса (
). Если же система не потребляет жидкости (потребители отключены), давление в ней устанавливается на уровне максимального 
(рис. 1.19, в, точка 1), а вся подача насоса через переливной клапан сбрасывается в бак (
).
|
|
|
Редукционные клапаны
Редукционным клапаном называется клапан давления, предназначенный для поддержания в отводимом от него потоке рабочей жидкости давления более низкого, чем давление питания. Редукционный клапан регулирует давление “за собой”. Редукционные клапаны применяют в системах, в которых от одного источника питаются несколько потребителей, работающих при разных давлениях.
Основным элементом редукционного клапана (рис. 1.20, а) является корпус 3, затвор с поршнем 2, пружина 1. Клапан подключается в гидролинию последовательно и действует только при наличии давления нагрузки.
Рис. 1.20. Схема, условное обозначение (а) и
характеристика (б) редукционного клапана
Принцип работы клапана заключается в следующем. Рабочая жидкость под давлением нагнетания подается в проточку между поршнем и затвором, затем поток дросселируется в щели между затвором и седлом и за клапаном устанавливается пониженное (редуцированное) давление 
, которое автоматически независимо от давления нагнетания поддерживается постоянным. При повышении редуцированного давления затвор автоматически смещается вправо, сжимая пружину 1. Дросселирующая щель уменьшается, гидравлическое сопротивление увеличивается, и давление снизится до расчетного значения.
Уравнение равновесия подвижных частей клапана для момента открытия затвора без учета сил трения имеет вид
,
откуда
,
где 
– сила предварительной затяжки пружины; 
– давление настройки клапана.
При пропускании некоторого расхода жидкости давление за клапаном несколько снижается из-за перераспределения давления в затворе и уменьшения деформации пружины при подъеме клапана.
Уравнение характеристики редукционного клапана 
так же, как и для предохранительного клапана, может быть получено из теоремы Эйлера об изменении количества движения для контрольного контура потока:
.
В проекции на ось 
, учитывая, что
и 
,
получают
или
.
Откуда
.
Характеристика редукционного клапана (рис. 1. 20, б) имеет отрицательное “перерегулирование”, которое уменьшают, применяя пружины с малой жесткостью.
Редукционно-предохранительный клапан (рис. 1.21) может поочередно выполнять функции то редукционного, то предохранительного клапана.
|
|
|
Рис. 1.21. Схема редукционно-предохранительного клапана
При повышении давления в двигателе выше давления настройки клапан 1 садится на седло 2, а поршень 3, сжимая пружину 4, открывает слив жидкости из гидродвигателя в бак. В этом случае клапан действует в качестве предохранительного клапана системы потребителя (системы редуцированного давления).
Дифференциальные клапаны и клапаны с серводействием
Для уменьшения размеров пружин и усилий их затяжки, которые в клапанах прямого действия для больших расходов и давлений принимают недопустимые значения, применяют дифференциальные клапаны с гидравлическим уравновешиванием части усилий от давления жидкости на затвор. Уравновешивание достигается с помощью дополнительного поршня, связанного с затвором клапана (рис. 1.22, а). В этом клапане пружина воспринимает лишь ту часть усилия от давления жидкости, которая действует на кольцевую площадь затвора. Чрезмерное уменьшение эффективной площади затвора приведет к тому, что доля сил трения в балансе сил, действующих на подвижные части, будет настолько велика, что клапан будет действовать со значительным гистерезисом. Обычно эффективная площадь составляет 25 % площади седла, перекрываемой затвором клапана.
Клапаны с серводействием (двухступечатые) (рис. 1.22, б) наряду с разгрузкой пружины от силы гидростатического давления обеспечивают одновременно пологую расходно-перепадную характеристику. В корпусе 1 кроме основного конического клапана 2 имеется вспомогательный шариковый клапан 3. Пружина основного клапана в этой конструкции воспринимает усилие не от полного давления на входе, а от перепада давления в полостях А и Б. Принцип работы клапана заключается в следующем. Основной конический клапан 2 закрыт до тех пор, пока закрыт вспомогательный клапан 3. При давлении рабочей жидкости в полости Б больше допустимого увеличивается давление и в полости А. При этом открывается шариковый клапан 3 и рабочая жидкость идет на слив в бак. Давление в полости А уменьшается, и возникает перепад давления между полостями А и Б, под действием которого открывается основной клапан 2.
|
|
|
Рис. 1.22. Схемы клапанов с разгрузкой пружины
от действия полной гидравлической силы:
а – дифференциальный клапан; б – клапан с серводействием
Клапан с серводействием имеет более пологую характеристику по сравнению с клапаном прямого действия, благодаря возможности применения пружин меньшей жесткости. Быстродействие двухступенчатых клапанов более низкое.
Колебания клапанов
Клапаны в переходных режимах работы могут вступать в колебания, которые в условиях резонанса вызывают пульсации давления в системе и приводят к разрушению пружин и седел клапанов. В частности, при внезапном увеличении расхода жидкости через клапан затвор вследствие инерции и трения открывается с запаздыванием, что вызывает заброс давления, который выводит его за пределы равновесного положения, соответствующего измененному расходу, чрезмерное открытие щели клапана вызывает резкое понижение давления, что приводит к излишне большому перемещению на закрытие. В результате, если собственное демпфирование недостаточно, клапан может вступить в автоколебания, происходящие с высокой частотой. Если частота возмущающих импульсов совпадает или кратна частоте собственных колебаний клапана, последний вступит в резонансные колебания.
Источником колебаний клапанов могут быть пульсации потока жидкости, создаваемые насосом. Возникновению и поддержанию колебаний клапанов способствует воздух, находящийся в жидкости в виде пузырьков, который повышает сжимаемость рабочей среды. Чрезмерно высокая чувствительность клапанов прямого действия с малым подъемом, особенно при высоких давлениях, приводит к потере динамической устойчивости.
Теоретические исследования устойчивости клапанов проводятся на основе анализа системы дифференциальных уравнений, описывающих их работу. Обобщенное дифференциальное уравнение движения затвора клапана получают в результате совместного решения уравнения сил и уравнения расхода. После соответствующей линеаризации исходной системы уравнений обобщенное уравнение движения затвора клапана может быть сведена к линеаризованному дифференциальному уравнению третьей степени вида:
; (1.1)
; 
;
; 
; 
;
; 
; 
; 
,
где 
– переменная составляющая перемещения клапана относительно начального подъема 
; 
– возмущение по расходу; 
– площадь живого сечения канала, отделяющего напорную полость клапана от системы; 
– приведенная жесткость пружины с учетом действия гидродинамической силы; 
– коэффициент демпфирования; 
– площадь клапана; 
– приведенная масса подвижных частей клапана, включая 1/3 массы пружины и присоединенную массу жидкости; – давление настройки клапана; 
– приведенный модуль упругости жидкости с учетом деформации конструкции; 
– периметр дроссельной щели клапана.
|
|
|
Условие устойчивости в форме неравенства Гурвица для линейных дифференциальных уравнений третьего порядка имеет вид:
, 
(2)
Неравенства (1.2) показывают, что ввиду сложности выражений коэффициентов уравнения (1.1) через физические величины 
влияние каждого из них на устойчивость клапана предсказать невозможно.
При построении границ областей устойчивости в функции указанных физических величин последовательно варьируют одним из параметров при прочих равных условиях. Искомым параметром при построении границ устойчивости является коэффициент демпфирования.
Используя критерий устойчивости Гурвица (1.2), определяют значения коэффициента демпфирования на границе устойчивости:
, (3)
.
На рис. 1.23 показаны границы областей устойчивости (границы критических значений коэффициентов демпфирования), построенные по формуле (1.3) в безразмерном виде. Безразмерные величины даны в долях значений, условно принятых за единицу сравнения.
Анализ рис. 1.23, а, б показывает, что существуют такие значения площади клапана и присоединенного объема 
, при которых требуется наибольшее демпфирование. Влияние таких параметров клапана, как , и , на его колебательность однозначно, рост этих параметров требует увеличения минимального демпфирования (рис. 1.23, г, д, е). Снижение чувствительности клапана к подъему затвора существенно уменьшает потребное демпфирование (рис. 1.23, в).
Рис. 1.23. Положение границ устойчивости клапанов прямого действия в зависимости от площади седла клапана (а), присоединенного объема жидкости (б), высоты подъема затвора (в), массы подвижных частей (г), периметра щели (д), давления настройки клапана (е)
Для предупреждения резонансных колебаний клапанов применяют гидравлические демпферы. Принцип действия гидравлического демпфера состоит в следующем. При смещении затвора 1 клапана (см. рис. 1.14, а) на открытие жидкость вытесняется из камеры А или заполняет ее при обратном движении через дроссельное отверстие а, гидравлическое сопротивление которого при резонансных колебаниях достаточно для рассеивания энергии колебаний (энергии возмущенных импульсов). Значение коэффициента демпфирования зависит от размеров дроссельного отверстия, диаметр которого обычно подбирается экспериментально.
В связи с возможными колебаниями для работы а качестве переливных (постоянно действующих) клапанов рекомендуется использовать клапаны с золотниковым затвором (см. рис. 1.14, б). Перекрытие с окна затвором должно быть несколько больше амплитуды колебаний затвора, чтобы при колебаниях он не ударялся о свой упор.
|
|
|
