Распечатать

Гидравлика & Пневматика

Предохранительные клапаны

30.08.2019

Одним из основных преимуществ гидропривода называют надежную защиту от перегрузки. Эту важную функцию в гидросистемах реализуют предохранительные клапаны (ПК), ограничивающие максимальное давление. Эти аппараты могут работать в аварийном или переливном режиме. В первом случае они пропускают рабочую жидкость (РЖ) из напорной линии в сливную только в аварийных ситуациях перегрузки, а во втором — поддерживают установленное давление путем непрерывного слива части РЖ, подаваемой насосом, в бак, что сопровождается значительными потерями мощности (Р = р·Q/60 кВт, где р – давление, МПа; Q – расход РЖ через клапан) и, соответственно, — разогревом РЖ.

Клапан DR08PY компании Hydac объединяет функции предохранительного клапана и гидрораспределителя в одном корпусе Изображение: Hydac Клапан DR08PY компании Hydac объединяет функции предохранительного клапана и гидрораспределителя в одном корпусе

ПК должен стабилизировать установленное давление в возможно более широком диапазоне изменения расходов РЖ. В динамических режимах необходимо быстродействие, исключающее возникновение пиков давления при резком увеличении расхода, однако это часто вызывает потерю устойчивости, поэтому требуется оптимальное демпфирование (пик давления ≤ 15…20 %). ПК различаются по типу управления (ручное или электрическое, в том числе пропорциональное), диаметру условного прохода (Dу = 6; 10; 20 или 32 мм; реже 40; 50 и более мм), типу монтажа (резьбовой, стыковой, модульный, вставной или ввертной), а также по номинальному давлению (1; 2,5; 6,3; 10; 20; 32; 40; 63 МПа и более в специсполнениях).

При небольших давлениях и расходах применяют ПК прямого действия (рис. 1), в которых давление РЖ, создаваемое насосом 2, воздействует на запорно-регулирующий элемент (шарик 5, конус или плунжер), прижатый к седлу корпуса 3 пружиной 4. Если давление увеличивается сверх настроенной величины, шарик отходит от седла, и РЖ перепускается в бак 1, причем за счет дросселирования потока в напорной линии 6 поддерживается требуемая величина давления. В случае увеличения рабочих параметров (давления и расхода) резко возрастают размеры пружины и возникают автоколебания запорно-регулирующего элемента, для устранения которых требуется специальные демпфирующие устройства [1].

Рис. 1

В качестве примера на рис. 2 показан разработанный в ЭНИМСе ПК модульного монтажа с Dу = 6 мм, в котором запорно-регулирующий элемент (конус 3) снабжен демпфирующим хвостовиком, размещенным в отверстии гильзы 2, причем при движении конуса РЖ проходит в правую торцовую камеру через диаметральный зазор между этими деталями. На рисунке также обозначены: 1 – корпус; 4 – пробка; 5 – шайба; 6 – колпачок; 7 – пружина; 8 – регулировочный винт; 9 – шарик; 10…12 – уплотнения, Р – напорная линия; Т – сливная линия; А и В – линии подключения гидродвигателя.

Рис. 2

В работе [2] было показано, что динамические характеристики аппарата существенно зависят от величины диаметрального зазора между хвостовиком конуса 3 и отверстием в гильзе 2. Оптимальные параметры достигаются при диаметральном зазоре:

, мкм,

где - кинематическая вязкость масла, сСт; - длина поверхности утечки, см; - диаметр поверхности утечки, см; - масса подвижных частей + ⅓ массы пружины 7, кгс·с2/см; С – жесткость пружины, кгс/см.

Создание аппарата с пропорциональным электроуправлением существенно осложняется из-за больших усилий, требуемых для перемещения запорно-регулирующего элемента, поэтому был принят вариант конструкции с частичной гидравлической разгрузкой (принцип работы показан на рис. 3). Основными деталями являются корпус 1, конус 2, шайба 3, пружина 4 и колпачок 5. РЖ из линии Р подводится к конусу 2, через отверстие 6 — в полость 8 колпачка 5 и через зазор δ — в торцовую полость 7. Таким образом, рабочее давление воздействует на одинаковые площади торцовых поверхностей π·d2/4 конуса и дополнительно слева — на кольцевую поверхность )/4, поэтому давление настройки клапана будет:

,

где - усилие пружины (например, при d = 4 мм и d1 = 4,8 мм требуемое усилие пружины уменьшается в 3,27 раза).

В гидроаппаратах с пропорциональным электроуправлением в качестве задающего электрического устройства преимущественно применяются пропорциональные электромагниты, которым присущи существенные недостатки [3]. В этой связи в ЭНИМСе проводятся работы по оснащению гидроаппаратов задающими шаговыми электродвигателями (ШД) — цифровыми машинами (рис. 4), в которых угол поворота вала соответствует числу поданных на вход импульсов (угловых дискрет), а частота вращения — частоте их следования. Благодаря широким возможностям внутришагового деления, современные ШД (производитель Китай) имеют количество импульсов на один оборот вала n = 400…25600. Поставляются комплектующие блоки управления (БУШП) с возможностью изменения n и параметров тока в широких пределах.


Рис. 4

С точки зрения динамики ШД имеют определённую специфику: при увеличении режимов гармонических колебаний практически не наблюдается уменьшения амплитуды колебаний вала, однако при достижении предельно допустимых скоростей происходит сбой, связанный с потерей информации. В этой связи были проведены экспериментальные исследования режимов нормального функционирования, показавшие, что предельно допустимые соотношения амплитуды угла поворота А (град.) и частоты гармонических колебаний f (Гц) должны удовлетворять соотношению: А·f 2 ≤ 17300.

Таким образом, компактные ШД (размер фланца ◘ 57 мм) для комплектации гидроаппаратов способны точно отрабатывать заданный угол поворота и с этой точки зрения не требуют установки позиционных датчиков обратной связи, развивают достаточно высокие крутящие моменты (1,26 или 1,89 Н·м), имеют вполне приемлемые динамическое качество и стоимость (~ 1600 руб.). Вместе с тем, они «не знают» текущего положения вала, что обычно диктует необходимость использования специальных устройств поиска исходного (нулевого) положения. Конечно, можно применить ШД со встроенным абсолютным энкодером, но это существенно удорожает привод. При наличии винтовой передачи между валом ШД и запорно-регулирующим элементом существует несколько вариантов решения проблемы. Первый [4] — вращение винта при включении гидропривода в сторону жесткого упора, соответствующего нулевому положению, обнуление с «пробуксовкой» ШД и вращение обратно на заданный угол, соответствующий требуемому рабочему давлению. Основной недостаток этого способа — опасность заклинивания винтовой пары, поэтому требуется, чтобы момент, развиваемый ШД при движении в сторону упора, был меньше момента, действующего в противоположном направлении, что усложняет систему управления. Впрочем, такое решение хорошо себя зарекомендовало в процессе длительной эксплуатации крупной четырехвалковой листогибочной машины Славгородского завода КПО.

Другой способ [5] — замена жесткого упора специальным микровыключателем, производящим обнуление. Здесь отсутствует «пробуксовка» ШД и не требуется регулировка моментов, однако усложняется конструкция привода.


Рис. 5

Интересное решение проблемы, проверенное длительной практикой эксплуатации предохранительных клапанов (р = 25 МПа, Q = 2 л/мин) на 10-кординатном испытательном стенде, предложено Л. С. Столбовым (ЭНИМС). Здесь винт 1 (рис. 5) снабжен специальным фасонным зубом 2, взаимодействующим с выступом 3 фланца 4 таким образом, что при движении в сторону нулевого положения зуб винта на предпоследнем обороте проходит над выступом, а на последнем — упирается в него в тангенциальном направлении, что полностью исключает опасность заклинивания резьбы. В качестве недостатка этого решения можно отметить некоторое усложнение настройки аппарата.

Предохранительный клапан прямого действия с гидроразгрузкой и управлением от ШД (рис .6) состоит из следующих деталей и узлов: 1 - винт регулировки нуля; 2 – корпус; 3 – запорно-регулирующий элемент; 4 – колпачок разгрузки; 5 – фиксатор, ограничивающий угол поворота вала ШД 6 (90о); 7 – фланец; 8 – стопор; 9 – эксцентрик; 10, 13 – подшипники; 11 – ползун; 12 – пробка с упором; 14 – возвратная пружина; 15 – нагрузочная пружина.


Рис. 6

При работе клапана ШД 6 через эксцентрик 9 и подшипник 13 перемещает в осевом направлении ползун 11, сжимающий пружины 14 и 15. Последняя создает определенное усилие на элементе 3, изменяющем давление в напорной линии Р гидросистемы. При отключении электропитания пружина 14 устанавливает ползун 11 в крайнее правое положение, при котором усилие пружины 15, а, следовательно, и давление в гидросистеме, падают до нуля. Таким образом, обеспечиваются условия безопасности и исключается необходимость в устройстве поиска исходного положения вала ШД. На рисунке показаны экспериментальные осциллограммы со временем переходных процессов 1 и 0,1 с; можно отметить высокое качество регулирования.


Рис. 7

В гидросистемах с большими расходами рабочей жидкости применяют ПК непрямого действия, например, типа МКПВ (рис. 7, а) [1], в которых небольшой вспомогательный клапан (сервоклапан) управляет перемещением переливного золотника, подключенного к линиям Р и Т. Аппараты состоят из корпуса 1, переливного золотника 8, размещенного в гильзе 10, пружины 9 и сервоклапана 3, а в исполнении с электроразгрузкой они дополнительно комплектуются гидрораспределителем (пилотом), установленным сверху. Отверстие Р через демпфер 11 (Ø 0,8 мм) соединено с надклапанной полостью 2, откуда РЖ через клапан 3 может поступать в линию Т по каналу 7. Пока давление в гидросистеме ниже настроенного винтом 6, сжимающим пружину 5, клапан 3 закрыт, и переливной золотник пружиной 9 прижат к седлу гильзы. При повышении давления клапан 3 открывается, и РЖ в небольшом количестве из линии Р через демпфер 11, сервоклапан и канал 7 проходит в линию Т. Из-за потерь давления в демпфере давление в полости 2 уменьшается, переливной золотник 8 поднимается вверх, сжимая слабую пружину 9 и соединяя линии Р и Т. Далее в системе автоматически поддерживается настроенное давление. Если отверстие Х соединить с линией Т (в аппаратах с электроразгрузкой через пилот), давление в полости 2 падает, и переливной золотник практически свободно пропускает РЖ из линии Р в линию Т (режим разгрузки ~ 0,3 МПа); линия Y — альтернативный слив управления. На рис. 7,б показана типовая статическая характеристика аппарата.

Трехпредельный предохранительный клапан непрямого действия конструкции ЭНИМС (рис. 8) является доработкой клапана с резьбовым присоединением Dу = 20 мм. На клапане 1 установлена плита 2 с тремя сервоклапанами и пилот электроуправления 3. При выключенных электромагнитах сервоклапан 4 обеспечивает максимальное давление настройки; при включении одного из электромагнитов давление определяется настройкой соответствующего сервоклапана.


Рис. 8


Рис. 9

Другая модификация — разгрузочный клапан для насосно-аккумуляторных приводов (рис. 9), применяемых чаще всего в зажимных устройствах или, например, в гидроприводе бумагоделательной машины [6]. В этих приводах питание гидросистемы осуществляется от пневмогидравлического аккумулятора, а клапан служит для его автоматической подзарядки и разгрузки насоса в паузах. Аппарат состоит из основного каскада 2, сервоклапана 9 и плитки 12 с обратным клапаном 13. РЖ от насоса подводится во входное отверстие Р, отверстие Т соединяется со сливной линией и отверстие А — с напорной линией гидросистемы. Пока давление в отверстии А не превышает давления настройки пружины сервоклапана, конус 8 герметично запирает отверстие в седле 7, давления, действующие сверху и снизу на переливной золотник 4, одинаковы и последний пружиной 1 прижат к седлу гильзы 3, разъединяя линии Р и Т. Рабочая жидкость, подаваемая насосом, через клапан 13 поступает в аккумулятор 14, обеспечивая его зарядку до заданного регулировкой пружины 10 давления, после чего конус 8 отходит от седла и появляется управляющий поток (~ 0,6 л/мин) из отверстия Р через демпферы 5, 11 и сервоклапан в линию Т. Вследствие падения давления в демпферах уменьшается давление в верхней торцовой полости переливного золотника и правой торцовой полости плунжера 6. Давлением в левой торцовой полости плунжер полностью открывает сервоклапан, переливной золотник поднимается вверх и соединяет линии Р и Т, а клапан 13 запирается. В течение некоторого времени гидросистема питается от аккумулятора и давление в линии А постепенно снижается, причем когда оно достигает минимально допустимого уровня пружина 10 преодолевает силу плунжера 6, конус садится на седло, и управляющий поток прекращается. В результате переливной золотник запирает линию Р, режим разгрузки заканчивается, и насос подзаряжает аккумулятор, после чего цикл работы многократно повторяется. Практически полное отсутствие дроссельных потерь мощности обеспечивает высокую энергоэффективность насосно-аккумуляторных приводов.


Рис. 10

Предохранительный клапан непрямого действия с пропорциональным электроуправлением (рис. 10) содержит задающий шаговый электродвигатель 1, эксцентрик 2, подшипник 3, ползун 4, пружины 5, 8, конус 6 и фиксатор 7. Поскольку через сервозолотник проходит только небольшой управляющий поток РЖ, гидравлическая разгрузка здесь не требуется. Думается, что принцип работы понятен из описаний предыдущих аппаратов.

Для защиты гидросистем от перегрузки часто применяются гидроклапаны давления (напорные золотники) типа Г54. Это аппараты прямого действия, рассчитанные на давление не более 10 МПа и расходы до 200 л/мин. В гамме аппаратов непрямого действия мод. DZ фирмы Bosch Rexroth [1] рабочие параметры существенно выше (давление до 31,5 МПа, расход до 600 л/мин).

Для предохранительных клапанов с задающими ШД А. А. Левиным (ЭНИМС) разработан модуль, обеспечивающий программирование от компьютера параметров работы (заданное давление, рампа, начальное давление и допустимый порог его увеличения, зона нечувствительности аналого-цифрового преобразователя сигналов датчика и др.). Предусмотрена возможность работы в замкнутой по давлению или разомкнутой системе. Комплектующее программное обеспечение позволяет в режиме on-line изменять давление по программе, задаваемой компьютером.

В заключение отметим, что гидроаппараты с задающими ШД или серводвигателями входят в номенклатуру поставок мировых лидеров, в том числе Bosch Rexroth, Moog, Bucher Hydraulics и Thomas Magnete, причем в последних интервью [7] отмечаются их высокие надежность, безопасность и точность; более того, фирма Bucher Hydraulics называет их гидроаппаратами будущего.

В. К. Свешников, к. т. н., ЭНИМС

Список литературы

  1. Станочные гидроприводы: Справочник / В. К. Свешников. — 6-е изд. перераб. и доп. — Спб.: Политехника, 2015. — 627 с.: ил. (электронное издание).
  2. Свешников В. К. Усовершенствованные предохранительные клапаны // Конструктор. Машиностроитель. 2018. № 1. С. 36-38.
  3. Иванов Г. М., Свешников В. К. Цифровая гидроавтоматика // Конструктор. Машиностроитель. 2017. № 2. С. 30-35.
  4. И. В. Орлик, Д. Г. Левит, В. К. Свешников, Г. М. Иванов, А. А. Левин, Б. И. Лыткин. Способ управления шаговым двигателем перемещения запорно-регулирующих элементов гидравлической, пневматической и смазочной аппаратуры и устройство для его осуществления. Патент РФ № SU 1753063 А1. 07.08.92, бюл. № 29.
  5. Г. М. Иванов, И. И. Сазанов, В. К. Свешников. Цифровой предохранительный клапан непрямого действия с электро­управлением. Патент РФ №2517951, 2014-06-10.
  6. Свешников В. К. Насосно-аккумуляторный гидропривод // Привод и управление. 2002. № 2. С. 16-18.
  7. Цифровая гидравлика — что это? // Конструктор. Машиностроитель. 2018. № 3
Гидравлика & Пневматика 28.10.2019 Компания Zuse Hüller Hille оснащает свои обрабатывающие центры компактным блоком питания с частотным регулированием, чтобы гармонизировать гидравлику станка. Насосный агрегат оптимизирует энергопотребление, занимает меньше места и сокращает время вывода продукции на рынок.
Гидравлика & Пневматика 30.08.2019 Одним из основных преимуществ гидропривода называют надежную защиту от перегрузки. Эту важную функцию в гидросистемах реализуют предохранительные клапаны, ограничивающие максимальное давление.
Гидравлика & Пневматика 14.08.2019 Новый пропорциональный регулятор давления серии PRE компании Camozzi обладает технологией COILVISION. Она позволяет отслеживать функциональное состояние пилотных клапанов и предотвращать преждевременный выход регулятора из строя.
Гидравлика & Пневматика 09.08.2019 Компания «Камоцци Пневматика» представила пневмоостров серии D с расходом 250 Нл/мин, оснащенный системой COILVISION. Она позволяет отслеживать и прогнозировать воздействие износа на эффективность каждого пилотного распределителя
Гидравлика & Пневматика 09.08.2019 Компания «Гидросила» обновила линейку шестеренных насосов MASTER серией с улучшенными прочностными характеристиками корпуса. Новинка получила название MASTER Plus. Насос этой серии можно эксплуатировать в гидросистемах с номинальным давлением 190 бар.
Гидравлика & Пневматика 08.08.2019 Компания «Гидросила» расширяет линейку гидрораспределителей серии MRS новой моделью - MRS250. Это гидрораспределитель с открытым центром, рассчитанный на работу в гидросистемах с потоком до 350 л/мин и номинальным давлением до 250 бар.
Гидравлика & Пневматика 05.08.2019 Закатные пневматические цилиндры с системой самодемпфирования представила компания Camozzi. Новые пневмоцилиндры 23-й серии базируются на автоматической системе торможения в конце хода и присоединительных размерах согласно ISO 6432.
Гидравлика & Пневматика 30.07.2019 Выставка строительной техники bauma CTT RUSSIA 2019 – это, пожалуй, самый внушительный показ новинок гидравлики в России. Большинство наиболее интересных продуктов и решений гидроотрасли, представленных в третьем павильоне «Крокус Экспо», вы найдете в данном обзоре.