Клапаны используются в гидросистемах и гидропередачах в качестве автоматических регулирующих устройств. Применение клапанов в системах распределения поршневых насосов описано в п. 3.5. Клапан (рис. 3.73) имеет запорно-peгулирующий элемент 6, опирающийся в закрытом положении на седло 7, направляющую часть 3, обеспечивающую центровку клапана относительно седла, и пружину 2 (чаще с опорным шарниром 1), размещенные в корпусе 4. К камере 5 корпуса присоединены подводящий 8 и отводящий 10 каналы. В приведенном клапане открытие z изменяется в результате непосредственного воздействия потока жидкости пропорционально про-пускаемому расходу Q. Такой клапан называют клапаном прямого действия. Клапаны гидросистем в отличие от насосных (см. рис. 3.5) соприкасаются с седлом по достаточно острой кромке. При таком контакте и в случае ограниченного числа рабочих циклов (у насосных клапанов многие миллионы циклов) легче обеспечивается хорошая герметичность закрытого клапана. Основные типы кромочных за- порно-регулирующих элементов «конус на кромке», «кромка на конусе» и золотникового показаны па рис. 3.74. В отличие от насосных клапанов, работающих при малых перепадах рк давлений, клапаны гидросистем используются во всем диапазоне давлений рк, в том числе и при самых высоких давлениях (30—45 МГ1а). С ростом давлений увеличивается вероятность работы клапанов в режимах автоколебаний, что нежелательно. При использовании в гидросистеме клапаны должны обеспечивать заданную герметичность, работать без автоколебаний и, что самое главное, иметь характеристику, т. е. зависимость перепада давления рк от пропускаемого расхода Q (рис. 3.75), желаемой формы. Последняя зависит от свойств проточной части клапана и его пружины. Рассмотрим работу запорно-регулирующего элемента комического клапана (см. рис. 3.74, а). Пропускная способность щели клапана, поднятого на высоту открытия z, Равновесие открытого клапана при подъеме z определяется новым распределением давления (см. эпюру II на рис. 3.74) со стороны натекающего потока: перед щелью и в области щели, где жидкость движется с возрастающими скоростями, давление понижается, а в окрестностях центра клапана, где на него действует реакция потока, натекающего из прохода седла, давление увеличивается: где Fv — уменьшение силы из-за течения в зоне щели; Fc — увеличение силы из-за натекания со стороны седла. При больших рк и, следовательно, скоростях, снижение силы давления за счет Fv велико. Как правило Fv Fc. Следовательно, при открытом клапане, возрастая за счет поджатия z, сила пружины может быть уравновешена ослабляемой за счет Fv силой давления только при условии увеличения рк > рКо. Этим объясняется возрастание с увеличением Q на характеристике клапана (см. рис. 3.75). Чем больше рк, тем круче возрастает характеристика. При использовании клапанов в качестве переливных (рис. 3.20) или предохранительных, которые должны поддерживать по возможности постоянное давление насоса во всем диапазоне изменения его подачи, это свойство характеристики крайне нежелательно. Способы его ограничения описаны ниже. Приближенно силу Fa давления жидкости на открытый клапан, представленную выражением (3.75), можно оценить при помощи уравнения количества движения для потока в области, ограниченной контрольными сечениями 1 — 1 и 2 — 2 (см. рис. 3.74, а). Принимая равномерное распределение скоростей v0 и !>ш и давлений Ори преобразовании выражения (3.76) к виду (3.77) в него введен экспериментальный коэффициент kv коррекции силы Fv [см. выражение (3.75)] при малых открытиях клапанов. При малых открытиях (z eg 0,01 см) предпосылки, принятые для составления выражения (3.76) неточны из-за влияния пограничного слоя в окрестностях щели. Это ведет к возрастанию влияния силы Fv, учитываемому коэффициентом kv = 0,01/2 при ъ < < 0,01 см. Выражение в квадратных скобках в формуле (3.77) представляет коэффициент яр нагрузки клапана, позволяющий найти усилие пружины, необходимое для его уравновешивания при подъеме z. На рис. 3.77 приведена экспериментальная зависимость коэффициента нагрузки ip = / (Re) для запорно-регулирующих элементов основных типов. Она позволяет легко оценить необходимое усилие пружины клапана. Решая совместно уравнения (3.72), (3.73), (3.74) и (3.77) можно, задаваясь z, построить характеристику клапана (см. рис. 3.75), если известны его размеры и жесткость С пружины. По приведенным уравнениям можно также найти размеры dK и жесткость С пружины по заданным параметрам характеристики — давлению рКо открытия клапана, давлению рк и расходу Q расчетного режима. Для удовлетворительного соблюдения условий, принятых при составлении выражений (3.76) и (3.77), необходимо для расчетного режима придерживаться следующих рекомендаций: Левые значения рекомендованных пределов соответствуют большим значениям углов (3 конусности запирающих элементов. Рассмотрим правила, содействующие выполнению сформулированных выше требований к клапанам гидросистем. Герметичность закрытого клапана обеспечивается тщательной обработкой поверхностей запирающего конуса 6 (см. рис. 3.73) и кромки 9 седла 7, на которой формируется конусный уплотняющий поясок. Для этого твердость конуса должна быть выше твердости седла. Вторым условием для герметичности является хорошая взаимная центровка клапана и седла. Последнее условие содействует также работе клапана без колебаний, так как при плохой центровке клапаны отжимаются к одной стороне направляющей, где возникает сухое трение, ведущее к колебаниям при начале его подъема. С этой же целью желательно применение шарнирного под¬жатая пружины (поз. 1 на рис. 3.73 и поз. 4 на рис. 3.78). Без шарнира пружина может давать силу асимметрично приложенную к клапану, что также ведет к его отжиму и увеличивает возможность колебаний. Для предотвращения колебаний струя, вытекающая из щели, должна быть устойчивой. На рис. 3.7 показаны две возможные формы истечения через щели клапанов. Переход от одной формы к другой сопровождается изменением пропускной способности щели (коэффициента [Ащ) и ведет к пульсациям давления, обусловливающим колебания клапана. Прилипание струи к стенке седла является следствием понижения давления в зоне В (см. рис. 3.74), из которой эжектирующим действием струя интенсивно отсасывает жидкость. Этот эффект усиливается с ростом 1>щ, т. е. с ростом рк. Поэтому колебания обычно возникают при больших давлениях перед клапаном. Устранению колебания струи содействует заполнение области В металлом, для чего на седле выполняется конус с углом рс (см. рис. 3.73 и 3.78). С этой же целью угол конусности р клапана уменьшают с ростом давления. У клапанов среднего давления (см. рис. 3.73), работающих при ж 2 v 3 МПа, р ж 45 -s- 30°. У клапанов высокого давления (см. рис. 3.78), работающих при рк > 10 МПа, р = 30 -f- 20°. Для ослабления и гашения колебаний в клапанах высокого давления применяют различные демпфирующие устройства. Так, в клапане, изображенном на рис. 3.78, поверхность 1 поршня 2, на которую действует сила давления ри поднимающая клапан, сообщается с областью потока через малый зазор между поршнем и гильзой 3. Это затрудняет выдавливание жидкости из-под поршня при его колебаниях и гасит их. С этой же целью подклапанный объем 1 (рис. 3.79) сообщен с областью, находящейся под давлением рг через малое дросселирующее отверстие 2. Применение всех перечисленных мер не исключает колебаний клапанов, работающих в системах с пульсирующим давлением, особенно если вблизи клапана расположены полости, которые при проявлении упругих свойств жидкости могут являться резонаторами. Поэтому вопрос устранения колебаний клапанов в конечном итоге решается рассмотрением их совместной работы с обслуживаемой гидросистемой. Часто назначением клапана является ограничение давления перед ним (предохранительные и переливные клапаны) или за ним (редукционные клапаны). Во всех случаях желательно, чтобы регулируемое давление мало зависело от расхода Q, пропускаемого клапаном, т. е. чтобы его характеристика (рис. 3.75) была пологой. При рассмотрении зависимости (3.75) показано, что условием равновесия запорно-регулирующего элемента, поджатого пружиной, является рост рк с увеличением расхода Q. Для ограничения или устранения этого явления к клапану должна быть приложена дополнительная сила Fa, пропорциональная расходу, которая сообщала бы большее поджатие пружине и, следовательно, больший подъем z клапану. Через более широкую щель согласно выражениям (3.72) и (3.73) тот же расход сможет протекать при меньшем рк. Первым способом выравнивания характеристики является использование реакции струи, вытекающей из щели. При малом угле [3 конуса клапана (см. рис. 3.73, 3.78) и его безотрывном обтекании струя ударяет в область 13 камеры 5 (см. рис. 3.73) или в расширенную головку 5 клапана (см. рис. 3.78) и создает силу Ря = А рQvm, компенсирующую действие силы Fv. В этом случае уравнение (3.75) примет впд Характеристика па рис. 3.75 предполагает применение этого способа. На участке аЪ сила Fn при малом Q еще незначительна и нарастающий характер рк сохраняется, но интенсивность нарастания ослаблена. При больших Q сила Fn больше Fв и на участке be характеристика становится падающей. В среднем в рабочей зоне ас давление р„ будет изменяться незначительно. На рис. 3.75 показана также нерабочая зона cde характеристики, в которой начинается соприкосновение витков пружины (участок cd) и даже пружина превращается в жесткий упор (de). Далее характеристика следует по параболе Ode, соответствующей сопротивлению предельно поднятого жестко закрепленного клапана. Второй способ воздействия на форму характеристики — включение последовательно с щелью клапана дросселирующего.устройства (например, показанное штриховой линией сопло 11 на рис. 3.73). Из-за его сопротивления давление в камере 5 поднимается, а в за¬клепанной области 14, соединенной с местом высокой скорости каналом 12, снижается. Эффект от использования дросселирования аналогичен эффекту от использования реакции и характеристика деформируется так же, как было описано выше. В клапанах высокого давления (см. рис. 3.78 и 3.79) оба способа комбинируют, применяя и удар струи о головку клапана и дросселирующую щель (поз. 5 и 6 на рис. 3.78, и б и 5 на рис. 3.79). Большое влияние на форму характеристики оказывает жесткость С пружины, которая должна быть по возможности мала. При этом сила Fn будет слабо нарастать с увеличением г. Соответственно слабее будет и нарастание давления рк по характеристике. В клапанах высокого давления малое С при потребности в большой силе Fa может быть получено только при большой пружине (см. рис. 3.78). Отметим, что комплекс гидродинамических мер по выравниванию характеристики, хорошо отработанных опытным путем, и малая жесткость пружины позволили получить у клапанов этого типа практически полную независимость рк от Q при рк до 63 МПа. Благодаря хорошему демпфированию клапаны вибростойки. Их недостаток — значительные размеры. Компромиссным решением для сокращения размеров клапанов высокого давления является дифференциальный клапан (рис. 3.79). В нем давление рг действует на кольцевую площадь SK = (я/4) (d^i — — которая может быть малой. Мала будет и сила, поднимающая клапан, а следовательно, и пружина, ее уравновешивающая. Недостатком клапана является плохая герметичность из-за обязательных утечек под действием рк через зазор между направляющим поршнем 3 и корпусом 4. Наиболее совершенными по форме характеристики, небольшим габаритным размерам и герметичности являются клапаны непрямого действия (рис. 3.80), в которых подъемом основного запорно-регулирующего элемента 3 управляет малый вспомогательный (управляющий) клапан 5. Основной клапан прижат к своему седлу 7 силой Fro относительно слабой пружиной 2 и, если dr2 > drl, также и силой давления рг (я/4) (d'h — dh), так как заклапанная полость 4 соединена с подводящей 8 дросселем 1. При дальнейшем возрастании рк продолжается увеличение Qy и рд. Это вызывает, из-за мягкости пружины 2, интенсивное нарастание подъема основного клапана и соответственно пропускаемого им расхода Qrp. Поэтому основной участок О — р характеристики Управляющий клапан 5 — малый клапан прямого действия с жесткой пружиной 6, и поэтому с крутой характеристикой. Обычно его диаметр dy = (0,1 ч- 0,05) dn. Клапан 5 установлен последовательно с дросселем 1 и при открытии они пропускают один и тот же расход Qy. Характеристика клапана непрямого действия изображена на рис. 3.81. Слева показано ноле характеристик управляющего клапана ру = / (Qy), дросселя ря — / (Qy) и их совместная характеристика (характеристика управляющего тракта) рн = ру Ч- + Ри = / (Qy)- При давлении рУд клапан 5 открывается и через управляющий тракт начинает течь расход Qy. Из-за потерь в дросселе 1 давление в полости 4 уменьшается и при значении Qy — Qyo, когда потери в дросселе рДо, образуются условия для начала открытия основного клапана на режиме О: получается практически горизонтальным. Таким образом, характеристика состоит из начального участка 0Уо, на котором работает только управляющий клапан, пропуская Qy. Здесь характеристика круто нарастает в пределах Ару яа (0,1 - 0,2) рр. На втором, основном участке, работают оба клапана. Обычно на расчетном режиме Qу р 0,05()р, и поэтому принимают Qp х Qrp. Расчет клапанов непрямого действия выполняют по ранее приведенным уравнениям. При этом составляют системы уравнений для управляющего и основного клапанов и решают совместно с уравнением пропускной способности дросселя. Редукционные клапаны (рис. 3.82) предназначены для поддержания в отводимом потоке стабильного давления р2, более низкого, чем давление pt в подводимом потоке. Их применяют при питании от одного насоса нескольких потребителей, требующих разных давлений. Клапан состоит из запорно-регулирующего элемента 3, объединенного с уравновешивающим поршнем 1, и пружины размещенных в гнезде корпуса 8, образующего седло 6 клапана. Для демпфирования возможных колебаний заклапанная полость 9 соединена с областью слива дросселем 10. Пружина стремится удержать клапан в предельно открытом положении, ограниченном упором 4. Давление р2 в приемной камере 5, образуя силу p2Sк = р2 (л/4) d3Kl, стремится клапан закрыть. Со стороны питающей камеры 5 гидростатические силы от действия давления рг по кольцевой площади SK1 — SK2 = (л/4) , — d'^) отсутствуют, поскольку сила давления pt (SK1 — SK2) действует на запирающий элемент со стороны входа в щель и на уравновешивающий поршень. Поэтому давление рг на работу клапана непосредственно не влияет. Оно показывает, что давление р2 уменьшается с ростом открытия z клапана, так как при этом уменьшается сила Fa пружины. Некоторое уменьшение р2 вызывает и рост рх из-за увеличения Fv. Если жесткость С пружины мала и влияние гидродинамической силы Fv невелико, то р2 в широком диапазоне рх и Q будет практически постоянным. В гидросистемах довольно часто применяют клапаны, действующие по команде управляющего сигнала. На рис. 3.70 были показаны распределительные клапаны с механическим управлением. Клапаны с гидравлическим управлением называют гидрозамками. В гидрозамок может быть легко превращен основной клапан 3 в клапан непрямого действия (см. рис. 3.80), если заменить управляющий клапан 5 золотником или вентилем, открываемым и закрываемым по команде извне. Широко распространены двухклапанные гидрозамки (рис. 3.83), служащие для запирания поршней гидроцилиндров в фиксированном положении при отсутствии подачи жидкости от питающей установки. Если во внешних гидролиниях 2 и 3 давление отсутствует, два герметичных обратных клапана 1 и 4 закрыты, гидроцилиндр заперт, а управляющий поршень 5 находится в среднем положении. При повышении давления в одной из внешних гидролиний управляющий поршень смещается в сторону меньшего давления и открывает клапан, обеспечивающий слив жидкости из полости гидроцилиндра, в сторону которой должен начать смещаться его поршень. Таким образом, блокировка гидроцилиндра снимается.
