Главная » 2015 » Сентябрь » 8 » Гидрораспределители. Конструкция, схемы и принцип работы.
17:50
Гидрораспределители. Конструкция, схемы и принцип работы.
Гидрораспределители
Гидроаппаратами называют устройства, служащие для управления потоками жидкости: изменения или поддержания заданного давления или расхода, а также изменения направления движения потока. Среди всей массы гидроаппаратов можно выделить три наиболее характерных типа. 1. Гидрораспределители, основным назначением которых является изменение согласно внешнему управляющему воздействию направления движения потоков жидкости в нескольких гидролиниях. Наиболее широко применяются золотниковые гидрораспределители. 2. Клапаны — устройства, способные изменять проходную площадь, пропускающую поток, под его воздействием. Основное назначение клапанов поддерживать в полостях гидросистем давление жидкости в заданных пределах независимо от пропускаемого расхода (напорные и редукционные клапаны), ограничивать в безопасных пределах повышение давления (предохранительные клапаны), допускать движение потока в одном определенном направлении (обратные клапаны). 3. Дроссели — регулирующие устройства, способные устанавливать определенную связь между перепадом давления до и поело дросселя и пропускаемым расходом.
Часто гидроаппараты совмещают функции основных перечисленных типов. Например, гидрораспределители кроме распределительных функций часто выполняют функции дросселей, а клапаны используются как элементы, распределяющие потоки. Гидроаппараты совместно с гидромашинами (насосами и гидродвигателями) образуют гидросистемы и, в частности, гидропередачи. Гидрораспределители разделяют по типу запорно-регулирующих элементов на золотниковые, крановые и клапанные. Простейший двухпозициоиный золотниковый распределитель представлен на рис. 3.54. Он служит для изменения направления движения поршня гидроцилиндра и способен работать в двух крайних позициях I и II. Такой распределитель выполняет только функции позиционного переключателя и не может выполнять регулирующие функции, т. е. плавно и непрерывно изменять скорость и направление движения поршня в гидроцилиндре. Четырехщелевой золотниковый распределитель, выполняющий функции как переключателя, так и регулирующего органа, показан на рис. 3.55. Отдельно золотниковый распределитель такого типа показан на рис. 3.63. Он предназначен для управления движением жидкости по четырем гидролиниям. Распределитель имеет подвижный элемент — плунжер 7, расчлененный на запорно-регулирующие звенья 9, 11 и 16, и втулку 8 с окнами 10, 12 и 14. Обычно к среднему окну 12 по линии 13 от питающей установки подводится яшдкость (QB) ПОД давлением рг. Отверстия 5 и 6 соединены с гидроцилиндром, а окна 10 и 14 — с отводящей линией 15, присоединенной к области слива жидкости, давление в которой рх мало. Для уменьшения утечек q зазор б между плунжером 7 и втулкой 8 должен составлять 3—5 мкм, а размеры звеньев плунжера и окон должны быть такими, чтобы при среднем положении 1', 2', 3', 4' рабочие кромки образовывали перекрытие Окон х0, т. е. распределитель имел положительное перекрытие. В среднем положении он способен с точностью до утечек запирать поршень в гидроцилиндре. При смещении плунжера кромки переходят в положение 1, 2, 3, 4. Кромки 2 и 4 образуют рабочие щели xb = х — х0 (см. рис. 3.63, б), проходная площадь которых Зависимость рь для щели с прямоугольными острыми кромками от числа Рейнольдса Re = (2Ь/\)у/^2рь/р приведена на рис. 3.64. Так как в золотниковых щелях большей частью существует развитый турбулентный поток (Re > 1000), принимают рь ~ 0,7 - 0,72 да const. Ввиду малой ширины б уплотняющих щелей поток в них обычно ламинарный, поэтому коэффициент расхода ре, зависящий от давления, может быть получен из выражения для течения через эксцентрическую кольцевую щель (см. п. 1.26). При неизношенном золотнике высокого качества изготовления утечки qx и q2 малы и ими часто пренебрегают. Рассмотрим характеристику симметричного золотникового распределителя, образующего равные перекрытия со всеми кромками. Для него открытия рабочих и протяженность уплотняющих щелей одинаковы и поэтому потерн давления ри = рЬ2 = рь, утечки 4i — <7г = <7 11» следовательно, Qy = Q2 — Q. На рис. 3.65 изображена характеристика золотникового распределителя, соответствующая этому уравнению. При малых зазорах б (3—5 мкм) утечки q незначительны, поэтому на рисунке их значение, соизмеримое с точностью построения, пе откладывалось. На характеристике показаны линейные зависимости Qr ~ Qb ~ f (х) для нескольких постоянных значений перепада давления рь па щели. При малых смещениях х их линейность нарушается. Причиной этого явления соизмеримость в этой области величин хь и б, т. е. нелинейность b = = / (х) и переменность коэффициентов расхода \хь И Ре- Штриховыми линиями показаны лучи Qa = = / (а:), представляющие собой характеристики идеального золотникового распределителя без перекрытия (л;0 = 0) и без уплотняющего зазора (б = = 0, q — 0) при рь = 0,7. Такие характеристики обычно применяют при упрощенных расчетах дроссельных гидроприводов. Линейность связи между расходом Q и смещением хь является важнейшим свойством золотникового распределителя, как регул и- рующего устройства. Питание гидроприводов (см. рис. 3.55) осуществляется большей частью насосными установками с переливным клапаном (рис. 3.20). Они подают жидкость при рп ^ р ^ const. Если к штоку гидроцилиндра приложена постоянная сила F = Spc, то, согласно выражению (3.71) скорость поршня будет линейной функцией смещения хь золотника. Если сила F или, что то же, переменны в не слишком больших пределах, то связь между силой F и смещением хь при постоянной скорости поршня v = Qr/S также близка к линейной. Таким образом, золотниковый распределитель как регулирующий гидроаппарат позволяет осуществить простейшую наиболее удобную связь между xb, v и F при управлении гидродвигателями. На рис. 3.66 показаны запорно-регулирующие элементы трех возможных типов: с «положительным» (t > т), нулевым (t = т) и отрицательным (t <С т) перекрытиями. При положительном перекрытии (см. рис. 3.63) образуются наиболее протяженные уплотняющие щели хь с гильзой. Это уменьшает утечки или при выбранных допустимых утечках позволяет использовать распределители с большими зазорами б, что снижает трудоемкость изготовления и уменьшает износ золотника. Распределители со значительными положительными перекрытиями и зазорами б х 0,01 мм широко используют для позиционного перекрытия гидролиний (см. рис. 3.54). Для регулирования работы гидродвигателей они малопригодны, так как при переходе через нейтральное положение благодаря значительному х0 (см. рис. 3.66, а) создают ощутимую зону нечувствительности, в которой гидродвигатель практически не реагирует на изменение смещения. Наиболее благоприятно для систем регулирования нулевое перекрытие, которое допускает отсутствие зоны нечувствительности. По причине технологических ограничений при изготовлении оно неосуществимо. Поэтому, как правило, для регулирующих золотниковых распределителей используют малое положительное перекрытие. Рис. 3.66. Запорно-регулирующие элементы с перекрытием: а — положительным; б — нулевым; в — отрицательным
Золотниковые распределители с отрицательным перекрытием применяют сравнительно редко. Управление работой гидродвигателя при помощи такого распределителя возможно, но связано со значительными утечками, а регулировочные характеристики системы при этом нелинейны. Преимуществом негерметичного золотникового распределителя является большая нервность регулирования, исключающая возможность появления автоколебаний в гидропередаче, а также свободный перепуск жидкости через щели при нейтральном положении золотника и неработающем гидродвигателе, благодаря чему снижается потребление энергии насосом во время холостого хода гидропередачи. 13 следящих гидросистемах, например, в гидроприводах станков золотниковые распределители выполняют функции чрезвычайно точного и чувствительного элемента управления работой гидродвигателей. При этом управление работой самих золотников производится маломощными электромагнитами, включенными в электронную систему, задающую процесс управления. Для таких золотниковых распределителей, кроме точности изготовления, необходимыми требованиями является, во-первых, стабильность пропускной способности щелей и, во-вторых, легкость перемещения. Причиной нарушения стабильности пропускной способности щелей может являться облитерация — нарастание слоев поляризованных молекул жидкости на поверхностях, образующих щель. Из-за этого пропускная способность щели при одинаковом смещении золотника постепенно уменьшается. Если ширина щели мала (0,01 — 0,02 мм) и ее стенки неподвижны может произойти полное заращивание щели. Общепринятым методом борьбы с облитерацией является сообщение одной из поверхностей осцилляции в виде возвратно-поступательного или возвратно-поворотного движения с высокой частотой и малой амплитудой. При перемещении золотника преодолеваются силы трения золотника о гильзу и силы гидродинамического происхождения, возникающие из-за перераспределения давления жидкости по поверхностям, образующим щели во время течения жидкости, по сравнению с распределением давлений в закрытом распределителе. Силы трения могут быть велики при граничном трении в случае отжима золотника силами давления (рис. 3.67) к одной из стенок. Отжим является следствием неизбежных при изготовлении и сборке конусности (рис. 3.67, б) и перекосов (рис. 3.67, а), из-за которых закономерности падения давления в разных местах периметра уплотняющих щелей различны. Наиболее распространенный способ ослабления влияния этого явления — устройство канавок К (рис. 3.67 и 3.68), выравнивающих распределение давления по периметру щели. Явление отжима, усиливающего трение, не характерно для плоских золотников, в которых сравнительно просто достигается гидростатическое уравновешивание подвижного элемента. Золотник, показанный на рис. 3.69, состоит из торцовых гидростатических опор 2 и 6, разжатых между плоскостями 1 и 5 пружиной 3. Гидростатические элементы центрируются кольцом 4 и уплотняются О-образными резиновыми кольцами 9. Жидкость от питающей установки подводится по каналу 7 и при смещении золотника ухватом 11 направляется в одно из окон 12, ведущих к управляемому объекту. При этом областью слива жидкости из другого окна является полость, в которой расположен золотник. Размеры полостей и уплотняющих поверхностей па торцах 8 а 10 золотника выбирают так, чтобы силы давления на него сверху и снизу были одинаковы и трение было обусловлено в основном лишь незначительным начальным поджатием пружиной. Согласно сказанному, плоские золотники относятся к числу наиболее чувствительных и применяются в точных следящих гидроприводах. Схема, поясняющая происхождение и действие гидродинамических сил, дана на рис. 3.68. При перекрытых щелях давление в полостях золотникового распределителя равномерно действует по всем поверхностям и золотник гидростатически уравновешен. Когда щели открыты (рис. 3.68, а), в зонах течения через щели давление снижается, а в зонах натекания струй на стенки повышается. В результате возникают силы Fx и F2, стремящиеся закрыть щели. Сила образуется в питающей камере из-за снижения давления по стенке перед выходом жидкости в щель 1. Согласно теоретическим оценкам Ю. Е. Захарова, угол направления струи, вытекающей через кольцевую сходящуюся щель с острыми кромками, бх » 69°. Применяя для полости питающей камеры теорему изменения количества движения, можно получить Fx — pQi\ cos 6i (знак минус указывает направление действия, противоположное смещению). Сила F2 возникает в камере слива из-за реактивного давления втекающей струи, тормозящейся на стенке 3, и из-за понижения давления у стенки 2 вследствие отсоса жидкости из прилегающей области 4. Сила F2 оценивается при помощи экспериментального коэффициента к = 0,7 0,9: F2 = — kpQv2. Полная сила, стремящаяся закрыть золотниковый распредели¬тель, F = F1 + Fi. Рис. 3.67. Распределение давления на золотник: а — при переносе; б — при конусности; в — при постоянном зазоре; г — при переменном зазоре с канавками; д — при переменном зазоре без канавок
Наиболее распространенным способом уменьшения силы F является применение золотников с профилированными шейками в области слива. Профиль шейки подбирают опытным путем. При этом область 4 под струей (см. рис. 3.68, б) заполнена металлом, а на поверхность 5 натекает струя под углом 62, большим, чем угол 63, касательной к шейке. При отклонении струи профилем шейки образуется составляющая F3 реактивной силы, направленная противоположно силе Fv Поверхность 6 схода струи с профиля шейки выбирают так, чтобы торможение струи происходило на стенке 7 окна, а не на стенке золотника как в ранее рассмотренном случае, и соответствующая торможению сила на золотнике не возникала. В результате может быть достаточно малой. Цилиндрические и плоские золотниковые распределители удобны как для позиционного переключения, так и для регулирования работы гидродвигателей. Их главным недостатком являются утечки, которые не позволяют удерживать гидродвнгатель под нагрузкой г, неподвижном состоянии. Рис. 3.68. Осевые силы, действующие на золотник: а — без уравновешивания; б — при уравновешивании методом профилировании шеек
В таких случаях для позиционного переключения предпочтительны клапанные распределители (рис. 3.70), имеющие увеличенные по сравнению с золотниками размеры и массу, но позволяющие герметически перекрывать гидролинии. В закрытом положении клапан удерживает пружина 1 (рис. 3.70, а), а открытие производится надавливанием на головку 5. Чтобы силы, требуемые для открытия и удержания клапана в закрытом положении были малы, запирающий элемент 3 помещен между разгрузочными поршнями 2 и 4 с уплотняющими кольцами. Способ определения гидродинамической силы, преодолеваемой при открытии такого клапана, изложен в п. 3.27. Схема клапанной коробки, обслуживающей гидроцилиндр с управлением работой клапанов при помощи кулачкового вала показана на рис. 3.70, б. Рис. 3.69. Плоским гидростатический уравновешенный золотник
В менее ответственных случаях и при ограничении размеров для позиционного переключения используют малогабаритный крановый гидрораспределитель (рис. 3.71). Он имеет пробку 3, тщательно подогнанную по цилиндрической или конической поверхности к отверстию в корпусе 6, имеющем каналы 5 подвода, 7 отвода и 1 и 4 питания гидродвигателя. В пробке на двух уровнях выполнены отверстия 2. Между плоскими срезами пробки находятся уплотняющие перемычки 8. При повороте на 45° соединение гидролиний (как показано на схеме) изменяется и может, в частности, осуществляться реверс гидродвигателя. При размещении мест присоединения гидролиний учтена необходимость гидростатического уравновешивания пробки: давления жидкости на две противоположные грани пробки всегда одинаковы. Этим уменьшается момент трения, преодолеваемый при повороте крана. Рис. 3.70. Клапанный распределитель: а — гидростатически уравновешенный запирающий элемент; б — блок клапанных запирающих элементов с механическим приводом для управления работой гидроцилиндра
Пробковые краны из-за значительных утечек и моментов трения для работы при высоких давлениях (р > 10 МПа) не применяют. В более ответственных случаях при требовании малых размеров распределителя, но при высоких давлениях и необходимости высоко-качественной герметичности используют плоские поворотные краны (рис. 3.72). Герметичность обеспечивается возможностью обработки плоскостей 5, 6, 8 п 9 по высшим классам точности, а легкая управляемость — хорошей гидростатической уравновешенностью крана. Устройство крана такого типа близко по конструкции описанному выше плоскому золотниковому распределителю. На поверхностях 6 и 8 крана выполнены дуговые пазы Г и 2', соединенные отверстиями 7. Отверстия 1 и 2 соединены соответственно с питающей установкой и областью слива, а отверстия 3 и 4 с управляемым объектом (гидродвигателем). Благодаря идентичности торцов 8 и 6 крап полностью гидростатически уравновешен и легко вращается при высоких давлениях. Поворот крана на 90° позволяет осуществлять реверс гидродвигателя, а поворот на 45° — его блокировку.
