Хидравлични задвижвания – предимства, недостатъци, работни течности и управление (Част 2)

Хидравличните задвижвания са сред първите създадени от човека съоръжения за привеждане в движение на различни машини и агрегати. През годините използваните конструкции хидрозадвижвания са претърпели сериозно развитие. 

Хидравлични клапани

Това са управляващи устройства, предназначени да променят налягането на течността в хидравличната система. Класифицират се на основата на два признака - в зависимост от характера на задвижването на регулиращия елемент и според функционалното си предназначение. Клапани, при които регулиращият елемент, наричан още затвор, се привежда в движение от преминаващия през него поток се определят като клапани с пряко действие. 

Устройства, при които затворът се премества посредством външно въздействие, се наричат клапани с непряко действие. Според предназначението си клапаните се разделят в две основни групи - регулиращи и направляващи. Първите регулират налягането на хидравличния поток, изменяйки съпротивлението си. Направляващите клапани променят посоката на движение на потока чрез отваряне или затваряне на проходното сечение.

Клапани за налягане

Разделят се на напорни, който ограничават налягането на течността пред входа си, и редукционни, които намаляват налягането в системата след изхода си.

От напорните клапани най-широко разпространени са предпазните. Предназначението им е да предпазват хидравличната система от претоварване и аварии. Принципът им на действие най-общо се състои в отваряне на регулиращия елемент на клапана в случаите, при които налягането в тръбопровода достигне определена стойност. Клапанът изпуска излишната течност, която помпата подава обратно към резервоара. В хидравлични системи с монтирани предпазни клапани се допускат високи скорости на движение на течността - от порядъка на 10-20 m/s.

Конструктивно предпазните клапани са решени основно с пружина. Силата на пружината действа върху затвора, уравновесявайки силата на налагането в системата. Използват се различни конструкции предпазни клапани, в зависимост от вида на регулиращия елемент. Най-прости като конструктивно изпълнение са сферичните клапани. По принцип конусните клапани работят по-надеждно от сферичните. 

Основният им недостатък се състои в появата на осеви вибрации при пускане на течността, които се отразяват неблагоприятно върху елементите на цялата система. Клапаните със сферичен или конусен затвор са чувствителни към замърсяването на работната течност.

Плунжерните клапани се характеризират с най-малка склонност към вибрации, висока надеждност и слаба чувствителност към замърсявания на работната течност. Съществен недостатък на плунжерните клапани е отсъствието на пълна херметичност в конструкцията им. По тази причина при налягане в системата по-високо от 3-5 MPa е препоръчително използването на сферични и конусни предпазни клапани. За приложения, в които изискванията към херметичността са много високи, се използват специални изпълнения клапани с дисков или фасонен затвор.

Избор и монтаж на предпазни клапани

При избора на предпазен клапан трябва да се вземе предвид обстоятелството, че с най-добри технически характеристики е апаратура, имаща хоризонтална или близка до нея характеристика (зависимостта между налягането на входа и дебита на течността, която преминава през клапана при отварянето му). За постигане на хоризонтална характеристика са разработени клапани със специално оформяне на седлото и затвора.

Местоположението на предпазния клапан в хидравличната система се определя в зависимост от спецификите й. Използват се три принципни монтажни схеми. Първата се прилага в системи с приблизително еднакво работно налягане във всички клонове на системата. В този случай системата се защитава от един предпазен клапан, който се монтира паралелно на помпата в началото на напорния тръбопровод. Втората схема се използва в приложения, при които налягането в един от клоновете е по-ниско от това в цялата система. 

За защита на системата се използват два клапана - един паралелно след помпата, настроен на високото налягане, и втори, монтиран паралелно в началото на клона с ниското налягане, настроен за налягане с 20% по-ниско от това в клона. В случаите, при които потокът в системата се реверсира, се използват два клапана, работещи в обратни посоки.

Предпазно-преливни клапани

Предпазно-преливните клапани са предназначени да поддържат определено налягане пред входа си. Устройството им не се различава принципно от това на предпазните хидравлични управляващи устройства. За разлика от предпазните клапани, предпазно-преливните пропускат работна течност към резервоара непрекъснато, което определя съществуващото ограничение към скоростта на движение на течността (по-малка от 5 до 8 m/s). 

Предпазно-преливните клапани се изпълняват основно като плунжерни. При избора на клапаните трябва да се вземе предвид изискването максималната им пропускателна способност да бъде равна или по-голяма от дебита на помпата. При системи, характеризиращи се с големи дебити и налягания, за увеличаване чувствителността на клапана се използват диференциални затвори.

Друг начин за намаляване силата на пружината и увеличаване стабилността на поддържаното налягане в системи с големи дебити и налягания е чрез използването на предпазно-преливни клапани с непряко действие.

Подпорни клапани

Друг вид управляващи устройства за налягане, които намират приложение в хидравличните системи са т.нар. подпорни клапани. Създават противоналягане в отвеждащия тръбопровод. Монтират се последователно в тръбопровода.

Редукционни клапани

Редукционните клапани са регулатори на налягане, които за разлика от преливните клапани поддържат постоянно налягане на течността на изхода си. Като принцип на работа са нормално отворени. Използват се основно в хидравлични системи с помпа, захранваща няколко консуматора с различни стойности на налягането.
Групата на т.нар. стабилизатори на налягане обхваща и клапани за поддържане на постоянен пад между наляганията на входа и изхода и клапани за поддържане на постоянно съотношение между наляганията на входа и изхода. При неголеми налягания приложение намират и мембранни редукционни клапани.

Направляващи клапани

Разделят се на два основни вида - обратни и управляеми обратни клапани, наречени още хидравлични ключалки. Обратните клапани пропускат течност само в една посока. Принципното им устройство е сходно на предпазните. Основната конструктивна разлика между обратните и предпазните клапани се състои в силата на използваната пружина - при обратните пружината е по-мека. Подобно на предпазните клапани, в зависимост от вида на затвора се разделят на сферични, конусни и дискови (пластинкови). 

Допустимата скорост на течността през клапана е от порядъка на 7 m/s, загубите на налягане могат да достигнат до 0,02 – 0,04 MPa. Основни изисквания към направляващите клапани са осигуряване на пълна херметичност в обратна посока, малко хидравлично съпротивление и голяма пропускателна способност.

Вторият вид управляващи клапани пропускат течността само в една посока при отсъствие на управляващо въздействие. След прилагане на такова въздействие клапанът пропуска потока на течност в двете посоки. Сред основните технически характеристики на направляващите клапани са дебитът, номиналното и максималното налягане, диапазонът на регулиране и други.

Хидравлични дросели

Те се използват за регулиране на дебита или създаване на определен пад на налягането в хидравличните системи. За разлика от клапаните, светлото сечение на дроселите не се променя в зависимост от дебита на преминаващия флуид. Следователно дроселите могат да се разглеждат като местни съпротивления в хидравличните системи. Класифицират се като регулируеми и нерегулируеми в зависимост от възможностите за регулиране. 

В зависимост от принципа си на работа, дроселите се определят като линейни и нелинейни. При първите течността преминава пред дълги проходни канали с малък диаметър. Загубата на налягане е резултат от триенето на течността в стените на канала в дросела. Линейните дросели са познати под наименованието ламинарни, поради ламинарния характер на течението в тях. 

При нелинейните дросели загубите на налягане се дължат основно на деформацията на потока и вихрообразуването при преминаването на течността през устройството. Наричат се още турбулентни.

Нерегулируеми дросели

Групата на нерегулируемите дросели обхваща капилярната тръбичка, втулката и шайбата. Капилярната тръбичка представлява дросел с многократно по-голяма дължина от диаметъра на проходния отвор (над 20d). Загубата на налягане в капилярната тръбичка се дължи единствено на триенето на течността в стените на дросела. Характеристиката й е линейна. 

Капилярната тръбичка се използва в системи с ниски налягания. Втулките имат дължина от порядъка на до 5 пъти диаметъра на отвора в дросела. Падът на налягането през втулката е сума от загубите от рязкото свиване и разширяване на потока и триенето на течността. 

Вследствие на посочената причина характеристиката на втулките е нелинейна и силно зависима от вискозитета на течността. Шайбите са дросели, които имат дължина по-малка от диаметър на проходния отвор. Загубите на налягане са резултат основно от внезапното свиване и разширение на потока. 

За получаване на по-големи падове на налягане се използват дросели, представляващи пакети от шайби, в които отворите на съседните елементи не лежат на една ос с цел избягване на взаимното влияние между тях. Хидравличното съпротивление на пакета е сума от съпротивленията на отделните шайби.

Регулируеми дросели

Според движението на затвора се класифицират като вентилни (с паралелно изместване) и кранови (със завъртане). Видът на всеки регулируем дросел допълнително се определя в зависимост от вида на отвора или затвора. Използват се иглени (конусни), пластинкови, винтови, шлицови, плунжерни и др. конструкции регулируеми дросели. По принцип вентилните дросели се отличават със стабилна параболична характеристика с ниска чувствителност към температурата на работната течност. 

Съществува широко разнообразие от конструкции вентилни дросели - с плунжерен затвор, конусни с диафрагма, с шлици и др. Крановите дросели са чувствителни към изменение на температурата. Сред недостатъците им е възможността от задръстване и облитерацията на проходния отвор. По принцип се използват в хидросистеми с ниски и средни налягания. Работата на регулируемите дросели се описва с четири статични характеристики:

• хидравлична Dp=f(n);
• дебитна - зависимост на дебита от ъгъла на завъртане на затвора Q=f(a) при кранови дросели и зависимост на дебита от броя на завъртанията на затвора Q=f(n) при вентилни дросели;
• геометрична - зависимост между изменението на лицето на проходния отвор и ъгъла на завъртане S=f(a) или хода на затвора S=f(n);
• регулировъчна - зависимост между пада на налягането в дросела и ъгъла на завъртане (хода) на затвора при постоянен дебит - Dp=f(a) или Dp=f(n).

Регулатори на дебит

Те са комбинирани хидравлични устройства, включващи различни дросели и клапани, предназначението на които е да поддържат дебита на работната течност в един или повече клонове на системата постоянен. Константната стойност на дебита в хидравличните системи е необходимо условие за поддържане на постоянна скорост на изпълнителните механизми, независимо от изменението на външното натоварване. 

В зависимост от предназначението си, регулаторите на дебит се разделят на дву- и трипътни регулатори на дебит; дву- и трипътни ограничители на дебит; делителни, събирателни и делително-събирателни клапани; дросели с обратен клапан и др.

Хидравлични разпределители

Това са устройства, управляващи посоката на движение на работната течност в два или повече клона на хидравличната система. Разпределителите могат да бъдат и дроселиращи, т.е. освен посоката променят и дебита на работната течност. Класифицират се на основата на многобройни признаци. Например, в зависимост от типа на управляващото въздействие са с ръчно, хидравлично, механично, електрическо и комбинирано управление. 

Според конструкцията на затвора разпределителите се определят като кранови, клапанни и плунжерни. В зависимост от броя на затворите, биват едносекционни, двусекционни и батерийни (многосекционни), а според броя на фиксираните положения на затвора - дву-, три- и многопозиционни. 

Друг признак за класификация е броят на свързаните към разпределителя външни тръбопроводи. Според критерия, разпределителите са дву-, три-, четири- и многопътни.

Най-широко приложение в хидравличните задвижвания намират плунжерните разпределители. Основни елементи в конструкцията им са плунжер с пръстени и цилиндрична втулка за свързване. Основно предимство на плунжерните разпределители е възможността за осъществяване на многопозиционност. Използват се в системи с дебити над 1000 кубични дециметра в минута и налягания до 30 MPa. 

Най-разпространени в системите за автоматично и дистанционно управление са три- и четирипътните плунжерни разпределители. Широкото използване на плунжерните разпределители се дължи на високата им надеждност, компактност, малки сили на триене и елементарност на конструкцията.

По принцип клапанните разпределители могат да работят при налягания по-високи от 35 MPa. Разработени са различни конструкции - с гърбично управление, единично и двойно хидравлично уравновесяване и др. Крановите разпределители се изработват за налягания от порядъка на 7 MPa и дебит до 10 кубични дециметра в минута.

Хидравлични релета

Разделят се на два основни вида според предназначението си - за налягане и за време. Релетата за налягане подават сигнал - най-често електрически, в случаите, при които налягането достигне предварително определена стойност. Разработени са различни конструкции релета за време, най-често от бутален и мембранен тип. Основно предимство на релетата за налягане от мембранен тип е пълната им херметичност.

Релетата за време представляват хидравлични управляващи устройства, които включват, изключват или реверсират определен изпълнителен механизъм през зададен период от време. Функционират на базата на дроселен или обемен принцип на работа.

Източник: TLL Media; Снимки: Dreamstime

Ключови думи: Хидравлични задвижвания   хидравлични клапани   хидравлични релета   разпределители   управляващи устройства  

Област: Машиностроене