Регуляторы давления

Регуляторами давления называются устройства, предназна­ченные для поддержания заданного давления рабочей жидкости в любой точке гидропривода. К ним относятся предохранительные, переливные и редукционные клапаны, принцип действия которых основан на уравновешивании сил давления жидкости механической или газовой пружиной.

/^

*;

Рис. 112. Схема включения предохранительного клапана и его характеристика

Предохранительные клапаны применяются для защиты гидро­привода от перегрузки путем ограничения повышения давления предельным значением в результате периодического и однократ­ного отвода жидкости на слив. Клапан включается в напорную магистраль (рис. 112, а).

Основными элементами предохранительного клапана являются запирающий (рабочий) и чувствительный элементы. Запирающий элемент предназначен для герметизации клапана и конструктивно выполняется в виде сферы, конуса, плоскости или мембраны. Чувствительный элемент предназначен для ограничения давления в клапане и выполняется в виде механической, гидравлической или пневматической пружины, электромагнита или груза.

По воздействию жидкости на рабочие элементы различают кла­паны прямого действия (одноступенчатые) и клапаны непрямого действия (двухступенчатые), у которых поток жидкости воздей­ствует на запирающий элемент через промежуточное устройство.

На рис. 113 приведены принципиальные схемы наиболее рас­пространенных клапанов прямого действия с шариковым, конус­ным и плоским рабочими органами. Клапан состоит из корпуса 1, в котором образованы каналы входа 2 и выхода 3 и размещен за­пирающий элемент 4, герметично перекрывающий входной канал с помощью пружины 5. Герметичность клапана обеспечивается контактом запирающего элемента с поверхностью канала входа в клапан, называемый седлом. Седло и запирающий элемент со­ставляют затвор клапана.

Рис. 113. Схемы предохранительных клапанов

-

Принцип действия клапана основан на уравновешивании пру жиной усилия давления жидкости, действующего на затвор кла­пана. До давления перед клапаном, равного р (см. рис. 112, б) он перекрывает напорную магистраль, не пропуская жидкость, за исключением возможных утечек (штриховая линия). При давле­нии р₀ клапан начинает открываться, преодолевая усилие пру­жины и силы трения. Давление р₀ называется давлением откры­тия клапана при нормальном расходе жидкости через клапан, указанный в его паспорте.

Открытие клапана сопровождается перепуском части жидко­сти, подаваемой насосом на слив, и падением давления в напорной магистрали, приводящим к закрытию клапана. Если причина, вызвавшая повышение давления в магистрали перед клапаном и открытие клапана, не будет устранена, клапан останется открытым или будет совершать колебательное движение в пределах давлений Ро и р₃.

При этом возможны автоколебание клапана и существенные скачки давления в гидромагистрали.

Таким образом, характеристика пружины определяет вели­чину давления, при котором клапан откроется,

Разница между давлением открытия и закрытия клапана опре­деляет перепад давления, в пределах которого работает клапан: Ро —Рз = Ар. На практике стремятся к минимальному значению этого перепада, т. е. к более пологой характеристике клапана (см. рис. 112), так как при этом лучше удовлетворяются предъ­являемые к предохранительному клапану требования, основными из которых являются устойчивость, надежность и высокая герме­тичность. Однако ограничения, накладываемые на пологость ха­рактеристики указанными требованиями, существенно затрудняют решение задачи достижения Лр_т1п.

Устойчивость клапана означает отсутствие незатухающих ко­лебаний, приводящих к ударам клапана о седло и его разрушению, а также к значительным колебаниям давления во всей магистрали гидропривода. Динамика клапана обусловливается ускорением его подвижных частей в переходном режиме. В момент открытия клапана вследствие инерции его подвижных элементов давление перед клапаном резко возрастает, и он получает импульс для от­крытия с большим ускорением. При этом пружина сжимается,

скорость потока в проходных каналах клапана возрастает, и да­вление в соответствии с законом Бернулли падает, что приводит к излишне большому перемещению клапана в сторону закрытия. Это, в свою очередь, вызывает увеличение давления и новый подъем клапана. Далее цикл может повторяться, появляется стук в кла­пане и наблюдается колебание давления. Для устранения таких явлений применяют демпфирующие устройства, создающие при движении клапана силы трения, которые примерно пропорцио­нальны скорости его перемещения.

Надежность клапана предусматривает безотказность его от­крытия независимо от продолжительности пауз между открытиями и обеспечивается правильным выбором его конструкции. Так, например, для условий, когда возможны длительные паузы между срабатываниями клапана, ненадежным будет клапан плоского (золотникового) типа, которому присуще свойство заклинивания вследствие облитерации в период пауз.

Стабильность работы клапана означает безотказность выполне­ния им защитных функций во всем диапазоне расхода через него жидкости, поэтому чем уже Ар, тем более стабильно работает клапан.

Герметичность клапана будет обеспечена, если между запираю­щим органом и седлом в результате действия пружины создается замкнутая линия контакта, напряжение вдоль которой или удель­ная сила прижатия превышает величину давления жидкости, По мере приближения давления к критическому (р_х) удельная сила прижатия также достигает критического значения (^_кр), при котором клапаны'теряют герметичность до своего открытия.

Следовательно, клапаны прямого действия не имеют достаточ­ной стабильности и герметичности, поэтому они не пригодны для условий, где герметизация играет основную роль при выборе клапана, например для гидропривода механизированных крепей, где клапан определяет основные параметры крепи: несущую спо­собность, надежность. В этом случае преимущество имеют двух­ступенчатые клапаны.

Двухступенчатый клапан (рис. 115) состоит из основного / и вспомогательного 2 клапанов. Жидкость подводится к оснсвному клапану по каналу 3 и одновременно поступает по каналу 4 к вспо­могательному клапану, открытие которого приведет к подъему основного клапана и пропуску жидкости из напорной магистрали на слив через канал 5. Пружина 6 основного клапана играет вспо­могательную роль, поэтому имеет ограниченные размеры. Благо­даря небольшому расходу жидкости через дроссельный канал 4 давление на вспомогательный клапан мало изменяется, и основной клапан работает стабильно. Вследствие неизбежного запазды­вания в отработке сигнала вспомогательного клапана двухсту­пенчатые клапаны не рекомендуется применять в условиях, где возможны большие забросы давления.

Предохранительные клапаны гидростоекмеханизированных крепей работают в специфических условиях, поэтому по назна­чению, выполняемым функциям и характеристикам эти клапаны отличаются от рассмотренных выше. Гидросистема стойки с пре­дохранительным клапаном работает на маловязкой эмульсии и является замкнутой без подпитки (см. рис. 97). Поэтому любое нарушение герметичности предохранительного клапана приводит к перемещению поршня гидростойки и опусканию кровли, что при определенных условиях может привести к ее обрушению и созданию аварийной обстановки в забое. Это определяет специ­фику требований, предъявляемых к предохранительным клапа­нам гидростоек: абсолютную герметичность и стабильность работы клапана во всем диапазон давлений, повышенный ресурс, форму исполнения, безотказность работы, ограничение величины пере­пада давлений.

Наиболее распространенной схемой предохранительного кла­пана гидростоек является схема обратного действия и реже пря­мого действия с подвижным седлом. В клапане с подвижным седлом обратного действия жидкость подводится не под запираю­щее устройство, как в обычном клапане, а над ним (рис. 116). Подвижное седло 1 с запирающим элементом 2 находится в равно­весии под действием силы трейиЯ и двух предварительно сжатых основной 3 и вспомогательной.;¹* пружин.

В начальный период запорное усилие клапана определяется натяжением вспомогательной пружины. При увеличении подво-

в затворе клапана

Рис. 116. Схема клапана Рис. 117. Графики удельной нагрузки

с подвижным седлом в затворе клапана

дящего давления рабочей жидкости увеличивается усилие прижа­тия клапана к седлу и возрастает величина давления на контакти­рующие поверхности клапана. Одновременно происходит переме­щение седла и сжатие пружины 4. В момент контакта клапана с упором 5 давление достигает максимального значения. Дальней­шее возрастание давления рабочей жидкости приводит к откры­тию упором клапана и падению контактного давления на седло до нуля.

Процесс формирования контактного давления в рассматривае­мом клапане можно приближенно описать зависимостью

где с — жесткость, соответствующая индексу пружины (см. рис. 116); 5_К —площадь контакта уплотнения клапана; 5_Р — площадь клапана, на которую действует давление р; 5_С — пло­щадь подвижного седла; Р₀₃ — усилие предварительного сжатия основной пружины.

На рис. 117 приведены графики изменения контактного да­вления в клапане с подвижным седлом (кривая /) и в обычном клапане (кривая 2), откуда следует, что при одинаковом значении критического давления зона потери герметичности у первого кла­пана Ь меньше, чем у второго а.

По схеме с подвижным седлом выпускается несколько кон­струкций клапанов. Для повышения надежности эти клапаны снабжаются мягким запирающим элементом, а в качестве чувстви­тельного элемента в них используется механическая или газовая пружина. Последние, получившие название газовых клапанов, выпускаются в виде патрона, который монтируется в гидроблоке стойки крепи.

На рис. 118 показан клапан обратного действия с подвижным седлом и механической пружиной (типа ЭКП). Соединение кла­пана с напорной магистралью поршневой полости гидростойки

Рис. 118. Предохранительный клапан серии ЭКП

производится через фильтр 1 и канал 2, а со сливной линией — через канал 3. При определенном заданном давлении в напорной магистрали клапан 4 вместе с седлом 5 и направляющей 6 пере­мещается влево до упора в корпус 7 клапана. При критическом давлении седло 5 отделяется от клапана, и рабочая жидкость идет на слив через центральный канал седла в полость 3.

Примером конструкции газового клапана, в котором применен диафрагменный запорный элемент, прижимаемый усилием сжа­того газа, может служить клапан типа КГУ (рис. 119). Напорная магистраль гидросистемы (гидростойки) соединяется с каналом 1 клапана и по кольцевой щели между седлом 2 и дросселем 3 жид­кость подводится к мембране 4. При достижении заданного да­вления мембрана отжимается, ирабочая жидкость поступает на слив в канал 5 через коль­цевую щель между седлом 2 и втулкой 6. Мембрана прижи­мается к седлу с помощью газа, заключенного в камере 7. Гер­метизация камеры обеспечи­вается клапаном 8, который является зарядным.

Параметры стоечных предо­хранительных клапанов регла­ментированы отраслевым стан­дартом ОСТ 24.173.65 «Крепимеханизированные.

Клапаныпредохранительные. Основные параметры».