ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ КЛАПАНЫ

ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЕ КЛАПАНЫ

Клапан является в общем случае устройством, предназначенным для управления потоком жидкости путем автоматического изменения рабочего окна под воздействием протекающей через него рабочей жидкости. В гидро­приводах клапаны используются в основном в качестве регуляторов давле­ния и расхода жидкости. Регуляторы давления подразделяются на предохра­нительные (переливные) и редукционные клапаны, регуляторы расхода под­разделяются на стабилизаторы и ограничители расхода, а также делители потока и обратные клапаны.

Предохранительные клапаны ограничивают повышение давления в си­стеме сверх заданного путем периодического и однократного отвода (стравливания) жидкости в бак. Переливные клапаны предназначены для поддержания давления в системе путем непрерывного стравливания жидкости, как, например, при дроссельном регулировании расхода (скорости гидродвигателя).

Различают клапаны прямого действия и двухступенчатые клапаны (с серводействием). В клапанах прямого действия размеры рабочего окна изменяют в; результате непосредственного воздействия на запорно-регулирующии 1 орган (затвор) проходящего через него потока рабочей жидкости. В клапанах 6 серводействием размеры рабочего окна (окон) изменяются в результате воздействия потока жидкости на запорно-регулирующии орган через проме­жуточный элемент. Применяется также название «клапан давления», под которым понимается регулирующий гидроаппарат, предназначенный для управления давлением жидкости, а также «напорный клапан», предназна­ченный для ограничения давления в подводящей гидролинии, причем в за­висимости от выполняемой функции эти клапаны могут называться предохра­нительными и подпорными клапанами.

Клапаны прямого действия.

Принцип действия таких клапанов, применяемых в гидросистемах машин, основан на уравновешивании внешней силой (пружиной, электромагнитом, грузом и пр.) усилия давления жидкости, действующего на затвор клапана(шарик, плунжер с конусным посадочным местом и пр.), который под дей­ствием этой силы плотно (герметично) перекрывает проходной канал (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Схемы предохранительных клапанов

 

После того как сила давления жидкости, действующая на затвор клапана, преодолеет эту противодействующую внешнюю силу, затвор, сместившись со своего седла, откроет проход для жидкости в сливную линию (в бак). При понижении давления на входе в клапан ниже значения, соответствующего противодействующей внешней силе, затвор вновь перекроет проход жидкости в бак. В соответствии с этим предохранительный клапан является дроссели­рующим устройством (органом) с переменной площадью проходного сечения. Наиболее простым из предохранительных клапанов является шарико­вый с постоянной (рис. 62, а) или регулируемой затяжкой пружины. Однако эти клапаны применимы лишь при относительно небольших давлениях и кратковременном действии, так как при длительной работе шарик вследствие вибрации неравномерно вырабатывает (разбивает) гнездо клапана. Для уменьшения этой неравномерности выработки седла шарик, в особенности в клапанах систем высоких давлений, снабжают направляющей m (рис. 1, б), с помощью которой обеспечивается его перемещение лишь вдоль оси.

К этому же типу относится клапан с конусным затвором, схемы которого изображены ни рис.1,в и 2,а. Обязательным условием обеспечения герметичности последнего клапана является соблюдение строгой соосности цилиндрической и конусной поверхностей затвора, а также соосности направляющего цилиндра корпуса клапана и конусного гнезда.

Регулировка предварительного сжатия пружины 2 (рис. 2, а) осущест­вляется с помощью болта 3. Для демпфирования колебаний предусмотрен дроссель 1.

 

 

Рис. 2. Расчетные схемы предохранительных клапанов с конусным

затвором.

 

.

Характеристики клапана. Качество предохранительного клапана оценивается его статической и динамической характеристиками.

Статическая характеристика выражает зависимость между входной и выходной величинами в установившемся режиме при разных, но постоянных нагрузках

Для клапанов такие характеристики обычно выражают зави­симость давления р и перемещения h затвора в функции расхода Q (р=f(Q) и h=f(Q)).

Динамическая характеристика описывает переходной процесс, про­исходящий в клапане в период перемещения затвора и изменения, нагрузки, расхода и т. д. К последним характеристикам относятся также и частотные характеристики, снятые в режиме вынужденных колебаний.

Расчет клапана для работы в статическом режиме сводится к определению площади рабочего окна, необходимого для прохода через него требуемого расхода Q жидкости при заданном перепаде давления Др. Расход жидкости Q и перепад давления ∆р связаны уравнением (20), в которое входит переменная площадь рабочего окна, зависящая от высоты h подъема клапана а также переменный коэффициент расхода μ.

На рис. 3 представлен экспериментальный график зависимости коэффи­циента расхода μ, клапана с углом конусности затвора при вершине, равным α=90°, от Re при различных перепадах давления ∆р=р₁—p₂. Re рассчитывалось по выражению

где r _г = f/σ — гидравлический радиус;

здесь σ = 2πd — смоченный периметр;.,

d—средний диаметр сечения щели, образованный затвором и
седлом клапана.

Эксперименты проведены на масле АМГ-10 при температурах 30 и 50° С. На этой кривой достаточно отчетливо наблюдаются два участка Re < 40 и Re > 40. Для первого участка (Re < 40) коэффициент расхода может быть вычислен по выражению

μ=0,126Re.

Для второго участка (Re > 40), который является основным (преобла­дающим) для клапанов, коэффициент расхода практически не зависит от Re и может быть принят для этого клапана μ=const=0,75.

В ряде рекомендаций этот коэффициент при Re<40 принимается равным μ=const=0,8.

Поскольку сечение щели между затвором и седлом клапана при подъеме изменяется, при расчете принимают среднее значение ее диаметра. В частности, для конусного затвора средний диаметр щели при его подъеме опреде­ляют приближенно (см. рис. 63, а и б):

Рис.3. Зависимость коэффициента расхода клапана μ от Re

 

 

В соответствии с этим текущая площадь проходной щели клапана с ко­нусным затвором и с острой кромкой седла

где t— размер щели в сечении, перпендикулярном к направлению потока;

d — диаметр канала клапана (острых кромок седла);

d₁ — диаметр эффективного сечения конуса затвора клапана в поднятом положении.

Из расчетной схемы клапана (см. рис. 63, а и б) следует, что

в соответствии с чем

где h — высота подъема затвора клапана по его оси;

α — угол при вершине конуса затвора.

Поскольку h значительно меньше d, вторым членом разности можно, в особенности при небольших подъемах (открытиях), пренебречь, в резуль­тате получим упрощенное выражение

В соответствии с этим выражение для расхода через клапан

(1)

где – проводимость клапана.

Пользуясь выражением (1), находим высоту подъема рассматриваемого клапана с острой кромкой седла:

Высота подъема в клапанах с α = 60÷90° обычно выбирается равной h=(0,2÷0,3)d. Во избежание заклинивания угол а должен быть α≥60°.

Для применяемых в гидроприводах предохранительных клапанов высоких давлений и малых расходов подъем затвора обычно

h = (0,1+ 0,5) d,

где d — диаметр проходного отверстия в седле клапана.

Для больших расходов и малых давлений применяют клапаны с подъемом затвора h = (0,25÷0,35) d.

Ввиду того, что коэффициент расхода μ для конусных клапанов с доста­точно острой кромкой гнезда сохраняется практически постоянным в широ­ком диапазоне подъемов h затвора (см. рис. 64), выражение (38) можно пред­ставить для конкретных условий в виде

,

где — постоянный для данных условий член.

Предыдущее выражение для Q показывает, что при1 всех прочих равных условиях расход пропорционален квадратному корню из перепада ∆р = р₁ — р₂ давления.

Скорость жидкости в подводящем канале (в отверстии гнезда) предохра­нительного клапана при расчетах обычно выбирают до 15м/сек, а в отдельных случаях в клапанах высокого давления — до 30 м/сек и выше.

Силы, действующие на затвор клапана. На затвор клапана действуют силы гидростатического давления и трения, силы гидродинамического воз­действия потока, боковое усилие, обусловленное несимметричностью распре­деления давления жидкости в радиальном зазоре и несоосностью затвора и отверстия, а также силы бокового давления, вызываемого несимметричным действием усилия пружины.

На первом этапе расчетов клапана учитывают лишь силы гидростатиче­ского воздействия.

Перепад давления ∆р, соответствующий началу открытия (или концу /закрытия) затвора предохранительного клапана, для клапана с острыми кромками посадочного седла (см. рис. 63, а), т. е. условие равновесия ста­тических сил, действующих на затвор клапана, можно определить (без учета сил трения и веса затвора) по уравнению

, (2)

где ∆р = р₁— p₂ — перепад давления на затворе клапана;

здесь р₁ и р₂ — давление на входе в клапан и в сливной его камере;

— проекция поверхности затвора клапана, омываемой жидкостью под давлением, на плоскость, перпенди­кулярную к его оси (площадь сечения затвора по линии контакта его с кромками седла);

при максимальном расходе жидкости имеет вид

где Рmах > Po — усилие пружины при сжатии ее на h₀ + h;

здесь Ро — усилие пружины при предварительном сжатии на h₀;

f_эф <fо— эффективная площадь клапана;

h — подъем клапана по оси (см. рис. 2, а и б).

Влияние формы гнезда. В реальных клапанах гнездо имеет не острые кромки, а некоторую поверхность (см. рис. 2, в), ввиду чего стабильность сил давления жидкости, действующих на клапан, а следовательно, и разница в давлениях р_н в начале открытия и р₀ в конце закрытия будет еще более значительной. Из рис. 2, в видно, что перед отрывом затвора клапана от седла усилие пружины уравновешивается давлением жидкости, действующим на проекцию омываемой, поверхности затвора, которой для герметичного клапана будет площадь сечения отверстия диаметром d. После же того как затвор оторвется от своего гнезда, жидкость поступит в щель, образованную седлом и конусом затвора, в результате площадь, на которую будет дей­ствовать давление жидкости, увеличится на проекцию площади седла на плоскость, перпендикулярную к оси затвора. Очевидно, что давление у внут­ренней кромки контакта затвора с седлом равно рабочему давлению р₁ тогда как у внешней кромки щели оно понизится до давления р₂, равного давлению на выходе из клапана. При конусности поверхностей, образующих щель, изменение давления от р₁ до р₂ происходит по закону, изображен­ному на рис. 2, в (заштрихованные площадки).

В соответствии с этим условие равновесия сил, действующих на затвор клапана в момент закрытия окна,

где р_ср — среднее давление, действующее на этот поясок после отрыва кла­пана от седла (h > 0);

–площадь проекции поверхности пояска гнезда на плоскость, перпендикулярную к оси затвора.

Для определения дополнительного усилия давления жидкости, действую­щего в рассматриваемой щели, пользуются средним значением давления, ко­торое по опытным данным

р_ср=0,45(p₁—р₂).

Отсюда давление, при котором клапан закроется (h~0),

При недостаточной герметичности конусного затвора дополнительное усилие от давления жидкости в щели гнезда клапана войдет также и в баланс сил, действующих в момент его отрыва от седла при открытии' клапана, ввиду чего подобный клапан откроется при давлении ниже дав­ления, получаемого из выражения (2).

Разрыв в давлениях начала открытия и конца закрытия такого клапана можно понизить уменьшением ширины опорной поверхности гнезда. В част­ности, контакт затвора клапана с седлом по кромкам, близким к острым, обеспечивается часто тем, что углы при вершинах затвора и гнезда выпол­няются различными (рис. 4 а). Площадь 1, на которую действует давление жидкости в начале открытия и в конце закрытия клапана, определяется для этого клапана площадью вершины конуса

Распространены также клапаны с коническим седлом и сферическим зат­вором (рис. 4, б). Эти клапаны обладают относительно небольшим сопротив­лением течению жидкости (в 1, 5—2 раза ниже, чем в клапанах с коническим затвором). Угол β седла последнего клапана обычно равен 90° и диаметр D сферы D = 2d. Площадь, на которую действует давление жидкости в начале открытия и в конце закрытия этого клапана, является площадью сечения сферы по точкам ее контакта с гнездом плоскостью, перпендикулярной к оси клапана

 

 

Рис. 4. Клапаны:

а — с неравными углами конусов затвора и гнез­да; б — со сферическим затвором

 

 

Эта площадь

 

Рис. 5. Расчетная схема перелив­ного клапана плунжерного типа