Редукционные клапаны постоянного давления

Вопросы связанные с сертификацией самодельной техники или ее регистрацией можно задать на форуме в соответствующем разделе " Сертификация самодельной техники ". Специалисты Уральского центра экспертизы и подтверждения соответствия на автомобильном транспорте, а также участники сообщества проконсультируют вас.

 

РЕДУКЦИОННЫЕ КЛАПАНЫ

 

Редукционным называется клапан давления, предназначенный для поддержания давления в отводимом от него потоке рабочей жидкости более низкого, чем давление в подводимом потоке. Редукционные клапаны применяют в гидроприводах, в которых от одного источника питаются несколько потребителей, работа­ющих при разных давлениях.

Редукционные клапаны постоянного давления

Рис1. Расчетные схемы редукционных кла­панов

 

 

Редукционный клапан или редуктор (рис.1, а) представляет собой авто­матически действующий дроссель, сопротивление которого равно в каждый данный момент разности между переменным давлением р_н на входе в кла­пан и постоянным (редуцированным) давлением P_ред<Р_н на выходе. Кла­пан предназначен для понижения (редуцирования) давления в ка­ком-либо отводящем участке ма­гистрали (гидролинии) и поддер­жания этого давления постоянным независимо от давления в подво­дящей магистрали, которое должно лишь несколько (на 2—3 кГ/см²) превышать редуцированное дав­ление.

Эти клапаны применяются в основном в том случае, если от одного источника расхода (насоса) питается несколько потребителей, (исполнительных двигателей), требующих разных давлений. Источник расхода (насос) в этом случае рассчитывают на макси­мальное давление, необходимое для питания какого-либо из по­требителей.

В простейшем виде редукцион­ный клапан (рис. 1, а) пред­ставляет собой плунжер 2 с дрос­селирующей конусной головкой с на правом конце и с уравновеши­вающим поршеньком а на левом. Жидкость под высоким давлением р_н подводится к каналу b и отво­дится под редуцированным дав­лением р_ред<р_н через канал е. Понижение давления с входного р_н до выходного р_ред и поддержа­ние последнего на постоянном уровне обусловлено динамическим равновесием сил, действующих на подвижный плунжер 2, из которых усилие пружины 1 дей­ствует в сторону увеличения открытия проходной щели высотой у, соеди­няющей каналы b и е, а давление р_ред в камере d и гидродинамическая сила действуют в сторону уменьшения этой щели.

При некотором малом Р (меньше расчетного) давлении р_ред плунжер 2 усилием пружины 1 отжимается вправо и увеличивает зазор у, по которому жидкость поступает из канала b высокого давления р_н в канал е редуцированного давления р_ред. После того как давление р_ред в последней линии превысит расчетное давление, на которое отрегулирована пружина 1, плун­жер 2 под действием давления р_ред жидкости переместится влево, частично или полностью перекрывая доступ жидкости из канала b в канал е редуци­рованного давления.

При условии, что диаметр сечения конусной головки с затвора плоско­стью, проходящей по точкам контакта ее с кромками седла (соответствует седлу с острыми кромками), равен диаметру поршенька а, силы давления р_н на плунжер 2 в начале открытия щели (зазор у — 0) уравновешиваются (р_ред не зависит от р_н), и уравнение состояния клапана имеет вид (силами инерции и трения пренебрегаем).

где – площадь указанного сечения конуса затвора;

P₀ = Сy₀ — усилие предварительного сжатия пружины 1 (при у = 0);

y₀ и С — предварительное сжатие пружины и ее жесткость.

При открытой щели (у > 0) на затвор будет дополнительно действовать в сторону закрытия затвора гидродинамическая сила Р _г, с учетом ко­торой уравнение равновесия плунжера 2 примет вид

;

где р'_ред — редуцированное давление при у > 0.

При небольших перемещениях величинами у и Р _г можно вследствие их относительной малости пренебречь, в результате для расчета редуциро­ванного давления можно пользоваться предыдущим уравнением, которое показывает, что при принятых допущениях расчетное значение р_ред не зависит от входного давления р_н. Однако вследствие нестабильности влия­ния на гидродинамические силы Р_г перепада давления ∆р=р₁—р₂, наблюдается также некоторое нарушение стабильности р_ред, т. е. р_ред=f(p_н)

Для компенсации.влияния на р_ред возможных изменений давления р_сл в сливной магистрали гидросистемы последняя соединена с камерой 1, ввиду чего сила сливного давления на поршенек а плунжера 2 суммируется с уси­лием пружины 1.

Недостаток этого клапана - низкая чувствительность к изменениям р_ред, обусловленная трением поршня и малой площадью элемента, на который дей­ствует редуцированное давление. Для устранения трения и повышения чувствительности при невысоких (3—5 кГ/см²) редуцированных давлениях применяют клапаны, роль поршня в которых выполняет резино–каневая гофрированная мембрана 2 (рис. 1, б).

Жидкость под высоким давлением р_н подводимая через канал d в камеру с, пройдя дросселирующую щель высотой у, образованную конусным затвором 3 и гнездом клапана, поступает в камеру е и канал b потребителя редуцированного давления р_ред. Пружина 1, как и в рассмотренной выше схеме, стремится открыть затвор 3 клапана, а силы давлений р_ред жидкости на мембрану 2 и силы давления р_н на связанный с ней затвор 3 стремятся его закрыть (уменьшить высоту щели у). Для демпфирования колебаний применен дроссель 4.

Выражение, отражающее работу такого клапана, основано на следующих исходных уравнениях:

расхода жидкости через щель клапана

; (1)

равновесия затвора под действующими на него силами (допускаем равно­мерное распределение давления по площади затвора и пренебрегаем силами трения и гидродинамического воздействия)

, (1)

где у и α — открытие (ход затвора) клапана и угол конуса затвора при его вершине;

Р₀ — усилие сжатия пружины при закрытом затворе клапана (при у = 0);

D и d — диаметры мембраны и седла клапана.

Подставив в выражение (1) у из выражения (1), получим

.

где

Положив в уравнении (2) y=0, получим выражение для определения максимального давления p_ред на вы­ходе из редуктора

.

Рис. 2. Редукционный клапан мембранного (сильфонного) типа (а) и редукционно–предохранительные клапаны (б и в)

 

Из последнего выражения сле­дует, что выходное давление р_ред
несколько зависит от входного р_н, увеличиваясь с уменьшением послед­
него.

Благодаря значительному превы­шению диаметра D мембраны над диаметром d гнезда клапана, а также уменьшенному трению рассмотрен­ный клапан отличается высокой чув­ствительностьюПри более высоких редуцирован­ных давлениях мембрана заменяется поршнем 1 того же диаметра D (рис. 72, в). Расчет производится по тем же уравнениям с добавлением в выражение (43) силы трения поршня.

В некоторых случаях требуется обеспечить высокую чувствительность и поддержание заданного редуцируе­мого давления при малых расходах (близких к нулю). Поскольку при рассмотренных выше плунжерных схемах с щелевым уплотнением и конусными затворами (рис. 1) обеспечить тре­буемую герметичность трудно, применяют клапаны с пластинчатым (плос­ким) затвором 1, в котором уплотнение подвижного соединения осуществлено при помощи металлического сильфона 2 (рис. 2, а).

Условие равновесия такого клапана без учета гидродинамической силы может быть приближенно записано

,

где – площадь поперечного сечения входного канала (отвер­стия) диаметром d,

F — полезная площадь сильфона;

Р_пр — суммарное усилие пружины 3 и сильфона 2 при нулевом подъеме клапана (у = 0);

С₁ — суммарная жесткость пружины 3 и металлического сильфона 2;

у — открытие клапана.

При малом подъеме клапана величиной С₁у можно пренебречь, в результате получим выражение для вычисления редуцированного давления

Редукционно-предохранительные клапаны

На рис. 2, б и в представлена схема клапана, в котором совмещены функ­ции редукционного и предохранительного клапанов. Положение клапана, представленное на рис. 2, б, соответствует подводу к потребителю жидкости под редуцированным давлением. При этом жидкость из магистрали нагнета­ния под давлением рн поступает через щель между грибком клапана 1 и седлом в корпусе 2 к потребителю.

До того, пока давление р_ред в системе потребителя не достигло заданного значения, поршень 3 отжат пружиной 4 в крайнее левое положение. В этом положении конусная игла клапана 1 упирается в седло поршня 3, пружина 5 сжата, поэтому клапан открывает максимальный проход жид­кости к потребителю.

При повышении давления р_н на входе в редуктор повышается также дав­ление р₁ в полости потребителя, в результате поршень 3 под действием давления жидкости сжимает пружину 4 и перемещается вправо. При этом под действием пружины 5 вправо перемещается также и клапан 1, в резуль­тате зазор между левым грибком клапана и седлом корпуса уменьшается. При достижении заданного редуцированного давления р_ред в системе кла­пан 1 закроется полностью. При уменьшении редуцированного давления в системе поршень 3 снова переместится влево и откроет клапан, в резуль­тате давление в системе увеличится.

При повышении редуцированного давления сверх заданного значения сила давления жидкости на поршень 3 увеличивается настолько, что он, перемещаясь вправо (рис. 2, в), отходит от конусной иглы клапана 1, в результате конусный грибок этого клапана сядет в свое гнездо корпуса 2, а между иглой клапана и седлом поршня 3 при дальнейшем его перемеще­нии образуется зазор, через который жидкость из камеры а редуцирован­ного давления поступает на слив. В этом случае редуктор действует в ка­честве предохранительного клапана системы потребителя (системы реду­цированного давления).