В более ответственных случаях при требовании малых размеров распределителя, но при высоких давлениях и необходимости высококачественной герметичности используют плоские поворотные краны (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Крановый торцовый, гидростатически уравновешенный распределитель
Герметичность обеспечивается возможностью обработки плоскостей 5, 6, 8 и 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 1’ 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 кран полностью гидростатически уравновешен и легко вращается при высоких давлениях. Поворот крана на 90° позволяет осуществлять реверс гидродвигателя, а поворот на 45° - его блокировку.
5.2. Пневмораспределители.
Рассматривая управление пневматическими исполнительными механизмами, такими как пневмоцилиндры, пневмомоторы, поворотные пневмодвигатели и др., можно выделить несколько видов воздействия на движение исполнительных органов: реверсирование (изменение направления движения на противоположное), начало и остановка движения рабочего органа; изменение скорости; изменение усилия, развиваемого пневмодвигателем.
Реверсирование, пуск и остановку пневмодвигателей осуществляют с помощью направляющей пневмоаппаратуры, к которой относят: пневмораспределители, обратные пневмоклапаны, пневмоклапаны быстрого выхлопа, пневмоклапаны последовательности. Основным элементом, с помощью которого изменяют направление движения пневматического цилиндра или мотора, является пневмораспределитель. На рис. 5.8, а, б показан способ реверсирования поршневого пневмоцилиндра двустороннего действия с помощью золотникового двухпозиционного пневмораспределителя с пневматическим управлением. На рис. 5.8, а показано положение распределительного золотника 6 в корпусе 1, при котором сжатый воздух из пневмолинии поступает в воздухопровод 2 и затем в поршневую полость 3 пневмоцилиндра. Одновременно штоковая полость 4 этого цилиндра соединяется с атмосферой через воздухопровод 5 и выхлопное отверстие 7. Шток пневмоцилиндра при этом положении распределительного золотника движется слева направо. Для изменения направления движения штока на противоположное необходимо подать через отверстие 9 пневматический сигнал в управляющую полость пневмораспределителя (рис. 5.8, б). При этом сжатый воздух через внутренние каналы распределителя из пневмолинии поступит в полость 4, а полость 3 пневмоцилиндра соединится с атмосферой. При этом изменяется направление движения штока. Условное обозначение двухпозиционного пятилинейного пневмораспределителя с пневматическим управлением показано на рис. 5.8, в.
Рис. 5.8. Схемы управления пневмоцилиндрами
Для реверса штока необходимо подать сигнал в управляющую полость золотника. Это можно осуществить с помощью двухпозиционного трехлинейного пневматического распределителя с механическим управлением и пружинным возвратом. На рис. 5.8, г показана схема управления возвратно-поступательным движением пневмоцилиндра. На штоке 1 пневмоцилиндра укреплен кулачок 2, который нажимает на выступающую часть 3 золотникового трехлинейного распределителя 4. Под действием кулачка сжимается пружина 6. Сжатый воздух из пневмолинии 5 через воздухопровод 7 поступает в управляющую полость 8 пятилинейного пневмораспределителя. Золотниковый элемент 10 переместится в крайнее правое положение, так как правая управляющая полость 11 посредством аналогичного трехлинейного распределителя 12 соединится с атмосферой 13. Шток 1 пневмоцилиндра начинает двигаться влево, освобождая шток 3. Шток 3 под действием пружины 6 поднимается вверх, соединив полость 8 пневмораспределителя 9 с атмосферой. Золотниковый элемент 10 останется на месте («запомнит» команду), сдерживаемый от случайных движений трением. Это положение золотника 10 будет сохраняться до тех пор, пока кулачок 2 не нажмет на выступающую часть 13 золотника пневмораспределителя 12. Затем происходит реверс штока 1.
Непрерывное возвратно-поступательное движение можно прервать, если в пневмолинию 7 встроить аналогичный показанным на рис. 5.8 трехлинейный распределитель, но с ручным переключением из одной позиции в другую и фиксацией золотникового элемента в каждом из указанных положений. Тогда одно какое-либо положение золотника будет соответствовать состоянию штока цилиндра остановки, а другое непрерывному возвратно- поступательному движению пневмопривода. Однако следует помнить, что остановка штока произойдет в каком-либо одном из крайних положений штока пневмоцилиндра. На рис. 5.8, д показано условное изображение двухпозиционного трехлинейного пневмораспределителя с механическим управлением и пружинным возвратом. Для остановки пневмоцилиндра в промежуточном положении применяют трехпозиционные пятилинейные пневмораспределители. На рис. 5.8, е показан такой пневмораспределитель в среднем положении, т.е. в положении остановки пневмоцилиндра. Это состояние создается в результате снятия пневматических сигналов с обеих полостей управления 1 и 6 пневмораспределителя 12. Золотниковый распределительный элемент 5 пневмораспределителя устанавливается в среднее положение пружинами 7 и 11. В результате этого внутренние каналы пневмораспределителя оказываются разъединенными между собой. Сжатый воздух в полостях 2 и 4 пневмоцилиндра оказывается изолированным от питающей пневмолинии 9 и каналов 8 и 10, связанных с атмосферой. Давление в полостях пневмоцилиндра выравнивается и, если активные площади с двух сторон поршня 3 равны, шток останавливается. Если теперь потребуется возобновить движение штока, пневмораспределитель путем подачи пневматического сигнала в его полость управления, например правую полость 6, переводится в левое крайнее положение и тем самым сообщает левую полость 2 пневмоцилиндра с питающей пневмолинией 9, а правую полость 4 с каналом 8. Шток пневмоцилиндра начинает двигаться вправо. На рис. 5.8, ж показан пятилинейный трехпозиционный пневмораспределитель в крайнем положении, соответствующем перемещению штока управляемого им пневмоцилиндра. На рис. 5.8, з показано условное изображение трехпозиционного пятилинейного пневмораспределителя с «закрытым центром» (т.е. все каналы разобщены между собой) и двусторонним пневматическим управлением. Остановка пневмоцилиндра с двусторонним штоком может быть произведена пневмораспределителем с «открытым центром», т.е. когда все каналы соединены между собой.
Остановка пневмоцилиндра в промежуточном положении может быть решена с помощью двух двухпозиционных трехлинейных пневматических распределителей (рис. 5.8, и). Оба пневмораспределителя 2 и 4 находятся в состоянии, когда пневматические сигналы на входах 1 и 5 управления пневмораспределителями 2 и 4 отсутствуют. Пневмораспределители находятся в положении, которое они принимают под действием пружин 7. Обе полости пневмоцилиндра сообщаются с атмосферой 6. Шток 3 пневмоцилиндра неподвижен. Для возобновления движения необходимо подать пневматический сигнал на один из входов 1 или 5 пневмораспределителей 2 или 4. Питание сжатым воздухом осуществляется через канал 8. Внешние пневмолинии - это воздухопроводы и каналы для прохода сжатого воздуха (в том числе и отверстия для связи с атмосферой), соединяемые в определенных сочетаниях при различных положениях распределительного элемента. Число внешних линий определяет «линейность» распределителя. По числу фиксированных положений распределительного элемента различают двух-, трех- и многопозиционные распределители. Многопозиционные распределители применяют редко. Наибольшее распространение получили двухпозиционные распределители, которые могут иметь одностороннее и двустороннее управление.
Под односторонним понимают такой вид управления, при котором для переключения распределительного элемента управляющее воздействие прикладывается только к одному чувствительному элементу и в одном направлении; при этом возврат в исходное положение происходит после снятия управляющего воздействия под давлением механической или пневматической пружины. При двустороннем управлении, чтобы распределительный элемент привести в заданное состояние, необходимо управляющее воздействие приложить к соответствующему чувствительному элементу или изменить направление действия.
К двух- и трехлинейным распределителям с односторонним управлением относят «нормально закрытые» (при отсутствии управляющего воздействия питающий сжатый воздух не проходит к выходному каналу распределителя) и «нормально открытые» (при отсутствии управляющего воздействия питающий сжатый воздух проходит к выходному каналу распределителя). Двухпозиционные распределители могут быть использованы как элементы памяти в пневматических схемах. Важным функциональным признаком распределителей является вид управления.
В качестве распределительного элемента применяют клапанное устройство, цилиндрический золотник, плоский золотник и крановое устройство. Схемы клапанных двухлинейных двухпозиционных пневмораспределителей показаны на рис. 5.9, а; трехлинейных - на рис. 5.9, б.
Рис. 5.9. Клапанные пневмораспределители
При нажиме на толкатель 3 отодвигается шарик 2, выполняющий функцию клапана, и соединяется вход 1 клапанного распределителя с выходом 4. Снятие усилия на толкатель 3 под действием пружины приводит шарик 2 в исходное положение. Пневмораспределитель пропускает сжатый воздух или нет. Трехлинейный пневмораспределитель отличается от описанного выше тем, что в толкателе 3 имеются отверстия 5, которые при отсутствии механического воздействия на толкатель соединяют с атмосферой выходное отверстие 4.
В распределителях с плоским золотником (рис. 5.10) потоки сжатого воздуха распределяются парой плоский золотник 1 - плита 2. Причем отверстия для прохода воздуха выведены на плоскую, тщательно обработанную поверхность плиты, по которой перемещаются золотник 1 с канавкой, попарно соединяющий между собой эти отверстия.
Рис. 5.10. Пятилинейный двухпозиционный пневмораспределитель
с плоским золотником
Золотник перемещается относительно плоскости с отверстиями с помощью привода, чаще пневматического (поршень 3), хотя для распределителей малого размера используют ручное, механическое и другие виды управления.
В крановых распределителях наибольшее распространение получил плоский поворотный золотник 1 (рис. 5.11). Обычно крановые распределители имеют ручное управление. На рис. 5.11, б показана схема соединения отверстий в трех положениях рукоятки кранового распределителя.
Рис. 5.11. Крановый пневмораспределитель
5.3. Гидроклапаны.
Клапаны используются в гидросистемах и гидропередачах в качестве автоматических регулирующих устройств.
Клапан (рис. 5.12) имеет запорно-регулирующий элемент 6, опирающийся в закрытом положении на седло 7, направляющую часть 3, обеспечивающую центровку клапана относительно седла, и пружину 2 (чаще с опорным шарниром 1), размещенные в корпусе 4. К камере 5 корпуса присоединены подводящий 8 и отводящий 10 каналы.
Рис. 5.12. Конический клапан прямого действия
В приведенном клапане открытие z изменяется в результате непосредственного воздействия потока жидкости пропорционально пропускаемому расходу Q. Такой клапан называют клапаном прямого действия. Клапаны гидросистем в отличие от насосных соприкасаются с седлом по достаточно острой кромке. При таком контакте и в случае ограниченного числа рабочих циклов (у насосных клапанов многие миллионы циклов) легче обеспечивается хорошая герметичность закрытого клапана. Основные типы кромочных запорно- регулирующих элементов это «конус на кромке», «кромка на конусе» и золотниковый. В отличие от насосных клапанов, работающих при малых перепадах рк давлений, клапаны гидросистем используются во всем диапазоне давлений рк, в том числе и при самых высоких давлениях (30 - 45 МПа). С ростом давлений увеличивается вероятность работы клапанов в режимах автоколебаний, что нежелательно.
При использовании в гидросистеме клапаны должны обеспечивать заданную герметичность, работать без автоколебаний и, что самое главное, иметь характеристику, т.е. зависимость перепада давления рк от пропускаемого расхода Q (рис. 5.13), желаемой формы. Последняя зависит от свойств проточной части клапана и его пружины.
Рис. 5.13. Характеристика клапана
Чем больше pк, тем круче возрастает характеристика. При использовании клапанов в качестве переливных или предохранительных, которые должны поддерживать по возможности постоянное давление насоса во всем диапазоне изменения его подачи, это свойство характеристики крайне нежелательно.
Герметичность закрытого клапана обеспечивается тщательной обработкой поверхностей запирающего конуса 6 (рис. 5.12) и кромки 9 седла 7, на которой формируется конусный уплотняющий поясок. Для этого твердость конуса должна быть выше твердости седла. Вторым условием для герметичности является хорошая взаимная центровка клапана и седла. Последнее условие содействует также работе клапана без колебаний, так как при плохой центровке клапаны отжимаются к одной стороне направляющей, где возникает сухое трение, ведущее к колебаниям при начале его подъема. С этой же целью желательно применение шарнирного поджатия пружины (поз. 1 на рис. 5.12). Без шарнира пружина может давать силу асимметрично приложенную к клапану, что также ведет к его отжиму и увеличивает возможность колебаний. Для предотвращения, колебаний струя, вытекающая из щели, должна быть устойчивой.
Для ослабления и гашения колебаний в клапанах высокого давления применяют различные демпфирующие устройства. Так, в клапане, изображенном на рис. 5.14, поверхность 1 поршня 2, на которую действует сила давления р1, поднимающая клапан, сообщается с областью потока через малый зазор между поршнем и гильзой 3.
Рис. 5.14. Клапан прямого действия высокого давления
с выравненной характеристикой
Это затрудняет выдавливание жидкости из-под поршня при его колебаниях и гасит их. С этой же целью подклапанный объем 1 (рис. 5.15) сообщен с областью, находящейся под давлением р2 через малое дросселирующее отверстие 2.
Рис. 5.15. Дифференциальный клапан
Применение всех перечисленных мер не исключает колебаний клапанов, работающих в системах с пульсирующий давлением, особенно если вблизи клапана расположены полости, которые при проявлении упругих свойств жидкости могут являться резонаторами. Поэтому вопрос устранения колебаний клапанов в конечном итоге решается рассмотрением их совместной работы с обслуживаемой гидросистемой.
Часто назначением клапана является ограничение давления р1 перед ним (предохранительные и переливные клапаны) или за ним (редукционные клапаны). Во всех случаях желательно, чтобы регулируемое давление мало зависело от расхода Q, пропускаемого клапаном, т.е. чтобы его характеристика (рис. 5.13) была пологой.
Первым способом выравнивания характеристики является использование реакции струи, вытекающей из щели. Второй способ воздействия на форму характеристики - включение последовательно c щелью клапана дросселирующего устройства (например, показанное штриховой линией сопло 11 на рис. 5.12). Из-за его сопротивления давление в камере 5 поднимается, а в заклапанной области 14, соединенной с местом высокой скорости каналом 12, снижается. Эффект от использования дросселирования аналогичен эффекту от использования реакции.
В клапанах высокого давления (рис. 5.14 и 5.15) оба способа комбинируют, применяя и удар струи о головку клапана и дросселирующую щель (поз. 5 и 6 на рис. 5.14, и 6 и 5 на рис. 5.15).
Большое влияние на форму характеристики оказывает жесткость С пружины, которая должна быть по возможности мала. В клапанах высокого давления малое С при потребности в большой силе может быть получено только при большой пружине (рис. 5.14). Отметим, что комплекс гидродинамических мер по выравниванию характеристики, хорошо отработанных опытным путем, и малая жесткость пружины позволили получить у клапанов этого типа практически полную независимость рк от Q при рк до 63 МПа. Благодаря хорошему демпфированию клапаны вибростойки. Их недостаток - значительные размеры.
Компромиссным решением для сокращения размеров клапанов высокого давления является дифференциальный клапан (рис. 5.15). В нем давление р1 действует на кольцевую площадь, которая может быть малой. Мала будет и сила, поднимающая клапан, а следовательно, и пружина, ее уравновешивающая. Недостатком клапана является плохая герметичность из-за обязательных утечек под действием рк через зазор между направляющим поршнем 3 и корпусом 4.
Наиболее совершенными по форме характеристики, небольшим габаритным размерам и герметичности являются клапаны непрямого действия (рис. 5.16), в которых подъемом основного запорно-регулирующего элемента 3 управляет малый вспомогательный (управляющий) клапан 5.
Рис. 5.16. Клапан непрямого действия
Основной клапан прижат к своему седлу 7 относительно слабой пружиной 2 а также силой давления р1, так как заклапанная полость 4 соединена с подводящей 8 дросселем 1. Управляющий клапан 5 - малый клапан прямого действия с жесткой пружиной 6, и поэтому с крутой характеристикой. Клапан 5 установлен последовательно с дросселем 1 и при открытии они пропускают один и тот же расход. Характеристика клапана непрямого действия изображена на рис. 5.17.
Рис. 5.17. Характеристика клапана непрямого действия
Слева показано поле характеристик управляющего клапана ру = f (Qу), дросселя рд = f (Qу) и их совместная характеристика (характеристика управляющего тракта) рк = ру + рд = f (Qу).
Редукционные клапаны (рис. 5.18) предназначены для поддерживания в отводимом потоке стабильного давления р2, более низкого, чем давление р1 в подводимом потоке. Их применяют при питании от одного насоса нескольких потребителей, требующих разных давлений.
Рис. 5.18. Редукционный клапан
Клапан состоит из запорно-регулирующего элемента 3, объединенного с уравновешивающим поршнем 1, и пружины 2, размещенных в гнезде корпуса 8, образующего седло 6 клапана. Для демпфирования возможных колебаний заклапанная полость 9 соединена с областью слива дросселем 10. Пружина стремится удержать клапан в предельно открытом положении, ограниченном упором 4. Давление р2, в приемной камере 5 стремится клапан закрыть. Со стороны питающей камеры 5 гидростатические силы от действия давления р1 по кольцевой площади отсутствуют, поскольку сила давления действует на запирающий элемент со стороны входа в щель и на уравновешивающий поршень. Поэтому давление р1 на работу клапана непосредственно не влияет.
В гидросистемах довольно часто применяют клапаны, действующие по команде управляющего сигнала. Клапаны с гидравлическим управлением называют гидрозамками. В гидрозамок может быть легко превращен основной клапан 3 в клапане непрямого действия (рис. 5.16), если заменить управляющий клапан 5 золотником или вентилем, открываемым и закрываемым по команде извне. Широко распространены двухклапанные гидрозамки (рис. 5.19), служащие для запирания поршней гидроцилиндров в фиксированном положении при отсутствии подачи жидкости от питающей установки.