Мы уже знаем, что максимальное давление в системе можно регулировать с помощью нормально закрытого клапана управления давлением — его основной порт подключается к системному давлению, а вспомогательный порт — к баку. Золотник управляет потоком в зависимости от заданного давления: когда давление в основном и вспомогательном каналах достигает установленного значения, часть потока перенаправляется в бак. Такой нормально закрытый клапан управления давлением называется предохранительным клапаном. В этой главе рассматриваются все типы клапанов управления давлением — их конструкция, применение в гидравлических схемах и основные эксплуатационные характеристики.

Настройка давления

В клапане управления давлением регулировка давления обычно осуществляется путём изменения предварительного натяжения пружины с помощью регулировочного винта. Давление изменяется при повороте этого винта.

Рисунок 11-1. Нормально закрытый клапан управления давлением. Регулировочный винт устанавливает предварительное натяжение пружины, которое определяет давление, при котором золотник поднимается и клапан открывается.

Применение нормально закрытых клапанов управления давлением

В гидравлических системах нормально закрытые клапаны управления давлением имеют несколько применений. Помимо использования в качестве предохранительных клапанов системы, они также могут управлять последовательностью операций — обеспечивая выполнение одной операции до другой. Кроме того, их можно использовать для балансировки внешних механических сил.

Последовательный клапан

Нормально закрытый клапан управления давлением, который обеспечивает выполнение одной операции до другой, называется клапаном последовательности.

Применение схемы клапана последовательности

В гидравлической системе, выполняющей одновременно зажим и сверление, поршневой цилиндр зажимного устройства должен выдвигаться до того, как начнёт выдвигаться поршневой цилиндр сверлильного устройства. Для обеспечения такой последовательности клапан последовательности устанавливается в контуре непосредственно перед цилиндром сверлильного устройства. Пружина в клапане последовательности не позволяет золотнику соединить основной и вспомогательный каналы до тех пор, пока давление не достигнет значения, достаточного для преодоления усилия пружины; до этого момента поток к цилиндру сверлильного устройства перекрыт. Таким образом, сначала выдвигается цилиндр зажимного устройства. Когда зажимный элемент контактирует с заготовкой, насос должен создавать более высокое давление для преодоления сопротивления. Это повышает давление выше управляющего давления, действующего на золотник клапана последовательности, что приводит к соединению основного и вспомогательного каналов и направлению потока к цилиндру сверлильного устройства — после чего начинается движение цилиндра сверлильного устройства.

Рисунок 11-2. Схема контура с клапаном последовательности. Поскольку клапан последовательности блокирует поток к цилиндру сверлильного устройства до тех пор, пока давление в системе не достигнет необходимого уровня, зажим всегда закрывается первым, прежде чем начнётся процесс сверления.

Обратный клапан

Нормально закрытый регулирующий клапан давления, используемый для балансировки или поддержки веса (например, пресс-плиты), называется клапаном противодавления.

Применение схемы клапана противодавления

В схеме пресса, когда направляющий клапан подаёт поток в слепой конец гидроцилиндра, пресс-плита, соединённая с поршневым штоком, будет падать неконтролируемо под действием силы тяжести, а поток от насоса будет исчерпан. Чтобы предотвратить это, нормально закрытый клапан давления устанавливается ниже по потоку от пресс-цилиндра. Золотник клапана не открывает проход от первичного к вторичному каналу до тех пор, пока давление на дне цилиндра не превысит давление, создаваемое весом пресс-плиты. Иными словами, при подаче масла в слепой конец цилиндра данный подход обеспечивает балансировку веса пресс-плиты на протяжении всего хода вниз.

Клапан противодавления также может использоваться для торможения вращательного движения гидравлического двигателя, нагруженного большим весом. В случае гидравлического двигателя, приводящего в движение тяжелые колеса, после набора колесами инерции двигатель может превысить допустимую скорость («уход в разгон»). Если клапан противодавления установлен на выходе двигателя, он открывается только при достижении давления на выходе заданного значения. Это противодавление компенсирует силу, возникающую при преобразовании вращательного импульса тяжелых колес.

Рисунок 11-3. Клапан противодавления. (Вверху) Предотвращает неконтролируемое падение пресс-плиты. (Внизу) Предотвращает превышение скорости тяжелонагруженным двигателем при работе двигателя под действием нагрузки.

Простой предохранительный клапан

Простой предохранительный клапан состоит в основном из корпуса клапана с золотником, смещаемым жесткой пружиной. Когда давление на стороне золотника, противоположной пружине, возрастает до достаточного уровня, золотник перемещается и открывает проход для перенаправления потока насоса в бак.

В примере схемы простой предохранительный клапан настроен таким образом, что при достижении давления на выходе насоса 1000 фунтов на квадратный дюйм (68,97 бар) происходит сброс потока объемом 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин). Это не означает, что клапан внезапно открывается при давлении 1000 фунтов на квадратный дюйм (68,97 бар); скорее, при давлениях ниже 1000 фунтов на квадратный дюйм (68,97 бар) клапан начинает открываться при низком давлении, направляя часть потока в бак. По мере приближения давления к 1000 фунтам на квадратный дюйм (68,97 бар) степень открытия постепенно увеличивается, чтобы пропускать больший поток в бак. При установленном значении давления 1000 фунтов на квадратный дюйм (68,97 бар) площадь проходного сечения становится достаточной для пропуска полного потока 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин). Когда давление в системе падает ниже давления открытия предохранительного клапана, канал, соединяющий систему с баком через открытое сечение клапана, исчезает из схемы.

Влияние температуры на настройку предохранительного клапана

Открытие предохранительного клапана по существу представляет собой функцию отверстия. Как и любое устройство с отверстием, расход через него зависит от температуры рабочей жидкости и, следовательно, от её вязкости.

Для предохранительного клапана, настроенного на давление 1000 psi (68,97 бар), чтобы обеспечить перепуск 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин), предполагается постоянство вязкости масла. При комнатной температуре вязкость масла в резервуаре оборудования составляет 400–500 SUS (86,3–107,9 сСт). При такой вязкости установка предохранительного клапана системы на давление 1000 psi (68,97 бар) обеспечивает перепуск 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин) через отверстие клапана. По мере нагрева масла давление на выходе насоса может быть ограничено значением 900 psi (62 бар) или ниже. Причина заключается в том, что при повышении температуры масла его вязкость снижается — например, до 100 SUS (21,6 сСт). Это означает, что меньшее давление способно протолкнуть поток 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин) через отверстие предохранительного клапана в бак.

Обратный эффект наблюдается, когда предохранительный клапан настраивается при рабочей вязкости: при запуске насоса температура масла низкая, вязкость высокая, и давление на выходе насоса может достигать 1100 psi (75,9 бар). В системах с жёсткими ограничениями максимального давления на выходе насоса систему следует прогреть перед регулировкой предохранительного клапана.

Рисунок 11-5. Влияние температуры на настройку предохранительного клапана. Холодное (высоковязкое) масло требует более высокого давления для пропускания того же расхода. Перед настройкой предохранительного клапана систему всегда необходимо прогреть.

Влияние износа насоса на настройку предохранительного клапана

Износ насоса также влияет на настройку предохранительного клапана. Для предохранительного клапана, установленного на перепуск 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин) при давлении 1000 фунтов на квадратный дюйм (68,97 бар), пока давление 1000 фунтов на квадратный дюйм (68,97 бар) подаётся на входной порт клапана, 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин) потока насоса могут перепускаться через отверстие клапана в бак. По мере того как гидравлический насос изнашивается, его выходной расход уменьшается; расход через предохранительный клапан также снижается, поэтому давление тоже падает. Для клапана, установленного на перепуск 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин) при давлении 1000 фунтов на квадратный дюйм (68,97 бар), когда из-за износа насоса расход перепуска снижается до 5 галлонов в минуту (18,95 л/мин), давление в системе на предохранительном клапане может составлять лишь 900 фунтов на квадратный дюйм (62 бар). При регулировке настройки предохранительного клапана могут возникать аналогичные ситуации.

Начальное давление открытия простого предохранительного клапана

Давление начала открытия — это давление, при котором предохранительный клапан начинает открывать свой байпасный канал. Для простого предохранительного клапана это давление несколько ниже установленного значения клапана. Простые предохранительные клапаны обладают характеристикой давления начала открытия.

На графике рабочей характеристики простого предохранительного клапана клапан настроен так, чтобы обеспечивать байпасный поток 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин) при давлении 1000 psi (68,97 бар). Кривая показывает, что клапан начинает открываться при давлении 800 psi (55,2 бар), и по мере приближения давления к 1000 psi (68,97 бар) расход байпасного потока увеличивается — при достижении давления 1000 psi (68,97 бар) площадь проходного сечения становится достаточной для пропуска потока 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин).

Влияние давления начала открытия на систему

Давление предварительного открытия предохранительного клапана является недостатком для системы. Предположим, что насос/мотор создаёт давление 750 psi (51,7 бар) и подаёт расход 10 галлонов в минуту (37,9 л/мин) к исполнительному устройству, где для преодоления нагрузки требуется давление 550 psi (37,9 бар), а оставшиеся 200 psi (13,8 бар) компенсируют гидравлическое сопротивление. При использовании простого предохранительного клапана, настроенного на давление 1000 psi (68,97 бар), в этой ситуации клапан остаётся закрытым, и весь масляный поток под высоким давлением поступает непосредственно к рабочей нагрузке.

Если давление нагрузки возрастает до 700 psi (48,28 бар), насос/мотор должен повысить своё выходное давление до 900 psi (62,1 бар) (при условии постоянного расхода на выходе). Поскольку давление открытия предохранительного клапана составляет 800 psi (55,2 бар), при текущем давлении насоса 5 галлонов в минуту (18,95 л/мин) перепускаются через клапан, то есть исполнительное устройство получает меньший расход по сравнению с полным выходным расходом насоса, в результате чего выполняемое действие происходит с пониженной скоростью. Одновременно масло протекает через проходное сечение предохранительного клапана и генерирует избыточное тепло.

Если давление нагрузки составляет 750 фунтов на квадратный дюйм (51,7 бар), насос/гидромотор должен создавать давление 950 фунтов на квадратный дюйм (65,5 бар) — ещё более высокое давление при увеличении расхода, проходящего через отверстие предохранительного клапана, приводит к дальнейшему снижению скорости исполнительного устройства и генерации ещё большего количества избыточного тепла.

Рисунок 11-7. Влияние давления предварительного раскрытия. Простой предохранительный клапан начинает перепускать поток до достижения установленного давления, что снижает скорость исполнительного устройства и приводит к потере энергии в виде тепла при промежуточных значениях давления нагрузки.

Нормально открытый регулятор давления

Нормально закрытый регулятор давления в исходном положении имеет разомкнутые основной и вспомогательный порты и контролирует давление на основном порту. Нормально открытый регулятор давления в исходном положении имеет соединённые основной и вспомогательный порты и контролирует давление на вспомогательном порту.

Редукционный клапан

Редукционный клапан обычно представляет собой нормально открытый регулятор давления.

Принцип работы редукционного клапана

Редукционный клапан работает путем измерения давления на выходе (за клапаном). Когда давление на выходе достигает установленного значения клапана, золотник частично закрывается, образуя дроссельное отверстие, которое преобразует избыточную энергию давления на входе в тепло.

Применение схемы с редукционным клапаном

В приведённом примере схемы зажима цилиндр B должен создавать меньшее усилие по сравнению с цилиндром A. Для этого перед цилиндром B устанавливается редукционный клапан, который снижает давление, подаваемое в цилиндр B, до установленного значения редукционного клапана. При этом заданном значении давления золотник редукционного клапана создаёт функцию дроссельного отверстия, преобразуя избыточную энергию давления на входе в тепло. Цилиндр B осуществляет зажим при пониженном давлении.

Статическое падение давления редукционного клапана (смещение)

Давление на вторичном выходе редукционного клапана при номинальном расходе ниже, чем при отсутствии расхода. Разница между этими двумя пониженными давлениями называется статическим падением давления редукционного клапана. Статическое падение является неотъемлемой характеристикой редукционного клапана и дополнительно объясняет, почему давление возрастает с увеличением расхода. Для редукционного клапана номинальным расходом 15 галлонов в минуту (56,85 л/мин) при номинальном расходе и номинальном рабочем давлении статическое падение составляет около 50 psi (3,45 бар), тогда как для редукционного клапана номинальным расходом 100 галлонов в минуту (379 л/мин) статическое падение может достигать 150 psi (10,3 бар).

Рисунок 11-9. Статическое падение давления редукционного клапана. Давление на выходе при наличии расхода несколько ниже, чем при его отсутствии. Чем больше номинальный расход клапана, тем больше величина этого смещения.

Слив — внутренний и внешний

По мере перемещения золотника регулирующего клапана давления внутри корпуса клапана часть масла под давлением просачивается в полость над золотником. Для обеспечения правильной работы клапана полость над золотником должна постоянно сливать масло, чтобы предотвратить блокировку его перемещения. Слив осуществляется путем создания дренажного канала внутри корпуса клапана и подключения его к резервуару.

Внутренний дренаж

Если вторичный порт клапана давления соединён с резервуаром — как в случае предохранительных и противовесных клапанов — дренажный канал соединяется внутренне со вторичным портом (порт возврата). Такой способ называется внутренним дренажем.

Внешний дренаж

Если вторичный порт клапана давления является портом под давлением (рабочим портом), как в случае последовательных и редукционных клапанов, дренажный канал представляет собой отдельную линию, подключённую к резервуару. Такой способ называется внешним дренажем. Последовательные и редукционные клапаны обычно являются клапанами регулирования давления с внешним дренажем.

Прямое и дистанционное управление

До настоящего времени измерение давления осуществлялось через каналы внутри корпуса клапана. Обычно для нормально закрытых клапанов измерение производится на первичном порте, а для нормально открытых — на вторичном порте. Такой способ измерения давления называется прямым управлением или локальным управлением. Клапан регулирования давления также может измерять давление в другой части системы посредством внешнего трубопровода — это называется дистанционным управлением или пилотным управлением.

Рисунок 11-10. Прямое управление (слева) предполагает измерение давления на порту самого клапана. Дистанционное управление (справа) позволяет использовать сигнал давления из удалённой точки для открытия или регулировки клапана — это полезно при разгрузке аккумулятора и последовательном управлении несколькими исполнительными устройствами.

Клапан разгрузки

Клапан разгрузки — это нормально закрытый клапан регулирования давления с дистанционным управлением. Когда давление в системе в точке измерения достигает заданного значения, клапан перенаправляет поток в бак.

Применение схемы с клапаном разгрузки

В аккумуляторной гидросистеме с прямым регулирующим клапаном давления, как только аккумулятор заряжается до заданного давления клапана, поток насоса возвращается в бак на давлении срабатывания предохранительного клапана. Это приводит к значительным потерям мощности и образованию большого количества избыточного тепла. Подключение управляющей линии к обратному клапану, расположенному ниже по потоку от разгрузочного клапана, позволяет при достижении аккумулятором заданного давления клапана открыть разгрузочный клапан за счёт управляющего давления и направить поток насоса в бак при минимальном давлении. В этот момент насосу не требуется создавать высокое давление для поддержания разгрузочного клапана в открытом состоянии, поскольку управляющее давление поступает от аккумулятора, отделённого от насоса обратным клапаном. Поскольку давление на выходе насоса в этот момент незначительно, потери мощности также незначительны.

Рисунок 11-11 — Схема цепи разгрузочного клапана. При зарядке аккумулятора обратный клапан изолирует его от насоса, а разгрузочный клапан направляет поток насоса в бак при минимальном давлении, обеспечивая экономию почти всей мощности насоса в режиме ожидания.

Дистанционно управляемый противовесный клапан

Прямодействующий клапан противовеса, установленный на выходе цилиндра, поддерживающего пресс-платформу, может эффективно уравновесить или компенсировать вес платформы. Однако в процессе прессования, когда платформа проходит через материал, её собственный вес не должен добавляться к общей силе прессования. Если этого не требуется, клапан противовеса должен быть оснащён дистанционным управлением, а его управляющая магистраль должна быть подключена к рабочей магистрали другого цилиндра. При использовании клапана противовеса с дистанционным управлением платформа остаётся уравновешенной при движении вниз, однако в процессе прессования её собственный вес может быть использован как часть силы прессования. На протяжении всего хода вниз: при холостом ходе собственный вес платформы стремится опустить шток цилиндра, давление на входе и давление в управляющей магистрали снижаются, клапан противовеса стремится закрыться, увеличивая сопротивление и препятствуя прохождению потока со скоростью, соответствующей движению вниз; в процессе прессования клапан противовеса полностью открывается под действием высокого управляющего давления на входе, при этом на стороне штока обратного давления нет, поэтому собственный вес платформы может добавляться к силе прессования.

Прямодействующий клапан противодавления в схеме гидромотора

В приведённой схеме гидромотора для торможения вращательной инерции тяжёлой нагрузки используется прямодействующий клапан противодавления. Установленное давление клапана противодавления составляет 800 фунт-сил/дюйм² (55,2 бар), обеспечивая постоянное противодавление вращающейся нагрузке, вследствие чего скорость нагрузки не может превысить расход насоса и вызвать превышение скорости. Однако это означает также, что давление на входе в мотор должно превышать рабочее давление нагрузки минимум на 800 фунт-сил/дюйм² (55,2 бар) — это является недостатком. Чтобы устранить его, вместо клапана противодавления можно использовать тормозной клапан.

Тормозной клапан

Тормозной клапан — это нормально закрытый клапан управления давлением с портами прямого и дистанционного управления. Оба способа управления подключены одновременно. Тормозные клапаны широко применяются совместно с гидромоторами и заменяют прямодействующие клапаны противодавления в гидравлических схемах гидромоторов.

Конструкция тормозного клапана

Тормозной клапан состоит из корпуса клапана, золотника, управляющего поршня, предварительно нагруженной пружины и устройства регулировки пружины. Корпус клапана имеет первичные, вторичные, внутренние управляющие и внешние управляющие каналы.

Принцип работы тормозного клапана

Клапан тормоза представляет собой нормально закрытый клапан. Предположим, что пружина смещения настроена на прямое управление открытием при давлении 800 psi (55,2 бар). Когда давление в внутреннем управляющем канале достигает 800 psi (55,2 бар), управляющий поршень перемещается вверх и сдвигает золотник, открывая тормозной клапан. При снижении давления ниже 800 psi (55,2 бар) клапан закрывается. Данное действие аналогично работе непосредственно действующего клапана противодавления. Площадь внутреннего управляющего поршня значительно меньше площади поперечного сечения золотника — типичное соотношение площадей составляет 8:1. Внешний управляющий порт обычно подключается к другой рабочей магистрали гидромотора. Внешнее давление воздействует на противоположный конец полости пружины золотника — для открытия клапана требуется всего 100 psi (6,89 бар), поскольку это давление действует на нижний конец золотника, площадь которого в 8 раз превышает площадь управляющего поршня.

Применение схемы тормозного клапана

Предположим, что регулятор тормозного давления установлен на прямое управление при давлении 800 psi (55,2 бар). Когда давление в линии подачи на двигатель достигает 100 psi (6,89 бар), регулятор тормозного давления открывается, и всё давление на входе в двигатель используется для вращения нагрузки (при условии, что 100 psi / 6,89 бар выше требуемого значения). Если нагрузка начинает вращаться с превышением скорости, давление на входе в двигатель падает, регулятор тормозного давления закрывается, а обратное давление 800 psi (55,2 бар) вновь открывает клапан, увеличивая сопротивление и замедляя нагрузку.

Регулятор тормозного давления — это нормально закрытый клапан управления давлением. Его работа напрямую зависит от требований нагрузки двигателя.

Рисунок 11-13. Регулятор тормозного давления. В отличие от простого клапана противодавления регулятор тормозного давления имеет как прямое (внутреннее), так и дистанционное (внешнее) управление. Соотношение площадей 8:1 означает, что для его открытия требуется всего 100 psi внешнего управляющего давления — таким образом двигатель может легко приводить нагрузку в движение, одновременно обеспечивая тормозное противодавление 800 psi при попытке нагрузки превысить допустимую скорость.

Обратный поток через клапаны управления давлением

За исключением предохранительных и перепускных клапанов, все клапаны регулирования давления, как правило, требуют обратного потока для свободного прохождения. Нормально закрытые клапаны регулирования давления реагируют на давление в первичном порту — при реверсировании потока давление в первичном порту падает, золотник закрывается и соединение между первичным и вторичным портами прерывается. Поскольку обратный поток не может проходить через нормально закрытые клапаны регулирования давления, для обхода такого клапана необходимо использовать обратный клапан.

Нормально открытые клапаны регулирования давления реагируют на давление во вторичном проходе — пока поток реверсируется и давление на выходе остаётся ниже заданного значения, проход клапана остаётся открытым, поэтому обратный клапан не требуется. Однако на практике, как только давление во вторичном порту превышает заданное значение, золотник внезапно закрывается. В качестве меры предосторожности обратные клапаны и редукционные клапаны часто используются совместно для обеспечения обратного потока.

Обобщение по клапанам регулирования давления

Изучив данный раздел, мы можем сформулировать основные правила работы клапанов регулирования давления:

• Правило A: Клапаны регулирования давления со вторичными портами, подключёнными к контуру давления, требуют внешнего слива (последовательные клапаны и редукционные клапаны).
• Правило B: Клапаны регулирования давления со вторичными портами, подключёнными к баку, как правило, используют внутренний слив (предохранительные клапаны, клапаны разгрузки, противовесные клапаны и тормозные клапаны).
• Правило C: Для обеспечения свободного обратного потока через клапан регулирования давления необходимо использовать обратный клапан.

Рисунок 11-15 — Условные графические обозначения всех клапанов регулирования давления. Примечание: последовательные клапаны и редукционные клапаны всегда имеют внешние линии слива (показаны пунктирными линиями к баку). Предохранительные, разгрузочные и противовесные клапаны используют внутренний слив.

Терминология клапанов регулирования давления

Основные термины, используемые в связи с клапанами регулирования давления:

• Прямое управление — использование масла из собственного управляющего канала корпуса клапана для управления золотником. «Местное действие» — золотник смещается исключительно под действием пружинного усилия.
• Сброс в бак — поток проходит через предохранительный клапан.
• Пилотное давление — гидравлическое давление, используемое для управления перемещением золотника. Измерение давления в месте, удаленном от самого клапана.
• Давление срабатывания — давление, при котором предохранительный клапан впервые начинает открывать обводной канал.
• Давление предварительного срабатывания — склонность некоторых клапанов (особенно простых предохранительных клапанов) к открытию при давлении ниже установленного.
• Противодавление — давление на выходной стороне клапана или исполнительного устройства, противодействующее потоку или движению.