При передаче энергии через жидкость необходимо определить направление потока и обеспечить непрерывное полное управление. Без полного контроля энергия становится бесполезной или, что ещё хуже, может быть повреждено оборудование. Одним из главных преимуществ гидравлической технологии является возможность относительно простого управления энергией с помощью гидравлических регулирующих клапанов.

Гидравлические контрольные клапаны

Гидравлический регулирующий клапан — это механический компонент, состоящий из корпуса клапана с внутренними каналами, которые могут соединять или перекрывать поток жидкости, а также подвижных внутренних деталей. Внутренние каналы корпуса используются для транспортировки масла. Движение внутренних подвижных деталей регулирует максимальное давление, направление потока и расход жидкости в системе.

Контроль давления в системе

Гидравлическую энергию можно подать на гидравлический цилиндр. Когда результатом является успешное выполнение работы, то после полного выдвижения цилиндра работа считается завершённой. Насос объёмного типа будет продолжать поглощать дополнительную энергию от своего привода. Это приводит к повышению давления в масле. (Примечание: минимальное сопротивление в системе определяет прикладываемое гидравлическое давление.) По мере дальнейшего выдвижения цилиндра физическая прочность системы становится минимальным сопротивлением.

Насос будет создавать дополнительное давление для преодоления этого сопротивления. Для поддержания давления в системе в безопасных пределах используются клапаны регулирования давления.

Клапан управления давлением

Внутренние подвижные части клапана регулирования давления работают в зависимости от давления. Когда давление в системе достигает заданного значения, внутренние подвижные части соединяют или перекрывают один из каналов в корпусе клапана, обеспечивая прохождение масла или препятствуя его поступлению в этот канал.

Конструкция клапана регулирования давления

Клапан регулирования давления состоит из корпуса клапана с первичным и вторичным проходами и внутренними подвижными частями (золотником). Внешние соединения с проходами называются первичным и вторичным портами.

Принцип работы клапана регулирования давления

Внутренней подвижной частью клапана регулирования давления обычно является золотниковое устройство. Когда золотник находится в одном крайнем положении, внутренний проход соединяется, и поток может проходить через него. Когда золотник находится в другом крайнем положении, внутренний проход перекрывается, и поток через клапан прекращается.

В клапане регулирования давления золотник пружиной удерживается в одном из крайних положений. В этом нормальном закрытом положении внутренний проход перекрыт, и проход потока через клапан закрыт. Такой тип клапана называется нормально закрытым клапаном регулирования давления.

Клапан регулирования давления воспринимает давление в нижней части золотника. Этот нижний канал соединён с основным портом. Когда давление в системе превышает усилие пружины, золотник перемещается, соединяя внутренний канал и обеспечивая проток через клапан.

(Гидравлическое давление, используемое для управления перемещением золотника, называется управляющим давлением. Управление клапаном с помощью управляющего давления называется пилотным управлением и является наиболее распространённым методом управления всеми типами гидравлических клапанов.)

Если основной порт такого клапана регулирования давления подключён к стороне системы с рабочим давлением, а давление, создаваемое насосом, становится слишком высоким, поток от насоса может перенаправляться через этот клапан в масляный бак — такой нормально закрытый клапан регулирования давления называется предохранительным клапаном.

Рисунок 7-2. Нормально закрытый клапан регулирования давления (принцип работы предохранительного клапана). Пружина удерживает золотник в закрытом положении до тех пор, пока давление в системе не превысит установленное значение пружины; после этого золотник смещается и открывает путь к баку.

Рисунок 7-3. Простая гидравлическая схема с регулированием давления (предохранительный клапан). Когда цилиндр достигает конца хода, предохранительный клапан открывается и направляет поток насоса обратно в бак, ограничивая максимальное давление в системе.

Направленное управление исполнительными устройствами

После полного выдвижения гидравлического цилиндра его необходимо втянуть, чтобы можно было снова выполнить рабочий цикл. По этой причине цилиндры, которым требуется перемещение в двух направлениях, обычно оснащаются двухсторонними гидравлическими цилиндрами с двумя присоединительными портами. При этом направление потока должно быть изменено одновременно.

Гидравлического цилиндра двойного действия

Двухсторонний гидравлический цилиндр имеет по одному порту на каждом конце корпуса, что позволяет маслу поступать и выходить из цилиндра, обеспечивая перемещение поршня в обоих направлениях (двухстороннее действие). Для различения двух портов двухстороннего цилиндра один порт обозначается буквой «A», а другой — буквой «B».

Управляемый клапан

Внутренние подвижные детали распределительного клапана выполняют функцию соединения или перекрытия внутренних каналов корпуса клапана, тем самым управляя направлением потока масла.

Конструкция распределительного гидроклапана

Типичный распределительный гидроклапан имеет четыре внутренних канала в корпусе клапана и подвижный золотник, который может соединять или перекрывать эти каналы.

Принцип работы распределительного гидроклапана

Когда золотник находится в одном из крайних положений, канал под давлением соединяется с рабочим каналом A, а сливной канал — с рабочим каналом B. Когда золотник переключается в другое крайнее положение, канал под давлением соединяется с рабочим каналом B, а сливной канал — с рабочим каналом A. Переключение направления перемещения золотника изменяет направление потока масла в гидроцилиндр.

Когда шток цилиндра полностью выдвигается и втягивается по требованию, выполняется рабочий процесс. При переключении золотника в другое крайнее положение масло поступает на другую сторону цилиндра — и шток цилиндра втягивается.

Рисунок 7-4. Распределительный гидроклапан в схеме двухстороннего действия цилиндра. Смещение золотника меняет направление потока масла, что приводит к изменению направления движения цилиндра.

Регулирование скорости исполнительных устройств

Во многих применениях скорость работы исполнительного устройства должна регулироваться, а иногда — с очень высокой точностью. Как объяснялось ранее, скорость исполнительных устройств (цилиндров, гидромоторов) напрямую зависит от скорости подачи масла: скорость исполнительного устройства определяется расходом входящего потока.

Поскольку рабочий объём насоса может быть фиксированным, можно выбрать расход насоса исходя из требуемой скорости исполнительного устройства. Такой подход применим только в системах с одним исполнительным устройством.

Обычно в гидравлической системе используется более одного исполнительного устройства. Если система требует независимой работы каждого гидроцилиндра, расход насоса следует выбирать исходя из наибольшего гидроцилиндра, которому требуется максимальная скорость. Это означает, что меньшие по размеру исполнительные устройства будут перемещаться быстрее, что может быть нежелательно. Чтобы уменьшить поток, поступающий в эти или любые другие исполнительные устройства, необходимо использовать регулятор расхода.

Клапан управления потоком

При использовании регулятора расхода всегда возможно уменьшить поток от насоса к исполнительному устройству.

Конструкция регулирующего клапана расхода

Типичный регулирующий клапан расхода состоит из корпуса клапана и подвижной части. В нашем примере подвижной частью является регулировочная игла с коническим концом. Поскольку игла фактически не перемещается в процессе работы (она предварительно устанавливается в определённое положение), точнее называть подвижные части регулирующего клапана расхода «регулируемыми», а не «подвижными».

Принцип работы регулирующего клапана расхода

В гидравлической системе регулирующий клапан расхода всегда работает совместно с клапаном ограничения давления (предохранительным клапаном). Регулирующий клапан расхода представляет собой сопротивление. Он заставляет гидравлический насос создавать более высокое давление. Это давление может привести к тому, что часть потока от насоса откроет предохранительный клапан, тем самым уменьшив поток через регулирующий клапан расхода и обеспечив требуемый расход к исполнительному устройству.

Рисунок 7-5. Схема цепи регулирования расхода. Игольчатый клапан дросселирует поток к цилиндру. Избыточный поток от насоса проходит через предохранительный клапан в бак. Открытие игольчатого клапана определяет скорость движения поршня цилиндра.

Простая гидравлическая система

Все компоненты, описанные выше, могут составлять простую гидравлическую систему. Поскольку гидравлическая энергия в этой системе поддаётся управлению, такая система способна выполнять полезную работу.

Гидравлические системы широко применяются во многих областях — от аэрокосмической промышленности, авиации и военной техники до промышленного оборудования, мобильных машин и сталелитейного оборудования. Принципы работы гидравлических систем во всех этих областях применения одинаковы и соответствуют описанным выше. Единственное различие между различными «типами» гидравлических систем заключается в используемых компонентах.

В последующих главах мы подробно рассмотрим различные типы компонентов, применяемых в промышленных гидравлических системах. Чтобы пояснить порядок использования этих компонентов, мы также разработаем несколько базовых гидравлических схем.

Условные графические обозначения гидравлических элементов

В предыдущих обсуждениях гидравлических компонентов и базовых систем всё объяснялось графически — с использованием разрезов для наглядного отображения внутренних процессов в компонентах. Такой метод полезен при объяснении проблем, однако он непрактичен в повседневной работе.

Как и в других технических областях, в гидравлике также используются графические символы для представления компонентов и систем. Все рассмотренные ранее гидравлические компоненты и простые системы могут быть изображены с помощью стандартных гидравлических и пневматических графических символов ANSI Y32.10 или ISO 1219.

Помимо уже рассмотренных компонентов, в состав гидравлической системы входят также электродвигатели, гидравлические фильтры и др. Гидравлические системы, как правило, приводятся в действие электродвигателями. Кроме того, для поддержания приемлемого уровня чистоты в гидравлических системах следует использовать гидравлические фильтры, защищающие масло от загрязнений.

Рисунок 7-7. Стандартные гидравлические графические обозначения (ANSI Y32.10 / ISO 1219). Эти обозначения используются на всех схематических диаграммах гидравлических цепей вместо чертежей в разрезе.

Рисунок 7-8. Полная простая гидравлическая цепь, изображённая с использованием стандартных графических обозначений. Именно так гидравлические цепи изображаются в инженерной практике.