Глава 8: Обратные клапаны, аккумуляторы и гидравлические цилиндры

Обратный клапан

Конструкция обратного клапана

Обратный клапан состоит в основном из корпуса клапана с входным и выходным патрубками, а также пружинно-нагруженной подвижной части. Подвижной частью может быть диск, пластина или тарельчатый клапан — в гидравлических системах чаще всего это шарик или тарельчатый клапан с седлом.

Принцип работы обратного клапана

Жидкость может протекать через обратный клапан только в одном направлении — в направлении свободного потока. Когда давление в системе на входном патрубке повышается до величины, достаточной для преодоления силы пружины, прижимающей тарельчатый клапан, последний отходит от седла, и жидкость начинает проходить через клапан. Это и есть направление свободного потока. При попытке обратного потока жидкости от выходного патрубка тарельчатый клапан прижимается к седлу, перекрывая проход и предотвращая обратное течение.

Рисунок 8-1. Обратный клапан. Тарельчатый клапан, нагруженный пружиной, садится на седло при обратном потоке, полностью блокируя его. Обратный клапан является гидравлическим аналогом односторонней улицы.

Применение обратных клапанов в гидравлических схемах

Обратный клапан выполняет функции управления направлением потока и давлением — он пропускает поток только в одном направлении. В гидравлических системах обратные клапаны часто используются в качестве байпасных клапанов, позволяя потоку обходить компонент. Например, обратный клапан, подключённый параллельно регулятору расхода, обеспечивает обход регулятора при обратном потоке.

Обратные клапаны также могут изолировать отдельную ветвь или компонент системы. Например, при использовании аккумулятора обратный клапан предотвращает разрядку аккумулятора через предохранительный клапан или гидравлический насос.

Обратный клапан, как правило, является устройством с низким уровнем утечки; на самом деле его можно спроектировать так, чтобы он был полностью герметичным. Обратный клапан способен удерживать нагрузку практически неограниченно долго. Однако следует помнить, что обратный клапан — это односторонний клапан: для снятия нагрузки подвижную часть необходимо принудительно отвести от её посадочного места. Для этого требуется специальный тип обратного клапана, называемый пилотным обратным клапаном.

Рисунок 8-2. Три распространённых применения обратных клапанов в гидравлических схемах: обход регулятора расхода, изоляция аккумулятора и пружинный порог давления.

Удержание подвешенной нагрузки

Большинство гидравлических компонентов с золотником имеют некоторый внутренний обходной поток — это не свидетельствует о низком качестве, поскольку большая часть такого обходного потока намеренно предусмотрена для смазки компонента. Однако если в системе требуется, чтобы цилиндр удерживал подвешенную нагрузку без провисания, утечки становятся проблемой. В этой ситуации необходимо использовать обратный клапан с функцией герметизации.

Пилотный обратный клапан

Клапан-затвор с пилотным управлением обеспечивает свободный поток в одном направлении; при подаче пилотного давления подвижная часть отходит от седла, что позволяет пропускать поток и в обратном направлении.

Строительство

Как и обычный клапан-затвор, клапан-затвор с пилотным управлением имеет корпус клапана с входным и выходным патрубками, конический клапан (подвижную часть), прижимаемый пружиной к седлу. Кроме того, напротив седла к коническому клапану крепится толкатель и пилотный поршень, нагруженный слабой пружиной. Пилотное давление из пилотного патрубка действует на поршень. В полости пружины поршня предусмотрен дренажный патрубок.

Как это работает

Клапан-затвор с пилотным управлением обеспечивает свободный поток от входа к выходу так же, как и обычный клапан-затвор. Поток, пытающийся поступить со стороны выхода, прижимает конический клапан к седлу, перекрывая проход. При подаче достаточного пилотного давления на пилотный поршень последний перемещается и воздействует на конический клапан, отжимая его от седла. Пока усилие, действующее на пилотный поршень, достаточно велико, поток может проходить от выхода к входу.

Рисунок 8-3. Обратный клапан с пилотным управлением. Без пилотного давления он работает как обычный обратный клапан (свободный поток только в одном направлении). При подаче пилотного давления разрешён также обратный поток — что обеспечивает сброс нагрузки.

Применение в цепи

Использование одного обратного клапана с пилотным управлением для перекрытия потока из порта B гидроцилиндра позволяет удерживать нагрузку в подвешенном состоянии до тех пор, пока уплотнения цилиндра сохраняют герметичность и отсутствует утечка в трубопроводах, цилиндре или самом клапане. Для опускания нагрузки достаточно подать пилотное давление из линии A на управляющий поршень.

Пилотное давление для обратного клапана с пилотным управлением берётся из рабочей магистрали гидроцилиндра — пока давление в линии A достаточно велико, клапан остаётся открытым. При подъёме нагрузки масло свободно проходит через клапан, поскольку это направление соответствует свободному потоку.

В некоторых ситуациях нагрузки, прикрепленные к штоку поршня цилиндра, должны быть зафиксированы в неподвижном положении. Для этого в каждую рабочую линию цилиндра может быть установлен предварительно управляемый обратный клапан — такие клапаны перекрывают поток жидкости, выходящий из цилиндра. Пока уплотнения цилиндра остаются эффективными и нигде нет утечек, нагрузка может удерживаться в заданном положении.

Гидравлический аккумулятор

Аккумулятор хранит гидравлическое давление. Это гидравлическое давление представляет собой потенциальную энергию, которую можно преобразовать в рабочую энергию (расход и давление).

Типы аккумуляторов

Аккумуляторы можно разделить на грузовые (с гравитационной нагрузкой), пружинные и жидкостно-газовые. Они различаются способом создания рабочего усилия на хранящуюся гидравлическую жидкость.

Грузовой аккумулятор

Аккумулятор с гравитационной нагрузкой использует вес тяжёлого объекта, действующего на поршень или плунжер, для поддержания рабочего усилия на хранящееся масло. Вес может быть выполнен из любого тяжёлого материала — чугуна, бетона или даже воды. Аккумуляторы с гравитационной нагрузкой, как правило, очень крупные, иногда вмещающие сотни галлонов. Они одновременно обслуживают несколько гидравлических систем и применяются в прокатных станах и централизованных гидравлических системах.

Желательной характеристикой аккумулятора с гравитационной нагрузкой является то, что он хранит масло при относительно постоянном давлении — независимо от того, заполнен ли резервуар полностью или почти пуст, хранимое давление практически не изменяется. Это объясняется тем, что сила, действующая на масло, — это сила тяжести (вес), которая остаётся постоянной: независимо от количества масла в аккумуляторе прикладываемая сила одинакова.

Нежелательной характеристикой аккумуляторов с гравитационной нагрузкой является возникновение гидравлического удара. Когда аккумулятор с гравитационной нагрузкой резко останавливается при быстрой подаче рабочей жидкости, инерция массивного груза вызывает значительные всплески давления в системе. Это может привести к утечкам в трубопроводах и фитингах, а также к усталостному разрушению металла, что вызывает преждевременный выход компонентов из строя.

Рисунок 8-6. Аккумулятор с гравитационной нагрузкой. Постоянный вес создаёт постоянное давление независимо от объёма масла. Применяется в крупных промышленных системах, например, в гидравлических системах сталепрокатных заводов.

Аккумулятор с пружинной нагрузкой

Аккумулятор с пружинным приводом использует пружину, действующую на поршень, для поддержания силы, приложенной к запасаемому маслу. Аккумуляторы с пружинным приводом, как правило, меньше по размеру, чем гравитационные аккумуляторы, и вмещают несколько галлонов. Они обычно обслуживают одну гидравлическую систему и, как правило, работают при низком давлении. Когда масло под давлением поступает в аккумулятор с пружинным приводом, давление запасаемого масла определяется степенью сжатия пружины. Когда поршень перемещается вверх и сжимает пружину на 10 дюймов (25,4 см), давление в аккумуляторе выше, чем при сжатии пружины на 4 дюйма (10,2 см).

Чтобы предотвратить накопление вытекающего масла в полости пружины, в этой полости предусмотрен сливной отвод для удаления утечки. Аккумуляторы с пружинным приводом не должны сливать масло наружу в резервуар, поскольку это приведёт к образованию пены в масле. Независимо от того, находится ли конец сливной трубы выше или ниже уровня жидкости в резервуаре, при работе аккумулятора всегда будет возникать пенообразование: когда аккумулятор быстро подаёт поток, масло над поршнем не успевает следовать за его движением, в полости пружины создаётся частичный вакуум, в результате чего воздух выделяется из масла. При повторном заряде аккумулятора поршень перемещается вверх, выталкивая масло, насыщенное воздухом, обратно в резервуар. Пузырьки воздуха в резервуаре нежелательны, поэтому аккумуляторы с пружинным приводом, как правило, не имеют внешнего слива из полости пружины.

Для аккумуляторов с пружинным приводом и внешним сливом из полости пружины при износе уплотнения поршня требуется немедленное вмешательство. При отсутствии своевременного ремонта может потребоваться полная очистка системы.

Рисунок 8-7. Аккумулятор с пружинным приводом. Сила пружины — а следовательно, и запасаемое давление — возрастает по мере перемещения поршня вверх. Применяется в небольших системах низкого давления.

Гидравлический/газовый аккумулятор

Гидравлический/газовый аккумулятор является наиболее распространённым типом в промышленных гидравлических системах. В нём используется сжатый газ для поддержания рабочего усилия на запасаемом масле.

Гидравлические/газовые аккумуляторы подразделяются на поршневые, диафрагменные и баллонные в зависимости от типа устройства, разделяющего газ и масло.

Поршневой аккумулятор

Аккумулятор поршневого типа состоит из цилиндрического корпуса и подвижного поршня с эластичными уплотнительными кольцами. Верхнее пространство над поршнем заполнено сжатым газом. При подаче масла в корпус газ сжимается. При отборе масла из аккумулятора давление газа снижается. После полного отбора всего масла поршень достигает конца своего хода и перекрывает выходное отверстие, удерживая газ внутри аккумулятора.

Аккумулятор диафрагменного типа

Аккумулятор диафрагменного типа представляет собой сферу, образованную болтовым соединением двух металлических полусфер. Внутреннее пространство разделено синтетической резиновой диафрагмой — верхняя камера заполнена газом. При поступлении масла под давлением в другую камеру газ сжимается. После полного отбора всего масла диафрагма закрывает выходное отверстие и удерживает газ внутри аккумулятора; при этом диафрагма не выдавливается за пределы своей толщины.

Аккумулятор баллонного типа

Аккумулятор баллонного типа состоит из металлического корпуса и внутреннего синтетического резинового баллона. Баллон заполняется газом. При поступлении масла в корпус газ внутри баллона сжимается, и масло вытесняется из корпуса. После полного выпуска всего масла давление газа стремится вытолкнуть баллон через выходное отверстие; однако при контакте баллона с седельным клапаном на выходе масло внутри корпуса автоматически герметизируется.

Рисунок 8-8. Три типа аккумуляторов для жидкости/газа. Во всех типах для накопления гидравлической энергии используется сжатый азот. Поршневой тип (вверху), мембранный тип (в середине) и баллонный тип (внизу) различаются способом разделения газа и масла.

Применение схем с аккумуляторами

Аккумуляторы могут выполнять несколько функций в гидравлических системах: подача потока, поддержание давления и поглощение ударных нагрузок.

Подача потока

Одно из применений аккумулятора — обеспечение потока. Заряженный аккумулятор представляет собой источник гидравлической потенциальной энергии. Когда система требует больший расход, чем может обеспечить насос, накопленная в аккумуляторе энергия может быть использована для создания потока в системе. Например, если машина спроектирована так, что фактическое рабочее время в течение её цикла работы очень мало, насос малого рабочего объёма может в течение некоторого времени заряжать аккумулятор. При включении машины распределительный клапан переключается в рабочее положение, и аккумулятор немедленно подаёт под давлением масло к исполнительному устройству по мере необходимости. Такой способ использования аккумулятора совместно с насосом малого объёма позволяет аккумулировать пиковую мощность — другими словами, он заменяет большую подачу/мощность крупного насоса/двигателя за короткий промежуток времени на меньшую подачу/мощность малого насоса/двигателя, усреднённую за более длительный период.

Поддержание давления

Аккумуляторы могут использоваться для поддержания давления. Когда насос/двигатель подаёт поток в другие части системы, аккумулятор может поддерживать давление в одной из ветвей гидравлической схемы.

Когда системе требуется, чтобы зажимной цилиндр А вернулся в исходное положение, зажимной цилиндр B должен поддерживать давление. При переключении направляющего клапана А давление в гидравлическом насосе и линиях цилиндра А быстро падает, в то время как давление в цилиндре B поддерживается аккумулятором, который уже накопил достаточный объём масла под давлением для компенсации утечек в линиях цилиндра B.

В другом применении рабочий цилиндр, расположенный рядом с печью, подвергается воздействию высокой температуры окружающей среды, вызывающей термическое расширение масла. Аккумулятор поглощает увеличившийся объём масла и поддерживает давление на относительно постоянном уровне. Без аккумулятора повышение давления в линиях было бы неконтролируемым и могло бы привести к разрушению корпусов компонентов, труб или соединительных элементов.

Рисунок 8-10 — Аккумулятор для поддержания давления. (Сверху) Поддерживает давление в одной ветви гидравлической схемы, в то время как насос обслуживает другую ветвь. (Снизу) Поглощает изменения объёма, вызванные термическим расширением масла вблизи источников тепла.

Поглощение ударных нагрузок

Гидравлические и газовые аккумуляторы также могут использоваться для поглощения ударных нагрузок в системе. Ударные нагрузки в гидравлической системе могут возникать из-за инерции нагрузки, подключённой к гидроцилиндру или гидромотору, либо из-за резкого перекрытия потока или быстрого переключения направления потока с помощью распределителя, что вызывает удар за счёт инерции жидкости. Аккумулятор в контуре способен поглотить часть ударной нагрузки и предотвратить её распространение по всей системе.

Внешние механические силы также могут вызывать гидравлический удар. Нагрузка, подключённая к гидроцилиндру и обладающая тенденцией к отскоку, воздействует на поршень в обратном направлении, создавая гидравлический удар. Аккумулятор, установленный в линии цилиндра и правильно заряженный, помогает уменьшить эффект удара. При неправильной зарядке он может также вызвать превышение давления.

Изотермическая и адиабатическая зарядка

Поскольку аккумуляторы жидкости/газа используют сжатый газ для хранения давления масла, свойства газа влияют на производительность аккумулятора. При зарядке аккумулятора жидкости/газа газ сжимается, и его температура повышается. При постоянном давлении нагретый газ занимает больший объём, чем охлаждённый газ.

Изотермический процесс описывает рабочее состояние аккумулятора при постоянной температуре газа. При зарядке изотермический режим означает, что газ сжимается достаточно медленно, чтобы всё тепло, выделяемое при сжатии, полностью рассеялось. Адиабатический процесс описывает рабочее состояние аккумулятора при изменении температуры газа. При зарядке адиабатический режим означает, что газ сжимается настолько быстро, что всё выделяемое тепло сохраняется.

Для аккумулятора жидкости/газа, заряженного до одного и того же давления, изотермический процесс позволяет накопить больше масла, чем адиабатический процесс.

Численный пример: Поршневой аккумулятор изначально имеет давление газа 500 psi (34,48 бар) и температуру 70 °F (21 °C). При зарядке до 1000 psi (68,97 бар) адиабатическим процессом (быстро) температура и давление повышаются одновременно. При давлении 1000 psi (68,97 бар) поступление масла прекращается; температура составляет 150 °F (65,6 °C), а аккумулятор содержит 135 in³ (2215,65 см³) масла. При изотермической зарядке (медленно) температура остаётся постоянной на уровне 70 °F (21 °C); при давлении 1000 psi (68,97 бар) поступление масла прекращается, и аккумулятор содержит 150 in³ (2458,5 см³) масла.

Рисунок 8-12. Сравнение изотермической и адиабатической зарядки. При медленной (изотермической) зарядке при одинаковом конечном давлении аккумулируется больше масла, чем при быстрой (адиабатической) зарядке, поскольку температура остаётся ниже, и газ занимает меньший объём.

Изотермическая и адиабатическая разрядка

Во время выпуска масла газ расширяется и охлаждается. При постоянном давлении более холодный газ занимает меньший объём, чем тёплый газ. На практике работа аккумулятора, как правило, является адиабатической, а не изотермической. В следующих разделах основное внимание уделяется не тому, сколько масла может хранить аккумулятор, а тому, сколько масла он отдаёт до снижения давления до более низкого уровня, что в значительной степени зависит от предварительного давления зарядки.

Предварительное давление зарядки

Когда аккумулятор полностью опустошён от масла, давление газа, закачанного в гидро-газовый аккумулятор, называется предварительным давлением зарядки. Это давление существенно влияет на эффективный объём и демпфирующие характеристики аккумулятора.

Влияние предварительного давления зарядки на эффективный объём

Гидравлические/газовые аккумуляторы, используемые для создания потока рабочей жидкости в системе или поддержания давления, как правило, работают в диапазоне между максимальным и минимальным рабочим давлением. При полном заполнении маслом аккумулятор достигает максимального рабочего давления. При необходимости рабочее давление снижается, и аккумулятор подаёт масло до достижения более низкого минимального давления. Объём масла, подаваемый аккумулятором в диапазоне от максимального до минимального рабочего давления, называется эффективным объёмом.

Давление предварительной зарядки влияет на эффективный объём. Пример: гидравлический/газовый аккумулятор ёмкостью 231 дюйм³ (3786 см³) в системе заряжается маслом небольшим насосом до рабочего давления системы, составляющего 2000 psi (137,9 бар). Для обеспечения потока давление допускается снизить до 1500 psi (103,4 бар). Выбранное давление предварительной зарядки определяет, какой объём масла аккумулятор поставит в систему.

Из таблицы производительности следует, что аккумулятор объемом 231 дюйм³ (3786 см³) с предварительным давлением 100 psi (6,89 бар) может хранить 210 дюйм³ (3441,9 см³) масла при изотермическом заряде до давления 1000 psi (верхний предел = изотермические значения). При давлении 1500 psi (103,4 бар) он хранит 202 дюйм³ (3310,8 см³), обеспечивая подачу 8 дюйм³ (131 см³) масла между этими двумя давлениями. Аккумулятор с низким предварительным давлением хранит большое количество масла, но обеспечивает очень малую его подачу.

Повышение предварительного давления до 1000 psi (68,96 бар) позволяет аккумулятору хранить 93 дюйм³ (1524,3 см³) масла при давлении 2000 psi (137,9 бар) и 59,5 дюйм³ (975 см³) при давлении 1500 psi (103,4 бар), обеспечивая подачу 33,5 дюйм³ (594,1 см³). Более высокое предварительное давление обеспечивает меньшее общее количество хранимого масла, но значительно большую его подачу. При предварительном давлении 1400 psi (96,6 бар) объем хранимого масла минимален, а объем подаваемого — максимален.

Рисунок 8-13 — Таблица производительности аккумулятора (емкость 231 дюйм³). Более высокое предварительное давление обеспечивает большую подачу масла за цикл в заданном диапазоне давлений, но уменьшает общий объем хранимого масла. Выбор предварительного давления следует осуществлять исходя из требуемого эффективного объема, а не из общей емкости.

Контроль эффективного объема подачи

Эффективный объем подачи аккумулятора должен регулироваться потоком. Для поддержания давления регулируемый поток определяется утечкой, которую необходимо компенсировать. В случае аккумуляторов, используемых для подачи масла под давлением, при переключении направляющего клапана в нижестоящей линии эффективный объем подачи оказывается слишком высоким. По этой причине такие аккумуляторы часто оснащаются регуляторами расхода и обратными клапанами-байпасами на входных/выходных портах.

Когда аккумулятор жидкости/газа используется в качестве амортизатора, его предварительный заряд обычно устанавливается немного выше максимального рабочего давления в гидравлической системе (примерно на 100 psi / 6,896 бар выше максимального давления, установленного предохранительным клапаном). Если максимальное рабочее давление задается предохранительным клапаном, предварительный заряд может быть установлен примерно на 100 psi выше давления срабатывания предохранительного клапана.

Влияние предварительного заряда на амортизацию ударных нагрузок

Давление предварительной зарядки аккумулятора жидкости/газа влияет на его способность поглощать ударные нагрузки. В гидравлической системе удар возникает под действием внешних механических сил на цилиндр или гидромотор, вызывающих быстрый рост давления, либо из-за инерции жидкости при резком закрытии гидравлического клапана.

Аккумулятор может поглотить часть масла, находящегося под ударным давлением, которое он способен сжать и передать. Линия с установленным аккумулятором становится сжимаемой при давлении выше определённого значения. Если давление предварительной зарядки слишком низкое, аккумулятор уже содержит некоторое количество масла до появления ударной нагрузки, поэтому он способен поглотить лишь 4 дюйма³ (65,6 см³). Если давление предварительной зарядки составляет 2500 фунт-сила/дюйм² (172,4 бар) — слишком высокое, — давление возрастает почти до 2800 фунт-сила/дюйм² (193 бар) до того, как будет поглощено 4 дюйма³. Для амортизаторов давление предварительной зарядки имеет исключительно важное значение.

Потеря давления предварительной зарядки

Аккумулятор жидкости/газа заряжается газом до соответствующего давления предварительной зарядки один раз. Это означает, что заданное давление предварительной зарядки не может поддерживаться бесконечно долго. В процессе работы аккумулятора сжатый газ просачивается через газовый клапан — возможно, из-за неисправности газового клапана или недостаточной герметичности, а также из-за проблем с посадкой конического сердечника клапана в седле клапана. Давление газа также постепенно снижается при вытеснении масла в баллонных и диафрагменных аккумуляторах — как правило, это происходит катастрофически и приводит к разрушению диафрагмы из синтетического каучука. В поршневых аккумуляторах в процессе вытеснения заряженный газ может просачиваться мимо изношенных уплотнений из области поршня. Постепенная потеря давления предварительной зарядки может свидетельствовать об износе поршневого аккумулятора.

Проверка давления предварительной зарядки

Правильное давление предварительной зарядки критически важно для производительности гидро-/газового аккумулятора, поэтому его следует регулярно проверять. Для проверки давления предварительной зарядки требуется зарядное устройство с манометром. Устройство состоит в основном из зарядного штуцера, спускного клапана и манометра.

Порядок проверки: полностью слейте масло из аккумулятора, снимите защитный колпачок (обычно расположенный на газовом клапане в верхней части). При полностью выдвинутой рукоятке штуцера убедитесь, что спускной клапан закрыт. Подсоедините зарядный штуцер к газовому клапану аккумулятора, затяните крыльчатую гайку штуцера и обеспечьте надёжное соединение с газовым клапаном. Вверните винт штуцера до полного нажатия на сердцевину газового клапана аккумулятора; снимите показания манометра — это и есть давление предварительной зарядки аккумулятора.

Если предварительная зарядка выполнена правильно, поверните рукоятку патрона наружу, чтобы закрыть газовый клапан аккумулятора, откройте спускной клапан для снижения давления в устройстве зарядки, ослабьте барашковую гайку патрона, снимите устройство с аккумулятора и установите обратно защитный колпачок газового клапана.

Если предварительное давление слишком высокое, откройте клапан для сброса давления, чтобы сбросить избыточное давление. Если необходимо увеличить предварительное давление, сначала отведите рукоятку зажимного устройства, чтобы закрыть газовый клапан аккумулятора, откройте клапан для сброса давления, чтобы снизить давление в устройстве для зарядки, затем закройте клапан для сброса давления и подключите устройство для зарядки к баллону с азотом. Поверните рукоятку зажимного устройства внутрь, чтобы полностью прижать сердечник газового клапана аккумулятора, откройте вентиль баллона с азотом, чтобы газ медленно поступал в аккумулятор. Когда манометр покажет требуемое давление, закройте вентиль подачи газа. После того как манометр покажет правильное значение предварительного давления, закройте вентиль баллона с азотом, отведите рукоятку зажимного устройства, чтобы закрыть газовый клапан аккумулятора, откройте клапан для сброса давления, затем отсоедините гибкий шланг для зарядки и устройство для зарядки.

Рисунок 8-15. Проверка и установка предварительного давления в аккумуляторе. (Вверху) Изношенные уплотнения поршня приводят к постепенной потере предварительного давления. (Внизу) Стандартный комплект для зарядки азотом — всегда используйте сухой азот, ни в коем случае не сжатый воздух.

Разгрузка гидравлического насоса в контуре с аккумулятором

В типичном гидравлическом контуре с аккумулятором, когда аккумулятор полностью заряжен и ни один элемент системы не работает, поток насоса/двигателя должен быть разгружен в бак при возможно минимальном давлении. В показанном на схеме контуре для разгрузки используется сбросный клапан. Как только давление в аккумуляторе достигает уставки сбросного клапана, клапан открывается и направляет поток насоса в бак.

Обычно такой режим разгрузки может длиться лишь несколько секунд, поскольку всегда присутствует некоторая утечка ниже по потоку от обратного клапана. Аккумулятор должен компенсировать эту утечку — давление постепенно снижается, сбросный клапан постепенно закрывается, а проходное сечение к баку становится всё меньше и меньше, пока давление в аккумуляторе не опустится ниже давления открытия клапана. По мере закрытия клапана насос/двигатель должен развивать большую мощность, чтобы вновь зарядить аккумулятор до уставки сбросного клапана.

Для обеспечения полной разгрузки насоса/двигателя перед повторной зарядкой аккумулятора может использоваться датчик давления. В схеме датчик давления измеряет давление в аккумуляторе и выдаёт электрический управляющий сигнал при достижении заданного значения давления. Электрический сигнал поступает на нормально закрытый двухходовой электромагнитный клапан, который управляет пилотным предохранительным клапаном для разгрузки. Когда давление в аккумуляторе достигает установленного значения датчика давления, реле подаёт сигнал на электромагнитный клапан, чтобы разгрузить предохранительный клапан и направить поток насоса/двигателя в бак через предохранительный клапан.

Рисунок 8-16 — Схемы разгрузки аккумулятора. (Вверху) Простой сбросный клапан — обеспечивает разгрузку в бак при достижении аккумулятором заданного давления, но склонен к циклированию. (Внизу) Датчик давления с пилотным предохранительным клапаном — обеспечивает полную разгрузку и точное регулирование диапазона давления.

Клапан разгрузки по перепаду давления

После зарядки аккумулятора дифференциальный разгрузочный клапан давления может заменить выключатель давления и электромагнитный клапан для сброса предохранительного клапана и разгрузки насоса/двигателя. Дифференциальный разгрузочный клапан давления — это гидравлический клапан, специально разработанный для применения с аккумуляторами. Как следует из его названия, данный клапан использует перепад давления для разгрузки насоса/двигателя.

Строительство

Дифференциальный разгрузочный клапан давления состоит из предохранительного клапана с пилотным управлением, обратного клапана и дифференциального поршня, объединённых в одном корпусе клапана. Корпус клапана имеет три присоединительных порта: порт подачи давления, порт слива и порт аккумулятора.

Как это работает

Внутри дифференциального разгрузочного клапана обратный клапан и пилотный предохранительный клапан работают нормально. Масло, подаваемое насосом, может заполнять аккумулятор через обратный клапан. Дифференциальный поршень расположен напротив золотника пилотного предохранительного клапана и может свободно перемещаться в своём цилиндре. Обе стороны поршня подвергаются воздействию одинаковых площадей давления. Во время зарядки аккумулятора давление по обеим сторонам поршня практически одинаково (с учётом незначительного перепада давления на обратном клапане), поэтому поршень не перемещается. Когда давление на золотнике пилотного клапана становится достаточным, золотник смещается с своего седла — как известно, такое смещение золотника ограничивает давление в полости пружины основного клапана. Поскольку полость пружины основного клапана и один из концов дифференциального поршня находятся под ограничением давления, поршень перемещается в сторону золотника пилотного клапана, полностью смещая золотник с его седла; в результате давление управления в полости пружины основного золотника снимается, происходит разгрузка предохранительного клапана и, соответственно, разгрузка насоса/гидромотора. Одновременно закрывается обратный клапан, препятствуя вытеснению масла из аккумулятора через предохранительный клапан.

Площадь дифференциального поршня, подверженная давлению, на 15 % больше площади золотника управляющего клапана. Поскольку сила = давление × площадь, сила, удерживающая золотник управляющего клапана в открытом положении (вне седла), на 15 % превышает силу, приподнимающую золотник управляющего клапана. Это означает, что пружина должна получить дополнительную силу, превышающую 15 %, из какого-либо другого источника, чтобы вернуть золотник управляющего клапана в закрытое положение (на седло) — либо давление в системе должно снизиться на 15 %, прежде чем золотник управляющего клапана сможет вернуться в закрытое положение.

Это гарантирует, что клапан разгрузки по перепаду давления поддерживает насос/гидромотор в разгруженном состоянии после зарядки аккумулятора до тех пор, пока давление не снизится на фиксированный процент — обычно примерно на 15 % от настройки управляющего клапана. Например, при настройке управляющего клапана на 1000 psi (69 бар) разгрузка происходит в диапазоне от 1000 psi (69 бар) до 850 psi (59 бар); при настройке управляющего клапана на 2000 psi (138 бар) диапазон разгрузки составляет от 2000 psi (138 бар) до 1700 psi (117 бар).

Гидравлический цилиндр — подробное описание конструкции и принципа работы

В любом применении для того, чтобы гидравлическая энергия выполняла полезную работу, её необходимо преобразовать в механическую энергию. Гидравлические цилиндры преобразуют гидравлическую энергию в поступательное механическое движение.

Конструкция цилиндра

Гидравлический цилиндр состоит из корпуса, подвижного поршня с эластичными уплотнительными кольцами, соединённого с штоком поршня, и двух торцевых крышек. Торцевые крышки могут быть резьбовыми, фланцевыми, обжатыми или приваренными к корпусу. В промышленных гидравлических цилиндрах обычно применяются болтовые соединения на стороне штока поршня. При перемещении штока поршня используется комплект уплотнений штока поршня или съёмное направляющее кольцо, которое направляет и поддерживает шток поршня.

Конец с штоком поршня называется «стороной штока»; другой конец без штока называется «слепым концом». Входные и выходные порты расположены на торцевых крышках со стороны штока и на слепой крышке.

Уплотнители

Для правильной работы уплотнение поршня и направляющее уплотнение штока гидроцилиндра должны обеспечивать надежное уплотнение. Распространенными уплотнениями, используемыми в поршнях гидроцилиндров, являются уплотнительные кольца с губчатым профилем, поршневые кольца из чугуна или одиночные/двунаправленные уплотнительные блоки. Материалы и компоненты уплотнений должны быть подтверждены как совместимые с рабочей жидкостью и условиями эксплуатации.

Многослойное уплотнение штока поршня — это эффективный тип уплотнения штока поршня, состоящий из основного уплотнения с внутренней уплотнительной поверхностью губчатого профиля, очистителя (скребка), который постоянно контактирует с поверхностью штока поршня в процессе работы и удаляет рабочее масло с этой поверхности. Вторичное пылезащитное уплотнение собирает остаточное масло, оставшееся после основного уплотнения, а при втягивании штока поршня удаляет любые посторонние частицы, прилипшие к штоку поршня.

Дренажная полость уплотнения

Как описано выше, масло, накопившееся в полости между основным уплотнением и пылезащитным уплотнением, может возвращаться в цилиндрическое отверстие во время хода втягивания — это нормальное явление. Однако если ход цилиндра особенно велик (10 футов / 3,05 м или более), объём масла, накопившегося в полости уплотнений, может оказаться достаточным для превышения пропускной способности уплотнения штока поршня. В этом случае, а также при избытке масла в полости уплотнений, полость уплотнения штока поршня должна быть оснащена внешним дренажным соединением.

Рисунок 8-18. Конструктивные детали цилиндра. Крышка со стороны штока содержит сборку уплотнения штока поршня. Для цилиндров с длинным ходом добавляется дренажное отверстие, предотвращающее перегрузку уплотнения маслом.

Гидравлический удар

Когда гидравлическая энергия перемещает поршень цилиндра в конечное положение хода (конец хода цилиндра), инерция масла вызывает удар — так называемый «гидравлический удар». При достаточно большой энергии такой удар может повредить гидравлические цилиндры.

Амортизирующее устройство

Для защиты гидравлических цилиндров от чрезмерных ударных нагрузок могут устанавливаться демпфирующие устройства. Демпфирующие устройства замедляют движение поршня цилиндра вблизи конца хода. Демпфирующие устройства могут устанавливаться на одном конце цилиндра, на обоих его концах или на любом из них.

Конструкция демпфирующего устройства

Демпфирующее устройство состоит из регулирующего поток игольчатого клапана и демпфирующего штыря, установленных на слепом конце поршня, а также демпфирующей втулки на штоке поршня. Эти элементы действуют как заглушки на каждом конце.

Принцип работы демпфирующего устройства

По мере приближения поршня гидравлического цилиндра к концу хода демпфирующий штырь или демпфирующая втулка перекрывают обычный масляный выход. В результате масло вынуждено проходить только через игольчатый клапан. Часть масла под давлением, соответствующим настройке предохранительного клапана, сбрасывается через игольчатый клапан. Оставшийся поток масла через игольчатый клапан определяет скорость замедления цилиндра. Регулировка игольчатого клапана определяет скорость замедления поршня. При обратном ходе поток масла поступает в цилиндр через одиночный обратный клапан (на чертеже не показан), минуя игольчатый клапан, поэтому скорость обратного хода не изменяется.

Регулировка хода

Иногда длина хода гидравлического цилиндра должна ограничиваться внешним управлением. Установка регулировочного болта, который можно ввинчивать и вывинчивать в корпус цилиндра, позволяет заранее отрегулировать ход. Любой тип регулятора хода должен быть проверен на соответствие требованиям по силе торможения, столкновению, ударной нагрузке и влиянию на габаритные размеры.

Рисунок 8-19. Амортизаторы цилиндров, регуляторы хода, способы крепления и типы нагрузок. Амортизаторы защищают цилиндр в конце хода; способ крепления определяет, насколько хорошо цилиндр может воспринимать приложенную нагрузку.

Способы крепления гидравлических цилиндров

Гидравлические цилиндры могут крепиться различными способами, включая: фланцевое крепление, крепление на шарнирах (транионы), боковые кронштейны, крепление по центральной оси с помощью болтов, двойные кольцевые кронштейны, шпильки и сварное крепление. Крепление по центральной оси или сварное крепление являются очень удачными решениями, поскольку обеспечивают минимальное несоосное смещение при работе цилиндра.

Механическое движение

Гидравлические цилиндры способны преобразовывать гидравлическую энергию в прямолинейное или линейное механическое движение. Однако за счёт выбора механических передач цилиндры также могут обеспечивать множество различных видов механического движения.

Типы нагрузок

Гидравлические цилиндры способны перемещать самые разнообразные нагрузки в многочисленных областях применения. В общем случае нагрузки, толкаемые штоком поршня, называются толкающими нагрузками; нагрузки, тянемые штоком поршня, называются тянущими нагрузками.

Ограничительный стержень

Стоп-трубка — это сплошная металлическая втулка, установленная на штоке поршня. Когда шток поршня длинноходового цилиндра полностью выдвинут, стоп-трубка создаёт определённое расстояние между поршнем и направляющей втулкой. Направляющая втулка штока поршня — это подшипник, который обеспечивает поддержку штока поршня во время работы цилиндра. Она рассчитана на восприятие определённой нагрузки. Направляющая втулка штока поршня помимо функции вала также служит точкой приложения нагрузки к штоку поршня. В длинноходовых цилиндрах, соединённых с нагрузкой, шток поршня без жёсткой направляющей при полном выдвижении имеет тенденцию провисать, либо может возникнуть изгиб в области направляющей втулки, что приводит к появлению боковой нагрузки, разрушающей направляющую втулку штока поршня.

Функция стоп-трубки заключается в создании расстояния между поршнем и направляющей втулкой при полном выдвижении штока поршня, что снижает нагрузку на направляющую втулку штока поршня.

Типы цилиндров

Гидравлические цилиндры бывают различных типов. Ниже приведены некоторые наиболее распространённые типы цилиндров; они также будут встречаться в определённых схемах применения в последующих уроках.

• Цилиндр с одним штоком: поршень цилиндра выходит только с одного конца.
• Цилиндр с двумя штоками: цилиндр имеет один поршень и штоки, выходящие с обоих концов.
• Двустороннего действия цилиндр: в этом типе гидравлическое давление поочерёдно воздействует на обе стороны поршня цилиндра, обеспечивая выдвижение и втягивание штока.
• Телескопический цилиндр: корпус цилиндра состоит из нескольких телескопически вдвигаемых секций, что позволяет обеспечить большой ход при малой длине в сложенном состоянии.
• Последовательный цилиндр: цилиндр состоит из двух или более цилиндров, соединённых последовательно. Штоки поршней соединены между собой, образуя общий шток. Уплотнения штока устанавливаются между цилиндрами, что позволяет каждому цилиндру работать двустороннего действия.
• Двухкамерный цилиндр: цилиндр состоит как минимум из двух корпусов, что позволяет каждому цилиндру работать двустороннего действия.

Рисунок 8-20. Типы гидравлических цилиндров. Каждый тип предназначен для конкретного применения: телескопический — для длинного хода в ограниченном пространстве, тандемный — для высокого усилия при ограниченном диаметре цилиндра, двусторонний с двумя штоками — для одинакового усилия/скорости в обоих направлениях.

Принцип работы двустороннего цилиндра с одним штоком

Наиболее распространённым типом в промышленной гидравлике является двусторонний цилиндр с одним штоком. Для этого типа ключевыми параметрами являются допустимый расход (галлонов в минуту, gpm) и давление (psi), а также преобразованная механическая сила и перемещение поршневого штока.

Площадь поршня и эффективная площадь поршня

Площадь поршня и эффективная площадь поршня обычно рассматриваются применительно к двусторонним цилиндрам с одним штоком. Большая площадь поршня — это полная площадь поперечного сечения поршня, подвергающаяся давлению со стороны слепой полости цилиндра (стороны без штока). Эффективная малая площадь (кольцевая площадь) — это площадь поршня, подвергающаяся давлению со стороны штока, поскольку часть площади поршня занята самим штоком. Следовательно, эффективная малая площадь, как правило, меньше большой площади.

Скорость выдвижения поршневого штока

Скорость выдвижения штока гидравлического цилиндра определяется тем, насколько быстро жидкость заполняет слепой конец цилиндра. Скорость штока обычно выражается в футах в минуту (ft/min) или метрах в минуту (m/min):

Пример: цилиндр с площадью поршня 10 дюйм² (64,5 см²) получает расход 5 галлонов в минуту (18,95 л/мин). Скорость штока = (5 × 19,25) / 10 = 9,63 ft/min (49 мм/с). При удвоенном расходе (10 галлонов в минуту / 37,9 л/мин) скорость штока также удваивается и составляет 19,25 ft/min (97,33 мм/с).

Скорость втягивания штока поршня

При втягивании штока поршня поток поступает в сторону штока. При одинаковом входном расходе скорость втягивания выше скорости выдвижения — в формуле используйте меньшую (кольцевую) площадь поршня.

Пример: расход 10 галлонов в минуту (38 л/мин) поступает в штоковую полость цилиндра с площадью большой стороны 10 дюйм² (65 см²) и площадью малой стороны 8 дюйм² (52 см²). Скорость втягивания = (10 × 19,25) / 8 = 24,06 фута/мин (0,12 м/с).

При одинаковом входном расходе двухсторонний одностержневой цилиндр втягивается быстрее, чем выдвигается.

Расход при втягивании

При втягивании поток поступает в штоковую полость и выходит из слепой полости. Расход на выходе превышает входной расход — его можно рассчитать по той же формуле, что и для галлонов в минуту (л/мин), но с использованием площади большой стороны поршня. Пример: 10 галлонов в минуту поступают в штоковую полость при скорости 24,06 фута/мин: расход на выходе = (24,06 × 10) / 19,25 = 12,5 галлонов в минуту (46 л/мин).

Факторы, влияющие на выходную силу цилиндра

Как показано на рисунке, сила, создаваемая гидравлическим цилиндром, зависит от гидравлического давления, действующего на площадь поршня цилиндра. Если конкретному цилиндру требуется создать усилие, превышающее текущее максимальное выходное усилие, зачастую достаточно повысить давление до соответствующего уровня. В некоторых случаях давление в системе и размеры цилиндра не позволяют установить более крупный цилиндр — в этом случае может быть применён тандемный цилиндр.

Схема тандемного цилиндра

Тандемный цилиндр состоит из двух или более цилиндров, соединённых последовательно. Штоки поршней соединены между собой, образуя единый общий шток поршня. Уплотнения штока поршня между цилиндрами обеспечивают двустороннее (двухстороннее) действие каждого цилиндра. Когда размеры цилиндра ограничены доступным пространством и габаритами машины, при относительно низком давлении, создаваемом насосом/двигателем, можно получить то же механическое выходное усилие.

Пример: самая крупная установка оборудования позволяет использовать поршень площадью 10 дюйм² (64,5 см²). Максимальное давление для преодоления нагрузочного сопротивления составляет всего 500 psi (34,48 бар). Добавление давления 500 psi (34,48 бар) на сторону эффективной площади 8 дюйм² (51,6 см²) с противодавлением создаёт результирующую силу 781 psi (53,86 бар). В тандемной схеме с двумя цилиндрами, каждый из которых работает при давлении 500 psi (34,48 бар) и имеет площадь 10 дюйм² и эффективную площадь 8 дюйм², суммарный выход значительно выше.