Глава 9: Клапаны управления потоком

Отверстие

Отверстие — это относительно небольшое отверстие в пути потока жидкости. Поток через отверстие зависит от нескольких факторов, три основных из которых:

1. Размер Отверстия
2. Перепад давления на отверстии
3. Температура жидкости

Влияние размера отверстия на поток

Размер отверстия определяет протекающий через него поток. Обычный повседневный пример — насадка садового шланга: если отверстие насадки мало, вода выходит тонким туманом или распылённой струёй; если отверстие больше — образуется мощная струя. В обоих случаях насадка шланга ограничивает направление водного потока; величина потока через отверстие определяется его размером.

Рисунок 9-1. Регулирующий клапан потока в гидравлической схеме. Клапан дросселирует поток к гидроцилиндру. Избыточный поток от насоса проходит через предохранительный клапан. Ограниченный поток преобразуется в потенциальную энергию (кинетическую энергию скорости) на отверстии.

Фиксированное отверстие

Постоянная диафрагма имеет отверстие фиксированного размера, которое нельзя регулировать. Наиболее распространёнными примерами в гидравлической технике являются просверленное отверстие в заглушке трубы или обратном клапане, а также предустановленный на заводе регулятор расхода.

Регулируемая диафрагма

В большинстве случаев требуется регулируемая, а не постоянная диафрагма, поскольку она обладает большей адаптивностью. К регулируемым диафрагмам относятся, например, задвижки, шаровые краны и игольчатые клапаны.

Задвижка

Задвижка обеспечивает прямой проход потока. Размер диафрагмы изменяется поворотом рукоятки для открытия или закрытия затвора в потоке. Хотя задвижки не предназначены для регулирования расхода, в некоторых грубых системах измерения расхода их можно использовать в качестве устройств ограничения потока.

КВАЛЬНЫЙ ВАЛВ

Проходы шарового крана не являются прямыми — они образуют поворот на 90°. Диафрагмой служат седло и конический или шаровой затвор на поворотном участке прохода. Размер отверстия диафрагмы регулируется изменением положения шарового затвора.

Клапан игольчатый

Поток через игольчатые клапаны также совершает поворот на 90°, а затем проходит через отверстие. Это отверстие образовано зазором между коническим концом штока клапана и седлом клапана. Размер отверстия изменяется путём регулировки положения конической поверхности относительно седла клапана. Поскольку резьба на штоке клапана имеет мелкий шаг, а конец штока выполнен коническим, размер отверстия изменяется постепенно. В гидравлических системах игольчатый клапан является наиболее часто используемым регулируемым отверстием.

Рисунок 9-2. Типы регулируемых отверстий. Игольчатый клапан (внизу) — самый распространённый в гидравлике: его конический наконечник и мелкая резьба обеспечивают чрезвычайно точную и плавную регулировку расхода.

Применение игольчатого клапана в схеме

В приведённой в качестве примера схеме используется объёмный насос производительностью 5 галлонов в минуту (18,95 л/мин), предохранительный клапан, распределительный клапан, регулируемое отверстие (игольчатый клапан) и гидроцилиндр с площадью поршня 3 дюйма² (19,35 см²). Если давление срабатывания предохранительного клапана установлено на 500 фунтов на квадратный дюйм (34,48 бар), а насос подаёт 5 галлонов в минуту:

При ограничении расхода игольчатым клапаном до 2 гал/мин (7,58 л/мин) скорость штока = 2 × 19,25 / 3 = 13 фут/мин (3,96 м/мин). Предохранительный клапан ограничивает давление в системе до 500 фунт/дюйм² (34,48 бар), направляя оставшийся расход 3 гал/мин (11,37 л/мин) в бак.

Открытие проходного отверстия игольчатого клапана

Выкручивание игольчатого клапана увеличивает проходное отверстие — через него проходит больший расход масла к цилиндру, пока не будет достигнут предел давления, установленный предохранительным клапаном. Скорость штока возрастает.

Закрытие проходного отверстия игольчатого клапана

Завинчивание игольчатого клапана уменьшает проходное отверстие. В цилиндр поступает меньший расход масла, поэтому скорость штока снижается.

Влияние перепада давления на расход

Расход через проходное отверстие зависит от перепада давления. Поскольку давление представляет собой потенциальную энергию в гидравлической системе, чем больше перепад давления на проходном отверстии, тем выше расход через него.

Повседневный пример — надувной матрас

После дня, проведённого на пляже или в кемпинге, вы извлекаете заглушку из надутого надувного матраса и позволяете воздуху свободно выходить. Поскольку разница между внутренним и внешним давлением невелика, матрас медленно сдувается. Сильно сожмите матрас — внутреннее давление возрастёт относительно атмосферного, разница давлений увеличится, и воздух будет выходить быстрее.

Аккуратно сожмите тюбик зубной пасты — выйдет небольшое количество пасты. Сожмите сильнее — выйдет больше пасты, которая может попасть на пол. Если на тюбик зубной пасты наступить, то разница давления внутри тюбика и атмосферного давления будет больше, чем при ручном сжатии, поэтому паста выйдет в большем объёме и быстрее.

Влияние разности давлений на поток через игольчатый клапан в цепи

На показанной схеме игольчатый клапан ограничивает подачу насоса с 5 галлонов в минуту (18,95 л/мин) до 3 галлонов в минуту (11,37 л/мин). Давление срабатывания предохранительного клапана — 500 фунт-сил/кв. дюйм (34,48 бар). Сопротивление нагрузки — 200 фунт-сил/кв. дюйм (14 бар). Давление на входе в игольчатый клапан равно давлению срабатывания предохранительного клапана: 500 фунт-сил/кв. дюйм (34,48 бар). Из этих 500 фунт-сил/кв. дюйм (34,48 бар) 200 фунт-сил/кв. дюйм (14 бар) преодолевают сопротивление нагрузки; оставшаяся перепадная разность давлений 300 фунт-сил/кв. дюйм (21 бар) обеспечивает проток 3 галлонов в минуту (11,3 л/мин) через игольчатый клапан, что создаёт скорость перемещения штока 19,25 фута/мин (5,87 м/мин). Оставшиеся 2 галлона в минуту (7,58 л/мин) проходят через предохранительный клапан в бак.

Повышение давления срабатывания предохранительного клапана

При неизменном давлении нагрузки и неизменной настройке игольчатого клапана повышение давления срабатывания предохранительного клапана до 600 фунт-сил/кв. дюйм (41,38 бар) приводит к тому, что давление на входе в игольчатый клапан становится равным 600 фунт-сил/кв. дюйм (41,38 бар). Из этого значения 200 фунт-сил/кв. дюйм (14 бар) преодолевают нагрузку; перепад давления 400 фунт-сил/кв. дюйм (28 бар) теперь обеспечивает проток 4 галлона в минуту (15 л/мин) через игольчатый клапан. Скорость перемещения штока возрастает до 26 футов/мин (7,92 м/мин).

Давление нагрузки возрастает

Сбросьте предохранительный клапан обратно до 500 psi (34,48 бар) при неизменном положении игольчатого клапана. При увеличении нагрузки давление нагрузки возрастает до 400 psi (28 бар). Давление на входе игольчатого клапана остаётся равным 500 psi (34,48 бар), однако теперь перепад давления, обеспечивающий проток через игольчатый клапан, составляет всего 100 psi (6,9 бар) — расход составляет лишь 1 галлон в минуту (3,79 л/мин). Скорость штока снижается до 6 футов/мин (30 мм/с). Оставшиеся 4 галлона в минуту (15 л/мин) сбрасываются через предохранительный клапан.

Это демонстрирует, что расход через игольчатый клапан изменяется при любом изменении давления по обе стороны от отверстия. Для точного дозирования расхода через игольчатый клапан такие изменения давления необходимо устранить или скомпенсировать.

Клапан регулирования скорости (клапан регулирования расхода с компенсацией давления)

Из приведенных выше примеров следует, что любое изменение давления на любой из сторон диафрагмы влияет на расход через игольчатый клапан и, соответственно, изменяет скорость исполнительного механизма. Для точного дозирования расхода через диафрагму независимо от колебаний давления такие колебания давления необходимо компенсировать. Игольчатый клапан представляет собой некомпенсированный регулятор расхода — он хорошо подходит для измерения расхода при условии постоянства перепада давления и правильного центрирования иглы. Для более точного регулирования расхода следует использовать регулятор расхода с компенсацией давления (регулятор скорости). Это устройство регулирования расхода, компенсирующее изменения давления как на входе, так и на выходе диафрагмы.

Регуляторы скорости (регуляторы расхода с компенсацией давления) подразделяются на типы с дросселированием на входе и с байпасным дросселированием.

Конструкция регулятора скорости с дросселированием на входе

Регулятор скорости с дросселированием на входе и компенсацией давления состоит из корпуса клапана с входным и выходным патрубками, игольчатого клапана, компенсационного золотника и предварительно нагруженной пружины.

Принцип работы регулятора скорости типа «дросселирование на входе»

Чтобы понять, как работает регулятор расхода с подводом потока к дросселю, рассмотрим его работу пошагово. Когда компенсационный золотник полностью смещен в сторону стороны А, вся поступающая масляная жидкость под давлением поступает на отверстие игольчатого клапана. Как только компенсационный золотник немного смещается в сторону стороны В, поступающее масло под давлением проходит через дросселирование. Чтобы поддерживать проходное сечение открытым, компенсационный золотник пружиной прижимается к стороне А. Давление на входе игольчатого клапана измеряется по внутреннему управляющему каналу и подается на конец А компенсационного золотника — при повышении давления выше усилия пружины золотник смещается в сторону стороны В.

Если отверстие игольчатого клапана отрегулировано таким образом, что через него проходит расход, меньший полного расхода насоса, то давление на входе игольчатого клапана возрастает до значения, установленного предохранительным клапаном. Когда давление на входе игольчатого клапана превышает усилие пружины компенсационного золотника, компенсационный золотник смещается в сторону порта B, ограничивая поступающий поток. Когда расход через отверстие компенсационного золотника становится равным выходному расходу насоса, давление на входе игольчатого клапана стабилизируется на уровне, соответствующем усилию пружины. Например, при значении усилия пружины 100 psi (6,89 бар) и давлении срабатывания предохранительного клапана 500 psi (34,48 бар): давление на входе составляет 500 psi (34,48 бар); по мере прохождения масла через отверстие компенсационного золотника 400 psi (28 бар) преобразуется в тепло, в результате чего давление на входе игольчатого клапана снижается до 100 psi (6,89 бар). Это означает, что независимо от давления на входе регулирующего клапана расхода, благодаря действию компенсационного золотника, давление на входе игольчатого клапана поддерживается на уровне 100 psi (6,89 бар).

Рисунок 9-5. Регулирующий клапан скорости подачи (с компенсацией давления). Компенсационный золотник поддерживает постоянное перепад давления на игольчатом клапане независимо от изменений давления на входе или выходе — обеспечивая точный и стабильный расход.

В более ранней схеме с игольчатым клапаном перепад давления на его отверстии — лишь половина картины; давление ниже по потоку после игольчатого клапана также должно быть скомпенсировано. Другими словами, необходимо поддерживать постоянный перепад давления. Для достижения этой цели давление ниже по потоку после игольчатого клапана также направляется через управляющий канал в полость пружины смещения компенсационного золотника. Теперь на стороне А компенсационного золотника действуют две силы: сила пружины и давление масла ниже по потоку.

Если сила пружины = 100 psi (6,89 бар), то перепад давления на игольчатом клапане будет ограничен значением, превышающим давление на выходе на 100 psi (6,89 бар). Пока предохранительный клапан установлен достаточно высоко, перепад давления на игольчатом отверстии всегда равен значению давления пружины. Благодаря этому перепад давления, обеспечивающий протекание потока через игольчатый клапан, остаётся постоянным — он не зависит от колебаний давления на входе или на выходе.

Регулирующий клапан скорости подачи в контуре

В цепи регулирующий клапан с подачей на вход установлен на расход 3 галлона в минуту (11,37 л/мин). Предохранительный клапан настроен на давление 500 фунт-сил/кв. дюйм (34,48 бар), давление нагрузки — 200 фунт-сил/кв. дюйм (13,79 бар). Жёсткость пружины компенсационного золотника составляет 100 фунт-сил/кв. дюйм (6,89 бар). Насос пытается прокачать весь объём 5 галлонов в минуту (18,95 л/мин) через игольчатый клапан, что приводит к росту давления на входе игольчатого клапана. При давлении 300 фунт-сил/кв. дюйм (21 бар) компенсационный золотник смещается и ограничивает поток, в результате чего давление на входе регулятора расхода возрастает до настройки предохранительного клапана — 500 фунт-сил/кв. дюйм (34,48 бар). Из этого давления 500 фунт-сил/кв. дюйм (34,48 бар) 200 фунт-сил/кв. дюйм (13,79 бар) затрачивается на преодоление нагрузки; 100 фунт-сил/кв. дюйм (6,89 бар) обеспечивает протекание потока через игольчатый клапан; оставшиеся 200 фунт-сил/кв. дюйм (13,79 бар) из 500 фунт-сил/кв. дюйм преобразуются в тепло при прохождении потока через дроссельное отверстие компенсационного золотника. Расход в этом случае составляет 3 галлона в минуту (11,37 л/мин), а скорость штока — 19 футов/мин (97,83 мм/с).

Повышение давления нагрузки и настройки предохранительного клапана

Если давление нагрузки повышается до 400 psi (27,58 бар) или давление сброса устанавливается на 600 psi (41,38 бар), через игольчатый клапан по-прежнему протекает поток под перепадом давления 100 psi (6,89 бар). Пока давление сброса установлено достаточно высоко для перемещения компенсационного золотника, выходной расход к гидроцилиндру остаётся постоянным и составляет 3 галлона в минуту (11,37 л/мин).

Конструкция регулятора скорости с обводным типом

Регулятор скорости с обводным типом состоит из корпуса клапана с входным, выходным и обратным портами, игольчатого клапана, компенсационного золотника и пружины предварительного натяга.

Принцип работы обводного типа

Компенсационный золотник данного клапана открывает и закрывает обводной канал к сливу в бак. Компенсационный золотник поджимается пружиной в закрытое положение (нижнее положение). Если усилие пружины составляет 100 psi (6,89 бар), то давление на входе игольчатого клапана будет ограничено значением 100 psi (6,89 бар). В начальном состоянии весь поток через клапан полностью направляется в масляный бак. При нормальной работе компенсационный золотник под действием пружины находится в закрытом положении.

Давление на входе игольчатого клапана измеряется посредством внутреннего управляющего канала, подключённого к верхней части компенсационного золотника. При превышении давления силы предварительного сжатия пружины компенсационный золотник действует как предохранительный клапан — открывая обводной канал и ограничивая давление на входе игольчатого клапана значением 100 psi (6,89 бар). Фиксированное входное давление игольчатого клапана не обеспечивает постоянного расхода: при изменении давления на выходе изменяется перепад давления на игольчатом отверстии, а следовательно, и расход.

Для компенсации этого явления давление на выходе игольчатого клапана подаётся через управляющий канал в полость пружины предварительного сжатия компенсационного золотника. Теперь к стороне А компенсационного золотника приложены две силы предварительного сжатия: сила пружины и давление масла на выходе. Если усилие пружины соответствует 100 psi (6,89 бар), то давление на входе игольчатого клапана будет ограничено значением, превышающим давление на выходе ровно на 100 psi (6,89 бар). При условии, что давление срабатывания предохранительного клапана установлено достаточно высоко, перепад давления на игольчатом отверстии остаётся равным 100 psi (6,89 бар) — постоянно.

Регулирующий клапан скорости обводного типа в гидравлической схеме

Регулятор скорости байпасного типа, установленный на расход 3 галлона в минуту (11,37 л/мин). Давление сброса — 500 фунтов на кв. дюйм (34,48 бар), нагрузочное давление — 200 фунтов на кв. дюйм (13,79 бар), давление пружины — 100 фунтов на кв. дюйм (6,89 бар). Насос пытается подать весь поток 5 галлонов в минуту (18,95 л/мин) через игольчатый клапан. Компенсационный золотник открывает байпасный канал, ограничивая давление на входе игольчатого клапана значением 300 фунтов на кв. дюйм (20,68 бар). Из этого давления в 300 фунтов на кв. дюйм: 200 фунтов на кв. дюйм (13,79 бар) преодолевают нагрузку, а 100 фунтов на кв. дюйм (6,89 бар) обеспечивают протекание потока 3 галлона в минуту (11,37 л/мин) через игольчатый клапан. Оставшийся поток 2 галлона в минуту (7,58 л/мин) проходит мимо через открытие компенсационного золотника обратно в бак.

Рисунок 9-8. Схема цепи регулирования скорости байпасного типа. Компенсационный золотник направляет избыточный поток насоса напрямую в бак, а не через предохранительный клапан. Такой подход более энергоэффективен по сравнению с цепью регулирования «на входе», поскольку избыточный поток не проходит при полном системном давлении.

Повышение давления нагрузки и настройки предохранительного клапана

Если давление нагрузки возрастает до 400 фунтов на квадратный дюйм (27,58 бар) или давление срабатывания предохранительного клапана устанавливается на 600 фунтов на квадратный дюйм (41,38 бар), через игольчатый клапан по-прежнему протекает поток под давлением 100 фунтов на квадратный дюйм (6,89 бар). Пока давление срабатывания предохранительного клапана установлено достаточно высоко для открытия компенсационного золотника, расход на выходе к цилиндру остаётся постоянным и составляет 3 галлона в минуту (11,37 л/мин).

Влияние температуры на расход через дроссельное отверстие

Как упоминалось в начале этой главы, три основных фактора, влияющих на расход через отверстие, — это размер отверстия, перепад давления и температура масла. При изменении температуры масла меняется его вязкость; при изменении вязкости масла изменяется и расход через отверстие. Для фиксированных отверстий или игольчатых клапанов вызванные температурой изменения расхода обычно незначительны, поскольку размер отверстия и перепад давления, как правило, велики по сравнению с эффектами, обусловленными вязкостью. Однако для применений, требующих очень точного регулирования расхода, температурные эффекты необходимо учитывать. Как клапаны регулирования скорости с дросселированием на входе, так и клапаны регулирования скорости байпасного типа, как правило, обеспечивают достаточную точность для типовых промышленных гидравлических применений.

Для применений, требующих чрезвычайно точного регулирования расхода независимо от изменений температуры, может использоваться компенсирующий температурные колебания клапан регулирования расхода. Этот тип клапана также компенсирует температурные эффекты.

Основные формулы — Глава 9