13.2. Гидродроссели

Гидродроссель – это местное гидравлическое сопротивление, предназначенное для снижения давления в потоке рабочей жидкости.

Гидродроссель представляет собой регулирующий гидроаппарат. Особенностью его является то, что поток жидкости, проходящий через гидродроссель, не влияет на размер его проходного сечения.

Под характеристикой гидродросселя понимается зависимость потерь давления Δр_др в гидродросселе (перепада давления на гидродросселе) от расхода рабочей жидкости, проходящей через него. По виду этой зависимости различают линейные и квадратичные дроссели.

Линейные гидродроссели имеют линейную характеристику Δр_др = КQ. Такой вид зависимости достигается за счет ламинарного течения жидкости внутри дросселя. Поэтому основной расчетной зависимостью для линейных дросселей является закон Пуазейля (5.6).

На рис. 13.2, а приведена конструктивная схема линейного регулируемого гидродросселя. Ламинарный режим течения обеспечивается в винтовой канавке прямоугольного сечения, нарезанной на поверхности цилиндрического плунжера 1, установленного в корпусе 2. Регулирование сопротивления гидродросселя осуществляется путем изменения рабочей длины l_k дросселирующего канала за счет вращения винтовой головки З.

Основным недостатком линейного гидродросселя является зависимость его характеристики от вязкости рабочей жидкости [см. формулу (5.6)], а следовательно, и от температуры. Из-за этой температурной нестабильности характеристики линейные гидродроссели в системах управления объемными гидроприводами практически не применяются.

Квадратичные гидродроссели имеют квадратичную характеристику. Характеристика этих гидродросселей мало зависит от температуры рабочей жидкости, поэтому они получили наибольшее распространение в объемных гидроприводах.

Простейшим квадратичным настраиваемым гидродросселем является жиклер (рис. 13.2, 6). движение жидкости через жиклер подчиняется законам истечения жидкости через затопленное отверстие в тонкой стенке (см. подразд. 6.2). Расчетной формулой для такого гидродросселя является формула (6.7), из которой получаем аналитическое выражение его характеристики:

где μ – коэффициент расхода (для минеральных масел в области квадратичного сопротивления можно принимать μ = 0,65); S_o –

площадъ отверстия жиклера (в частности для круглого отверстия S_o = πd²/4)

Из формулы (13.1) очевидно, что если такой гидродроссель по условиям работы гидросистемы должен обеспечить достаточно большой перепад давления при относительно малых расходах, то при этом в гидродросселе необходимо иметь отверстие очень малой площади. Однако тогда высока вероятность его засорения, а значит, самопроизвольного изменения характеристики гидродросселя, т.е. надежность работы такого гидродросселя будет низкой.

На практике при решении подобной задачи используются паiсетные гидродроссели (рис. 13.2, в). Такой гидродроссель состоит из набора шайб, отверстия в которых смещены друг относительно друга.

Расчетная формула в этом случае имеет вид

где n – число шайб в пакете; μ – коэффициент расхода дросселирующей шайбы со смещенным отверстием (в расчете можно принимать μ = 0,78); k – коэффициент взаимовлияния дросселирующих отверстий в соседних шайбах (при расчетах принимается k = 1,25); S_o – площадь отверстия в шайбе (диаметр отверстия в шайбе рекомендуется выбирать из диапазона 0,5…1,5 мм).

Варианты условных обозначений настраиваемого (нерегулируемого) гидродросселя в схемах гидросистем приведены на рис. 13.2, г.

В регулируемых гидродросселях наиболее часто используются крановые, золотниковые, клапанные (в частности, игольчатые) запорно-регулирующие элементы, а также дроссели типа «сопло-заслонка». Рассмотрим конструктивные особенности этих типов гидродросселей.

У кранового гидродросселя (рис. 13.2, д) изменение площади проходного сечения обеспечивается за счет поворота в корпусе 2 на некоторый угол φ запорно-регулирующего элемента (крана) 4 вокруг оси, нормальной плоскости рисунка. Недостатком конструкции такого гидродросселя является то, что его запорно-регулирующий элемент не разгружен от давления в потоке жидкости. Это при значительном рабочем давлении является причиной возрастания момента, необходимого для управления краном. Поэтому крановые гидродроссели используются в низконапорных гидросистемах.

У золотникового гидродросселя (рис. 13.2, е, ж) изменение площади проходного сечения обеспечивается за счет некоторого осевого смещения х запорно-регулирующего элемента (золотника) 5 в отверстии корпуса 2. На рисунке даны два варианта конструкции золотникового гидродросселя. В золотниковом гидродросселе, показанном на рис. 13.2, е, запорно-регулирующий элемент 5 не разгружен от давления. Поэтому усилие управления им зависит от давления в потоке жидкости, что является недостатком. На практике такие конструкции используются только в гидросистемах с низким рабочим давлением.

В золотниковом гидродросселе, конструкция которого приведена на рис. 13.2, ж, жидкость под давлением поступает между двумя поясками золотника. Возникающие при этом силы давления, действующие на золотник в осевом направлении, взаимно уравновешиваются. Усилие управления при этом должно преодолевать только силу трения между золотником 5 и гильзой (корпусом) 2. Торцевые полости в корпусе этого гидродросселя, как правило, сообщаются с гидробаком дренажными гидролиниями.

В клапанном, или игольчатом, гидродросселе (рис. 13.2, з) изменение площади проходного сечения происходит за счет вертикального перемещения запорно-регулирующего элемента 6 с углом конуса 3 относительно седла 7 (элемент 6 приближается к седлу или удаляется от него). Недостатком гидродросселя является то, что его запорно-регулирующий элемент не разгружен от давления в потоке жидкости, а значит усилие, необходимое для управления, зависит от этого давления.

В гидродросселе типа «сопло – заслонка» (рис. 13.2, и) изменение площади проходного сечения происходит за счет перемещения запорно-регулирующего элемента 8 (плоская заслонка) относительно сопла 9 (элемент 8 приближается к соплу или удаляется от него). Следствием этого является изменение расстояниях от заслонки до торца сопла, а следовательно, изменение сопротивления гидродросселя потоку жидкости, вытекающему из него. Следует обратить внимание на то, что в этом гидродросселе усилие, необходимое для управления заслонкой, пропорционально потерям давления на гидродросселе. Эта зависимость может использоваться при проектировании систем автоматического управления объемным гидроприводом.

Одним из основных условий получения стабильной характеристики гидродросселя «сопло-заслонка» является выбор наружного диаметра d_н, торца сопла из диапазона (1,2…1,3) d_с, где d_с – диаметр отверстия сопла.

Условное обозначение регулируемого гидродросселя на схемах гидросистем приведено на рис. 13.2, к.

Напорными называются гидроклапаны, ограничивающие давление в подводимом к ним потоке рабочей жидкости. К ним относятся предохранительный и переливной гидроклапаны.

Предохранительным называется напорный гидроклапан, предохраняющий гидропривод от давления, превышающего допустимое.

Предохранительные гидроклапаны используются во всех объемных гидроприводах и устанавливаются либо в непосредственной близости у насоса, либо в тех местах гидросистемы, где возможно возникновение опасных по величине давлений. Режим работы клапана – эпизодический.

Основным требованием, предъявляемым к предохранительному гидроклапану, является надежность срабатывания.

С конструктивной точки зрения это требование означает, что в предохранительном гидроклапане необходимо исключить вероятность заклинивания его запорно-регулирующего элемента, поэтому предохранительный гидроклапан простейшей конструкции имеет либо шариковый (для малых расходов), либо конусный запорно-регулирующий элемент.

На рис. 13.3, а приведена схема предохранительного гидроклапана прямого действия, контролирующего давление р. В клапане используется конусный запорно-регулирующий элемент 2, прижимаемый к седлу в корпусе 1 пружиной 3.

Давление срабатывания предохранительного гидроклапана можно отрегулировать при помощи регулировочного винта 4, изменяя силу предварительного поджатия пружины 3. давление р_к срабатывания предохранительного клапана может быть определено по формуле

где F_пр – сила предварительного поджатия пружины; d_c – диаметр отверстия седла клапана; р_сд — давление в сливной гидролинии Т.

Следует отметить, что если гидроклапан такой конструкции использовать в гидросистеме, где он должен срабатывать достаточно часто, то конус в результате частых ударов о седло может потерять свою форму или разбить седло. Поэтому в гидросистемах с частым срабатыванием предохранительного клапана используют гидроклапаны более сложных конструкций.

Переливным называется напорный гидроклапан, предназначенный для поддержания заданного давления на входе в клапан за счет непрерывного слива части потока рабочей жидкости.

Из этого определения следует, что переливные клапаны работают постоянно в неустановившемся режиме, поэтому в них для исключения ударов запорно-регулирующего элемента о седло, как правило, используются золотниковые запорно-регулирующие элементы (рис. 13.3, 6). Такой клапан работает следующим образом.

При повышении давления р₁ золотник б перемещается вправо и сжимает пружину З. Проходное сечение щели 5 увеличивается, возрастает количество жидкости, сливающейся из напорной гидролинии в гидробак, и давление р₁ снижается. При понижении давления р₁ золотник б пружиной 3 смещается влево, проходное сечение щели 5 уменьшается и давление р₁ повышается.

Одним из требований, предъявляемых к переливному гидроклапану, является поддержание давления р₁ с заданной точностью. Точность клапана оценивают по его характеристике, которую получают экспериментально или расчетным путем. При получении расчетной характеристики клапана решают систему уравнений, которая состоит из уравнения равновесия запорно-регулирующего элемента (золотника 6 см. рис. 13.3, б) и уравнения истечения жидкости через открывающееся проходное сечение (щель 5). Решением этой системы при некоторых допущениях является зависимость

где р_к – давление срабатывания клапана, определяемое по формуле (13.3); К_кл – коэффициент, равный тангенсу угла наклона характеристики переливного клапана (рис. 13.3, в).

Коэффициент К_кл является показателем точности поддержания давления клапаном и зависит в первую очередь от жесткости пружины 3 и диаметра золотника. Уменьшение коэффициента К_кл с целью повышения точности поддержания заданного значения р₁ при данном максимальном расходе через клапан возможно только за счет уменьшения жесткости пружины. При этом значительно усложняется конструкция пружинного узла клапана, и увеличиваются его размеры.

Наиболее совершенными по форме характеристики, габаритным размерам и герметичности являются переливные клапаны непрямого действия (рис. 13.3, г). Такой клапан состоит из основного и вспомогательного клапанов. Давление настройки (срабатывания) вспомогательного клапана 9 регулируется винтом 4, который изменяет предварительное поджатие пружины 10.

Клапан работает следующим образом. Если давление р₁ не превышает давления настройки, то оба клапана (основной и вспомогательный) закрыты. При этом запорно-регулирующий элемент 7 основного клапана в результате действия сил от давления р₁ (слева и справа) и пружины 3 (справа) прокат к седлу, т.е. закрыт. Если давление р₁ превысит давление настройки вспомогательного клапана 9, то последний открывается и жидкость через него сливается в бак. При этом возникает перепад давления на дросселе 8, а значит, давление, действующее справа на запорно-регулирующий элемент 7 основного клапана, уменьшается и клапан открывается для слива основного потока рабочей жидкости.

На рис. 13.3, д приведена характеристика рассмотренного переливного клапана непрямого действия. На графике видно, что она состоит из двух участков: от расхода, равного нулю, до Q_min (жидкость сливается только через вспомогательный клапан) и от Q_min до Q_max (жидкость сливается через оба клапана). Рабочим считается второй участок, а значит, погрешность поддержания давления у такого клапана не превышает Δр.

Условное обозначение предохранительного гидроклапана приведено на рис. 13.3, е. Это же условное обозначение принято и для переливного гидроклапана, т. е. оно используется в гидравлических схемах при обозначении всех напорных гидроклапанов. Под стрелкой, расположенной внутри квадрата, понимается запорно-регулирующий элемент, на который, с одной стороны, действует контролируемое давление (в данном случае давление на входе в клапан), а с другой – пружина. Клапан на схеме изображается в исходном (для напорного клапана в закрытом) состоянии. Условно на это указывает то, что стрелка смещена влево как бы под действием пружины. При этом слив из трубопровода с контролируемым давлением перекрыт. Подразумевается, что при возрастании контролируемого давления стрелка будет перемещаться вправо до тех пор, пока не соединит трубопровод на входе в клапан со

сливным трубопроводом. При этом клапан откроется для спина жидкости.

Редукционный гидроклапан – это гидроклапан давления, предназначенный для поддержания в отводимом потоке заданного уровня давления р₂ (рис. 13.4, а).

Редукционный клапан прямого действия состоит из подпружиненного запорно-регулирующего элемента 2, размещенного в корпусе 1. Клапан работает следующим образом. Возрастающее давление р₂ воздействует на верхний торец запорно-регулирующего элемента 2, перемещает его вниз, сжимая пружину 4. Проходное сечение щели З уменьшается, снижается расход жидкости, проходящей через клапан, и в результате давление р₂ снижается, так как оно является функцией расхода в отводимой гидролинии. При понижении давления р₂ запорно-регулирующий элемент 2 пружиной 4 смещается вверх, проходное сечение щели 3 увеличивается, расход жидкости, проходящей через клапан, возрастает, а следовательно, увеличивается и давление р₂.

В отличие от напорных клапанов редукционный клапан открыт нормально, т.е. при выключенной гидросистеме запорно-регулирующий элемент клапана полностью открывается пружиной. Это обстоятельство отражено в условном обозначении редукционного клапана (рис. 13.4, 6): стрелка внутри квадрата соединяет входную и выходную гидролинии.

Характеристику редукционного клапана получают так же, как и для напорного клапана. При определенных допущениях она представляет собой следующую зависимость:

где р_к – давление настройки редукционного клапана, определяемое из формулы (13.3) при условии, что клапан прижат к седлу.

Примерный вид характеристики редукционного клапана прямого действия приведен на рис. 13.4, в. Из графика видно, что увеличение расхода жидкости, проходящей через редукционный клапан, сопровождается некоторым уменьшением редуцируемого давления р₂. Объясняется это тем, что для пропускания большего расхода необходимо увеличение проходного сечения клапана, а это приводит к уменьшению силы пружины. Крутизна характеристики редукционного клапана прямого действия, а значит, и точность поддержания редуцируемого давления, как и у переливного клапана, зависит от жесткости пружины. для повышения точности поддержания давления р₂ в отводимом потоке используются клапаны непрямого действия.

Кроме рассмотренных регулирующих клапанов, в объемных гидросистемах применяются клапаны перепада давления (поддерживают постоянный перепад давления на клапане), клапаны соотношения давлений и др.