Вопрос 4. Предохранительные клапаны, их устройство, принцип действия, классификация, силы, действующие при работе клапанов

Клапаны прямого действия

Принцип действия таких клапанов, применяемых в гидросистемах машин, основан на уравновешивании внешней силой (пружиной, электромагнитом, грузом и пр.) (шарик, плунжер с конусным посадочным местом и пр.), который под действием этой силы плотно (герметично) перекрывает проходной канал (рис. 62).

После того как сила давления жидкости, действующая на затвор клапана, преодолеет эту противодействующую внешнюю силу, затвор, сместившись со своего седла, откроет проход для жидкости в сливную линию (в бак). При

понижении давления на входе в клапан ниже значения, соответствующего противодействующей внешней силе, затвор вновь перекроет проход жидкости в бак. В соответствии с этим предохранительный клапан является

дросселирующим устройством (органом) с переменной площадью проходного сечения. Наиболее простым из предохранительных клапанов является шариковый с постоянной (рис. 62, а) или регулируемой затяжкой пружины. Однако эти клапаны применимы лишь при относительно небольших давлениях и кратковременном действии, так как при длительной работе шарик вследствие вибрации неравномерно вырабатывает (разбивает) гнездо клапана. Для уменьшения этой неравномерности выработки седла шарик, в особенности в клапанах систем высоких давлений, снабжают направляющей т (рис. 62, б), с помощью которой обеспечивается его перемещение лишь вдоль оси. К этому же типу относится клапан с конусным затвором, схемы которого изображены на рис. 62, в и 63» а. Обязательным условием обеспечения герметичности последнего клапана является соблюдение строгой соосности цилиндрической и конусной поверхностей затвора, а также соосности направляющего цилиндра корпуса клапана и конусного гнезда. Регулировка предварительного сжатия пружины 2 (рис. 63, а) осуществляется с помощью болта 3. Для демпфирования колебаний предусмотрен дроссель 1.

Характеристики клапана.

Качество предохранительного клапана оценивается его статической и динамической характеристиками.

Статическая характеристика выражает зависимость между входной и выходной величиндми в установившемся режиме при разных, но постоянных нагрузках. Для клапанов такие характеристики обычно выражают

зависимость давления р и перемещения h затвора в функции расхода Q (р = / (Q) и h => / (Q)).

Динамическая характеристика описывает переходной процесс, происходящий в клапане в период перемещения затвора и изменения нагрузки, расхода и т. д. К последним характеристикам относятся также и частотные

характеристики, снятые в режиме вынужденных колебаний. Расчет клапана для работы в статическом режиме сводится к определению площади рабочего окна, необходимого для прохада через него требуемого расхода Q жидкости при заданном перепаде давления Др. Расход жидкости Q и перепад давления Ар связаны уравнением (20), в которое входит переменная площадь / рабочего окна, зависящая от высоты h подъема клапана,

а также переменный коэффициент расхода \л. На рис. 64 представлен экспериментальный график зависимости

коэффициента расхода [х клапана с углом конусности затвора при вершине, равным а = 90°, от Re при различных перепадах давления Ар = рг — р2. Re рассчитывалось по выражению

где re = f/a — гидравлический радиус;

здесь а = 2nd — смоченный периметр;

d — средний диаметр сечения щели, образованный затвором и

седлом.клапана.

Эксперименты проведены на масле АМГ-10 при температурах 30 и 50° С. На этой кривой достаточно отчетливо наблюдаются два участка Re < 40 и Re > 40. Для первого участка (Re <40) коэффициент расхода может быть

вычислен по выражению

Для второго участка (Re>40), который является основным (преобладающим) для клапанов, коэффициент расхода практически не зависит от Re и может быть принят для этого клапана \i = const = 0,75. В ряде рекомендаций этот коэффициент при Re ^ 40 принимается равным (л = const = 0,8. Поскольку сечение щели между затвором и седлом клапана при подъеме изменяется, при расчете принимают среднее значение ее диаметра. В частности, для конусного затвора средний диаметр щели при его подъеме определяют приближенно (см. рис. 63, а и б):

В соответствии с этим текущая площадь проходной щели клапана с конусным затвором и с острой кромкой седла где t — размер щели в сечении, перпендикулярном к направлению потока;

d — диаметр канала клапана (острых кромок седла); dx — диаметр эффективного сечения конуса затвора клапана в поднятом положении. Из расчетной схемы клапана (см. рис. 63, а и б) следует, что

Силы, действующие на затвор клапана.

На затвор клапана действуют силы гидростатического давления и трения, силы гидродинамического воздействия потока, боковое усилие, обусловленное несимметричностью распределения давления жидкости в радиальном зазоре и несоосностью затвора и отверстия, а также силы бокового давления, вызываемого несимметричным

действием усилия пружины. На первом этапе расчетов клапана учитывают лишь силы гидростатического воздействия. Перепад давления Др, соответствующий началу открытия (или концу закрытия) затвора предохранительного клапана, для клапана с острыми кромками посадочного седла (см. рис. 63, а), т. е. условие равновесия статических сил, действующих на затвор клапана, можно определить (без учета сил трения и веса затвора) по уравнению

проекция поверхности затвора клапана, омываемой жидкостью под давлением, на плоскость,

перпендикулярную к его оси (площадь сечения затвора по линии контакта его с кромками седла);

здесь d0 = d — диаметр круга этой проекции (для клапанов с острой кромкой

седла этим диаметром является диаметр d отверстия седла);

Ро = Ch0 — усилие предварительного сжатия пружины;

С и h0 — коэффициент жесткости и предварительное сжатие пружины.

При этом условии перепад давления Ар, соответствующий началу

открытия клапана с острой кромкой, равен перепаду давления в момент закрытия

клапана.

После того как клапан оторвется от своего гнезда, перепад давления

может существенно измениться. Последнее в основном обусловлено возник-

новением гидродинамических сил, а также тем, что при увеличении расхода через

клапан затвор последнего должен быть поднят на соответствующую высоту, в связи с чем

усилие сжатия пружины, а следовательно, и давление жидкости, требующееся для

удержания затвора клапана в поднятом положении, повысятся. На рис. 65 приведена зависимость

давления от расхода одноступенчатого клапана при открытии затвора (при повышении

расхода) и при закрытии (при понижении расхода). График показывает, что давление рн,

соответствующее началу открытия клапана при повышении давления, больше давления р0

в конце закрытия клапана при снижении давления. Разница в этих давлениях при равных расходах определяет гистерезис предохранительного клапана, под которым в общем случае понимается разница между давлениями при открытии и закрытии затвора при том же расходе. Применительно к рис. 65 этот гистерезис характеризуется для текущего расхода разницей давлений, выражаемой отрезком Ь. Причинами, приводящими при изменении расхода к нарушению стабильности давления (и к появлению гистерезиса), являются характеристика пружины и трение подвижных деталей клапана, а также изменения действующих при подъемах затвора клапана (в переходных режимах) сил давления жидкости, в тбм числе сил инерции и гидродинамических сил. Для повышения стабильности давления при изменении расхода в первую очередь необходимо повышать эластичность пружины, что достигается увеличением ее длины (уменьшением коэффициента ее жесткости С), а также максимально понижать силы трения и ход затвора. Зависимость давления от расхода идеального с этой точки зрения клапана выражается без учета гидродинамических сил вертикальной прямой а (рис. 657 как ПРИ увеличении расхода от нулевого до ма:1^мального значения, так и при снижении его от максимального до нулевого. Давления в конце подъема, а также в конце закрытия затвора для этого клапана

совпадают с давлением рн начала подъема. Силы трения плунжера определяют чувствительность б клапана к

изменению давления, которая оценивается отношением

где Ар — превышение давления над номинальным (расчетным) давлением /?,

определяемым усилием пружины клапана. Чувствительность колеблется