ПРОМЫШЛЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Картриджные электроуправляемые клапаны и их применение


Картриджные вворачиваемые электроуправляемые клапаны широко применяются в гидросистемах промышленного оборудования и мобильной техники. Особенно эффективно их использование в блочных исполнениях управляющих систем гидропривода. Установленные в манифольде (металлическом
блоке с внутренними разветвленными гидравлическими каналами), они реализовывают алгоритм управления любой сложной машины.

Такая система отличается компактностью, относительной простотой изготовления, высокой степенью ремонтопригодности. Использование электроуправляемых клапанов позволяет легко реализовывать на машине коммутацию сигналов и прокладку управляющих линий. Картриджные электроуправляемые клапаны выпускаются с коническим запорным элементом или золотником, который изменяет направление потока рабочей жидкости.

Подвижный подпружиненный конический запорный элемент надежно герметизирует проходной канал клапана в одном направлении, исключая внутренние перетечки рабочей жидкости. Перемещение подпружиненного конического запорного элемента или золотника осуществляется непосредственно от сердечника электромагнита либо с использованием внутреннего гидравлического усиления.

Оно применяется в случаях, когда сила, развиваемая пружиной, недостаточна для эффективного удержания запорного элемента в требуемой рабочей позиции. Чтобы не увеличивать размеры электромагнита и как следствие, всего клапана, используется энергия потока рабочей жидкости. В зарубежной терминологии электромагнит клапана часто называют соленоидом.

Катушки электромагнитов клапанов выпускаются как для постоянного так и для переменного тока. Электромагниты постоянного тока имеют стандартные значения напряжения: 12, 24, 48 Вольт. Электромагниты переменного тока расчитаны на напряжение: 24, 48, 110, 220 Вольт.

Потребляемая мощность электромагнитов клапанов составляет от 18 до 33 Ватт. В зависимости от размеров клапаны с коническим запорным элементом имеют пропускную способность от 1 до 200 дм3/мин (л/мин) при стандартных давлениях до 21,0 МПа (210 бар) или 35,0 МПа (350 бар).

Картриджные электроуправляемые клапаны с коническим запорным элементом

Обычно картриджные ввертные электроуправляемые клапаны с коническим запорным элементом выполняются в версиях 2/2 нормально открытый (НО) или нормально закрытый (НЗ), а также в исполнении 3/2. Они обеспечивают одностороннее или двустороннее полностью герметизированное уплотнение
рабочих каналов.

Напомним, что по принятой классификации в числителе указывается количество основных гидравлических линий клапана: нагнетание, слив, рабочие каналы. В знаменателе – количество позиций запорного элемента или золотника: нейтральное, рабочие. Например, клапан 3/2 имеет 3 основные гидравлические линии и 2 позиции запорного элемента или золотника.

Принципиальная конструктивная схема картриджного ввертного электроуправляемого клапана приведена на рис. 1. Здесь изображен двухлинейный двухпозиционный (2/2) нормально закрытый клапан с односторонним герметизированием и внутренним гидравлическим усилением. Сердечник электромагнита с одного своего торца жестко соединен с коническим запорным элементом клапана с помощью управляющего стержня.



Рис. 1. Двухлинейный двухпозиционный (2/2) нормально закрытый (НЗ) электроуправляемый клапан с односторонним герметизированием проходного канала и внутренним гидравлическим усилением

На другой торец сердечника действует прижимная пружина. В исходном положении (см. левый рисунок) электромагнит выключен, его сердечник находится в крайнем нижнем положении и прижимает конический запорный элемент к седлу усилием пружины.

Вместе с тем рабочая жидкость из входной гидролинии под давлением потока по внутренним каналам управляющего стержня поступает в подпружиненный торец сердечника и со значительным дополнительным усилием прижимает запорный элемент к седлу.

Таким образом осуществляется гидравлическое усиление и надежная герметизация прохода между входной и выходной гидролиниями клапана. Вместе с тем, если в выходной гидролинии клапана давление повысится до такой величины, что преодолеет усилие прижатия к седлу конического запорного элемента, поток рабочей жидкости пойдет в противоположном направлении, т.е. из выходной гидролинии во входную.

При включении электромагнита (см. правый рисунок) сердечник, преодолевая сопротивление пружины и давления рабочей жидкости, поднимается, перемещая за собой конический запорный элемент до крайнего положения. Входная и выходная гидролинии клапана соединяются.

Одновременно давление потока, воздействуя на торец конического запорного элемента, дополнительно прижимает его вверх, надежно обеспечивая свободный проход рабочей жидкости в обоих направлениях. Сердечник электромагнита и опорный поясок управляющего стержня постоянно находятся в масляной ванне.

Гидравлическая жидкость не только смазывает механические части, но и эффективно отводит тепло. Конструктивная схема аналогичного (2/2) нормально открытого электрогидравлического клапана приведена на рис. 2.



Рис. 2. Двухлинейный двухпозиционный (2/2) нормально открытый (НО) электроуправляемый клапан с односторонним герметизированием проходного канала и внутренним гидравлическим усилением

В этой конструкции прижимная пружина установлена поверх управляющего стержня между торцом сердечника и коническим запорным элементом (см. левый рисунок). При выключенном электромагните она удерживает сердечник в крайнем верхнем положении.

Одновременно давление потока, воздействуя на торец конического запорного элемента, дополнительно прижимает его вверх, надежно обеспечивая свободный проход рабочий жидкости в обоих направлениях. При включении электромагнита (см. правый рисунок) сердечник перемещается вниз, преодолевая сопротивление пружины.

Конический запорный элемент опускается, перекрывая проход между входной и выходной гидролиниями. Одновременно через внутренние каналы управляющего стержня рабочая жидкость попадает в полость верхнего торца сердечника.

Воздействуя на его площадь, давление рабочей жидкости прижимает через управляющий стержень конический запорный элемент к седлу, обеспечивая надежную герметизацию прохода между входной и выходной гидролиниями клапана.

Вместе с тем, если в выходной гидролинии клапана давление повысится до такой величины, что преодолеет усилие прижатия к седлу конического запорного элемента, поток рабочей жидкости пойдет в противоположном направлении, т.е. из выходной гидролинии во входную. Существуют и другие
конструктивные схемы подобных электроуправляемых клапанов, в том числе без гидравлического усиления.



Рис. 3. Двухлинейный двухпозиционный (2/2) нормально закрытый (НЗ) электроуправляемый клапан с двусторонним герметизированием проходного канала

Конструктивная схема двухлинейного двухпозиционного (2/2) нормально закрытого клапана с двусторонним герметизированием проходного канала показана на рис. 3. В исходном положении электромагнит выключен. Его сердечник полностью втянут.

Конический запорный элемент подпружинен и перекрывает канал между входной и выходной гидролиниями. Конструкция клапана такова, что при увеличении давления в любой гидролинии конический запорный элемент надежно прижимается к седлу и герметизирует проход в обоих направлениях.

При включении электромагнита его сердечник выдвигается и через управляющий стержень перемещает конический запорный элемент, полностью открывая проход между входной и выходной гидролиниями клапана. Поток рабочей жидкости может свободно проходить в обоих направлениях.



Рис. 4. Двухлинейный двухпозиционный (2/2) нормально открытый (НО) электроуправляемый клапан с двусторонним герметизированием проходного канала

Аналогичная конструктивная схема двухлинейного двухпозиционного (2/2) нормально открытого клапана с двусторонним герметизированием проходного канала показана на рис. 4. В исходном положении электромагнит выключен. Его сердечник полностью втянут. Конический запорный элемент подпружинен и полностью открывает канал между входной и выходной гидролиниями.

Поток рабочей жидкости может свободно проходить в обоих направлениях. При включении электромагнита его сердечник выдвигается и через управляющий стержень перемещает конический запорный элемент, полностью закрывая проход между входной и выходной гидролиниями клапана.

При увеличении давления в любой гидролинии конический запорный элемент надежно прижимается к седлу и герметизирует проход в обоих направлениях. Развитием рассмотренных клапанов с коническим запорным элементом стало трехлинейное двухпозиционное (3/2) исполнение, показанное на рис. 5.



Рис. 5. Трехлинейный двухпозиционный (3/2) электроуправляемый клапан

Работа клапана 3/2 аналогична описанным выше. При выключенном электромагните рабочая гидролиния А соединена со сливом Т. Напорная гидролиния Р надежно заперта, внутренних перетечек рабочей жидкости не происходит. При включении электромагнита напорная гидролиния Р соединяется с рабочей А.

Сливная гидролиния Т надежно перекрывается, исключая внутренние перетечки рабочей жидкости. Хорошо известно, что при возрастании расхода рабочей жидкости (Q), проходящей через клапан, перепад давления (Δр) увеличивается нелинейно. Например, если расход увеличился вдвое, то перепад давления возрастет в четыре раза.

Золотниковые электроуправляемые клапаны

Принцип работы золотниковых электроуправляемых клапанов аналогичен рассмотренным выше клапанам с коническими запорными элементами. В зависимости от своих размеров золотниковые электроуправляемые клапаны имеют пропускную способность от 8 до 60 дм3/мин (л/мин) при стандартных давлениях до 21,0 МПа (210 бар) или 35,0 МПа (350 бар).

Преимуществом золотниковых клапанов является более широкий ряд исполнений: 2/2, 3/2 и 4/2, а с двумя электромагнитами — 3/3 и 4/3. В золотниковой паре всегда имеется гарантированный кольцевой зазор. Он позволяет смазывать рабочей жидкостью эту пару трения и за счет наличия нескольких кольцевых канавок на его внешней цилиндрической поверхности центрировать золотник под действием давления.

В результате для перемещения золотника клапана требуется небольшое усилие. Однако зазор способствует наличию внутренних перетечек рабочей жидкости. Они возрастают при увеличении давления и температуры. Поэтому золотниковые клапаны не могут полностью запирать каналы между гидролиниями.

Золотниковый нормально закрытый электроуправляемый клапан 2/2 имеет аналогичную конструкцию клапана с коническим запорным элементом, за исключением подвижных деталей. Здесь управляющий стержень жестко соединен с золотником. При выключенном электромагните его сердечник прижимается пружиной и занимает крайнее нижнее положение.

Золотник перекрывает проходное отверстие входной гидролинии. Из выходной гидролинии рабочая жидкость по внутреннему каналу управляющего стержня поступает в подпружиненную полость клапана. Давление выходной гидролинии, действуя на торец сердечника, увеличивает силу его прижима.

При включении электромагнита его сердечник поднимается вверх, преодолевая сопротивление пружины и силы давления в гидролинии. Проход между входной и выходной гидролиниями открывается, обеспечивая свободный поток рабочей жидкости в обоих направлениях.

В результате небольших изменений в конструкции базового золотника можно легко получать различные типы клапанов. Этот фактор является большим преимуществом золотниковых клапанов. Например, на рис. 6 показана схема золотникового нормально открытого электроуправляемого клапана 2/2.



Рис. 6. Золотниковый нормально закрытый электроуправляемый клапан 2/2

Принцип его работы и конструктивная схема аналогичны описанным выше. Отличительной особенностью является только наличие радиальных отверстий в золотнике. Следует отметить, что из принципиальных схем видно, что конструкции электроуправляемых клапанов с коническим запорным элементом несколько отличаются друг от друга.

В то же время базовые конструкции золотниковых электроуправляемых клапанов идентичны, за исключением только формы золотниковых пар. Базовая модель золотникового электроуправляемого клапана 3/2 показана на рис. 7. Здесь при выключенном электромагните рабочая гидролиния А соединена со сливом Т.



Рис. 7. Базовая модель золотникового электроуправляемого клапана 3/2

Нагнетающая гидролиния Р заперта. При включении электромагнита нагнетающая гидролиния Р соединяется с рабочей А, а сливная гидролиния Т перекрывается. Изменяя конструкцию золотниковой пары, можно получить различные исполнения клапанов 3/3.

Чтобы обеспечить три позиции золотника, необходимо использовать в конструкции клапана два электромагнита. Обмотки их катушек направлены в разные стороны. Поэтому при подаче напряжения питания общий сердечник электромагнита будет перемещаться в одном или обратном направлении.

В условных обозначениях направления обмоток катушек показываются чертой с противоположным наклоном. Схемы базовой модели электроуправляемого клапана 4/2 при включенном и выключенном электромагните показаны на рис. 8.



Рис. 8. Базовая модель золотникового электроуправляемого клапана 4/2

При выключенном электромагните гидролиния нагнетания Р соединена с рабочей А, а гидролиния В – со сливом Т. Включение электромагнита переводит золотник в положение, при котором гидролиния нагнетания Р соединяется с рабочей В, а гидролиния А – со сливом Т. В зависимости от конструкции золотника клапан может иметь несколько различных гидравлических схем.

На рис. 9 показана принципиальная схема базового золотникового электроуправляемого клапана 4/3. Он содержит сдвоенный электромагнит с одним общим удлиненным сердечником. Сердечник через управляющий стержень жестко связан с золотником. Золотник центрируется пружиной. Пружина заключена между двумя тарелками.



Рис. 9. Базовая модель золотникового электроуправляемого клапана 4/3

При включении электромагнитов и перемещении золотника в одну или другую сторону она сжимается. При выключении электромагнитов пружина всегда разжимается и возвращает золотник в нейтральное положение. При выключенных электромагнитах строгую нейтральную позицию золотника обеспечивает центрирующая пружина. Нагнетающая гидролиния Р через золотник соединена со сливом Т.

Рабочие гидролинии А и В золотник запирает. При включении электромагнита 2 (ЭМ 2) сердечник втягивается, перемещая золотник в крайнее, на рисунке левое, положение. Напорная гидролиния Р соединяется с рабочей А, а гидролиния В — со сливом Т. При выключении электромагнита 2 пружина возвращает золотник в нейтральное положение.

При включении электромагнита 1 (ЭМ 1) сердечник выдвигается, перемещая золотник в крайнее, на рисунке правое, положение. Напорная гидролиния Р соединяется с рабочей В, а гидролиния А — со сливом Т. Различная конструкция золотников позволяет получить большое количество разнообразных типов клапанов 4/3, гидросхемы которых показаны на рис. 10.



Рис. 10. Гидросхемы золотниковых электроуправляемых клапанов 4/3

В рассмотренных клапанах используются релейные электромагниты. Поэтому клапаны работают только в дискретном режиме: включено/выключено. Но некоторые виды гидравлической техники требуют от электроуправляемых клапанов пропорционального управления.

Наиболее часто это относится к клапанам 4/3. Для реализации точного управления используют пропорциональные электромагниты. Соответственно изменяется и управляющая электрическая схема. Все эти факторы удорожают электрогидравлическую систему и снижают ее надежность.

Поэтому конструкторы сложных машин пытаются максимально использовать цифровую логику в управляющих гидравлических контурах, реализованную на рассмотренных гидравлических и электроуправляемых клапанах, а регулирование силовых потоков рабочей жидкости осуществлять насосами с переменным рабочим объемом.