ПРОМЫШЛЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Гидравлические картриджные ввертные клапаны


Картриджем называют вставляемые элементы для различной техники. Такие устройства нашли применение и в машиностроительной гидравлике. В основном это фильтроэлементы и различные клапаны.

Так же как и в корпусном исполнении картриджные клапаны получили широкое распространение в гидравлических системах. Их преимуществами являются малые габариты, простота сборки, низкая стоимость. Картриджные клапаны выполняют различные функции.

В зависимости от конструкции они управляют давлением, регулируют поток рабочей жидкости, запирают рабочие полости гидродвигателей (гидроцилиндров), делят поток на части и т.п. Существует два типа гидравлических картриджных клапанов – ввертные и вставные.

Ввертные гидравлические картриджные клапаны устанавливаются в полость корпуса гидроаппарата или в монтажную плиту вращательным движением и крепятся в нем с помощью резьбового соединения. Конечно, между телом клапана и корпусом присутствуют уплотнения.

Вставные клапаны устанавливаются в полость корпуса поступательным движением и крепятся в нем с помощью крышки, прикрученной к корпусу винтами. Схема установки таких клапанов показана на рис. 1. Картриджные клапаны обычно вставляются в монолитную металлическую монтажную плиту, как правило, прямоугольной формы, в которой выполнено много посадочных отверстий.



Рис. 1. Вворачиваемый (ввертный) и вставной картриджные клапаны

Эти отверстия соединены между собой рабочими каналами в соответствии с требованиями гидросхемы машины или оборудования. Во всем мире такую монтажную плиту часто называют манифольдом. Этот короткий термин прививается и среди российских технических специалистов. Манифольды изготавливаются из стали или из алюминиевого сплава. На рис. 2 показаны схемы установки группы картриджных клапанов в манифольд.



Рис. 2. Схемы установки группы картриджных клапанов в манифольд

Картриджные гидравлические клапаны часто устанавливаются в манифольд одиночно. При этом рабочая поверхность односекционного манифольда часто выполняется с присоединительными размерами, соответствующими стандартам ISO 4401 для распределителей притычного исполнения (рис. 3).



Рис. 3. Картриджные электроуправляемые клапаны в сборе с односекционным манифольдом

Но наиболее широкое распространение получили многосекционные и многоярусные манифольды. В них картриджные клапаны устанавливаются с любых сторон в несколько рядов. Картриджные клапаны часто вставляются непосредственно в корпусы насосов, гидромоторов, гидрораспределителей.



Рис. 4. Установка картриджного клапана в насосе

На рис. 4 приведена схема установки клапана в шестеренный насос. Слева показан разрез насоса с предохранительным клапаном, справа – фотография шестеренного насоса с электроуправляемым клапаном. На рис. 5 приводятся фотографии аксиально-поршневого гидромотора с установленными в его корпусе картриджными клапанами и гидрораспределителя с предохранительным и вторичными клапанами.



Рис. 5. Установка картриджных клапанов в корпусах гидромотора и гидрораспределителя

В относительно недавние времена манифольды применялись редко из-за высокой стоимости их изготовления. Выполнение отверстий под гидравлические каналы и посадочных мест клапанов требовало ручного труда квалифицированных рабочих.

Особенно сложно было осуществить точное сверление по заданным положениям и длинам сообщающихся внутренних каналов. Кроме того, проблема высокого давления усложняла разработку конструкции. В случае двух близлежащих каналов рабочая жидкость под высоким давлением может взломать стенку между отверстиями и пойти в другом направлении.

Минимальное расстояние между двумя соседними отверстиями не должно быть менее 6–7 мм для алюминиевого сплава и 3–4 мм для стали. В настоящее время процесс проектирования манифольдов автоматизирован с помощью трехмерного программного обеспечения.

Как только проектировщик определяет расположение клапанов, рабочих портов (Р, А, В, Т и др.), а также значения допусков, программа вычисляет размеры и безопасные расстояния между каналами. Трехмерная структура манифольда выводится на экран дисплея, чтобы проектировщик мог проверить правильность разработанных чертежей и при необходимости внести конструктивные изменения.

На базе выполненных проектных вычислений создается программа для станков с ЧПУ (CAD/CAM), которые в автоматическом режиме выполняют сверления, расточки, нарезку резьб и другую мехобработку. Использование современных средств проектирования и изготовления существенно снизило затраты при производстве манифольдов, и они стали широкодоступными для различных направлений машиностроительной гидравлики.

Появилась возможность производить сложные многосекционные манифольды с глубоко разветвленными коммутирующими гидравлическими связями и размещать на них всю клапанно-распределительную аппаратуру. На многих образцах гидравлической техники такой узел является компактным единым блоком управления всей машиной. Поэтому развитие картриджных клапанов имеет широкие перспективы.

В качестве примера можно привести модульный гидропривод тротуароуборочной машины, которая широко эксплуатируется в городах Западной Европы. Она снабжена гаммой подметальных щеток, пылесосом и другим оборудованием.

Все рабочие органы гидрофицированы. Гидравлическое управление полностью сосредоточено в одном манифольде с группой картриджных клапанов. Этот блок занимает мало места и удобен для технического обслуживания.

Ввертные картриджные клапаны состоят из цилиндрического корпуса и внутренних подвижных деталей. На конце корпуса выполнена шестигранная головка под стандартный гаечный ключ, а под ней – присоединительная резьба.

Между шестигранной головкой и резьбой устанавливается статическое уплотнение. Ниже резьбы выполнены глубокие цилиндрические проточки с радиальными отверстиями для подвода и отвода потоков рабочей жидкости. Проточки разделяются между собой цилиндрическими буртиками, на которых установлены круглые резиновые уплотнительные элементы, как правило, с фторопластовыми кольцами противовыдавливания.

Чтобы правильно использовать картриджные клапаны, следует обращаться к каталогам производителей. В них всегда можно найти рекомендации по применению, технические характеристики, алгоритмы расчетов, чертежи посадочных полостей, необходимый инструмент для монтажа / демонтажа клапанов.

В управляющих контурах сложных гидравлических систем для коммутирования необходимых сигналов широко используются различные виды обратных клапанов. Их комбинации в гидросхеме обеспечивают логические операции управления машиной. И хотя они выполняют сложные управленческие функции, конструкция таких клапанов достаточно проста.

Обычные картриджные ввертные обратные клапаны выполняются с коническим или шариковым запорным элементом. Запорный элемент прижимается слабой пружиной или силами противодавления к седлу, блокируя обратный поток рабочей жидкости.

Тарировка пружин может быть различной в зависимости от функциональных требований гидросхемы. При движении потока в прямом направлении рабочая жидкость, преодолевая небольшое сопротивление пружины, свободно проходит в выходной канал.



Рис. 6. Схемы картриджных вворачиваемых обратных клапанов с конусным и шариковым запорным элементом

Обратный поток рабочей жидкости автоматически блокируется. Конструктивные схемы таких гидравлических клапанов представлены на рис. 6. Управляемые обратные клапаны работают аналогично, но при подаче сигнала управления они способны пропускать поток рабочей жидкости в обратном направлении. На рис. 7
приведена конструкция картриджного ввертного управляемого клапана (в условном обозначении линия управления показана пунктиром).



Рис. 7. Управляемый обратный клапан

Рабочая жидкость, поступая в управляемый обратный клапан через входные отверстия 5, перемещает слабо подпружиненный конусный запорный элемент 4 и через выходное отверстие направляется в соответствующий канал гидросистемы. При обратном направлении потока рабочая жидкость через отверстие 3 в конусном запорном элементе поступает в пружинную камеру.

Давление, действуя на торцевую площадь запорного элемента, создает гидравлическую силу, которая намного превосходит значение, создаваемое пружиной. Эти две силы надежно прижимают запорный элемент 4 к седлу клапана, блокируя обратный поток рабочей жидкости.

При подаче управляющего сигнала (потока рабочей жидкости) в канал 7 она перемещает поршень 6, который своим штоком перемещает запорный элемент 4, открывая движение обратному потоку рабочей жидкости (от выходного канала к входному). Управляемые обратные клапаны часто используются в качестве гидрозамков, герметично перекрывая рабочие полости гидроцилиндров или гидромоторов.



Рис. 8. Схема картриджного сдвоенного управляемого обратного клапана

При таких функциях широко используется их сдвоенная конструкция, показанная на рис. 8. Выходы 1 и 2 сдвоенного обратного клапана надежно перекрывают рабочие каналы гидродвигателя. При подаче рабочей жидкости на вход 1 первого клапана она свободно поступает в нагнетательную полость гидродвигателя.

Одновременно из гидромагистрали входа 1 рабочая жидкость по управляющему каналу (пунктирная линия) поступает ко второму клапану и открывает его. Из сливной полости гидродвигателя (гидроцилиндра) рабочая жидкость свободно проходит через клапан 2, направляясь в гидробак. При управлении обратным клапаном иногда приходится преодолевать значительное давление в его выходной полости. Его часто называют обратным давлением.

Движению поршня управления также препятствует повышенное давление во входной полости. Чтобы разгрузить поршень управления, в некоторых типах управляемых обратных клапанов предусматривают линию слива для отвода внутренних утечек, как из входной линии, так и из линии гидравлического управления.



Рис. 9. Схема картриджного вворачиваемого управляемого обратного клапана с линией слива

Схема такого картриджного ввертного управляемого обратного клапана показана на рис. 9. Для выполнения логических операций управляющими потоками рабочей жидкости используется клапан «ИЛИ», схема которого приведена на рис. 10. При движении рабочей жидкости из канала 1 в канал 2 линия 3 перекрыта.



Рис. 10. Логический клапан «ИЛИ»

Как только поток начинает двигаться из линии 3 в линию 2, автоматически перекрывается канал 1. В рассмотренных картриджных клапанах подвижными деталями были либо шарики, либо конусные элементы. Но существуют и золотниковые картриджные клапаны с открытым или закрытым центром.

Они могут быть 2-, 3- или 4-линейными в версиях 2/2, 3/2, 4/2, 3/3, 4/3 с ручным, гидравлическим или электрическим управлением. По принятой классификации в числителе указывается количество основных гидравлических линий золотникового клапана: нагнетание, слив, рабочие каналы. В знаменателе – количество позиций золотника: нейтральное, рабочие. Например, клапан 3/2 имеет 3 основные линии и 2 позиции золотника.



Рис. 11. Картриджный ввертный (вворачиваемый) клапан 2/2 с гидравлическим управлением

Рассмотрим основные схемы таких картриджных клапанов. На рис. 11 показаны схемы ввертных клапанов 2/2 с различными типами внешней настройки. Как видно, у этого клапана 2 основные гидравлические линии (А и В) и два положения золотника (нейтральное и рабочее), который перемещается под действием сигнала из вспомогательной линии управления.

У нормально открытых клапанов (НО), т.е. клапанов с открытым центром, в нейтральном положении золотника основные линии соединены. Рабочая жидкость свободно проходит через клапан как в прямом, так и в обратном направлении.

При подаче управляющего сигнала золотник смещается и перекрывает движение жидкости в обоих направлениях. У нормально закрытых клапанов (НЗ), т.е. клапанов с закрытым центром, рабочие функции полностью противоположны. Величина давления, при котором начинается перемещение золотника, в обоих типах клапанов регулируется настройкой возвратной пружины.

Регулировка пружины может осуществляться винтом, который закрыт наружной крышкой во избежание случайного вмешательства, наружным винтом с контргайкой, поворотным маховичком. Последний снабжен градуированным лимбом и удобен при точных настройках и частых регулировках клапана.

Трехлинейный двухпозиционный (3/2) золотниковый ввертный картриджный клапан применяется не менее редко, чем упомянутые. У него три основные гидравлические линии (Р, А, В) и две позиции золотника.

На рис. 12 приведена схема клапана 3/2. В нейтральном положении золотника клапана линия нагнетания P соединена с рабочим каналом В, при этом рабочий канал А заперт. При подаче управляющего сигнала канал В запирается, а рабочая жидкость подается в канал А. Возможна и обратная коммутация.



Рис. 12. Картриджный ввертный клапан 3/2

Трехлинейные трехпозиционные (3/3) картриджные ввертные клапаны с гидравлическим управлением обычно используются в закрытых гидравлических схемах. Это, как правило, приводы подъемных механизмов и гидростатические трансмиссии машин. В этих случаях клапаны 3/3 применяются в самоуправляемых исполнениях.

Схема картриджного ввертного клапана 3/3 приведена на рис. 13. Самоуправляемый клапан работает следующим образом. Золотник с обеих торцевых сторон удерживается пружинами. Их настройка соответствует величине давления, при котором клапан срабатывает.



Рис. 13. Картриджный вворачиваемый клапан 3/3 в схеме гидростатической трансмиссии

В нейтральном положении золотника (см. верхнюю левую схему) рабочие линии р1 и р2 перекрыты. Каналы управления клапаном Хр1 и Хр2 соединены с соответствующими рабочими линиями. При возрастании давления, например, в линии р1 золотник смещается и открывает доступ рабочей жидкости из рабочей линии р2 на слив Т.

Когда гидростатическая трансмиссия работает на полной мощности, рабочая жидкость перегревается. Часть ее необходимо отправить в гидробак для охлаждения. Самоуправляемый клапан 3/3 в паре с предохранительным осуществляет эту функцию.

На нижней левой принципиальной схеме гидростатической трансмиссии показано положение клапана 3/3 при нагруженной гидромагистрале р1, когда машина движется вперед и вал гидромотора вращается по часовой стрелке. Под действием высокого давления р1 золотник перемещается в крайнее положение.

Часть рабочей жидкости из сливной гидромагистрали замкнутого гидравлического контура, где давление р2 существенно меньше р1, через каналы клапана 3/3 и линию VL направляется в гидробак, преодолевая сопротивление настройки предохранительного клапана. Предохранительный клапан поддерживает невысокое, но стабильное давление слива, предотвращая возникновение вакуума в рабочей жидкости.

Охлажденная рабочая жидкость из бака вновь закачивается в гидросистему насосом подпитки (на рис. 18 не показан). На нижней правой принципиальной схеме показано аналогичное, но противоположное положение клапана 3/3 при обратном движении машины, т.е. нагруженной гидромагистрали р2 и вращении вала гидромотора против часовой стрелки.

Вышеописанные картриджные вворачиваемые клапаны имеют гидравлическое управление. Но значительное количество картриджных клапанов в версиях 2/2, 3/2, 4/2, 3/3, 4/3 выпускаются с электрическим релейным или пропорциональным управлением. В зарубежном машиностроении они массово используются на многих видах гидравлической техники.

К сожалению, в конструкциях российских машин электроуправляемые картриджные клапаны не нашли столь широкого применения. Вставные картриджные клапаны в своем большинстве также являются электроуправляемыми. С помощью картриджных клапанов легко реализовываются регуляторы давления и потока, делители потока и другие гидроаппараты.