Для чего нужен пилотный клапан?
Пилотом называют не только летчика, но и устройство, управляющее другим.
Пилотный клапан
Усилие действующие на запорно-регулирующий элемент клапана, обычно пропорционально площади проходного сечения клапана.
В клапанах с большим проходным сечением для перемещения или удержания запорно-регулирующего элемента клапана могут потребоваться значительные усилия.
Устройства с пилотными клапанами целесообразно использовать в системах с большим расходом рабочей среды, при этом используется пилот, который значительно меньше основного клапана. Проходное сечение пилотного клапана значительно меньше проходного сечения основного клапана, для управления запорно-регулирующим элементом пилота потребуется небольшое усилие. Пилот позволяет управлять потоком рабочей среды (воздуха в пневмоприводе, масла в гидроприводе). Поток будет воздействовать на запорно-регулирующий элемент основного клапана и заставлять его перемещаться.
Пилот используется в редукционных и предохранительных клапанах непрямого действия.
Пилотный распределитель
Пилотный распределитель используется в многокаскадных распределителях, сервоклапанах. Как и клапан пилотный распределитель имеет меньшие размеры по сравнению с аппаратами, которыми он управляет. Пилотный распределитель позволяет направлять поток жидкости для управления золотниками распределителей последующих каскадов. Такая схема позволяет управлять большими потоками рабочей среды при малом управляющем воздействии.
В сервоклапанах в качестве пилотного часто применяются специальные распределители со струйной трубкой или сопло-заслонка. Которое обеспечивают регулирование, пропорциональное входному сигналу.
Статьи по ремонту
Регулятор гидравлических насосов с переменным рабочим объемом
Регулятор гидравлических насосов с переменным рабочим объемом
В силовых гидроприводах при регулировании потока рабочей жидкости потери мощности становятся актуальной задачей. Дроссельное регулирование генерирует большое количество тепла, которое тратится впустую. При этом дизельное топливо в строительной спецтехнике и потребляемая электроэнергия стационарного оборудования расходуются весьма неэффективно.
Гидронасосы с переменным рабочим объемом позволяют изменять расход рабочей жидкости, затрачивая на это незначительную мощность. При длительных технологических операциях, когда изменение скоростей исполнительных механизмов машин требуется выполнять нечасто, оператор в состоянии отслеживать ход выполнения работ и управлять производительностью насоса.
Но динамичная работа машины требует очень быстрого регулирования расхода рабочей жидкости или поддержки его постоянного значения в условиях скачкообразного изменения давления. Оператору также трудно управлять гидравлическим насосом при выполнении точных работ.
В качестве примеров можно привести работу экскаватора, движение бульдозера или погрузчика в условиях строительной площадки, а также крана при монтаже тяжелых строительных конструкций.
Ограниченную физиологическую реакцию человека заменяет автоматика. Механическое управление насосами с переменным рабочим объемом выполняют различные регуляторы. Зарубежные специалисты часто называют эти устройства компенсаторами.
При изменении внешней нагрузки в зависимости от требуемых функций регуляторы (компенсаторы) обеспечивают постоянную мощность, потребляемую насосом от первичного двигателя, выработку им постоянного расхода или поддержание постоянного давления. Регуляторы выполняют и более сложные
функции, оптимизируя работу гидропривода машины.
Регуляторы устанавливаются на насосы для открытых и закрытых гидросхем, управляют наклонной шайбой или наклонным блоком цилиндров аксиально-поршневых гидромашин. Конструкции их несколько различаются, но принцип работ одинаков.
Регуляторы используются на аксиально-поршневых гидронасосах с широкой линейкой рабочих объемов от 10 см3 и более с давлением до 35,0 МПа (350 бар). Регуляторы монтируются непосредственно на корпусе насоса.
Очень часто используются типовые регуляторы на аксиально-поршневых насосах с наклонной шайбой и наклонным блоком цилиндров, а также на гидронасосах с наклонной шайбой, оснащенный регулятором потока. Этот тип насоса предназначен для открытых гидросхем.
Он широко используется в различных гидравлических машинах и оборудовании и является одним из самых распространенных на мировом рынке машиностроительной гидравлики. Его максимальное рабочее давление обычно составляет 28,0 МПа, а пиковое давление – 35,0 МПа.
Рис. 1. Конструктивная схема регулятора потока
Регулятор потока обеспечивает постоянный расход рабочей жидкости при изменении давления нагрузки. Типовой регулятор монтируется на корпусе аксиально-поршневого насоса и управляет двумя пилотными потоками. На рис. 1 показана принципиальная конструкция такого регулятора потока, а его гидравлическая схема приведена на рис. 2.
Регулятор потока состоит из двух дросселирующих золотников (пропорциональных клапанов 3/2), установленных в корпусе. С одного торца каждый золотник поджат пружиной. Пружина пилотного (верхнего на рис. 1) золотника имеет небольшую жесткость, а пружина золотника ограничения максимального давления (нижнего на рис. 1) – силовая.
Рис. 2. Гидравлическая схема регулятора
Пружинная полость пилотного золотника (левая на рис. 1) соединена с противоположной (правой на рис. 1) через дроссель, выполненный внутри его шейки. Пружинная полость золотника ограничения давления соединена со сливом.
Противоположные торцевые полости золотников (правые на рис.1) связаны с линией нагнетания аксиально-поршневого насоса. В корпусе регулятора выполнены стабилизирующие дроссели. Рабочая жидкость из регулятора поступает в управляющий плунжер насоса, который перемещает наклонную шайбу (рис. 2).
Противоположный возвратный подпружиненный плунжер всегда стремится вернуть наклонную шайбу в исходное положение, соответствующее максимальному рабочему объему насоса. Жесткость пружины пилотного золотника регулятора очень маленькая.
Но чтобы сдвинуть этот золотник, помимо небольшого сопротивления пружины необходимо преодолеть гидравлическую силу, действующую на его торец. Эта сила зависит от величины давления в пружинной полости, которое меньше, чем в противоположной. Его значение определяется величиной перепада давления на дросселе внутри шейки золотника.
Пилотный клапан с учетом действия на его золотник слабой пружины и разницы давления настраивается на 1,0-3,0 МПа, в зависимости от условий применения аксиально-поршневого насоса. Пружина золотника ограничения давления силовая и настроена на 25,0-28,0 МПа. Рассмотрим работу регулятора потока, у которого пилотный клапан настроен на давление 2,0 МПа.
Гидронасос при пуске вырабатывает максимальный расход. Рост давления в гидросистеме перемещает дросселирующий пилотный золотник влево, и рабочая жидкость, поступая в управляющий плунжер, отклоняет шайбу, уменьшая рабочий объем насоса, снижая его расход.
При достижении величины давления 2,0 МПа пилотный золотник полностью открывает свои рабочие окна. Рабочая жидкость отклоняет шайбу в положение, соответствующее установленной величине расхода насоса. Расход резко падает. В этот момент в насосе возникает гидроудар.
На рис. 3 показана схема регулятора, позволяющая плавно осуществлять пуск гидронасоса. В этом устройстве при отключенном электромагнитном клапане Y1 давления в торцевых камерах верхнего золотника р1 и р3 равны, поэтому при его росте до величины настройки клапана ограничения давления пружина пилотного золотника удерживает его от перемещения влево.
Рис. 3. Схема управления регулятором
При включении электромагнитного клапана Y1 подпружиненная полость пилотного золотника регулятора изолируется от линии нагнетания аксиально-поршневого гидронасоса. Перемещение пилотного золотника в левую сторону сдерживает только слабая пружина. Он вытесняет рабочую жидкость из подпружиненной торцевой полости через дроссель на слив.
Такое демпфирование позволяет очень быстро, но равномерно, без колебаний, перемещаться пилотному золотнику. Он сразу же открывает доступ рабочей жидкости в управляющий плунжер, который мгновенно перемещает наклонную шайбу в положение, соответствующее выбранной величине расхода. Таким образом, обеспечивается плавный пуск насоса, без гидравлических ударов.
Рассмотрим принцип двухступенчатого управления регулятором потока. На рис. 4 показана схема такого регулятора. При выключенных электромагнитных клапанах Y1, Y2, Y3 на пилотный золотник действует управляющее давление величиной не выше 2,0 МПа, т.е. регулятор работает по вышеописанному принципу.
Рис. 4. Схема регулятора с двухступенчатым управлением
Первая ступень управления регулятором осуществляется следующим образом. При вращении аксиально-поршневого насоса включается электромагнитный клапан Y1. Пропорциональный электрический сигнал Y2, управляющий предохранительным клапаном, увеличивается до максимума, ограничивая пилотное давление значением 25,0 МПа.
Управляющий поток от насоса проходит через внутренние отверстия пилотного золотника в его правую торцевую полость и одновременно через дроссель в левую подпружиненную. Из нее по внутренним каналам управляющий поток через предохранительный клапан под давлением 25,0 МПа направляется на слив. В правой торцевой полости пилотного золотника давление больше, чем в левой (за счет потери на дросселе), поэтому он смещается влево.
Проходное сечение уменьшается, перепад давления на кромках пилотного золотника увеличивается, в управляющем плунжере давление становится меньше, и возвратный плунжер отклоняет шайбу в положение уменьшения рабочего объема, соответствующее небольшому расходу. Аксиально-поршневой насос работает при давлении 25,0 МПа, но при малом расходе.
Включение электромагнитного клапана Y3 приводит в действие вторую ступень управления регулятором. При таких условиях регулятор устанавливает наклонную шайбу в положение, соответствующее половине рабочего объема, т.е. насос вырабатывает половину потенциального расхода.
Когда включается электромагнит Y3, давление в правой торцевой камере пилотного золотника будет немного падать, позволяя ему перемещаться вправо, уменьшая перепад давления на дросселирующих кромках. В управляющем плунжере давление увеличится, и он отклонит шайбу, увеличив рабочий объем на величину, соответствующую половине производительности аксиально-поршневого гидронасоса.
Описанные регуляторы потока во многом используются в гидросистемах с практически постоянным давлением нагрузки. Но существует большое количество типов машин и оборудования, в гидросистемах которых давление нагрузки всегда меняется в широком диапазоне. В таких случаях используются регуляторы, чувствительные к изменениям нагрузки.
Они эффективно сохраняют мощность машин, особенно при минимальных значениях давлений нагрузки. Такие регуляторы не являются слишком сложными и работают по известным принципам. Мы знаем, что величина потока, проходящего через дроссель, определяется перепадом давления (Δр = р1 – р2).
Разность давления между р1 и р2 преобразовывается в расход рабочей жидкости, который, воздействуя на регулятор, будет изменять скорость гидродвигателя. Поэтому регулятор должен поддерживать перепад давления постоянным независимо от изменения давления нагрузки.
Тогда и расход, поступающий в гидродвигатель, сохранится постоянным. Обратимся к схеме регулятора на рис. 5, на котором ясно видны изменения. Здесь подпружиненная полость пилотного золотника через Х-порт регулятора соединена с линией нагнетания, снабжающей рабочей жидкостью гидродвигатель (на схеме – гидромотор).
Рис. 5. Регулятор с LS системой управления
Отметим, что на приведенной схеме показан сам принцип соединения канала LS с регулятором. Сигнал LS, получаемый регулятором, может подаваться из различных точек гидросистемы в зависимости от особенностей конструкции машины.
В исходном положении насос будет разгружен. При подаче электросигнала Y2 на пропорциональный клапан рабочий поток от гидронасоса направится в гидродвигатель. Давление р2 будет интенсивно расти до величины, необходимой гидродвигателю. Одновременно растет давление в LS канале и,следовательно, в пружинной полости пилотного золотника.
Смещаясь вправо, он заставляет давление р1 повышаться. В результате на пропорциональном электроуправляемом клапане Y1 установится перепад давления (Δр = р1 – р2), равный величине настройки пилотного клапана регулятора, т.е. в нашем примере 2,0 МПа.
Вне зависимости от роста или падения давления в гидродвигателе перепад давления на клапане Y1сохранится постоянным, поэтому расход рабочей жидкости в гидродвигатель не будет изменяться. Но чтобы увеличить или уменьшить расход, т.е. скорость гидродвигателя, необходимо изменить величину перепада давления на пропорциональном клапане Y1.
Это достигается изменением величины электрического сигнала управления, подаваемого на пропорциональный электроуправляемый клапан Y1. Изменение площади проходного сечения клапана приводит к изменению величины перепада давления на нем (Δр), в результате изменяется расход (Q) в
гидродвигатель.
Рис. 6. Распределение мощности в насосе с LS регулятором
Рисунок 6 иллюстрирует распределение мощности в гидронасосе с LS регулятором. Графики показывают, что при управлении насоса LS регулятором экономится большое количество мощности.
Потери возникают только при перепаде давления на электроуправляемом пропорциональном клапане. Но они незначительны по сравнению с общей мощностью насоса. Помимо описанных существуют и другие типы регуляторов: давления, мощности и т.п., которые реализовывают различные характеристики управления насосами. Но принцип работы всех регуляторов идентичен.
Клапаны предохранительные, редукционные, разгрузки и подпора
Один и тот же клапан может служить нескольким целям в зависимости от своего расположения в гидросхеме, а также от расположения выхода и входа пилотной линии, схемы реализации слива утечек (дренажа) — зависимой или независимой.
Предохранительные клапаны
Предохранительные клапаны, как показано на рисунке выше (a, b, c), ограничивают максимальное давление в системе. Предохранительные клапаны — это нормально закрытые клапаны, которые воспринимают давление перед клапаном. Когда давление достигает установки (уставки или отсечки) клапана, клапан открывается для того, чтобы сбросить излишки жидкости (давления) к резервуар (гидробак). На рисунке выше (a) показан клапан прямого действия. Пунктирная пилотная линия указывает на то, что давление «снимается» непосредственно перед клапаном и запорный элемент клапана, непосредственно, воспринимает давление подаваемое на него. Пружинная полость клапана напрямую соединена со вторичным портом, хотя данная функция не отображается текущими символами ISO 1219-1. Обратное давление в линии слива действует со стороны пружины и добавляет (приплюсовывает) к установленному давлению настройки своё давление. Это означает, например, что в случае давления в 10 бар в линии слива (давление подпора в линии слива), клапан откроется при давлении на 10 бар большем, чем было установлено, хотя перепад давлений через клапан не изменяется.
На рисунке выше (b) показан упрощенный символ предохранительного клапана с пилотным управлением или, по-другому, двухступенчатый клапан, а на рисунке (c) показан детализированный символ для двухступенчатого предохранительного клапана. Благодаря своей конструкции пилот предохранительного клапана может быть удалён и находиться в кабине оператора.
После неурегулированного гидронасоса обязательно должен быть установлен предохранительный клапан.
Несмотря на то, что регулируемые гидронасосы имеют компенсаторы по давлению, после них в гидроцепи желательно также устанавливать предохранительный клапан. Клапаны, стоящие после гидронасоса, обычно называются главными клапанами и защищают всю гидросистему. Также для защиты отдельных узлов (гидромоторов, гидроцилиндров) предохранительные клапаны могут устанавливаться в ответвлениях гидроцепи.
На рисунке выше (d) показан нормально открытый редукционный клапан, который используются для ограничения максимального давления приводов в ответвлениях гидролинии. Эти клапаны контролируют давление за счёт контроля давления на вторичном выходе клапана. Данная функция показывается пунктирной пилотной линией на выходе клапана. Так как давление определяется как сопротивление потоку, то регулируя расход масла (РГЖ) через клапан возможно изменять перепад давления на клапане, тем самым регулируя вторичное давление. Так как клапан «снимает» давление непосредственно на выходе, то данный клапан априори является клапаном с внешним дренажом.
На рисунке выше (е) показан символ редукционного клапана, который, помимо давления, понижает поток масла через клапан.
Клапаны разгрузки используются с насосами постоянного объёма или в линии аккумулятора для сохранения энергии привода. Некоторые производители изготавливают клапаны с внешней разгрузкой — такой клапан показан на рисунке выше (f). В данных клапанах разгрузка осуществляется по команде пилотного давления из другой гидролинии или гидролинии оператора.
На данной гидросхеме ограничение давления происходит как от внешнего, так и от внутреннего пилотного давления. При увеличении любого пилотного давления сверх показания установленного — происходит открытие клапана:
На рисунке ниже показана типичная гидросхема с насосами высокого давления (малого объёма) и низкого давления (большого объёма). Разгрузка насоса низкого давления происходит от пилотного давления, подаваемого после обратного клапана. Для защиты линии высокого давления после закрытия обратного клапана, за насосом высокого давления устанавливается предохранительный клапан.
В данной гидросхеме клапаны S1 и S2 являются клапанами последовательности:
В начале цикла происходит подъём бура и только после достижения давления уставки клапана S2 происходит разжим струбцины — система приводится в исходное положение и теперь можно начинать рабочий цикл. При подаче напряжения на катушку произойдёт зажим струбцины и по достижению уставки давления клапана S1 начнется рабочий ход бура. Особенностью клапана последовательности является наличие независимого слива, так как со стороны слива действует противодавление, которое будет менять уставку давления при отсутствии независимого слива. Такие клапаны могут дополняться обратными клапанами для свободного движения масла в обратном направлении.
На рисунке ниже изображён клапан подпора:
Цель клапана подпора — удержание штока гидроцилиндра от свободного падения под действием силы тяжести при опускании или в промежуточном положении. Клапан настраивается приблизительно на давление 10 бар и благодаря этому шток гидроцилиндра опускается равномерно, без рывков. Недостатком этого клапана является понижение КПД гидроцилиндра, так как требуется преодолевать дополнительное противодавление клапана в 10 бар. Для исправления этого недостатка некоторые производители выпускают клапаны подпора с внешней пилотной линией.
На гидросхеме ниже при опускании штока вниз клапан полностью открывается под воздействием внешнего пилотного давления:
В случаях работы гидравлики с переменной нагрузкой, применение клапана подпора с внешней пилотной линией (клапана контрбаланса) однозначно необходимо. В случае, когда в гидроцилиндре создаётся «тянущая» нагрузка, имеется вероятность неравномерного опускания штока.
Такой режим работы, например, у стрелы автокрана, где нагрузка изменяется во время движения стрелы по вертикальной плоскости.
Клапаны контроля движения изготавливаются двух типов: тарельчатого и золотникового.
Преимуществом тарельчатого клапана перед золотниковым является меньшие внутренние утечки. В случае если большее время удержания нагрузки происходит на вытянутом штоке гидроцилиндра — должен применяться тарельчатый клапан.
Подпорный клапан необходим для установки в линию гидромотора в качестве предупреждения неконтролируемой «раскрутки» гидромотора под воздействием веса груза. Когда подача насоса меньше скорости вращения гидромотора, то есть гидромотор раскручивается под собственным весом груза, торможение производится за счёт внутренней пилотной линии. Если вращение происходит за счёт нагнетания РГЖ насосом, внешняя пилотная линия приоткрывает клапан подпора, тем самым уменьшая сопротивление линии подпора. В случае применения реверсивного гидромотора в конструкции клапана подпора необходимо наличие обратного клапана. Так как клапан подпора из-из внутренних утечек не препятствует медленному вращению гидромотора, то в некоторых конструкциях гидромотора предусмотрен внутренний тормоз.
Ещё одним видом клапана для удерживания нагрузи является гидрозамок. Клапан свободно пропускает масло в одном направлении и жёстко запирает поток в обратном направлении. Открытие клапана в обратную сторону происходит только под воздействием пилотного давления. В отличие от клапана подпора, гидрозамок не имеет внутренних утечек, благодаря чему не происходит «сползания» груза под нагрузкой.
Гидрозамки используют в случаях необходимости удерживания статической нагрузки, а клапаны подпора требуются при динамической нагрузке.
