Гидравлические замки и клапаны. Какие бывают и как работают?

Клапанная аппаратура является неотъемлемой частью любой современной гидравлической системы, обеспечивающей контроль и регулирование потоков рабочей жидкости. Эти компоненты играют критически важную роль в обеспечении безопасности, эффективности и точности работы гидравлических систем различного назначения. В данном руководстве мы подробно рассмотрим принципы работы, классификацию, конструктивные особенности и практическое применение различных типов гидравлических клапанов.

Роль и значение клапанной аппаратуры в гидравлических системах

Каждая гидравлическая система, помимо насосов, исполнительных гидродвигателей и распределительной аппаратуры, включает в свой состав разнообразные клапаны. Количество клапанов варьируется в зависимости от сложности системы: от нескольких единиц в простых системах до нескольких десятков в сложных промышленных установках. В особо сложных случаях количество клапанов может достигать сотен.

Клапаны выполняют множество функций в гидравлических системах:

• Ограничение максимального давления в системе (предохранительные клапаны)
• Поддержание давления в отдельных контурах на заданном уровне (редукционные клапаны)
• Обеспечение движения жидкости только в одном направлении (обратные клапаны)
• Фиксация положения исполнительных механизмов (управляемые обратные клапаны)
• Контроль движения нагрузок и предотвращение неконтролируемого перемещения (тормозные клапаны)
• Регулирование расхода рабочей жидкости (дроссели и регуляторы потока)

Основные типы клапанов в гидравлических системах

Многообразие функций, выполняемых клапанами, обусловило появление различных конструктивных исполнений, оптимально подходящих для конкретных задач. Наиболее часто в гидравлических системах встречаются следующие типы клапанов:

Принцип действия гидравлических клапанов

Основной принцип действия простейшего клапана основан на уравновешивании силы, создаваемой давлением рабочей жидкости на площади седла, и силы упругости пружины. Седло клапана представляет собой конструктивный элемент, образующий рабочую кромку, которая обеспечивает герметичное прилегание запорного элемента.

В наиболее простой конструкции клапан состоит из корпуса, в котором имеется рабочая кромка, к которой плотно прилегает поджатый пружиной запорный элемент. Сила, создаваемая пружиной, определяет разницу давлений между полостями, при которой происходит открытие клапана.

Двухступенчатые клапаны, в зависимости от назначения, могут иметь различную конструкцию и обеспечивают более точное регулирование параметров гидравлической системы.

Классификация клапанов по конструктивным признакам

Гидравлические клапаны классифицируются по нескольким ключевым признакам, определяющим их применение и эксплуатационные характеристики.

Классификация по виду запорного элемента

По виду запорного элемента различают несколько типов клапанов. Наиболее часто встречаются:

• Сферические (шариковые) — используют шарик в качестве запорного элемента. Отличаются простотой конструкции и надежностью.
• Конические — применяют конический запорный элемент, обеспечивающий высокую герметичность.
• Плоские — используют плоский запорный элемент, характерный для клапанов высокого давления.

Благодаря высоким герметизирующим свойствам и технологичности наибольшее распространение получили сферические (шариковые) и конические клапаны.

Классификация по способу монтажа

По способу монтажа различают клапаны следующих типов:

Существует также категория бескорпусных клапанов, которые представляют собой набор составляющих элементов, предназначенный для установки в клапанную плиту или корпус.

Предохранительные клапаны: устройство и принцип работы

Предохранительный клапан относится к клапанам регулирования давления с кратковременным срабатыванием. Он устанавливается в гидросистему для ограничения максимально возможного давления в линии. Каждая гидравлическая система имеет предохранительный клапан в линии высокого давления, выходящей из насоса.

Предохранительные клапаны могут быть установлены в линиях, давление в которых не должно превышать заданной величины. Например, в линии питания гидродвигателей устанавливают предохранительные клапаны для ограничения в них давления и, как следствие, ограничения максимального создаваемого двигателем усилия.

Согласно ГОСТ 2.781-96 предохранительные клапаны на схемах обозначаются стандартными символами, которые отражают их функцию и принцип действия.

Устройство предохранительного клапана прямого действия

Схематично устройство предохранительного клапана прямого действия включает следующие основные элементы:

• Корпус с седлом клапана
• Запорный элемент (конический, шариковый или плоский)
• Пружину, создающую усилие прижатия запорного элемента к седлу
• Регулировочный винт для настройки усилия пружины
• Контргайку для фиксации регулировочного положения винта
• Подвижную опору пружины с уплотнениями
• Демпфер колебаний запорного элемента

Клапаны прямого действия имеют высокую скорость срабатывания, что является их основным достоинством. К недостаткам можно отнести нестабильную работу и склонность к автоколебаниям. Также при увеличении рабочих расходов сильно увеличивается и размер клапана.

Устройство предохранительного клапана непрямого действия

Подобных недостатков лишены клапаны непрямого действия, которые часто называют двухступенчатыми или сервоклапанами. Устройство такого клапана включает:

• Основной запорный элемент с дроссельным отверстием
• Пилотный клапан с запорным элементом
• Пружину поджатия пилотного клапана
• Механизм регулировки поджатия пружины

Работа клапана происходит следующим образом: при давлении в линии ниже настройки срабатывания клапана, уровни давлений в рабочей полости и линии одинаковы, основной запорный элемент прижат к седлу пружиной. При достижении давлением значения настройки пилотного клапана, последний открывается, и рабочая жидкость, проходя через дроссельное отверстие, устремляется в сливную линию. При прохождении рабочей жидкости через дроссельное отверстие создается перепад давлений между линией и рабочей полостью. Этот перепад давлений воздействует на запорный элемент и, преодолевая усилие пружины, смещает его, что приводит к открытию основного клапана.

Редукционные клапаны: назначение и принцип работы

Редукционный клапан относится к клапанам регулирования давления. Он устанавливается в гидросистему для поддержания давления в линии на более низком уровне, чем в основной линии. Иными словами, можно сказать, что редукционный клапан поддерживает давление на постоянном уровне «после себя», имея на входе более высокий уровень давления.

Самым распространённым применением является поддержание давления в линии управления распределителями. Редукционные клапаны могут быть установлены в линиях питания гидродвигателей для ограничения в них давления и, как следствие, ограничения создаваемого двигателем усилия.

Согласно ГОСТ 2.781-96 редукционные клапаны на схемах обозначаются стандартными символами, отражающими их функцию поддержания постоянного давления в подконтрольной линии.

Устройство редукционного клапана прямого действия

Схематично устройство редукционного клапана прямого действия включает корпус, в котором установлен конический запорный элемент, прижимаемый к корпусу пружиной. При давлении в линии ниже настройки редукционного клапана рабочая жидкость беспрепятственно перетекает в линию. После того, как усилие, создаваемое давлением на запорном элементе в линии, превысит усилие, создаваемое пружиной, запорный элемент смещается и перекрывает ток рабочей жидкости из питающей линии в редуцированную.

Для стабильного поддержания давления редукционным клапаном, полость пружины должна сообщаться с баком. Если в полости пружины создавать некоторое давление, то значение давления, поддерживаемое в линии, будет увеличиваться прямопропорционально давлению в полости пружины. В этом случае речь идет о редукционном клапане с внешним управлением, а давление в полости пружины называют давлением управления.

Особенности редукционных клапанов различных типов

Редукционные клапаны седельного типа обладают высокой скоростью срабатывания, что может привести к частым и сильным колебаниям давления. Для снижения колебаний давления применяют клапаны золотникового типа. Они обеспечивают более плавную характеристику без забросов давления, но не герметичны и имеют перетечку рабочей жидкости по зазору золотника.

Для сохранения герметичности и обеспечения плавной характеристики применяются редукционные клапаны непрямого (двухступенчатого) действия. Их устройство аналогично предохранительным клапанам непрямого действия и включает основной запорный элемент с дроссельным отверстием и пилотный клапан.

Еще одной разновидностью редукционного клапана можно считать редукционно-предохранительный или трехходовой редукционный клапан. Этот тип клапана сочетает функции редукционного и предохранительного клапанов, обеспечивая более гибкое управление параметрами гидравлической системы.

Обратные и управляемые обратные клапаны

Обратные клапаны относятся к клапанам управления расходом. Основным их назначением является пропускание потока рабочей жидкости в прямом и блокирование в обратном направлениях. Конструктивно обратные клапаны схожи с предохранительными, но не имеют механизма регулировки сжатия пружины, а часто и самой пружины.

Согласно ГОСТ 2.781-96 обратные клапаны на схемах обозначаются стандартными символами, указывающими на их функцию одностороннего пропуска жидкости.

Устройство простейшего обратного клапана соответствует предохранительному клапану прямого действия, где жидкость имеет возможность проходить в одном направлении, преодолев сопротивление пружины, которое эквивалентно значению из диапазона от 0,02 до 1 МПа. При этом в обратном направлении жидкость пройти не может. Также распространены конструкции обратных клапанов без пружины.

Управляемые обратные клапаны (гидрозамки)

Часто при проектировании гидросистемы появляется необходимость в применении обратного клапана, способного пропускать поток жидкости в обратном направлении по внешнему сигналу управления. В таких случаях речь заходит об управляемых обратных клапанах, которые называются гидрозамками.

В соответствии с ГОСТ 2.781-96, гидрозамки имеют специальные обозначения, отражающие их способность к управляемому пропуску жидкости в обратном направлении.

Схематично устройство гидрозамка включает корпус, в котором установлены управляющий поршень и конический запорный элемент, прижимаемый к корпусу пружиной. Рабочим является закрытое положение клапана, при котором рабочая жидкость заперта в линии. Для принудительного открытия клапана давление подаётся в управляющую полость. После того, как усилие на поршне, создаваемое давлением в управляющей полости, превысит усилие на запорном элементе, создаваемое давлением в линии и пружиной, поршень перемещается и, смещая запорный элемент, открывает доступ жидкости из линии в сливную магистраль.

Декомпрессионные механизмы в гидрозамках

При определенных условиях в момент открытия гидрозамков в гидросистеме могут возникать ударные нагрузки, вызванные резким падением давления. Такие нагрузки отрицательно сказываются на большинстве элементов гидросистемы и снижают их ресурс. Для борьбы с этим явлением в гидрозамок встраивают декомпрессор.

Принцип работы замка с декомпрессором отличается от обычного тем, что при смещении управляющего поршня первым открывается клапан декомпрессора. Смещаясь, декомпрессор создает небольшую перетечку жидкости из нагруженной линии в сливную и тем самым снижает в нагруженной линии давление. После этого происходит открытие основного клапана и сброс жидкости. Таким образом мгновенного соединения линии, находящейся под высоким давлением, с линией слива удается избежать.

Сдвоенные (двухсторонние) гидрозамки

Широкое распространение получили сдвоенные (двухсторонние) гидрозамки, предназначенные для фиксирования гидродвигателя в заданном положении независимо от направления приложенных к гидродвигателю усилий.

Согласно ГОСТ 2.781-96 двухсторонние гидрозамки на схемах обозначаются специальными символами, отражающими их способность к двустороннему запиранию.

Устройство и принцип работы односторонних и сдвоенных (двухсторонних) гидрозамков аналогичны. В закрытом состоянии к седлам в корпусе пружинами прижаты запорные элементы. Управляющий поршень в зависимости от наличия давления в управляющих линиях смещается и открывает один из запорных элементов.

Тормозные (контрбалансные) клапаны

Тормозной клапан относится к клапанам регулирования давления. В технической литературе данный вид клапанов часто называют уравновешивающими или контрбалансными (counterbalance). Основное применение эти клапаны находят в системах, где на гидродвигателях требуется длительное удержание нагрузки и возможно возникновение нагрузки, совпадающей по направлению с движением исполнительного органа гидродвигателя (попутной нагрузки).

По количеству контролируемых линий гидродвигателя тормозные клапаны бывают односторонние и двухсторонние. На схемах тормозные клапаны обозначаются специальными символами, отражающими их функцию контроля движения нагрузок.

Односторонние тормозные клапаны

Односторонний тормозной клапан состоит из корпуса, в котором установлены дроссель, клапан, седло с пружиной, опорная шайба, обойма, упор, пружина и регулировочный винт с контргайкой. Гидравлический цилиндр удерживает нагрузку поршневой полостью.

В отличие от гидравлического замка, который удерживает нагрузку независимо от ее величины, тормозной клапан откроется и сработает как предохранительный при величине давления, определяемой настройкой поджатия пружины. Поэтому для гарантированного удержания нагрузки такими клапанами давление их настройки выбирают выше максимального на величину от 20% до 50%.

Двухсторонние тормозные клапаны

В отличие от одностороннего тормозного клапана двухсторонний клапан используется в системах, где есть необходимость удерживать гидравлические двигатели под знакопеременной нагрузкой и периодическим воздействием попутной нагрузки при движении как в прямом, так и обратном направлениях.

Устройство двухстороннего тормозного клапана идентично устройству одностороннего тормозного клапана, но включает два комплекта рабочих элементов для контроля обеих полостей гидродвигателя.

Заключение

Клапанная аппаратура является неотъемлемой и критически важной частью современных гидравлических систем, обеспечивающей контроль параметров рабочей жидкости, безопасность эксплуатации и точное управление исполнительными механизмами. Правильный выбор типа клапанов, их параметров и схемы включения позволяет создать эффективную, надежную и безопасную гидравлическую систему для любого применения.

Специалисты компании "Гидравлик-Трак" готовы помочь вам с подбором, расчетом и поставкой клапанной аппаратуры для любых применений. Мы предлагаем широкий ассортимент качественного гидравлического оборудования и запасных частей от проверенных производителей.