Устройство и схемы картриджных вставных гидравлических клапанов

Картриджные вставные клапаны, в отличие от вворачиваемых, применяются в гидроприводах со средними и большими расходами рабочей жидкости. Картриджные вставные клапаны часто называют клапанами логики. Они, как правило, имеют только два рабочих порта, т.е. по принятой классификации являются двухлинейными.

Картриджные вставные гидравлические клапаны представляют собой двухступенчатую цилиндрическую конструкцию и устанавливаются в гнездо манифольда или корпуса гидрокомпонента без резьбы. Внутренняя цилиндрическая поверхность гнезда одновременно служит направляющей для его установки.

В манифольде клапан своей нижней торцевой поверхностью упирается в дно гнезда, а сверху его прижимает пружина. Пружина упирается во фланцевую крышку, которая привинчивается к поверхности манифольда (или корпуса) болтами. В прижимной фланцевой крышке часто выполняются каналы управляющих гидролиний.

В электроуправляемых картриджных вставных клапанах прижимной крышкой часто служит корпус электромагнита, а пружина устанавливается с нижней стороны между торцом клапана и дном его гнезда. Круглые резиновые кольца обеспечивают уплотнение между цилиндрическими поверхностями гнезда
манифольда и клапаном.

Фторопластовые кольца препятствуют выдавливанию резины под действием давления в зазорах, тем самым обеспечивая надежную герметизацию статических соединений. Посадочное гнездо, выполненное в манифольде или корпусе гидрокомпонента, представляет собой двухступенчатое глухое отверстие с диаметрами, соответствующими внешним размерам клапана.

Подвод рабочей жидкости осуществляется по радиальным или осевому каналам, выполненным в манифольде. Конусный запорный элемент, вставленный внутрь клапана, блокирует или открывает проход жидкости через рабочие каналы. Размеры картриджных вставных клапанов зависят от величины потока рабочей жидкости (расхода).



Рис. 1. Присоединительные параметры картриджных вставных клапанов

А, В – рабочие каналы; Х – подвод гидролинии управления; Y – слив гидролинии управления; Z1 – подвод дополнительной гидролинии управления; Z2 – слив дополнительной гидролинии управления; F1, F2, F3, F4 – резьбовые отверстия для крепления фланцевой крышки; G – отверстие для установочного штифта

Международный стандарт ISO 7368 устанавливает типоразмерный ряд для двухлинейных картриджных вставных клапанов. Общий чертеж присоединительных параметров картриджных вставных клапанов в соответствии с международным стандартом ISO 7368 приведен на рис. 1.

Картриджные вставные клапаны содержат запорный элемент конусного типа (шарики в их конструкции не используются). По существу, эти устройства выполняют функции обратных клапанов в отдельности или в соединении с другими гидроаппаратами. Гидравлическая коммутация каналов осуществляется в манифольде, а также в прижимных фланцевых крышках вставных клапанов.

В отличие от традиционных конструкций обратных клапанов, на запорном элементе конусного типа картриджных вставных клапанов выполнены три неодинаковые рабочие поверхности.

Воздействуя на них всевозможными комбинациями рабочих и управляющих потоков, можно получить различные функции клапана. Это направление потока рабочей жидкости в прямом или обратном направлении, надежное перекрытие проходного канала, использование клапана в качестве направляющего
(распределительного), предохранительного, редукционного, регулятора потока.

Картриджные вставные клапаны выполняются с нулевым перекрытием запорного элемента, что обеспечивает их высокое быстродействие. Оно позволяет с высоким качеством автоматизировать гидросистему и уменьшать время запаздывания движения гидродвигателя, которое часто бывает заметным в клапанах с золотниковым управлением.

Следовательно, можно значительно сократить продолжительность рабочего цикла гидравлической машины или оборудования. Принципиальная конструкция, отдельные важные детали и условное графическое изображение картриджного вставного клапана показаны на рис. 2.



Рис. 2. Принципиальная схема картриджного вставного клапана

А, В – каналы рабочих гидролиний; Х – канал нагнетания гидролинии управления ру; Y – канал слива гидролинии управления; 1 – крышка; 2 – фланец; 3 – втулка; 4 – пружина; 5 –запорный элемент конусного типа; 6 – дроссель.

Запорный элемент конусного типа, выполненный без демпфера, позволяет быстро стартовать гидродвигателю (гидроцилиндру, гидромотору), в то время как его исполнение с демпфером способствует мягкому началу движения.

Запорный элемент конусного типа с демпфером в основном используется в клапанах с функцией изменения направления потока рабочей жидкости (распределителя). Конструкции запорных элементов конусного типа выполняются с двумя или тремя активными рабочими поверхностями, на которые воздействуют потоки рабочей жидкости.

Принципиальные схемы таких исполнений показаны на рис. 3. В наиболее простом запорном элементе две активные рабочие поверхности, АА и АP, одинаковы. Соотношение их площадей равно 1:1 (рис. 3, а). Более сложные запорные элементы имеют три активные рабочие поверхности.



Рис. 3. Принципиальные схемы исполнений запорных элементов конусного типа картриджных вставных клапанов

Они подобны по форме, но отличаются числовыми значениями (рис. 3, β, γ, δ). Площадь третьей поверхности АВ фактически равна разности площадей АP и АА, т.е. АВ = АP – АА. В этом случае соотношение между площадями активных рабочих поверхностей зависит от величины кольцевой поверхности АВ. Такие соотношения обычно равны 1:1,07; 1:1,5; 1:2. Другие соотношения – 1:1,1; 1:1,6; 1:1,8 – не являются редкими.

Данное техническое решение позволяет управлять движением запорного элемента клапана из полости В. При подаче потока рабочей жидкости под определенным давлением в гидролинию В он, воздействуя на кольцевую поверхность АВ, поднимает запорный элемент и направляется в гидролинию А.

Принципы функциональной работы упомянутых клапанов показаны на рис. 4. Запорный элемент с двумя активными рабочими поверхностями одинаковой площади (2S) блокирует движение потока из гидролинии В в гидролинию А. Но поток из гидролинии А в гидролинию В проходит свободно.



Рис. 4. Принципиальная схема работы картриджных вставных клапанов

При наличии в клапане гидролинии управления ру на рабочую поверхность Ар запорного элемента действуют две силы: гидравлическая и сила механической пружины. Если гидролиния управления ру соединена с гидролинией А, то на рабочие поверхности АА и АP действуют одинаковые по значению, но противоположные по направлению гидравлические силы, и запорный элемент прижимается к коническому седлу только пружиной.

В этом случае движение потока рабочей жидкости из гидролинии А в гидролинию В также блокируется. Запорный элемент с тремя активными рабочими поверхностями различной площади (3S) имеет большее количество опций.

При отсутствии управления поток рабочей жидкости из гидролинии А, воздействуя на рабочую поверхность АА, открывает клапан, преодолевая сопротивление пружины, и проходит в гидролинию В. При движении потока из гидролинии В он воздействует на рабочую поверхность АВ, открывает клапан, также преодолевая сопротивление пружины, и проходит в гидролинию В.

Следует отметить, что давление открытия клапана в двух описанных случаях разное и зависит соответственно от величины площадей рабочих поверхностей АА и АВ. Это очень важный аспект, который позволяет реализовать логику открытия клапана под воздействием различных потоков. При наличии гидролинии управления, соединенной с гидролинией В, силовой поток рабочей жидкости, поступающий из гидролинии В, блокируется.

Управление от давления в гидролинии А блокирует силовой поток в обоих направлениях. Но вместе с тем в позиции клапана 3S, отмеченной звездочкой (правая нижняя схема на рис. 4), нет гарантии полной герметичности перекрытия гидролиний. Рабочая жидкость из гидролинии А по каналам управления ру
может проникать в гидролинию В через зазоры в цилиндрической части запорного элемента клапана.

Управление направлением силовых потоков рабочей жидкости может быть реализовано не только описанными выше гидравлическими методами, но и с использованием электроуправляемых клапанов. Они, как правило, устанавливаются на фланцевой крышке картриджных вставных клапанов с трехповерхностным запорным элементом.

Принципиальные схемы такого управления показаны на рис. 5. На левой схеме рис. 5 показан принцип управления от гидролинии В. Силовой поток от В к А блокируется, но из А в В проходит свободно. При включении электромагнита силовой поток рабочей жидкости свободно проходит в обоих направлениях,
поскольку гидролиния управления соединяется со сливом.



Рис. 5. Принципиальные схемы управления направлением потоков с использованием электроуправляемых клапанов

На правой схеме рис. 5 показан принцип управления от гидролинии А. Как видно, результат подобный. На рис. 6 показаны схемы гидравлических соединений картриджных вставных клапанов с электроуправляемыми клапанами и гидрораспределителями 4/2 и 4/3. Использование в гидросхемах управления избирательных клапанов «ИЛИ» позволяет получить управляющий поток рабочей жидкости от любой гидролинии А или В.



Рис. 6. Схемы гидравлических соединений картриджных вставных и электроуправляемых клапанов 4/2 и 4/3

Применение электроуправляемых клапанов позволяет сформировать требуемый рабочий цикл. Такие схемы показаны на рис. 7. Установка калиброванного дросселя в гидролинии управления Х картриджного вставного клапана замедляет движение запорного элемента вниз.

Это обстоятельство способствует устранению нежелательных колебаний (вибрации). Дроссель может устанавливаться как во фланцевой крышке вставного клапана, так и в управляющем канале манифольда.



Рис. 7. Гидравлические схемы соединений с использованием избирательного клапана «ИЛИ»

На рис.8 приведены схемы другого типа управления картриджными вставными клапанами, который использует золотниковые гидрораспределители с электроуправлением. Но золотниковые клапаны и гидрораспределители всегда подвергнуты утечкам.



Рис. 8. Схемы управления картриджными вставными клапанами золотниковыми гидрораспределителями с электроуправлением

В таких гидрокомпонентах следует обеспечить высокоэффективное уплотнение мест возможных перетечек рабочей жидкости. Однако, применяя золотниковые клапаны и гидрораспределители, особенно средних и больших типоразмеров, можно значительно снизить стоимость системы управления.

С помощью управляемых картриджных вставных клапанов можно реализовать гидросхему с регенерацией энергии. Она позволяет значительно увеличить скорость выдвижения штока гидроцилиндра без дополнительного насоса. Функция ограничения и управления давлением картриджными вставными клапанами всегда осуществляется только с управляемыми типами.

Вставные клапаны всегда играют роль главной ступени, а пилотные – управляющей. Управляющие гидролинии выполняются в манифольде, а пилотные клапаны – во фланцевой крышке.

Предохранительный картриджный вставной клапан работает на тех же принципах, как и клапаны в корпусном исполнении. Его конструктивная и гидравлическая схемы представлены на рис. 9. Управляющая ступень (пилотный клапан) выполнена с традиционным коническим запорным элементом и установлена внутри фланцевой крышки.



Рис. 9. Конструктивная и гидравлические схемы картриджного вставного предохранительного клапана

Через управляющие каналы Х, Y, Z пилотный клапан соединен с гидролиниями А и В картриджного вставного клапана. Он держится закрытым до тех пор, пока рабочая жидкость, поступающая по каналу Z под давлением, превышающим настройку, не сместит конический запорный элемент пилотного клапана.

Рабочая жидкость по управляющему каналу Y направится в сливную гидролинию В. Рабочая жидкость в главной гидролинии А откроет запорный элемент вставного клапана и направится в гидробак по гидролинии В. Редукционный картриджный вставной клапан работает по тем же принципам, что и традиционный.

Если в манифольде установить обратный клапан по определенной схеме, показанной на рис.10, то описанный выше картриджный вставной клапан может использоваться как разгрузочный для сдвоенного насоса (рис. 10, а) или в гидросхеме оборудования с гидропневмоаккумуляторами (рис. 10, б).



Рис. 10. Схемы картриджных вставных разгрузочных клапанов

Картриджные вставные клапаны часто используются в качестве регулируемых дросселей и регуляторов потока рабочей жидкости. В регулируемом дросселе запорный элемент имеет отношение площадей рабочих поверхностей 1:2. Его схема представлена на рис. 11.

Положение запорного элемента относительно корпуса определяет площадь проходного сечения для силового потока рабочей жидкости из гидролинии А в В и обратно. Управление положением запорного элемента может осуществляться механически, с помощью регулировочного винта, или гидравлически, с использованием управляющей гидролинии Х (ру).



Рис. 11. Схема картриджного вставного регулируемого дросселя

Регулирование обратного потока осуществляется соединением управляющего канала Х с гидролинией В. Величина скорости штока гидроцилиндра в схеме, изображенной на рис. 8, может регулироваться.

Для этого вместо одного из клапанов, управляющих поршневой полостью гидроцилиндра, следует установить картриджный вставной клапан с соотношением рабочих площадей запорного элемента 2:1 и механическим винтовым ограничителем его хода. По сути, упомянутый клапан играет роль регулируемого дросселя.

Чтобы реализовать регулятор потока с помощью картриджных вставных клапанов, требуется использование двух компонентов. Это клапан с трехповерхностным запорным элементом, имеющим соотношение рабочих площадей 2:1, оснащенным винтовым ограничителем его хода, и клапан с двухповерхностным запорным элементом, имеющим соотношение рабочих площадей 1:1.



Рис. 12. Схема гидропривода с регулятором потока, выполненного на базе картриджных вставных клапанов

Гидравлическая схема такого соединения показана на рис. 12. Картриджный вставной клапан с соотношением 2:1 уменьшает величину силового потока рабочей жидкости в соответствии с положением винтового ограничителя. Клапан с соотношением 1:1 формирует постоянный перепад давления.

Использование картриджных вставных клапанов в гидроприводах тяжелой спецтехники в последние годы успешно развивается. Их внедрение в конструкции мощных строительно-дорожных машин и оборудования является одним из перспективных направлений развития отрасли.