Клапаны давления.

В гидравлических схемах применяются несколько типов клапанов давления. Некоторые предохраняют систему от избыточного давления, когда как другие защищают от перегрузок только часть системы. Третьи позволяют рабочей жидкости поступать в изолированную систему после достижения установленного давления. Четвертые направляют жидкость по обводному каналу при низком давлении или при его отсутствии во время своей активации.

Эта статья описывает только предохранительные и разгрузочные клапана, поскольку они вплотную ассоциируются с гидравлическими насосами. Другие клапана давления – часть схемы управления и имеют отношение к распределителям, располагаясь за ними.

Почему клапана давления?

Все схемы с нерегулируемыми насосами требуют защиту предохранительными клапанами от избыточного давления. Нерегулируемые насосы при их включении должны подавать жидкость. Когда насос разгружается по схеме с открытым центром или приводит в движение гидродвигатель, движение жидкости не вызывает проблем. Но когда гидродвигатель тормозится при переключении распределителя, предохранительный клапан необходим.

Схемы, в которых присутствует насос с компенсатором давления, могут успешно работать и без предохранительного клапана, поскольку они только перемещают жидкость, когда давление падает ниже давления настройки компенсатора.              (Многие конструкторы все еще используют предохранительные клапана в этих схемах по причинам, которые будут рассмотрены позже).

В каждом случае предохранительный клапан подобен предохранителю в электрической схеме. Когда сила тока остается ниже амперной нагрузки предохранителя, все хорошо. Когда же сила тока попытается преодолеть амперную нагрузку предохранителя, предохранитель перегорает и размыкает схему. Оба устройства защищают систему от излишнего давления, сохраняя его ниже установленного уровня.

Разница заключается в том, что при срабатывании электрического предохранителя он должен быть сброшен или заменен обслуживающим персоналом до того, как машина снова запустится. Это требование предупреждает электриков о возможной проблеме и обычно заставляет их искать причину до перезапуска машины. Без защиты предохранителя электрическая цепь, наконец, перегреется и начнет гореть.

В гидравлическом контуре предохранительный клапан открывается и отводит жидкость, когда давление превышает его настройку. Затем клапан снова закрывается, когда падает давление. Это означает, что предохранительный клапан может в любой момент отводить жидкость время от времени или постоянно практически без какого-либо вмешательства извне. (Это также означает, что система может работать с достаточно прогретой жидкостью даже с установленным теплообменником.)

Многие схемы насосов с постоянным объемом зависят от этой возможности отвода рабочей жидкости во время цикла, а некоторые даже отводят жидкость и во время простоя. Хорошо спроектированная схема никогда не отводит жидкость, если нет неисправности, такой как нерабочий конечный выключатель или какой-либо внутренний оператор, перекрывающий элементы управления. Это устраняет большинство проблем с перегревом и экономит энергию.

Функции предохранительного клапана.

Существуют две различные конструкции предохранительных клапанов: прямое и пилотное управление. Оба типа имеют преимущества и работают лучше в определенных условиях. Как Argo Hytos, так и Ponar Wadowice широко используют в производстве обе конструкции.
Некоторые термины, касающиеся предохранительных клапанов и их функции:
• Сброс: фактическое считывание давления при первом открытии предохранительного клапана для отвода жидкости. (Это может быть в два раза больше фактического значения давления).
• Гистерезис: разность давлений между тем, когда открывается предохранительный клапан, пропускающий некоторый поток (давление крекинга) и при прохождении полного потока.
• Стабильность: колебание давления в качестве предохранительного клапана, сбрасывает жидкость только при заданном давлении.
• Давление настройки: давление, при котором предохранительный клапан закрывается после сброса жидкости.
• Перепад давления: разница в показаниях давления с момента открытия предохранительного клапана (давление крекинга) до тех пор, пока он не сбросит весь поток насоса в резервуар.

Предохранительные клапаны прямого действия
На рисунке 9-1 показан разрез и символ предохранительного клапана прямого действия. Клапан имеет тарелку, которая прижимается к сиденью регулируемой пружиной. Регулировочная ручка может изменять силу пружины для повышения или уменьшения максимального давления. Тарельчатый вал остается неподвижным, пока поток насоса идет в контур, а давление ниже, чем настройка предохранительного клапана. Если давление пытается подняться выше установки пружины, тарелка выталкивается с сиденья так, чтобы пропускать избыточный поток насоса в бак.

Символ показывает одиночную коробку со смещением стрелки потока от входных линий В и выходного потока Т. Пунктирная контрольная линия от входной линии до нижней части коробки указывает, что входное давление может нажимать на стрелку потока. На противоположной стороне коробки находится пружина с наклонной стрелкой через нее, чтобы показать противоположную силу на стрелке потока. Когда давление в порту P достаточно велико, чтобы преодолеть давление пружины, оно заставляет стрелку потока подниматься вверх до тех пор, пока не будет  открыт путь от P до T. Хотя в этом клапане нет прохода пилота, функция подразумевается и, следовательно, является частью символа ,

Основным преимуществом предохранительных клапанов прямого действия над предохранительными клапанами пилотного управления является то, что они очень быстро реагируют на наращивание давления. Любые предохранительные клапаны не чувствуют, что есть проблема, пока давление не будет очень близко к давлению настройки. Затем он должен открыться, чтобы как можно быстрее сбросить избыточный поток, чтобы поддерживать перерегулирование давления. Поскольку в предохранительном клапане прямого действия имеется только одна движущаяся часть, она может быстро открываться, что сводит к минимуму всплески давления. На рис. 9-2 показаны типичные графики производительности от предохранительных клапанов прямого действия и пилотного управления. Обратите внимание на разницу во времени срабатывания и всплесках давления, когда клапаны открыты для подачи избыточного потока в бак.

Основным недостатком предохранительных клапанов прямого действия является то, что они частично открываются под давлением около 10,35 бар ниже установленного давления. Поскольку тарельчатый рукав находится в прямом контакте с пружиной, которая устанавливает максимальное давление, когда тарелка открывается, она затягивает пружину и увеличивает давление. Количество зависит от длины и жесткости пружины. На графике, показанном на рис. 9-3, указана зависимость потока / давления типичного предохранительного клапана прямого действия. При настройке предохранительного клапана прямого действия 103,5 бар при 38 литрах в минуту очень возможно, что какая-то жидкость начнет проходить, когда давление будет ниже 93 бар. Продолжающееся увеличение давления позволяет увеличить расход до тех пор, пока весь поток насоса не перейдет в резервуар при давлении 103,5 бар. Если работа все еще выполняется при 93 бар, она будет снижаться, потому что некоторый поток идет в бак. Когда этот клапан установлен на давление крекинга 103,5 бар, поток не будет сбрасываться, до тех пор, пока давление не достигнет этого уровня, но конечное давление достигнет 114 бар. (Пилотные предохранительные клапаны рассматриваются далее .и. не начинают открываться, пока давление не достигнет пределов от 1,7 до 3,5 бар от их настроек).

Предохранительные клапаны прямого действия часто довольно шумны из-за высокой скорости обводнения жидкости и неустойчивости, присущей их конструкции.
Предохранительные клапаны прямого действия обычно не используются в промышленных гидравлических системах, за исключением тех, которые имеют потоки менее 12 литров в минуту, а также в качестве-контрольно-измерительных приборов. В большинстве промышленных образцов используются длинные пружины, которые набирают небольшое усилие на шаг сжатия, чтобы поддерживать низкое давление.
Если предохранительный клапан прямого действия задан как предустановленный, нерегулируемый, всегда необходимо указывать, должен ли клапан устанавливаться до давления крекинга или полного потока. Если требуется полный поток, необходимо указать его величину. Компания Argo Hytos представляет предохранительные клапана прямого действия преимущественного встраиваемого или катриджного, трубного и модульного исполнения следующих типоразмеров SIZE 04, 06 и 10, максимальным давлением до 320 бар. Линейка ныне выпускаемых предохранительных клапанов прямого действия Argo Hytos выглядит так: VPP2-04, VPP2-06, SR1A-A2 и VPP1. Весьма широкий диапазон предохранительных клапанов прямого действия выпускает и польская компания Ponar Wadowice. Это клапана катриджного, модульного и трубного исполнения с условным проходом 6, 10 и 20 мм, давлением до 630 бар типа DPD, UZPD30 c условным проходом 30 мм давлением до 315 бар, DBD…/C, DBDS6(10)(20)/…C, DBDPS6(10)… /…C, DBDPH6(10)… /…C с условным проходом 6,10, 20 мм и давлением до 400 бар.

Предохранительные клапаны с пилотным управлением

На рис. 9.4 показаны разрезы двух общих типов предохранительных клапанов с пилотным управлением. Существует много вариантов этих конструкций, но функция и символ одинаковы. Пилотная секция на каждом клапане представляет собой низкопоточный предохранительный клапан прямого действия, который устанавливает максимальное давление в системе. Поскольку клапан мал и пропускает очень мало потока, он работает с давлением менее 3,5 бар, когда функционирует.

Регулирующее отверстие в сбалансированном поршне или тарелке обычно имеет диаметр около 1 мм. Этот размер обеспечивает хорошую устойчивость к потоку и не подвержен загрязнению. Если отверстие подключено, сбалансированный поршень или тарельчатый клапан откроются примерно на 1,4 бар и сбрасывают весь поток насоса в бак.
Путь потока от выхода регулирующего отверстия поверх балансировочного поршня или тарелки. ведет к пилотной секции, которая содержит подпружиненную тарелку. Регулировка натяжения подпружиненной тарелки устанавливает давление в контуре. Жидкость, используемая пилотной секцией, возвращается в резервуар через порт резервуара. Сбалансированный поршневой тип имеет сквозное отверстие, которое позволяет контролировать поток жидкости в бак. Вентиляционный порт в секции пилота обычно подключен. (Удаление пробки позволяет этому клапану выполнять другие функции.)
Многие встроенные клапаны имеют два входных отверстия в качестве подключения трубопроводов. Поток насоса поступает на один вход и выходит через противоположный. Это устраняет необходимость использования тройника в нагнетательной линии трубопроводов.

Как работает предохранительный клапан с пилотным управлением

Поток насоса поступает во входное отверстие и течет к контуру через отверстие управления к верхней стороне сбалансированного поршня или тарелки. Он также перемещается к подпружиненной тарелке пилота, где он заблокирован. Когда давление слишком низкое, чтобы отжать подпружиненную тарелку, давление будет одинаковым с обеих сторон сбалансированного поршня или тарелки. Поскольку гидравлические силы равны с обеих сторон сбалансированного поршня или тарелки, легкая пружина удерживает их в их нормально закрытом положении. Это условие продолжается до тех пор, пока давление не достигнет примерно 1,7 -3,5 бар ниже давления, установленного на ручке регулировки давления предохранительного клапана.

Например, если давление было установлено на уровне 69 бар, при давлении около 65 бар подпружиненный тарельчатый клапан в пилотной секции открывается и позволяет небольшому количеству жидкости проходить в резервуар. В этот момент количество жидкости, проходящей под подпружиненной тарелкой, может легко проходить через регулирующее отверстие, так что поток насоса в резервуар блокируется. По мере того, как давление продолжает увеличиваться, оно, наконец, заставляет подпружиненную тарелку в пилотной секции открываться достаточно далеко, чтобы поток через нее превышал поток через контрольное отверстие. Когда поток через подпружиненную тарелку больше, чем поток через регулирующее отверстие, давление на верхней части сбалансированного поршня или тарелки уменьшается. Когда дисбаланс давления достаточно велик, сбалансированный поршень или тарельчатый механизм перемещается в сторону пониженного давления и открывает путь потока к резервуару. В резервуар будет направлен поток, достаточный для сброса любой избыточной жидкости, которую система не использует. В качестве предохранительной функции этот клапан никогда не открывается более чем достаточно, чтобы сбросить избыточный поток.

Когда давление в системе уменьшается, подпружиненная тарелка в пилотной секции снова засасывается. Жидкость, захваченная сверху сбалансированного поршня или тарельчатого вала, заставляет его закрываться и блокировать поток насоса в резервуар.
Предохранительный клапан с пилотным управлением позволяет всем потокам насоса поступать на приводы почти до окончательной установки. Это означает, что клапан может работать при более низком максимальном давлении, и он не будет замедлять скорость привода при увеличении сил. Компания Argo Hytos представляет предохранительные клапана непрямого действия (пилотного  управления) преимущественного встраиваемого или катриджного, трубного и модульного исполнения следующих типоразмеров SIZE 06 и 10, максимальным давлением до 320 бар. Линейка ныне выпускаемых предохранительных клапанов непрямого действия Argo Hytos выглядит так: VPN1-06, VPN2-10/S, VPN2-10/MR.

Дистанционное пилотное управление.

Другая возможность предохранительных клапанов с пилотным управлением заключается в том, что они могут работать дистанционно. На рисунке 9-5 показано вентиляционное отверстие, подключенное к предохранительному клапану прямого действия в удаленном месте для легкой регулировки давления. Поскольку предохранительный клапан обычно монтируется вблизи или рядом с выходом насоса, его иногда трудно достать. Когда необходимо регулярно менять давление, установка на рисунке 9-5 работает хорошо. Вентиляционное отверстие управляющего пилотного клапана соединено с предохранительным клапаном прямого действия на расстоянии 4,5 м. Управляемый предохранительный клапан установлен на максимальное давление, а дистанционная регулировка может устанавливаться при любом давлении ниже этого максимума.

Использование 4-линейного гидрораспределителя и трех дистанционных настроек может позволить электрический выбор трех разных давлений. Использование большего количества гидрораспределителей и большего количества дистанционных настроек может привести к множественному выбору давления электрическим путем.

Предохранительные клапаны с электромагнитным управлением.

На рисунке 9-6 показано, как гидрораспределитель, прикрепленный к пилотной секции, и присоединенный к вентиляционному отверстию и резервуару, может сбрасывать или блокировать поток из регулирующего отверстия. Жидкость в обход регулировочного отверстия разгружается с насоса в бак при давлении около 1,4 бара. Блокирующая регулировочное отверстие жидкость направляется в контур под давлением, близким к давлению настройки предохранительного клапана. Это один из способов сохранить насос с постоянным объемом от перегрева жидкости, когда он не выполняет работу.

Предохранительные клапаны с электромагнитным управлением можно приобрести в нормально открытом исполнении (как показано), нормально закрытом исполнении и двойном или даже тройном, с двумя или тремя соленоидами, управлении. Предохранительные клапаны с электромагнитным управлением также может использоваться как 2-ходовой нормально открытый или нормально закрытый направленный клапан в цепях с высоким расходом. Данный тип клапанов выпускает компания Ponar Wadowice, тип DB (DBW) трубного и стыкового исполнения, с условным проходом 10, 20, 30 мм и давлением до 350 бар.

Предохранительные клапана с пропорциональным управлением.

Предохранительные клапаны на рис. 9-7 регулируются с помощью электроники с использованием пропорционального соленоида вместо регулирующей ручки. Пропорциональный соленоид увеличивает усилие при увеличении напряжения. Эти соленоиды обычно работают от 0 до 10 В на постоянном токе. Они могут производить бесконечно переменную силу. Тип прямого действия предназначен для низкого (ниже 11 л/мин) потока. Он также может служить в пилотной секции высоковольтных пилотных клапанов. Работа пропорционального предохранительного клапана та же, что и для клапанов с ручным управлением. Разница заключается в том, как создается сила на управляющем тарелке.

Разгрузочные клапана

Разгрузочные клапаны - это устройства контроля давления, которые используются для сброса избыточной жидкости в резервуар при небольшом давлении или отсутствии давления. Общее применение заключается в схемах насоса hi-lo, где два насоса перемещают привод с высокой скоростью и низким давлением, затем цепь переходит в один насос, обеспечивая высокое давление для выполнения работы.
Другое исполнение направляет избыточный поток от конца колпачка цилиндра негабаритной тяги к резервуару, когда цилиндр убирается. Это позволяет использовать меньший, менее дорогостоящий распределительный клапан,

Разгрузочные клапана прямого действия

На рисунке 9-8 показан разрез клапана разгрузки прямого действия. Клапан состоит из золотника, удерживаемого в закрытом положении пружиной. Блоки золотника управляют потоком жидкости из впускного отверстия в канал резервуара в нормальных условиях. Когда жидкость высокого давления из насоса входит в порт внешнего управления, он оказывает сильное воздействие на пилотный поршень. (Пилотный поршень малого диаметра позволяет использовать длинную пружину с малым усилием.) Когда давление в системе увеличивается до настройки пружины, жидкость переходит в резервуар (так работает предохранительный клапан). Когда давление превышает настройку пружины, золотник полностью открывается, чтобы сбросить избыток жидкости в резервуар при небольшом давлении или отсутствии давления.

Разгрузочный клапан непрямого действия (пилотный)

На разрезе рис. 9-9 показан пилотный клапан разгрузки. Пилотный разгрузочный клапан имеет меньшее давление, чем его аналог прямого действия, поэтому он не будет преждевременно откачивать часть потока. Он также быстро перейдет из режима нулевого потока в максимальный поток, таким образом, используя весь расход от большого объема насоса в течение более длительного периода времени и быстро снижая мощность, потребляемую от насоса большого объема.

Эта конструкция клапана также используется в качестве разгрузочного предохранительного клапана в цепях аккумуляторов

Пилотный разгрузочный предохранительный клапан является таким же, как и предохранительный клапан с пилотным управлением с добавлением разгрузочного золотника. Без разгрузочного золотника этот клапан будет функционировать точно так же, как и любой предохранительный клапан с пилотным управлением. Наращивание давления в пилотной секции должно сбросить часть потока в резервуар и разбалансировать тарелку, позволяя ей открывать и сбрасывать избыточный поток насоса.

В пилотном разгрузочном клапане разгрузочный золотник получает сигнал через порт дистанционного управления, когда давление в рабочей цепи выходит за пределы его настройки. В то же время давление на подпружиненный шар в пилотной секции начинает его открывать. Падение давления на передней стороне разгрузочного золотника снижает обратное усилие, а давление пилота из схемы высокого давления заставляет пружинный шарик полностью оставить его сиденье. Теперь в резервуар поступает больше потока, чем контрольное отверстие может пропустить. Главная тарелка открывается примерно при 1,4 бара. Теперь весь поток большого объема насоса может поступать в резервуар при небольшом перепаде давления или без него, и вся мощность может поступать на насос низкого объема для выполнения работы. Когда давление падает примерно на 15% ниже давления, установленного в пилотной секции, подпружиненный шар закрывается и толкает разгрузочную катушку назад для следующего цикла.

Разгрузочный клапан не требует электрических сигналов. Это устраняет необходимость в дополнительных работниках при устранении неполадок. Эти клапаны очень надежны и редко требуют обслуживания, регулировки или замены.

Компания Argo Hytos производит выпуск разгрузочных клапанов непрямого действия (пилотного типа) встраимого (катриджного) до 350 бар исполнения. Это следующая линейка этого типа клапанов Argo Hytos: SU6A-U3/1, SUD6A-V4/I, SUD6A-U4/I. Этот же тип клапанов разгрузки широко освоен и компанией Ponar Wadowice, представляющие на рынок клапана разгрузки непрямого управления, такие, как UZOP, с условным прходом 6,10, 20 и 30 мм и давлением до 350 бар.