2.2.5. Zawory hydrauliczne.doc

2.2.5. Zawory hydrauliczne.

Koniecznymi elementami każdego układu hydraulicznego są odpowiednio dobrane zawory. Z uwagi na spełniane zadania, ogólnie wśród zaworów spotykanych w urzą­dzeniach hydraulicznych rozróżnia się zawory regulacji ciśnienia, zawory regulacji wydajności

i zawory sterowania kierunku przepływu cieczy roboczej.

Zawory mogą być uruchamiane ręcznie, samoczynnie lub za pośrednictwem układu mechanicznego albo elektromagnetycznego. Każdy zawór składa się zwykle z kor­pusu zaopatrzonego w końcówki do podłączenia go do układu hydraulicznego, elementu pracującego (zamykającego lub dławiącego przepływ – kulka, grzybek, tłoczek, płytka itp.) oraz gniazda współpracującego z tym elementem. Do wywie­rania nacisku na element pracujący zaworu służy zwykle pokrętło lub dźwignia (sterowanie ręczne), sprężyna (sterowanie samoczynne) albo popychacz, krzywka lub elektromagnes (sterowanie mechaniczne lub elektromagnetyczne).

Zawory regulacji ciśnienia.

Zawory bezpieczeństwa i przelewowe. Każdy układ hydrauliczny powinien być za­bezpieczony przed przeciążeniem, czyli przed podwyższaniem się w nim ciśnienia ponad dopuszczalną wartość. Zabezpieczenie takie zapewnia się przez włączenie na odgałęzieniu przewodu tłocznego pompy zaworu bezpieczeństwa, który otwiera się samoczynnie

w przypadku podwyższenia się ciśnienia do określonej wartości. W zwykłych warunkach pracy urządzenia zawór bezpieczeństwa pozostaje całko­wicie zamknięty i ciecz robocza

w całości doprowadzana jest do odbiornika (urzą­dzenia roboczego).

Często jednak, np. w przypadku regulacji prędkości przez dławienie, w zwykłych warunkach pracy tylko część cieczy dostarczanej przez pompę ma dopływać do urządzenia wykonawczego, a reszta powinna odpływać do zbiornika lub innej ga­łęzi układu, w której panuje niższe ciśnienie. W takich przypadkach zawór przepusz­czający nadmiar cieczy

z odgałęzienia roboczego jest nazywany zaworem przele­wowym. Przeważnie zawór przelewowy spełnia jednocześnie zadania zaworu bez­pieczeństwa. W zwykłych warunkach pracy urządzenia zawór przelewowy na ogół ciągle przepuszcza ciecz i w związku z tym stawia mu się znacznie wyższe wymaga­nia niż zaworowi bezpieczeństwa – zarówno, gdy chodzi o dokładność regulacji ciśnienia, jak i działanie bez drgań oraz powodowania pulsacji ciśnienia. Jeżeli jest to konieczne, w jednym układzie hydraulicznym może pracować jednocześnie kilka zaworów przelewowych zainstalowanych szeregowo, czyli kolejno przepusz­czających ciecz i utrzymujących rozmaite wartości ciśnienia w różnych odcinkach jej obiegu. Podkreślić należy, że równoległe instalowanie zaworów przelewowych w celu utrzymywania różnych ciśnień w poszczególnych odgałęzieniach układu jest niece­lowe, ponieważ zawsze najpierw otwiera się zawór nastawiony na najniższe ciśnienie, a inne stale pozostają zamknięte.

Zawór bezpieczeństwa powinien odznaczać się zdolnością natychmiastowego otwie­rania się w przypadku nagłego wzrostu ciśnienia, ponieważ tylko wówczas skutecz­nie zapobiega chwilowemu choćby podwyższaniu się ciśnienia w układzie powyżej wartości dopuszczalnej, co często wystarcza do spowodowania poważnych uszko­dzeń. Często działanie zaworu bezpieczeństwa polega na równoważeniu przez sprę­żynę naporu cieczy roboczej na czynną powierzchnię poprzecznego przekroju zaworu.

Jeżeli ciśnienie przed zaworem podwyższy się tak, że iloczyn ciśnienia oraz czynnej powierzchni przekroju zaworu stanie się większy niż nacisk sprężyny wynikający z jej wstępnego napięcia, grzybek zaworu zostaje odepchnięty od jego gniazda, czyli otwiera się wolny przelot, którym ciecz robocza wydostaje się z układu do zbiornika. Po otwarciu zaworu zmienia się czynna powierzchnia jego przekroju, na którą działa napór cieczy, a ponadto zwiększa się napięcie sprężyny powrotnej w miarę oddalania się grzybka zaworu do gniazda. Wartości ciśnienia otwarcia i zaniknięcia zaworu są różne i zależą od jego konstrukcji.

Rys. 6.2.5.1. Kulowy zawór bezpieczeństwa.

1 – kula,  2 – koszyk, 

3 – sprężyna,  4 – wkręt regulacyjny,  5 – śruba.

Na rysunkach 6.2.5.1 i 6.2.5.2 pokazano najprostsze wykonanie zaworów bezpieczeństwa bezpośredniego działania. Roboczy kierunek przepływu cieczy przez zawór oznacza się na jego korpusie strzałką.

Rys. 6.2.5.2. Stożkowy zawór bezpieczeństwa.

1 – grzybek,  2 – korpus, 

3 – sprężyna.

Prawidłowość działania kulkowego zaworu bezpieczeństwa zależy w dużym stopniu od położenia środka kulki w stosunku do osi sprężyny. Z tego względu kulka prowadzona jest zwykle w specjalnej oprawce (rys. 6.2.5.1). Zawory kulkowe są niezbyt trwałe, ponieważ ich gniazda szybko się zużywają, w związku z czym zmienia się ciśnienie otwarcia. Do częstej

i długotrwałej pracy nadają się raczej zawory stoż­kowe lub tłoczkowe. Dotyczy to zwłaszcza tłoczkowego zaworu bezpieczeństwa, w którym podczas otwierania wolnego przelotu tłoczek nasuwa się na trzpień i ciecz zawarta w komorze jest wytłaczana przez kalibrowany otwór. Za­pewnia to dość skuteczne działanie tłumiące, zapobiegające drganiom zaworu.

Każdy z przedstawionych na rysunkach zaworów bezpieczeństwa po odpowiednim ustawieniu wstępnego napięcia sprężyny może służyć jako typowy zawór przelewowy. Zawory takie nie nadają się jednak do układów o wysokich ciśnieniach roboczych i dużych przepustowościach cieczy, z uwagi na konieczność stosowania bardzo twardych sprężyn, co stwarza istotne trudności konstrukcyjne. Z tego względu w praktyce średnice czynnych przekrojów zaworów o działaniu bezpośrednim w układach o wysokim ciśnieniu roboczym ogranicza się do około 25 mm.

Zawory z gniazdem ruchomym. W zaworach według rysunków 6.2.5.1 i 6.2.5.2 docisk zaworu do gniazda maleje w miarę wzrostu ciśnienia i w chwili oderwania zawo­ru od gniazda staje się równy zeru. Wskutek stopniowego zmniejszania się docisku szczelność zaworu zmniejsza się. Jednocześnie powstają warunki sprzyjające jego drganiom. Zawory

z gniazdami ruchomymi zapewniają zwiększający się docisk zaworu do gniazda, a więc polepszenie szczelności przy wzroście ciśnienia do pewnej jego wartości, bliskiej ciśnieniu otwarcia, po czym docisk szybko zmniejsza się do chwili otwarcia zaworu.

Zasada działania zaworu z gniazdem ruchomym jest następująca. Kulka zaworu (rys. 6.2.5.3) obciążona słabą sprężyną osadzona jest na gnieździe, które jest tłokiem obciążonym sprężyną. Gdy ciśnienie wzrasta, zawór wraz z gniazdem porusza się ku dołowi. Gdy kulka zaworu oprze się o zderzak, to dalszy ruch gniazda powoduje otwarcie zaworu.

Rys. 6.2.5.3. Schemat zaworu z ruchomym gniazdem.

1 – grzybek zaworu (kulka),  2 – gniazdo,

3 – zderzak.

Uszczelnienie gniazda uszczelką gumową spełnia zadania tłumika drgań, zwiększa­jąc jednak histerezę zaworu. Uszczelnienie szczelinowe jest pod tym względem bardziej korzystne.

Na rysunku 6.2.5.4 przedstawiono przekrój zaworu ograniczającego (bezpieczeństwa) z gniazdem ruchomym.

Rys. 6.2.5.4. Zawór maksymalny z gniazdem ruchomym.

1 – korpus,  2 – zawór,  3 – sprężyna,  4 – gniazdo ruchome,  5 – sprężyna gniazda.

Aby zmniejszyć wstępne napięcie sprężyny, przy założonym natężeniu przepływu cieczy i ciśnieniu roboczym, oraz zwiększyć czułość zaworów bezpieczeństwa, sto­suje się rozmaite specjalne rozwiązania konstrukcyjne. Jako przykład – w zaworze pokazanym na rysunku 6.2.5.5 otwarcie właściwego zaworu bezpieczeństwa (głównego, w postaci tłoczka dociskanego do gniazda przez sprężynę) sterowane jest otwarciem zaworu sterowniczego

w postaci iglicy dociskanej do gniazda przez sprężynę, której wstępne napięcie można regulować pokrętłem. Wzrost ciśnienia cieczy w przestrzeni pod zaworem głównym powoduje jednoczesne podwyższenie się ciśnienia w komo­rze ponad zaworem głównym.

Gdy ustalona wartość ciśnienia zostanie przekro­czona, zawór sterowniczy otwiera się

i przepuszcza ciecz na przelew, co powoduje spadek ciśnienia w komorze ponad zaworem głównym w stosunku do ciśnienia pod nim. Wskutek tego zawór główny pod naporem cieczy oddala się od swego gniazda, otwierając przelot umożliwiający odpływanie cieczy ze strony wysokiego ciśnienia na przelew.

Rys. 6.2.5.5. Zwór bezpieczeństwa (przelewowy) z serwomechanizmem.

1 – zawór główny,  2 – sprężyna, 

3 – pokrętło,  4 – zawór sterowniczy, 

5 – kanał,  6 – dławik.

Dzięki ciągłemu przepływaniu niewielkich ilości cieczy przez dławik w postaci ka­librowanego kanalika, ruchy zaworu sterowniczego są powolne i ograniczone. W re­zultacie niewielkie zmiany ciśnienia wystarczają do spowodowania otwarcia zaworu

sterowniczego, a więc i stosunkowo nieduże przyrosty ciśnienia pod zaworem głów­nym wywołują duże otwarcia zaworu jako całości. W przypadku połączenia kanału zaworu sterowniczego z przelewem, zawór taki utrzymuje ustawione ciśnienie ro­bocze w układzie, zależnie od wstępnego napięcia sprężyny zaworu głównego.

Odmianą podobnego typu zaworu jest zawór ZP-5E konstrukcji kombinatu „Delta-Hydral", wyposażony w przystawkę elektromagnetyczną (rys. 6.2.5.6). Istnieją dwie pododmiany zaworów typu ZP-5E, w zależności od sposobu zamontowania suwaka

w przystawce elektromagnetycznej (o różnych symbolach graficznych).

Rys. 6.2.5.6. Zawór przelewowy typu ZP-5E.

1 – wkręt regulacyjny,  2 – grzybek zaworu, 

3 – przelew,  4 – suwak, 

5 – kanał przelewowy,  6 – suwak rozdzielczy, 

7 – elektromagnes.

Przystawka elektromagnetyczna pozwala na zdalne rozładowanie ciśnienia w linii tłoczenia (pododmiana I), a w przypadku odwrotnego zamontowania suwaka roz­dzielczego przystawki – na zdalne ładowanie instalacji przy włączonym elektro­magnesie (pododmiana II). Na rysunku 6.2.5.6 przedstawiono schemat pracy zaworu na zdalne „rozładowanie" ciśnienia. W położeniu swobodnym (przed włączeniem elektromagnesu) zawór działa jak zwykły zawór typu ZP-5. W przystawce elektromagnetycznej sprężyna utrzymuje suwak rozdzielczy w lewym skrajnym położeniu. Suwak przesłania kanał zlewowy. Wskutek zadziałania elek­tromagnesu suwak pokonuje napięcie sprężyny i przesuwa się w prawe skrajne położenie, co umożliwia przepływ cieczy

z komory suwaka na zlew. Spadek ciśnie­nia w komorze suwaka wytwarza różnicę ciśnień, która powoduje przesunięcie su­waka w kierunku otwarcia, umożliwiając przepływ cieczy

z kanału na zlew, czyli rozładowanie. Po wyłączeniu elektromagnesu rdzeń i suwak zajmują pierwotne po­łożenie, ciśnienia wyrównują się, suwak przesuwa się w prawo i instalacja przestaje się rozładowywać.

Rys. 6.2.5.7. Zawór o tłoczku różnicowym.

W celu zmniejszenia wymaganych nacisków sprężyn, a więc i ich rozmiarów, stosuje się również zawory z hydraulicznym zrównoważeniem części naporu cieczy roboczej

(rys. 6.2.5.7). Tłoczek takiego zaworu jest wykonany jako różnicowy, czyli ma dwie

różne czynne średnice – d oraz D. Sprężyna jest obciążona siłą ciśnienia (przed zaworem) działającego na pierścieniową powierzchnię równą - (D – d ), przepływ zaś jest otwierany przez część tłoczka o średnicy d. W przypadku niezbyt dużej różnicy średnic wymagany nacisk sprężyny jest stosunkowo niewielki, pomimo dużej średnicy d, a więc i dość znacznego czynnego przekroju przepływu cieczy przez zawór.

Do powierzchni pierścieniowej ciecz jest doprowadzana przez nacięcie w tłoczku. Dzięki temu, że nacięcie to ma bardzo mały przekrój, drgania tłoczka tłumione są dość skutecznie. Wadą zaworu o tłoczku różnicowym są trudności w zapewnie­niu i utrzymaniu zadowalającej szczelności na dwóch różnych średnicach tłoczka. Inną niedogodnością jest mała czułość zaworu, z uwagi na niewielką czynną po­wierzchnię, na którą działa ciśnienie robocze. Nacięcie na tłoczku powinno umożli­wiać dość intensywne przepływanie cieczy, ponieważ inaczej dławienie przepływu cieczy w nacięciu zmniejsza prędkość otwierania się zaworu,

co jest niepożądane, zwłaszcza gdy zawór o tłoczku różnicowym wykorzystywany jest jako zawór bez­pieczeństwa.

Jeżeli robocze ciśnienie jest wysokie i zastosowanie zwykłych zaworów bezpieczeń­stwa nastręcza trudności, wówczas stosuje się często „rozrywające się" zawory przeponowe. Roboczy element takiego zaworu jest wykonany w postaci płytki umocowanej na obrzeżu

i jednostronnie przejmującej napór cieczy roboczej. Płytki wykonuje się z miedzi rafinowanej, srebra, bimetali lub innych wysokojakościowych stopów.

Zawór utrzymujący wymagany zakres ciśnień, zwany również zaworem rozładowania pompy, samoczynnie przełącza pompę na przelew, gdy ciśnienie w układzie pod­wyższa się powyżej określonego maksymalnego, oraz przełącza pompę na zasilanie układu w przypadku spadku w nim ciśnienia poniżej określonego minimalnego. Zasadę działania takiego zaworu wyjaśnia rysunek 6.2.5.8. Warunkiem prawidłowej pracy omawianego zaworu jest zastosowanie w układzie zaworu zwrotnego i hydro-akumulatora.

Kiedy pompa tłoczy ciecz roboczą do układu, wskutek naporu cieczy kulka jest dociskana

do gniazda i uniemożliwia przepływanie cieczy przez przelew. Jednocześ­nie przez odgałęzienie układu ciecz robocza jest doprowadzana także na jedną stronę tłoczka. W miarę podwyższania się ciśnienia w układzie tłoczek przesuwa się coraz bardziej w lewo, przezwyciężając opór sprężyny. Przesuwanie się tłoczka trwa do chwili odsłonięcia przez jego prawe czoło otworu, co następuje dopiero wskutek podwyższenia się ciśnienia do maksymalnego, zależnego od wstępnego napięcia sprężyny. Przez powstający wówczas wolny przelot ciecz przenika do komory, wskutek czego pod jej naporem popychacz przemieszcza się w lewo, przezwycię­żając opór swej sprężyny powrotnej. Lewy koniec popychacza przymusowo oddala wtedy kulki od gniazda, a przez powstały wolny przelot tłoczona ciecz przepływa na przelew – co zapobiega przeciążeniu pompy.

Rys. 6.2.5.8. Zawór utrzymujący wymagany zakres ciśnień.

Jednocześnie odpowiedni zawór zwrotny nie dopuszcza do nadmiernego spadku ciśnienia

w układzie. Jeżeli w takiej sytuacji pracuje którykolwiek odbiornik układu, ciecz roboczą

do jego zasilania dostarcza hydroakumulator aż do chwili, w której ciśnienie w układzie obniży się poniżej określonego minimalnego. Bowiem w miarę słabnięcia naporu cieczy ściśnięta sprężyna rozpręża się i przesuwa tłoczek zaworu w prawo.

Kiedy lewa krawędź tłoczka odsłoni otwór przepustowy, powstaje połączenie po­między komorą i przelewem. Wówczas, wskutek nacisku sprężyny i naporu cieczy na kulkę popychacz posuwa się w prawo, a kulka osiada na swym gnieździe i odcina odpływ cieczy przez przelew, czyli pompa zostaje przełączona na zasilanie układu, tj. tłoczenie. Maksymalne i minimalne ciśnienie utrzymywane przez tego rodzaju zawór zależą od szczegółów jego konstrukcji i mogą być zmieniane w pewnych granicach przez regulowanie wstępnego napięcia sprężyn lub ich wymianę.

Zawór redukcyjny służy do utrzymywania określonego obniżonego ciśnienia robo­czego

w jednym z odgałęzień lub w części układu hydraulicznego. W takiej instalacji stosuje się źródła ciśnienia (pompa, hydroakumulator) dobrane do odgałęzienia o najwyższym ciśnieniu roboczym. Natomiast odgałęzienia o obniżonym ciśnieniu są zasilane cieczą roboczą przepuszczaną przez zawory redukcyjne. Schemat hydraulicznego zaworu redukcyjnego pokazano na rysunku 6.2.5.9.

Rys. 6.2.5.9. Schemat hydraulicznego zaworu redukcyjnego.

Grzybek zaworu jest utrzymywany w położeniu otwarcia przez sprężynę, dzięki czemu ciecz

ze źródła wysokiego ciśnienia swobodnie przepływa do zasilanego odgałęzienia niskiego ciśnienia. Jeżeli ciśnienie w zasilanym odgałęzieniu wzrośnie do ciśnienia granicznego, wynikającego ze wstępnego napięcia sprężyny, grzybek pod naporem cieczy przesuwa się

w lewo i odcina dopływ cieczy do zasilanego odgałęzienia tak długo, jak długo panuje w nim graniczne ciśnienie obniżone. Przez zawór pokazany na rysunku 6.2.5.10 ciecz z instalacji wysokiego ciśnienia jest doprowadzana do króćca dopływowego i przenikając przez szczelinę pomiędzy gnia­zdem i grzybkiem, poprzez króciec wypływowy wydostaje się do odgałęzienia niskie­go ciśnienia. Grzybek jest utrzymywany w położeniu otwarcia dzięki naciskowi sprężyny zrównoważonemu przez napór cieczy na grzybek oraz na przeponę. Kiedy ciśnienie w komorze połączonej poprzez króciec z odgałęzieniem niskiego ciśnienia przekroczy wartość graniczną, zależną od wstępnego napięcia sprężyny, wskutek spotęgowanego naporu cieczy grzybek przemieszcza się przezwyciężając opór sprężyny i odcina dopływ cieczy

do odgałęzienia niskiego ciśnienia.

Rys. 6.2.5.10. Przeponowy zawór redukcyjny.

1 – wkręt redukcyjny,  2 – sprężyna,  3 – przepona, 

...