Гидрозамок

 

Использование: в гидрофицированных подъемных механизмах. Сущность изобретения: корпус с выходным и входным отверстиями и запорный клапан образуют подклапанную полость, сообщенную с входным отверстием, и подклапанную полость, сообщенную через канал с выходным отверстием. В запорном клапане размещен разгрузочный клапан. В запорном клапане выполнено отверстие, соединяющее подклапанную полость с надклапанной при открытом положении разгрузочного клапана. Внутри корпуса установлены управляющий поршень с штоком и перегородка. Суммарная площадь поперечного сечения отверстий в запорном клапане меньше площади поперечного сечения канала и выбрана из заданного соотношения. 1 ил.

Предлагаемое устройство относится к машиностроению, а именно к гидравлическим приводам, и предназначено для использования в гидрофицированных подъемных механизмах, применяемых в промышленности, строительстве и на транспорте.

Известен трехлинейный односторонний гидрозамок (например, типа КУ, исполнение 4), содержащий корпус с выходным и входным отверстиями, запорный клапан, образующий подклапанную полость, сообщенную со входным отверстием, и надклапанную полость, сообщенную каналом с выходным отверстием, управляющий поршень со штоком. К числу недостатков такого устройства относится высокое давление открытия, соизмеримое с рабочим давлением привода, что обусловливает повышение стоимости, рост энергозатрат и увеличение массогабаритных характеристик привода.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является четырехлинейный односторонний гидрозамок. Такой гидрозамок содержит корпус с выходным и входным отверстиями, запорный клапан, образующий подклапанную полость, сообщенную со входным отверстием, и надклапанную полость, сообщенную каналом с выходным отверстием, размещенный в запорном клапане разгрузочный клапан (декомпрессор), управляющий поршень со штоком и внутреннюю перегородку, охватывающую шток с образованием между ней и поршнем дополнительной полости. В запорном клапане выполнены отверстия, соединяющие подклапанную полость с надклапанной при открытом положении разгрузочного клапана.

Отличительной особенностью известных четырехлинейных гидрозамков с декомпрессором является выполнение в канале, сообщающем надклапанную полость с выходным отверстием, дроссельной щели, причем площадь отверстий, соединяющих подклапанную полость с надклапанной, назначается на порядок больше площади дроссельной щели. С учетом такой особенности при подъеме разгрузочного клапана с помощью штока (под действием управляющего давления, действующего через поршень на шток) в надклапанной и подклапанной полостях гидрозамка сразу устанавливается одинаковое давление, запорный клапан разгружается от действия рабочего давления и при дальнейшем перемещении штока "сплывает", сообщая напрямую выходное отверстие, связанное с исполнительным гидродвигателем (гидроцилиндром), с подклапанной полостью, соединенной с напорной магистралью привода, в которой установлен основной дроссель. Гидроцилиндр под действием внешней нагрузки опускается со скоростью, определяемой настройкой основного дросселя. Величина управляющего давления рассчитывается из условия обеспечения подъема разгрузочного клапана, преодолевающего силу сопротивления, определяемую главным образом рабочим давлением в надклапанной полости и площадью седла разгрузочного клапана. При последующем подъеме запорного клапана управляющее давление снижается и определяется лишь усилием сжатия слабых пружин гидрозамка, а также силами трения его движущихся деталей.

Величина управляющего давления для известного четырехлинейного гидрозамка с декомпрессором типа КУ в ≈ 10 раз меньше рабочего давления.

Недостатком известного гидрозамка является невозможность предотвращения падения объекта при подаче команды на его опускание и подаче управляющего давления к поршню гидрозамка в тех случаях, когда основной дроссель гидросистемы, установленный в напорной магистрали, находится в открытом положении (вследствие ошибочных действий оператора) или когда перед началом опускания произошло нарушение целостности (разрушение) напорной магистрали.

Во многих гидросистемах параллельно основному дросселю устанавливают отсечной (сливной) распределитель, необходимый для быстрого опускания исполнительного цилиндра вхолостую. Указанный распределитель в процессе эксплуатации из-за наличия загрязнений рабочей жидкости может оказаться защемленным в открытой позиции. В этом случае при подаче управляющего давления к поршню известного гидрозамка (для выполнения операции опускания цилиндра под нагрузкой) также будет иметь место падение объекта в пределах хода цилиндра.

Задачей, решаемой в заявляемом изобретении, является предотвращение падения объекта при отсутствии сопротивления в напорной магистрали: при нахождении основного дросселя гидросистемы в открытом положении, разрушении этой магистрали или защемлении сливного распределителя в открытой позиции.

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в гидрозамке, содержащем корпус с выходным и входным отверстиями и запорный клапан, образующие подклапанную полость, сообщенную со входным отверстием, и надклапанную полость, сообщенную через канал с выходным отверстием, размещенный в запорном клапане разгрузочный клапан, причем в запорном клапане выполнено по крайней мере одно отверстие, соединяющее подклапанную полость с надклапанной при открытом положении разгрузочного клапана, а внутри корпуса установлены управляющий поршень со штоком и перегородка, охватывающая шток, суммарная площадь поперечного сечения отверстий в запорном клапане меньше площади поперечного сечения канала и выбрана из соотношения S = где S - суммарная площадь поперечного сечения отверстий в запорном клапане; Q - расход рабочей жидкости через отверстия в запорном клапане при перемещении объекта управления с заданной скоростью; μ - коэффициент расхода; Р - давление в надклапанной полости при перемещении объекта управления; ρ - плотность рабочей жидкости.

Предлагаемый гидрозамок предназначен для выполнения не только традиционной функции (свободного пропускания расхода рабочей жидкости в одном направлении и возможности ее прохода в обратном направлении только при полном открытии запорного клапана под действием управляющего давления), но и дополнительной функции: ограничения расхода рабочей жидкости в обратном направлении в случае отсутствия сопротивления в напорной магистрали, соединенной со входным отверстием и подклапанной полостью гидрозамка.

В предлагаемом гидрозамке с выполненными в запорном клапане дроссельными отверстиями, соединяющими подклапанную полость с надклапанной при открытом положении декомпрессора, подъем запорного клапана (после подъема декомпрессора) осуществляется только под действием суммы двух сил: усилия штока и силы от давления подпора в подклапанной полости. Это давление образуется при дросселировании потока, проходящего из подклапанной полости гидрозамка в напорную магистраль, с помощью основного дросселя гидросистемы. Если основной дроссель открыт полностью или произошло нарушение целостности напорной магистрали, то давление подпора отсутствует и одного усилия штока недостаточно для подъема запорного клапана. В этом случае величина расхода рабочей жидкости, вытесняемого из опускающегося груженного гидроцилиндра через гидрозамок в бак (или в атмосферу), ограничивается с помощью дроссельных отверстий гидрозамка, соединяющих его подклапанную полость с надклапанной при открытом положении декомпрессора.

К числу достоинств предлагаемого гидрозамка следует отнести также то, что при его использовании представляется возможным исключить из состава гидросистемы основной дроссель, установленный в напорной магистрали, и отсечной (сливной) распределитель, что уменьшает стоимость гидросистемы и ее массогабаритные характеристики. При этом скорость опускания груженого цилиндра определяется главным образом весом груза и площадью дроссельных отверстий гидрозамка, а скорость опускания цилиндра вхолостую - производительностью источника питания.

На чертеже представлена конструктивная схема гидрозамка с гидросистемой.

Гидрозамок содержит корпус 1, в верхней части которого расположен запорный клапан 2, образующий подклапанную полость А, сообщенную со входным отверстием 3, и надклапанную полость В, сообщенную через канал 4 с выходным отверстием 5. В запорном клапане 2 размещен разгрузочный клапан (декомпрессор) 6. Клапаны 2 и 6 прижаты к своим седлам пружиной 7.

В запорном клапане 2 выполнено дроссельное отверстие 8, соединяющее подклапанную полость А с надклапанной В при открытом положении разгрузочного клапана 6. Площадь поперечного сечения канала 4 на порядок больше площади дроссельного отверстия 8.

В нижней части корпуса 1 размещены управляющий поршень 9 со штоком 10 и перегородка 11, охватывающая шток 10 с образованием между ней и поршнем 9 дополнительной полости С, сообщенной с баком. С помощью пружины 12 поршень 9 и шток 10 удерживаются в исходном нижнем положении. Управляющая полость Д образована рабочей поверхностью поршня 9 и корпусом 1.

Выходное отверстие 5 гидрозамка связано с поршневой полостью исполнительного гидроцилиндра 13, воспринимающего полезный груз 14, а входное отверстие 3 гидрозамка через напорную магистраль 15 и выходной канал реверсивного распределителя 16 соединено с насосом 17 и баком. Другой выходной канал этого распределителя соединен со штоковой полостью цилиндра 13, с предохранительно-переливным клапаном 18 и с управляющей полостью Д. В напорной магистрали 15 установлен основной дроссель 19 с обратным клапаном, необходимые соответственно для ограничения скорости опускания груженного цилиндра 13 (при штатных условиях) и для свободного пропускания масла к этому цилиндру при его подъеме. Сливной распределитель 20 необходим для обеспечения быстрого опускания цилиндра 13 вхолостую. В состав гидросистемы входят также фильтры и предохранительный клапан насоса 17, не представленные на чертеже.

Заявляемый гидрозамок при опускании груза 14 работает следующим образом. В исходном состоянии все распределители и элементы гидрозамка занимают положение, как показано на чертеже. Давление в надклапанной полости В равно рабочему давлению, соответствующему весу груза 14. При переключении реверсивного распределителя 16 в нижнюю (левую) позицию масло от насоса 17 поступает в управляющую полость Д гидрозамка и его поршень 9 со штоком 10 перемещаются вверх, поднимая разгрузочный клапан 6. Под действием перепада давления на дроссельной щели 8 начинается истечение масла из поршневой полости груженого цилиндра 13 в подклапанную полость А и в связанную с ней напорную магистраль 15. Благодаря наличию в данной магистрали основного дросселя 19 давление в полости А повышается. При этом на нижнюю поверхность запорного клапана 2 начинает действовать как усилие штока 10, так и усилие от давления подпора в полости А. Указанное суммарное усилие превышает усилие от рабочего давления в надклапанной полости В и запорный клапан 2 поднимается, сообщая напрямую поршневую полость цилиндра 13 с основным дросселем 19. Цилиндр 13 перемещается вниз со штатной скоростью, определяемой весом груза 14 и площадью рабочей щели основного дросселя 19. Заполнение штоковой полости цилиндра 13 осуществляется через включенный реверсивный распределитель 16 от насоса 17. Избыток производительности этого насоса через клапан 18 переливается в бак. Давление, развиваемое насосом 17 в процессе опускания, определяется давлением настройки клапана 18. После перевода реверсивного распределителя 16 в среднюю позицию давление в полости управления Д снижается и поршень 9, шток 10 и запорный клапан 2 под действием своих пружин 12 и 7 возвращаются в исходное положение. Гидрозамок закрывается и груженый цилиндр 13 останавливается.

Если перед началом выполнения операции опускания груза 14 основной дроссель 19 гидросистемы открыт полностью (вследствие ошибочных действий оператора), или сливной распределитель 20 при выполнении предыдущих операций оказался защемленным в открытой позиции (из-за загрязнения рабочей жидкости), или произошло разрушение напорной магистрали 15 (вследствие, например, падения тяжелых предметов), то работа гидрозамка при получении команды на опускание груза 14 происходит следующим образом. При переключении реверсивного распределителя 16 в нижнюю позицию масло от насоса 17 поступает в управляющую полость Д гидрозамка и поршень 9 со штоком 10 перемещаются вверх до упора штока 10 в неподвижный запорный клапан 2. Разгрузочный клапан 6 при этом поднимается и сообщает поршневую полость груженого цилиндра 13 через канал 4, надклапанную полость В и дроссельное отверстие 8 с подклапанной полостью А, связанной через открытый сливной распределитель 20 (или открытый основной дроссель 19) и реверсивный распределитель 16 с баком. При этом одного усилия штока 10 недостаточно для подъема запорного клапана 2, прижатого к своему седлу рабочим давлением в надклапанной полости В. Груз 14 опускается с безопасной скоростью, вытесняя масло из цилиндра 13 через дроссельное отверстие 8 в бак. Скорость опускания определяется весом груза 14 и площадью дроссельного отверстия 8. Для случая разрушения напорной магистрали 15 масло из опускающегося цилиндра 13 вытесняется через дроссельное отверстие 8 в атмосферу.

В то же время выполнение операции опускания груза 14 с помощью известного гидрозамка приводит, при открытом основном дросселе (или при заклинивании сливного распределителя в открытой позиции, или при разрушении напорной магистрали), к практически свободному падению груза в пределах хода исполнительного цилиндра, поскольку после открытия гидрозамка поршневая полость груженого цилиндра соединяется с баком или атмосферной напрямую.

Таким образом, использование предлагаемого гидрозамка по сравнению с известным гидрозамком позволяет повысить надежность опускания груза путем исключения возможности его падения в случае отсутствия сопротивления в напорной магистрали.

В качестве численного примера рассмотрим условия работы предлагаемого устройства как для варианта аварийной ситуации, так и для штатного варианта опускания и определим параметры гидрозамка, а также давление настройки связанного с ним предохранительно-переливного клапана.

Исходные данные: Диаметр управляющего поршня 9 d_п= 100 мм. Площадь управляющего поршня 9 S_п= 78/5·10² мм². Диаметр седла запорного клапана 2 d_к= 60 мм. Площадь седла запорного клапана 2 S_к= 28/2·10² мм². Рабочее давление p= 15 МПа. Штатная скорость опускания v= 30 мм/с. Площадь рабочей щели основного дросселя S_др= 34/4 мм². Диаметр поршня цилиндра D = 400 мм. Площадь поршня цилиндра S_ц= 12/5·10⁴ мм². Заданная (максимально допустимая) скорость опускания в аварийной ситуации v_max= 50 мм/с. Коэффициент расхода μ = 0/6. Плотность масла ρ = 900 кг/м³.

Давление в сливных магистралях отсутствует.

Управляющее давление Ру в камере D гидрозамка ограничено давлением настройки Ркп клапана 18.

Усилием пружин 7 и 12, силами трения в гидрозамке, а также гидравлическими потерями в канале 4 вследствие их малости пренебрегаем.

Величина Sдр=34,4 мм2 определена из условия опускания груза со штатной скоростью при полностью открытом гидрозамке.

Площадь S поперечного сечения дроссельного отверстия 8 рассчитывается по уравнению расхода через дроссельную щель V_max·S_ц= μ·S После соответствующих вычислений получим S=57,3 мм².

В случае отсутствия сопротивления в напорной магистрали 15 подъем запорного клапана 2 гидрозамка при подаче управляющего давления в его полость D исключается, если соблюдается условие Р_у˙S_п < Р˙S_к, откуда
P_y<P_y^ax=P = 5.4 МПа где Р_y^mах - верхнее предельное значение давления в управляющей полости D.

С другой стороны, для штатного варианта опускания должно соблюдаться условие подъема запорного клапана
Р_у˙S_п+Р_о˙S_к > р˙S_к, откуда
P_y>P^m_yⁱⁿ= (P-P_o)· где Р_у^min - нижнее предельное значение давления в управляющей полости D;
Р_о - давление в подклапанной полости А, создаваемое основным дросселем 19.

Давление Р_о можно определить из уравнения расхода для последовательно расположенных дросселей 19 и 8
μ·S=μ·S) откуда
P_o= = 11 МПа Следовательно
P_y>P^m_yⁱⁿ=(P-P_o)· = 1.44 МПа
Поскольку давление Р_у^min должно быть достаточным для подъема разгрузочного клапана 6, необходимо также выдержать условие
P_y>P^m_yⁱⁿ=P· где S_p.k. - площадь седла разгрузочного клапана.

Если диаметр седла этого клапана принять равным 25 мм, то
P_y>P^m_yⁱⁿ=P· = 0.94 МПа
Из двух значений р_у^min выбираем наибольшее.

Диапазон давлений настройки предохранительно-переливного клапана 18 должен находиться в пределах
1,44 МПа < Ркп < 5,4 МПа.

Таким образом, при соблюдении требований приведенного расчета обеспечивается как опускание объекта со штатной скоростью при нормальных условиях, так и опускание объекта с заданной (максимально допустимой) скоростью в случае отсутствия сопротивления в напорной магистрали гидросистемы.

Наличие в гидросистеме основного дросселя 19 позволяет регулировать в определенных пределах величину штатной скорости опускания объекта. Если указанное регулирование не требуется, то при использовании заявляемого гидрозамка можно исключить из состава гидросистемы основной дроссель 19 и сливной распределитель 20, что уменьшает стоимость и массогабаритные характеристики гидросистемы. При этом площадь дроссельного отверстия 8 гидрозамка определяется величиной штатной скорости опускания объекта.

При наличии в гидросистеме основного дросселя 19 и сливного распределителя 20 операция быстрого опускания цилиндра 13 вхолостую производится путем переключения реверсивного распределителя 16 в нижнюю позицию, а сливного распределителя 20 - в правую. Гидрозамок открывается полностью и цилиндр 13 перемещается вниз со скоростью, пропорциональной производительности насоса 17. Давление, развиваемое этим насосом на данной операции, невелико и определяется гидромеханическими потерями в цилиндре 13 и гидравлическими потерями в гидрозамке, в напорной магистрали 15 и в сливном распределителе 20. Однако этого давления достаточно для сжатия слабых пружин 7 и 12 гидрозамка и удержания его в открытом положении.

Подъем цилиндра 13 производится при переключении реверсивного распределителя 16 в верхнюю позицию.

Формула изобретения

ГИДРОЗАМОК, содержащий корпус с выходным и входным отверстиями и запорный клапан, образующие подклапанную полость, сообщенную с входным отверстием, и надклапанную полость, сообщенную через канал с выходным отверстием, размещенный в запорном клапане разгрузочный клапан, причем в запорном клапане выполнено по крайней мере одно отверстие, соединяющее подклапанную полость с надклапанной при открытом положении разгрузочного клапана, а в корпусе установлены управляющий поршень со штоком и перегородка, охватывающая шток, отличающийся тем, что суммарная площадь S поперечного сечения отверстий в запорном клапане меньше площади поперечного сечения клапана и выбрана из соотношения
S = ,
где Q - расход рабочей жидкости через отверстия в запорном клапане при перемещении объекта управления с заданной скоростью;
μ - коэффициент расхода;
P - давление в надклапанной полости при перемещении объекта управления;
ρ - плотность рабочей жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1