CC BY
57
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
АВАРИЙНЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ОТСЕЧНЫЙ КЛАПАН ГИДРОПРИВОДОВ ЛЕСНЫХ МАШИН
А.И. ПАВЛОВ, проф. каф. транспортно-технологических машин МарГТУ, д-р техн. наук, С.Л. ВДОВИН, асп. каф. транспортно-технологических машин МарГТУ
Работоспособность элементов гидроприводов лесозаготовительных, сельскохозяйственных, строительных и других мобильных машин зависит от многочисленных факторов: давления, температуры и чистоты применяемой жидкости, климатических условий и т. д. Значительное влияние на функционирование гидроприводов оказывают величина и характер изменения нагрузки, качество изготовления и монтажа, а также скорость и частота срабатывания распределительной аппаратуры. Так, согласно исследованиям [1], в непосредственной близости от золотников гидрораспределителей давление может достигать 3-4-х кратной величины рабочего значения, что может привести к разрушению трубопроводов и уплотнений. Кроме того, нагрузка на оборудование зависит от квалификации оператора, характеристик предмета труда.
Совокупность перечисленных факторов обусловливает возникновение множества отказов гидропривода и его элементов, причем большинство из них приходится на гидрораспределители и рукава высокого давления (РВД), выход из строя которых составляет от 50 до 80 % всех отказов гидросистемы [2], [3]. Разрушение РВД и трубопроводов вызывает потери значительного количества рабочей жидкости. Так, при эксплуатации строительной техники средний объем потерь за месяц может составлять от 10 до 50 л на один порыв рукава, в зависимости от режима работы и типа машины [2]. В целом для отечественного парка гидрофицированной техники общие потери рабочей жидкости составляют 120-130 тыс. т в год [4]. Это явление приводит к увеличению времени простоев, дополнительным эксплуатационным и ремонтным затратам. В сельском и лесном хозяйствах утечки и выбросы жидкости создают опасность попадания масел в почву, грунтовые воды, на растительные покровы, из-за чего снижается урожайность, наносится ущерб окружающей среде [5].
[email protected]; [email protected]
Для предотвращения выбросов рабочей жидкости и снижения объемов потерь целесообразно применять автоматические отсечные клапаны, изолирующие поврежденную гидролинию от источника давления. В настоящее время существует множество запатентованных технических решений, большинство из которых можно разделить на два типа:
1) устройства, использующие для срабатывания перепад давлений на дросселе при движении через него потока жидкости, то есть ограничители расхода [1];
2) системы, контролирующие величину давления на определенном участке гидросистемы [5, 6].
Общим недостатком таких устройств является создание повышенного сопротивления, а также высокая вероятность ложных срабатываний при динамических нагрузках на гидроприводе.
Наиболее близкими к предлагаемой конструкции являются отсечные клапаны [6, 7] релейного действия, содержащие гидроуправляемый фиксатор и запорно-регулирующий элемент. Последний выходит из зацепления с фиксатором при превышении разностью давлений или расходов допустимого значения и перекрывает подачу жидкости в неисправную гидролинию. Недостаток этих решений заключается в возникновении гидравлического удара при срабатывании клапана, что может вызвать разрушение трубопроводов.
Целью данной работы является обоснование технического решения защитного устройства, позволяющего снизить объемы потерь рабочей жидкости при разрывах рукавов высокого давления в условиях изменяющихся параметров потока жидкости.
Предлагаемое защитное устройство позволяет уменьшить пики давления при отсечении неисправной гидролинии, а также устранить ложные срабатывания при изменяющихся давлении и расходе.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009
103
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рисунок. Схема аварийного отсечного клапана: 1 - отключающий узел; 2, 3, 4, 5, 6, 19, 20, 21, 22 - каналы; 7, 8, 9, 23, 24 - полости; 10 - контролируемая гидролиния; 11 - плунжер; 12 - проточка; 13, 25 - поршни; 14, 16, 27, 28 - шток; 15, 26 - кольцевая щель; 17, 29 - контрольные полости; 18 - датчик расхода; 30 - линия обратной связи; 31, 33 - пружины; 32 - ограничитель обратного хода; 34 - регулятор перепада давлений; 35 - переменный дроссель; 36 - сливной канал; 37 - сливная линия
Аварийный отсечный клапан (рисунок) содержит отключающий узел 1, в корпусе которого выполнены соответствующие каналы (2-6) и полости (7-9). Полость 7 сообщается с контролируемой гидролинией 10. В корпусе узла 1 размещен плунжер 11, снабженный проточкой 12. Полости 8 и 9 разделены поршнем 13 со штоком 14, входящим в зацепление с плунжером 11 для фиксации последнего от перемещений при исправном гидроприводе, и сообщаются между собой посредством кольцевой щели 15. Под штоком 16 поршня 13 находится первая контрольная полость 17 переменного объема. Для определения разности расходов на двух участках гидролинии клапан снабжен датчиком расхода 18, содержащим каналы 19-22, один из которых (19) соединен с контролируемой гидролинией 10, и полости 23 и 24. Поршень 25 разделяет полости 23 и 24, которые сообщаются между собой кольцевой щелью 26, и снабжен штоками 27 и 28. Под штоком 28 расположена вторая контрольная полость 29, соединенная с полостью 17 с помощью линии обратной связи 30.
Для настройки времени перемещения плунжера 11, а также для его возврата в исходное положение служит регулируемая возвратная пружина 31. Ограничитель обратного хода 32 обеспечивает настройку исходного положения плунжера 11 для его гарантированного вхождения в зацепление со штоком 14. Регулируемая пружина 33 предназначена для перемещения поршней 13 и 25 в начальную позицию. Кроме того, указанная пружина позволяет осуществлять изменение чувствительности отсечного клапана в зависимости от допустимой величины утечек жидкости. Предварительную настройку времени срабатывания, согласование гидравлических сопротивлений каналов 2-6 и 19-22 производят изменением сечений регулятора перепада давлений 34 и переменного дросселя 35. Сливной канал 36 и сливная линия 37 служит для отвода жидкости в гидробак при срабатывании отсечного клапана.
Аварийный отсечный клапан работает следующим образом. Рабочая жидкость от источника давления (на рисунке не показан) подается на вход отключающего узла 1, при
104
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2009
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
этом часть потока проходит через каналы 2 и 3 и регулятор перепада давлений 34 в полость 7 и далее в гидролинию 10. Другая часть потока по каналам 4 и 5 направляется в полость 8, откуда попадает в полость 9 через кольцевую щель 15. Из полости 9 жидкость по каналу 6 проходит в полость 7. Из гидролинии 10 поток жидкости подводится к датчику расхода 18. Часть жидкости по каналам 19 и 22 и дроссель 35 поступает к потребителю. Поток жидкости также проходит через канал 20 в полость 23 и далее через кольцевую щель 26 - в полость 24. Из полости 24 жидкость выходит по каналу 21 и затем соединяется с потоком в канале 22. В исправной гидросистеме величины расхода жидкости на начальном и конечном участках гидролинии 10 практически равны между собой. Перепад давлений в полостях 8 и 9 также равен перепаду давлений в полостях 23 и 24. Силы, действующие на поршни 13 и 25, взаимно уравновешены благодаря наличию линии обратной связи 30, соединенной с полостями 17 и 29. Плунжер 11 находится в зацеплении со штоком 14 поршня 13 и зафиксирован от перемещения. При разгерметизации гидролинии 10 нарушается баланс расходов на ее начальном и конечном участках. Скорость потока жидкости в каналах 2 - 6, а также в регуляторе 34 и кольцевой щели 15 повышается. Одновременно происходит значительное снижение расхода или полное прекращение течения жидкости через каналы 19 - 22, дроссель 35 и щель 26. Давление в контрольных полостях 17 и 29 снижается практически до атмосферного. Поршень 13 смещается вниз, выводя шток 14 из зацепления с плунжером 11 и разобщая полость 9 с каналом 6. За счет этого весь поток жидкости направляется через регулятор 34, благодаря чему повышается перепад давлений, действующих на плунжер 11. Одновременно поршень 25 под действием сил давления жидкости, вытесняемой из полости 17 по линии обратной связи 30 в полость 29, перемещается вверх, сжимая регулируемую пружину 33. При этом жидкость перетекает из полости 23 в полость 24 через кольцевую щель 26 и дроссель 35. Плунжер 11 под действием перепада давлений на регуляторе 34 перемещается вправо, отсекая аварийную гидролинию 10 от
источника питания и одновременно соединяя канал 36 посредством проточки 12 со сливной линией 37. После прекращения подачи жидкости от источника в отключающий узел 1 выравниваются давления в полостях 8 и 9, а также в каналах 3 и 4. Плунжер 11 возвратной пружиной 31 перемещается влево до упора в ограничитель 32. Поршни 13 и 25 под действием регулируемой пружины 33 также возвращаются в исходную позицию, а шток 14 входит в зацепление с плунжером 11.
Для исключения ложного срабатывания отсечного клапана (при кратковременном нарушении баланса расходов на начальном и конечном участках гидролинии 10, например из-за влияния податливости РВД) время перемещения поршней 13 и 25 ограничивается за счет подбора сопротивления линии обратной связи 30.
Результаты теоретических исследований показали, что время срабатывания устройства при номинальной величине расхода 63 л/мин составляет 0,038 с. Потери рабочей среды при этом равны 0,04 л (без учета объема жидкости, находящейся в гидролинии). При установке отсечного клапана в гидросистеме потери напора не превышают 0,63 МПа, что в достаточной степени соответствует характеристикам типовой гидроаппаратуры.
Основные выводы
1. Разработанные в настоящее время технические решения не обеспечивают в достаточной мере сохранность рабочей жидкости при разгерметизации гидроприводов. Кроме того, существующие конструкции создают повышенное сопротивление потоку жидкости и не способны устойчиво функционировать в условиях переходных процессов, происходящих в гидросистемах.
2. Предложенная конструкция аварийного отсечного клапана позволяет сократить потери рабочей жидкости при разрушении рукавов высокого давления, а также исключить ложные срабатывания в момент возникновения переходных процессов.
3. Предварительное перекрытие возвратного канала с помощью поршня обеспечивает более эффективное использование энергии потока жидкости, что снижает суммарное
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 3/2009
105
