CC BY
13
УДК 681.533
1 2 3 ©
Жежера Н.И. , Макаренко В.С. , Кирюшин В.С.
1 2 3
Профессор, доктор технических наук; ' магистрант.
Оренбургский государственный университет
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ КЛАПАНОВ
Аннотация
Разработан гидромеханический вибратор для физического моделирования работы в жидкости сопряжений затвор - седло клапанов гидравлических систем. Исследованиями установлено, что основной причиной потери герметичности клапана является гидроэрозионный износ затвора клапана и его седла при работе в жидкости. На гидроэрозионный износ затвора клапана и седла накладывается механический износ от ударов затвора клапана о седло при работе в реальных условиях. Исследованиями также установлено, что вогнутость или выпуклость поверхности фаски седла существенно уменьшает гидроэрозионный износ сопряжения затвор - седло клапанов гидравлических систем.
Ключевые слова: гидромеханический вибратор; физическое моделирование; жидкость; гидравлическая система; клапан; сопряжение затвор - седло; износ; профилограмма; выпуклость; вогнутость.
Keywords: hydro-mechanical vibrator; physical modeling; fluid; hydraulic system; valve; coupling gate - saddle; wear; depth of roughness; convexity; concavity.
В гидравлических системах автоматизации и управления станков, роботов и экскаваторов широко используются клапанные устройства. Клапанное устройство (рисунок 1) предназначено для защиты гидравлической системы от повышения давления выше заданного значения, а также для перепуска рабочей жидкости в сливные полости гидросистемы, когда гидросистема разгружена полностью.
Клапанное устройство содержит перепускной и предохранительный клапаны. В перепускной клапан входят седло 2, затвор 1 перепускного клапана с поршнем 3, пружина 4, направляющая втулка 6 и крышка клапана 7. В поршне 3 затвора перепускного клапана выполнено отверстие d4, Для управления затвором клапана 1 с помощью внешнего гидрораспределителя выполнен канал 5. Управление затвором 1 перепускного клапана проводится также предохранительным клапаном. Предохранительный клапан состоит из седла 8, затвора 9 предохранительного клапана, держателя 10 затвора клапана, пружины 11 и регулировочного винта 12.
Давление жидкости подводится к перепускному клапану в камеру А (рисунок 1), а отвод жидкости от обоих клапанов проводится в сливную полость внешнего гидрораспределителя по каналу 13.
Работает клапанное устройство следующим образом. При увеличении давления жидкости в камере А выше заданного значения первым открывается затвор 9 предохранительного клапана, а затем, в результате возникающей разности давлений на дроссельном отверстии d4 поршня, открывается затвор перепускного клапана 1 и рабочая жидкость отводится в сливную полость.
При уменьшении давления в гидравлической системе затворы 9 предохранительного клапана и перепускного клапана 1 закрываются. Когда золотники гидрораспределителя автоматически или вручную переводятся в нейтральное положение, тогда канал 5 соединяется со сливной полостью 13, затвор 1 клапана открывается и перепускает рабочую жидкость на слив.
© Жежера Н.И., Макаренко В.С., Кирюшин В.С., 2016 г.
Рис. 1. Клапанное устройство гидравлических систем автоматизации и управления
При перекрытии золотником канала управления 5 затвор 1 перепускного клапана закрывается и прижимается к седлу пружиной 4 и силой от давления жидкости. Таким образом, предохранительный клапан работает только при повышении давления в гидросистеме выше заданного, а перепускной клапан срабатывает при предохранении гидросистемы от давления выше заданного и при переключении золотника гидрораспределителя из рабочего положения в нейтральное положение или наоборот.
Исследованиями перепускных и предохранительных клапанов установлено, что нестационарное течение жидкости существенно влияет на износ деталей сопряжения затвор - седло. Использование методики определения износа с помощью относительного износа позволило экспериментально подтвердить теоретическое положение о том, что гидроэрозионный износ имеет существенное значение при длине сопряжения затвор -седло, превышающей 0,20 - 0,30 мм.
Разрушение деталей при гидроэрозионном износе начинается обычно с потемнения их поверхностей и изменения микрорельефа. Затем степень шероховатости увеличивается, на поверхности появляются отдельные углубления, образуя глубокие очаги разрушения в виде питингов, язвин и трещин.
Однако такой механизм разрушения поверхностей происходит при воздействии на них жидкости. Детали клапанов подвергаются износу не только от действия жидкости, но
также и от ударов затвора о седло. В результате большого количества ударов затвора о седло происходит образование нового микрорельефа и пластическое деформирование.
Микрорельеф от гидроэрозионного износа как бы уходит на второй план. Исходя из этого явления, для проверки возникновения гидроэрозионного износа деталей сопряжений затвор - седло проведено физическое моделирование воздействия рабочей жидкости на детали сопряжения затвор - седло. Исследования проводились двумя способами. В первом случае исследования проводились на стенде для испытания клапанов при работе предохранительного и перепускного клапанов в режиме перегрузки. При работе предохранительный клапан совершал колебания в жидкости. В результате этого на плоском затворе клапане появляются следы гидроэрозионного износа. Так как площадь соприкосновения клапана с седлом большая, то даже при ударах контактные давления незначительны и не изменяют картины износа.
Чтобы исключить влияние ударных нагрузок на детали сопряжения затвор - седло был разработан специальный гидромеханический вибратор, схема которого приведена на рисунке 2. Этот вибратор моделирует физические процессы работы затвора клапана при колебании в жидкости в условиях эксплуатации, но исключает удары его о седло. Гидромеханический вибратор (рисунок 2) содержит гидродвигатель 1 с штоком 4. Шток 4 совершает возвратно - поступательные перемещения. Через штуцер 2 от гидронасоса жидкость подводится к гидродвигателю под давлением Р1. От гидродвигателя 1 жидкость отводится через штуцер 3.
К гидродвигателю 1 крепится корпус вибратора 11 с помощью переходной втулки 5. В корпус вибратора 11 ввернут специальный винт 14 с каналом 13. Через канал 13 поступает жидкость от гидронасоса лабораторной установки. На винт 14 нанесены миллиметровая резьба и специальная шкала для тонкой установки хода. На винте 14 крепится образец 8 с помощью гайки 9. Образец 8 моделирует седло клапана. Затвор 7 клапана с плоской поверхностью закрепляется к штоку 4 гидродвигателя гайкой 6. Для фиксации винта 14 предназначена накидная гайка 10. После установки образца затвора 7 клапана и образца седла 8 в вибраторе создается между ними зазор, равный 0,1 мм. Если шток 4 гидродвигателя совершает колебания, тогда образец затвора клапана также перемещается возвратно - поступательно относительно образца седла 8. Через седло 8 непрерывно проходит жидкость при расходе Q1. При минимальном сближении образцов затвора клапана и седла давление жидкости поддерживалось равным 2,5 МПа.
На рисунке 3 (кривая 1) показана профилограмма поверхности плоского образца затвора клапана при работе с непосредственным соприкосновением затвора с седлом на каждом цикле колебания. Исследования на этом режиме на гидромеханическом вибраторе проводились в течение 10 часов при частоте колебаний вибратора, равной 10 Гц.
Рис. 2. Гидромеханический вибратор для исследования клапанов систем
автоматизации и управления
Как видно из этой профилограммы шероховатость поверхности в месте контакта (срединная часть профилограммы) затвора клапана с седлом значительно выше нежели вне сопряжения.
Профилограмма 2 на рисунке 3 получена для режима, когда плоский затвор клапана не соприкасался при колебаниях гидромеханического вибратора с седлом. На образцы затвора клапана и седла в этом случае оказывала действие только протекающая жидкость. Для одной пары образцов затвора клапана и седла исследования в этом режиме на гидромеханическом вибраторе проводились в течение 10 часов. За это время происходило 360 тысяч циклов срабатывания клапана.
Приведенная на рисунке 3 профилограмма 2 показывает, что шероховатость поверхности образца затвора клапана в зоне контакта затвор - жидкость - седло
значительно возросла (в средней части профилограммы) по сравнению с исходной шероховатостью поверхности образца затвора клапана (по краям профилограммы).
Я 1
< л/V , 2 г
и ^ \ мг
^7771 4
м Ш
Рис. 3. Профилограммы поверхности плоского образа затвора клапана (увеличение
вертикальное 50х, горизонтальное 20х)
На гидромеханическом вибраторе проводились также исследования образцов клапанов с выпуклой или вогнутой поверхностью образцов седел под действием жидкости без контактов образца клапана с седлом. Кривая 3 на рисунке 3 показывает изменение шероховатости поверхности плоского затвора клапана, который испытывался с вогнутой фаской образца седла, а кривая 4 - с выпуклой фаской образца седла. В обоих случаях шероховатость поверхности изменяется незначительно по сравнению с исходной и намного меньше, чем при плоских поверхностях деталей образцов затвора клапана и седла.
Таким образом, разработан гидромеханический вибратор для физического моделирования работы в жидкости сопряжений затвор - седло клапанов гидравлических систем. Исследованиями установлено, что основной причиной потери герметичности клапана является гидроэрозионный износ затвора клапана и его седла при их работе в жидкости. На гидроэрозионный износ затвора клапана и седла накладывается механический износ от ударов затвора клапана о седло при работе в реальных условиях. Исследованиями также установлено, что вогнутость или выпуклость поверхности фаски седла существенно уменьшает гидроэрозионный износ сопряжения затвор - седло клапанов гидравлических систем.
