CC BY
45
УДК 681.5:620.165
Жежера Н. И.©
Профессор, доктор технических наук Оренбургский государственный университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСА И ГЕРМЕТИЧНОСТИ
СОПРЯЖЕНИЙ ЗАТВОР-СЕДЛО ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ И ПЕРЕПУСКНЫХ КЛАПАНОВ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Аннотация
Проведены исследования износа и герметичности сопряжений затвор-седло предохранительных и перепускных клапанов гидравлических систем в режимах переключения, перегрузки и при совмещении режимов переключения и перегрузки. Установлено, что основной причиной снижения герметичности сопряжений затвор-седло предохранительных и перепускных клапанов в процессе эксплуатации является гидроэрозионный износ деталей сопряжений затвор-седло в режиме перегрузки и при совмещении режимов перегрузки и переключения.
Ключевые слова: гидравлическая система, клапан, сопряжение затвор-седло, износ, герметичность, утечки рабочей жидкости.
Keywords: hydraulic system, valve, coupling bolt-saddle, wear, tightness, fluid leak.
Клапанное устройство, схема которого приведена на рисунке 1, широко используется в гидравлических системах автоматизации и управления станков, роботов, экскаваторов, бульдозеров и в навесных гидравлических системах тракторов сель скохозяйственного назначения.
©Жежера Н. И., 2012 г.
Рис. 1. Клапанное устройство гидравлических систем автоматизации и управления: а) перепускной клапан: 1 - затвор, 2 - седло, 3 - поршень, 4 -пружина, 5 - канал, соединяющий камеру В с внешним гидравлическим распределителем, 6 - направляющая втулка, 7 - крышка перепускного клапана, 13 - канал, по которому отводится рабочая жидкость в сливной трубопровод, 14 - корпус клапанного устройства; б) предохранительный клапан: 8 - седло, 9 - затвор, 10 - держатель затвора, 11 - пружина, 12 - регулировочный винт
Оно содержит перепускной и предохранительный клапаны. В перепускной клапан входят затвор 1 с поршнем 3, седло 2, пружина 4, направляющая втулка 6 и крышка клапана 7. В поршне 3 затвора выполнено дроссельное отверстие ё4. Для управления затвором 1 с помощью золотников гидрораспределителей выполнен канал 5. Управление перепускным клапаном производится также предохранительным клапаном.
Предохранительный клапан состоит из седла 8, затвора 9, удерживаемого направляющей 10, пружины 11 и регулировочного винта 12. Давление рабочей жидкости от гидравлической системы подводится к перепускному клапану в камеру А (рисунок 1), а отвод жидкости от обоих клапанов производится в сливной трубопровод по каналу 13.
Клапанное устройство предназначено для предохранения гидравлической системы от повышения давления выше установленного, когда гидросистема работает под рабочим давлением, а также для перепуска рабочей жидкости в сливные полости гидросистемы, когда гидросистема полностью разгружена (по давлению) золотником гидрораспределителя, подключенного к каналу 5.
При увеличении давления в камере А выше установленного (рабочего) вначале открывается предохранительный клапан, а затем, в результате перепада давления на дроссельном отверстии ^4 поршня, открывается затвор 1 перепускного клапана и рабочая жидкость дросселируется в сливную полость [2, 90]. При уменьшении давления в гидравлической системе ниже рабочего значения предохранительный клапан 9 и перепускной клапан 1 закрываются.
Таким образом, предохранительный клапан работает только при повышении давления в гидросистеме выше рабочего, а перепускной клапан срабатывает при превышении давления выше рабочего в гидросистеме и при переключении золотников гидрораспределителя из рабочего положения в нейтральное или наоборот.
На основании этого в работе предохранительного и перепускного клапанов гидравлических систем автоматизации и управления можно выделить режимы работы. Для перепускного клапана выделены режим переключения и режим перегрузки, а для предохранительного клапана - автоколебательный режим (режим «треска») и режим обычного предохранения.
Гидравлическая схема лабораторной установки для исследования износа и герметичности перепускных и предохранительных клапанов приведена на рисунке 2. Установка позволяет имитировать реальные условия работы предохранительных и перепускных клапанов гидравлических систем и составлять различные гидравлические схемы для исследования клапанов.
Гидравлическая схема установки (рисунок 2) содержит гидронасос 3 с электродвигателем 2, специальные блоки для установки перепускных и предохранительных клапанов 6 и 7, электрогидравлический золотниковый распределитель 8, который включаются и выключаются по заданной программе от программного устройства, фильтр 9 и охладитель 10 с автоматическим регулированием температуры.
Плавное увеличение давления в гидравлической системе установки до рабочего значения производится с помощью дросселя 4-1, совместно с которым установлен предохранительный клапан 4-2, предохраняющий от аварийного повышения давления и поломок установки.
Предохранительный клапан 6-3, аналогичный клапану 6-2, настраивается совместно с перепускным клапаном 6-1 и подключается только при определении утечек рабочей жидкости через сопряжения перепускного клапана после определенного числа срабатываний [7, 64]. Этим исключается влияние изменения настройки клапана 6-2 от его износа на работу перепускного клапана. Клапан 6-3 является как бы эталонным предохранительным клапаном для измерения утечек жидкости через перепускной клапан.
Работа установки - циклическая. Длительность цикла может изменяться от 2 до 60 с. Электрическая схема установки содержит средства управле-
ния электродвигателем гидронасоса и гидравлическим гидрораспределителем с электромагнитными приводами, средства учета количества срабатываний клапанов, времени работы установки под нагрузкой, времени измерения утечек рабочей жидкости, а также устройства, выключающие установку
6-4 б
Рис. 2. Гидравлическая схема лабораторной установки для экспериментальных исследований износа и герметичности предохранительных и перепускных клапанов: 1 - бак рабочей жидкости; 2 - электродвигатель; 3 -гидронасос; 4 - блок гидравлический: 4 - 1 - дроссель; 4 - 2 - предохранительный клапан; 5 - манометр; 6, 7 - специальный блок: 6-1, 7-1 перепускной клапан, 6-2, 6-3, 7-2 - предохранительный клапан, 6-4, 7-3 - дроссель в поршне затвора перепускного клапана; 8 - электрогидравлический распределитель; 9 - фильтр; 10 - охладитель; 11 - 19 - трубопроводы
при разрыве рукавов высокого давления, появлении утечек рабочей жидкости, повышении температуры рабочей жидкости выше установленного предела, при перегрузке электродвигателя гидронасоса и изменении установленной длительности цикла работы установки.
Испытываемый перепускной клапан помещается в блок 6 и обозначен позицией 6-1. Клапанное устройство 7 имитирует работу клапанное устройство реальной гидравлической системы. Клапан 7-2 настраивается на давление, равное 10 МПа.
Отличие условий, в которых работают детали сопряжений на различных режимах состоит в том, что в режиме переключения перепускной клапан поднимается на относительно большую величину, равную 1,5 - 2,0 мм, и после нескольких (одного - двух ) колебаний находится в неподвижном состоянии, а в режиме перегрузки затвор поднимается на величину 0,15 - 0,20 мм и совершает периодические колебания [3, 146].
Если основным изнашивающим фактором является удар затвора перепускного клапана о седло, то износ деталей сопряжения затвор-седло будет в режиме переключения большим по величине, чем в режиме перегрузки. Если же жидкость оказывает существенное влияние на износ, тогда износ сопряжения затвор-седло в режиме перегрузки будет больше, чем износ этого сопряжения в режиме переключения.
Расход рабочей жидкости через гидравлическое сопряжение возрастает по мере изнашивания их деталей. Оценку износа деталей сопряжений предлагается вести по относительному износу деталей этого сопряжения пизн
О-ут.тек ч
Пизн =—------, (1)
б0
где бут тек - текущее значение утечек рабочей жидкости через гидравлическое сопряжение при рабочей разности давлений на этом сопряжении (например, при ДР=10 МПА), м3/с; б0 - начальное значение утечек рабочей
жидкости через гидравлическое сопряжение при рабочей разности давлений на этом сопряжении (например, при ДР=10 МПА), которое определяется как среднее арифметическое значение утечек для 16-24 новых клапанов, м/с; пизн - относительный износ деталей сопряжения при рабочей разности давлений (например, при ДР=10 МПА).
Исследование износа и герметичности сопряжения затвор-седло перепускного клапана в режиме переключения. В процессе экспериментальных исследований перепускного клапана в режиме переключения после определенного числа циклов его работы измерялись утечки жидкости через сопряжение затвор-седло (кривая 1 на рисунке 3) [4, 56].
Рис. 3. Изменение утечек рабочей жидкости (кривая 1) и относительного износа (кривая 2) сопряжения затвор-седло перепускного клапана в зависимости от числа циклов срабатывания клапана в режиме переключения
На рисунке 4 приведены профилограммы участков износа конуса затвора перепускного клапана и седла в процессе его изнашивания. По профилограммам можно заметить наплыв материала во внутрь и вверх седла, то есть по и против направления действия силы со стороны затвора при его посадке. Известно [8], что при деформации металла ударной нагрузкой в
его объеме образуются два конуса скольжения, Проникая в тело некоторого объема металла, эти конусы сближаются своими вершинами. Дойдя до соприкосновения, конусы начинают или разрушать друг друга, или двигаться, скользить один по другому.
Рис. 4. Профилограммы участков износа затвора и седла в зависимости от числа циклов срабатывания перепускного клапана в режиме переключения (вертикальное увеличение 50х, горизонтальное 20х)
Разрушение конусов более свойственно материалу, находящемуся в пластическом состоянии, а скольжение конусов - хрупким материалам. Молекулы металла, не входящие в конус скольжения, перемещаются в направлении перпендикулярном действующим силам, подчиняясь закону наименьшего сопротивления.
Из проофилограмм, которые приведены на рисунке 4 видно, что конусы скольжения при ударе разрушают друг друга, материал находится в пластическом состоянии, несмотря на то, что и затвор и седло изготовлены из
легированной стали ШХ-15 с последующей термообработкой до твердости ИЯС 58-63. Таким образом, материал седла и перепускного затвора при работе в режиме переключения вполне удовлетворяет в отношении стойкости против выкрашивания.
Проведенные исследования деталей сопряжения затвор-седло перепускного клапана до 500-600 тысяч срабатываний в режиме переключения показали, что значительного увеличения фаски седла и износной канавки на конусе не наблюдается. Ширина фаски седла перепускного клапана за 100 тысяч срабатываний не превышает 0,13 - 0,14 мм.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что режим переключения оказывает несущественное влияние как на износ сопряжения затвор-седло, так и увеличение утечек рабочей жидкости.
Исследование износа и герметичности сопряжения затвор-седло перепускного клапана в режиме перегрузки. В режиме перегрузки детали сопряжения затвор-седло перепускного клапана работают в условиях воздействия нестационарного течения рабочей жидкости под большим перепадом давлений, возвратно-поступательных движений клапана вокруг средней высоты подъема и ударных нагрузок, возникающих при посадке затвора на седло [5, 46].
На рисунке 5 отражено изменение утечек рабочей жидкости (кривые 1, 2) через сопряжение затвор-седло и относительного износа этого сопряжении (кривые 3, 4) в зависимости от числа циклов срабатывания перепускного клапана в режиме перегрузки.
Измерение утечек проводилось при давлениях 10 МПа (кривая 1) и 8 МПа (кривая 2). Кривые 1 и 2 после 70 тысяч срабатываний перепускного клапана имеют перегиб, после которого утечки нарастают значительно интенсивнее. Кривая 3 построена по утечкам, которые измерялись при давлении 10 МПа, а кривая 4 построена по утечкам, измеряемым при давлении 8 МПа. Кривые относительного износа, вычисленные по утечкам, измеряемым
как при давлении 10 МПа, так и при давлении 8 МПа, почти полностью совпадают (кривые 3 и 4 на рисунке 5).
0-зсп
Пип 10 6 Л43 !с 1,72 "
1,48 '
1,20 -
0,960,72 -0,48 0,24 0 ‘
0 20 40 60 80 100 120 ТТз
Ш цикл,
Рис.5. Изменение утечек рабочей жидкости (кривые 1, 2) через сопряжение затвор-седло и относительного износа этого сопряжении (кривые 3, 4) в зависимости от числа циклов срабатывания перепускного клапана в режиме перегрузки
Значительное увеличение утечек рабочей жидкости через перепускной клапан после 70 тысяч срабатываний, о чем свидетельствует подъем кривых 1 и 2 на рисунке 5, определяется гидроэрозионным износом деталей сопряжения затвор-седло от воздействия рабочей жидкости. Износ деталей сопряжения является локальным (дискретным), а не простым увеличением ширины уплотнительной поверхности.
Исследование износа и герметичности сопряжения затвор-седло перепускного клапана в режиме переключения и режиме перегрузки. Исследование перепускного клапана, работающего одновременно в режиме
переключения и режиме перегрузки, позволяет выявить влияние ударных воздействий на уплотнительные поверхности клапана совместно с воздействиями рабочей жидкости.
Утечки рабочей жидкости, представленные кривой 1 (рисунок 6), измерялись при подключении эталонного предохранительного клапана к перепускному клапану при давлении в гидросистеме установки, равном 10 МПа. Значение утечек жидкости достигает 8-10-6 м3/с после 100 тысяч срабатываний клапана и почти в два раза меньше, нежели в режиме перегрузки (кривая 1 на рисунке 5).
10-6 лР/с
Рис. 6. Изменение утечек рабочей жидкости через сопряжение затвор-седло перепускного клапана в зависимости от числа циклов срабатывания клапана в режиме переключения и режиме перегрузки: 1 - при отсутствии эксцентриситета в сопряжении затвор-седло; 2 - при появлении эксцентриситета в сопряжении затвор-седло в процессе исследований
Снижение утечек жидкости через сопряжение затвор-седло перепускного клапана испытываемого в режиме переключения и режиме перегрузки
(кривая 1 на рисунке 6) по сравнению с утечками жидкости в режиме перегрузки (кривая 1 на рисунке 5) можно объяснить тем, что в первом случае дополнительные удары (от режима переключения) восстанавливают сопряжение в отношении гидравлической плотности.
Следует отметить, что при исследовании перепускных клапанов при совмещении режима переключения и режима перегрузки во многих случаях (до 45 %) наблюдается существенный рост эксцентриситета уплотнительных поверхностей и утечек через клапан (кривая 2 на рисунке 6). Причиной такого интенсивного нарастания эксцентриситета уплотнительных поверхностей перепускных клапанов, повидимому, является гидроэрозионный износ деталей сопряжения затвор-седло и двойная работа клапана на двух режимах: переключения и перегрузки.
При работе клапана одновременно в режиме переключения и режиме перегрузки происходит как бы двойное его центрирование относительно седла: центрирование рабочей жидкостью при дросселировании ее в режиме перегрузки, когда клапан находится на малом расстоянии от седла, и центрирование геометрическими размерами всего перепускного клапана, когда он находится на значительном удалении от седла в режиме переключения.
Исследование износа и герметичности сопряжения затвор-седло предохранительного клапана в автоколебательном режиме. Проведенными исследованиями предохранительных клапанов в автоколебательном режиме (режиме треска) (рисунок 7) установлено, что износ деталей сопряжений затвор-седло существенно меньше по сравнению с износом этих деталей, поступающих в ремонт и достигающих значения 0,4 - 0,5 мм, а иногда и 1,5 мм.
Исследование износа и герметичности сопряжения затвор-седло предохранительного клапана в режиме обычного предохранения. Режим обычного предохранения является основным видом работы предохранительного клапана гидравлических систем.
Кривая 1 (рисунок 8) показывает изменение утечек рабочей жидкости через новый предохранительный клапан, а кривые 2-6 - после 20, 40, 60, 80 и 100 тысяч циклов срабатывания клапанного устройства. Из рисунка 8 можно установить, что в процессе работы предохранительного клапана происходит сдвиг кривых утечек рабочей жидкости влево, то есть, в сторону более низких давлений, и уменьшение наклона кривых утечек жидкости.
Рис. 7. Изменение утечек рабочей жидкости через сопряжение затвор-седло предохранительного клапана (кривая 1) и относительного износа того же сопряжения (кривая 2) в зависимости от времени работы клапана в автоколебательном режиме предохранения
Сдвиг кривых утечек жидкости в сторону более низких давлений можно объяснить разрегулировкой клапана в результате износа деталей сопряжения затвор-седло. Уменьшение наклона кривых утечек жидкости не совсем ясно. Поэтому рассмотрим процессы, происходящие при работе предохранительного клапана более подробно теоретически и при экспериментальных исследованиях.
1СГ6Аі3/с
175
150
125
100
75
50
25
0
-
4_
^3_
<ц у Л5 /
/С 1
б
8
10
12
14
16
МПа
Рис. 8. Изменение утечек рабочей жидкости через предохранительный клапан клапанного устройства в зависимости от давления в гидравлической системе и числа циклов срабатывания: кривые 1 - 6 соответствуют 0, 20, 40, 60, 80 и 100 тысяч циклов срабатывания клапана
В работе [1] установлена формула для определения изменения расхода рабочей жидкости через предохранительный клапан в зависимости от дав-
ления в системе и настроики предохранительного клапана
-.2
Р
1
а
ш
2 А
+
ш
а
2
ш
Р
3
нш
4 А,
ш
27
+ 3
а
ш
2А
ш
а
Р
3
нш
4А
ш
27
+ О Я + Р
0, (?)
3
2
2
где Р1 , Р0 - давление жидкости до и после предохранительного клапана клапанного устройства, МПа; Ош - расход жидкости через предохрани-
3 3
тельный клапан, м/с; р - плотность жидкости, кг/м ; Рнш- перепад давле-
ния, при котором предохранительный клапан открывается, МПа; A ш - размерный коэффициент, определяемый по выражению
Aш = p 2dCmk sin а/4С„р ш X/2/Р ,
где р - плотность жидкости, кг/м ; ^к - коэффициент расхода жидкости через сопряжение затвор-седло предохранительного клапана; а - половина угла между касательными к шаровому затвору в точках его контакта с седлом, градусов; Спр ш - жесткость пружины предохранительного клапана, Н.
По выражению (2) построены на рисунке 9 теоретические кривые изменения расхода рабочей жидкости через предохранительный клапан в зависимости от давления в системе и его настройки.
Из рисунка 9, учитывая оценки по методу динамической чувствительности [6, 55], можно установить, что снижение давления настройки предохранительного клапана приводит к параллельному смещению кривых QUi = f (P1) влево.
Qm
Рис. 9. Теоретические кривые изменения расхода рабочей жидкости через предохранительный клапан в зависимости от давления в системе и настройки клапана (кривые 1-9 соответствуют настройке предохранительного клапана на давление, равное 8,0; 8,5; 9,0; 9,5; 10,0; 10,5; 11,0; 11,5; 12,0 МПа)
Это означает, что в процессе разрегулировки предохранительного клапана от износа его деталей также должно происходить смещение кривых утечек жидкости влево по сравнению с новыми клапанами. Для проверки этих положений были проведены экспериментальные исследования.
На рисунке 10 приведены графики изменения утечек жидкости через предохранительный клапан в зависимости от давления в гидравлической системе при настройке его на давление начала открытия, равное 10,5 МПа (кривая 3) и 9,5 МПа (кривая 4). Из рисунка 10 видно, что как теоретические (кривые 1 и 2 на рисунке 10), так и экспериментальные кривые 3 и 4 (рисунок 10) сдвигаются параллельно влево при разрегулировке клапана.
КГ^АГ1 !с
150
100
50
я
8 9 10 11 12 13 14
МЛа
Рис. 10. Теоретические (1, 2) и экспериментальные (3, 4) кривые утечек жидкости через предохранительный клапан в зависимости от давления в системе и его настройки: кривые 1, 3 -13,5 МПа, кривые 2, 4 - 12,5 МПа
Поэтому, чтобы исключить влияние разрегулировки клапана на утечки жидкости, кривые 2-6 из рисунка 8 сдвинуты вправо до соприкосновения с кривой 1 (рисунок 11).
<2ш
10~6м3/с
150 12 5
100
75
50
25
0
4 Ч'Ч
5 / ■О.
6 ..г
1
б 8 10 12 14 16
МПа
Рис. 11. Изменение утечек жидкости через предохранительный клапан клапанного устройства
Пит
1,25
1,00
0,75 0,50
0,25
п с
п
0 20 40 60 80 100 120775-----
10 цикл
Рис. 12. Изменение относительного износа сопряжения затвор-седло предохранительного клапана в зависимости от числа циклов срабатывания в режиме перегрузки
По кривым 1-6 (рисунок 11) определены утечки жидкости для давления, равного 10 МПа, по которым вычислены значения относительного износа. На рисунке 12 приведены значения относительного износа деталей
сопряжения затвор-седло предохранительного клапана в зависимости от числа циклов срабатывания предохранительного клапана в режиме перегрузки.
Таким образом, динамика и абсолютные значения утечек рабочей жидкости через сопряжение затвор-седло перепускного клапана в режиме переключения определяется прочностью материала против воздействия ударных нагрузок затвора о седло и выбранные материалы затворов и седел перепускных и предохранительных клапанов вполне удовлетворяют эксплуатационным условиям работы.
Снижение герметичности и повышение утечек жидкости перепускных и предохранительных клапанов, работающих в режиме перегрузки, указывает на существенный износ деталей сопряжений затвор-седло рабочей жидкостью гидросистемы, то есть, на появление и развитие гидроэрозионного износа.
Совмещение режимов переключения и режима перегрузки в работе перепускного и предохранительного клапанов оказывает существенное влияние на увеличение износа и герметичности сопряжений затвор-седло. Причиной этого является существенное изменение регулировки клапанов в результате гидроэрозионного износа деталей сопряжения затвор-седло, который представляет собой неравномерный по периметру сопряжения затвор-седло износ, вызывающий дополнительные утечки жидкости и появление эксцентриситета в сопряжении затвор-седло. Появление эксцентриситета в сопряжении затвор-седло приводит к дополнительному изменению настройки клапана и увеличению утечек рабочей жидкости.
Литература
1. Жежера Н. И. Развитие теории и совершенствование автоматизированных систем испытаний изделий на герметичность: дис. д-ра техн. наук: 05.13.06. - Оренбург. 2004. - 441 с.
2. Жежера Н. И. Ввод сигнала по производной от входного давления в предохранительном клапане с серводействием // Вестник Оренбургского государственного университета. 2000. №3. С. 90-94.
3. Жежера Н. И. Давление рабочей жидкости в щелях с криволинейными стенками регулирующих клапанов систем автоматизации и управления // Вестник Оренбургского государственного университета. 2001. №1. С.146-150.
4. Жежера Н.И. Утечки жидкости из вибрируемых изделий, испытываемых на герметичность // Альманах современной науки и образования. 2012. № 5. С. 56-60.
5. Жежера Н.И. Безразмерные комплексы, характеризующие износ сопряжений затвор-село предохранительных и перепускных клапанов гидравлических систем // Альманах современной науки и образования. 2012. № 6. С. 46-49.
6. Жежера Н.И. Оценка динамической чувствительности контроля герметичности изделий с горизонтальной трубкой при изменении параметров устройства // Альманах современной науки и образования. 2012. № 6. С. 55-58.
7. Жежера Н.И. Выбор объема эталонной емкости при испытаниях изделий на герметичность газом с использованием пузырьковой камеры // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2012. №5. С. 6468.
8. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. - М.: Наука, 1969. -
420 с.
