CC BY
15
в в СЫРКИН ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛАСТОМЕРОВ
Сибирская автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)
Т. И. САВВАНТИДИ
Омский танковый инженерный институт
УДК 621.646
В РЕГУЛЯТОРАХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ_
РАССМАТРИВАЕТСЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ В СТАЦИОНАРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МОБИЛЬНЫХ МАШИНАХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ С НЕТРАДИЦИОННЫМИ УПРАВЛЯЮЩИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ, ВЫПОЛНЕННЫМИ ИЗ ЭЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ПОКАЗАНЫ НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ОТРАЖЕНИЕМ НОВЫХ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КАЧЕСТВ.
Применение средств гидроавтоматики в различных технологических стационарных и мобильных машинах, летательных аппаратах, горных машинах и сельскохозяйственной технике обусловлено их уникальными возможностями, которые могут быть значительно расширены с использованием эластичных материалов для запорно-регулирующих деталей и элементов, более распространенных в уплотнительной технике. Устройства такого типа, как правило, компактны, технологичны, менее чувствительны к качеству рабочей жидкости гидросистем, отличаются лучшими динамическими качествами, хорошо вписываются в гидравлические механизмы различного назначения и не получили широкого распространения в инженерной практике в настоящее время лишь по причине недостаточного внимания со стороны исследователей и, как следствие, малого числа инженерных разработок, а также отсутствия методики расчетов указанных устройств.
Рис. 1. Схема обратного клапана с эластичным кольцом.
Наиболее характерным устройством данного типа является обратный клапан [1,2] с эластичным кольцом круглого сечения (рис. 1). В таком клапане эластичное кольцо 3 одновременно является затвором и уплотнительным элементом. При движении потока в прямом направлении жидкость поступает в канал 2, проходит по радиальным каналам 1, отжимает кольцо и сливается в отводной канал 4.
При изменении направления движения потока кольцо 3 под давлением жидкости прижимается к седлу кольцевой конической канавки и запирает каналы 1. Исследования показали, что между давлениями на входе и на выходе клапана существует линейная зависимость. Перепад давления, обусловленный предварительным натягом кольца круглого сечения, в исследуемом диапазоне расходов через клапан изменяется незначительно (рис. 2). При изменении направления потока рабочей жидкости клапан надежно запирается и выдерживает давление свыше 10 МПа.
Др. МП.
10 го 30 40 «З.лГхмн
Рис.2. График изменения перепада давлений а обратном клапане с эластичным кольцом (1) и без кольца (2) в зависимости от расхода рабочей жидкости.
В конструкции предохранительного клапана, описанной в работе [3], также используется эластичное кольцо 2 круглого сечения (рис. 3). Клапан рекомендуется применять в тех случаях, когда необходимо изолировать систему, предохраняемую от перегрузок, от окружающей, например, агрессивной среды. При этом жидкость, поступающая из-под конического затвора 4, помещенного в стакан 1, может выходить, отжимая кольцо 2, в окружающую (агрессивную) среду, так как попадание среды в полость стакана 1 исключается вследствие перекрытия радиальных каналов 3 эластичным кольцом.
Рис.3. Схема предохранительного клапана, оснащенного эластичным кольцом.
Известны также устройства, например распределители, в которых эластичное кольцо используется как элемент, соединяющий или разъединяющий каналы в зависимости от своего осевого положения [4].
Авторами разработана конструкция предохранительного клапана с использованием во втором его каскаде эластичного кольца (рис. 4). При давлении в полости 1 меньшем, чем давление настройки клапана первого каскада 4, эластичное кольцо 3 вследствие разности внутренней и внешней поверхностей кольца, находящихся под действием одинакового давления, плотно прижимается к уплотняющим поверхностям. В момент срабатывания клапана 4 при давлении, превышающим давление его настройки, давление на внешней поверхности кольца падает, кольцо разжимается в радиальном направлении, соединяя полости нагнетания и слива с давлением рн и р^ соответственно.
Рис.4. Схема двухкаскадного предохранительного клапана с эластичным кольцом во втором каскаде.
Небольшой статизм (около 8 %), высокое быстродействие и, как следствие, небольшое перерегулирование (не более 5 %), а также малая чувствительность к загрязнению рабочей жидкости позволяет рекомендовать его для различных систем гидроавтоматики.
Обратный клапан, описанный в работе [5], можно встроить в гибкий трубопровод (рис. 5).
Рис. 5. Схема обратного клапана, встроенного в гибкий трубопровод.
Если пережать левую половину трубопровода элементом 2 и установить шар 1 с пружиной, затем пережать правую часть трубопровода элементом 3, то можно получить компактную схему обратного клапана, который можно, таким образом, расположить в любой зоне гибкого трубопровода.
В предохранительном клапане (рис. 6) основным элементом является эластичное кольцо круглого сечения 3. При давлении в системе, меньшем давления настройки вспомогательного клапана 2, он закрыт, и давление в полостях А и В одинаково, запорное кольцо 3 за счет гидростатической неуравновешенности прижимается к внутренней поверхности корпуса 1 .отделяя при этом входную полость Б от полости В.
кольцом 4 остается постоянным.Тем самым нарушается равновесие, эластичное кольцо 4 деформируется, перекрывая рабочее окно 7 до тех пор, пока расход через дроссель 8 не восстановится. При уменьшении расхода в линии питания потребителя порядок работы регулятора обратный.
Рис. 7. Регулятор расхода жидкости.
Одна из возможных конструкций делительного клапана с эластичным регулирующим элементом [8] реализована следующим образом (рис. 8).
При различных нагрузках на двух исполнительных механизмах, синхронную работу которых обеспечивает делительный клапан, возникают разные давления в полостях 3 и 4 отвода и в полостях 5 и 6 делительного клапана. Если давление в какой либо магистрали питания потребителя, например, в полости 3 отвода, повышается (в результате повышения нагрузки на поршень), то увеличивается давление в полости 5. При этом нарушается равновесие эластичного кольца 1, которое при этом смещается вправо, увеличивая рабочее окно регулируемого дросселя 2, из-за чего давление в полости 5 понижается, а в полости 6 давление повышается до тех пор, пока перепад давления между полостями 5 и 3 не уравновесится с перепадом давления между полостями 6 и 4. Равенство перепадов приводит к равенству расходов жидкости через полости 3 и 4 отвода и, следовательно, к равенству перемещения поршней.
? ? *
Рис. 6. Схема предохранительного клапана с запорным эластичным кольцом круглого сечения.
При повышении давления вспомогательный клапан открывается, на дросселе 4 возникает перепад давления, т.е. давление в полости Б становится больше давления в полости А. Под действием этой разницы давлений кольцо 3 деформируется в радиальном направлении. Рабочее окно, образованное наружной поверхностью кольца 3 и цилиндрической поверхностью корпуса 1, открывается, соединяя при этом входную полость Б с полостью В[6].
Регулятор расхода жидкости [7] также содержит эластичное кольцо 4 в качестве регулирующего элемента (рис. 7). При увеличении расхода жидкости в магистрали питания потребителя (нагрузка гидродвигателя уменьшается ) давление за дросселем 8 в выходной полости 2 понижается, в то время как давление перед дросселем во входной полости 6, радиальных каналах 5 и в прямоугольной кольцевой канавке 3 под эластичным
Рис. 8. Делительный клапан.
Гидравлический замок [8], предлагаемый авторами, работает следующим образом (рис. 9).При подводе жидкости к каналу 6 открывается затвор 4, и жидкость проходит в канал 1. Одновременно с этим под давлением жидкости деформируется мембрана 8 и с помощью кольцевого выступа 7 смещает вправо затвор 5, обеспечивая проход жидкости из канала 2 в канал 3.
При подводе жидкости в канал 3 давлением жидкости открывается затвор 5, а выступом 9 мембраны 8 - затвор 4. Если жидкость по каким-либо причинам не поступает в
гидрозамок (обрыв трубопровода или преднамеренная остановка привода), то обратные клапаны запирают каналы 1 и 2, фиксируя тем самым привод. Таким образом, привести привод в движение в каком-либо направлении возможно только при подводе к соответствующему каналу гидрозамка рабочей жидкости под давлением.
Рис. 9. Гидравлический замок
Для регулятора расхода (рис. 10) основным элементом также является эластичное кольцо [9]. Данный регулятор работает следующим образом. В установившимся режиме рабочая жидкость поступает в зазор между боковыми стенками канавки втулки 1 и далее через зазор между корпусом и кольцом 3 и каналы 4 поступает в выходную полость 2. При увеличении расхода в полости 2 кольцо 3 под действием увеличивающегося перепада давлений деформируется равномерно в радиальном направлении, тем самым уменьшая расход жидкости из полости 2. При уменьшении расхода кольцо 3 перемещается в противоположном направлении, поддерживая постоянный расход. В регуляторе отсутствует трение между регулирующим кольцом и корпусом и постоянный дроссель, характерный для традиционных конструкций регуляторов расхода.
Рис. 10. Регулятор расхода
Обратно-предохранительный клапан [10] состоит из (рис.11) корпуса 1,содержащего полости I и II, соединенные каналом, в котором расположен с радиальным зазором затвор 2, поджатый пружиной 4. Затвор 2 взаимодействует с эластичным запорным органом 3, также поджатый пружиной 5. Уровень давления настраивается винтом 6.
Данная конструкция клапана реализована в гидравлической системе дистанционного управления клиноремен-ным вариатором молотильного барабана зерноуборочного комбайна. При этом были достигнуты высокая герметичность клапана в закрытом состоянии как в режиме предохранительного, так и в режиме обратного клапана, более высокое быстродействие по сравнению с обычным клапаном и меньшая стоимость. Уровень давления, обеспечиваемый данным клапаном достигал 6 МПа.
В математической модели клапана (рис. 6) [11] в режиме открытия рабочей щели приняты следующие
I г и
Рис. 11. Обратно - предохранительный клапан.
р, МПа
16 12 8
4
0
\
\
0,05
0,1
Рис. 12. Осциллограмма переходного процесса в гидросистеме с предохранительным клапаном
допущения: инерционные составляющие в основном и вспомогательном клапанах незначительны (малые массы запорного эластичного элемента и шарика); податливость магистралей и полостей с жидкостью не зависит от давления; соединительные трубопроводы достаточно коротки, что позволяет не учитывать волновые процессы и гидравлические потери в них; температура рабочей среды постоянна. С учетом этих допущений динамические процессы изменения давления в приводе можно описать системой уравнений равновесия эластичного кольца, равновесия вспомогательного (шарикового) клапана и неразрывности потока жидкости:
Р', + р«л- Р„Л- =
Рш'ш-Т-сшН = 0;
<^а«+а111+а111 + к\ля5р
где р - давление в полости нагнетания, подсоединенной к отверстию Б клапана; р^ - давление на сливе; рш -давление в полости А, замыкаемой вспомогательным (шариковым ) клапаном; ^ 12, ^ - площади эластичного кольца, на которые действуют давления р, рсо и рш соответственно; с, - жесткость и перемещение эластичного кольца в радиальном направлении; Т, сш- сила предварительного сжатия и жесткость пружины вспомогательного клапана 2; Н - перемещение шарика клапана 2; Он С^окл' Ош, О^ - расходы насоса, поступающий в систему , через шариковый клапан и через второй каскад соответственно; объем магистралей и полостей гидросистемы; к - коэффициент податливости объема \Л/, характеризующий сжимаемость жидкости и деформацию магистралей. Б = <±/сИ - оператор дифференцирования. При анализе данной модели клапана изучено влияние параметров клапана на его устойчивость и качество переходных процессов; полученные результаты хорошо согласуются сданными экспериментальных исследований. В частности, установлено, что устойчивость клапана может быть достигнута путем определенного соотношения площадей ^, 12, ^эластичного кольца, на которые действует
давление р предохраняемой полости, р^- полости слива, рш- полости, замыкаемой шариковым клапаном. На рис. 12 приведена осциллограмма переходного процесса предохранительного клапана рассматриваемой конструкции, которая отражает высокое быстродействие, малое перерегулирование и динамическую устойчивость.
Литература
1. Chorkey W.J. Ceer Valve. ПагтСША, №3451422, опубл. 24.06.69.
2. Hydraulics and Pneumatics, June, 1973, p. 13.
3. Pollinger W.S., Ryder G.L, Edgecoube H.T. Fluid-Pressure Relief Valves. Пат. Англия, № 1201027, опубл. 5.08.70.
4. Ackerucan N. Fluid Flow Control Device and Mechanisms Embodying the Same. Пат США, №3348576, опубл.24.10.67.
5. Laure G R. Check Valve. Пат США, № 3387625, опубл. 11.06.68.
6. Предохранительный клапан. A.C. № 562999, опубл. 25.06.77. Авт.: И.А.Немировский, В.Б.Петров, В.В.Сыркин.
7. Регулятор расхода жидкости. A.C. №613294, опубл. 30.06.78. Авт.: И. А.Немировский, В.Б.Петров, В.В.Сыркин, ВП.Пурдик.
8. Гидравлический замок. А.С.№ 705161, опубл. 25.12.79. Авт.: В.В.Сыркин, В.Б.Петров, В.П.Пурдик.
9. Регулятор расхода. А.С.№ 796801, опубл. 16.01.81. Авт. Сыркин В.В.
10. Обратно-предохранительный клапан А.С.892091, опубл. 1981, Б.И. N47 Авт. Немировский И.А. и др.
11. Сыркин В В., Петров В.Б., Пурдик В.П. Динамика предохранительного клапана с эластичным управляющим элементом. - В кн. Гидропривод и гидропневмоавтоматика, сб. Киев, "Техника", 1971, вып. 15, с 33 - 34.
СЫРКИН Владимир Васильевич - доктор технических
наук, профессор СибАДИ.
САВВАНТИДИ Татьяна Ивановна - доцент ОТИИ.
fr
Информация
Кафедра "Полиграфические машины" Омского государственного технического университета
производит подготовку инженеров-механиков и аспирантов на базе систематических научных исследований, сочетающих техническую и управленческую направленность в содружестве с известными в стране учеными и руководителями предприятий.
Так, в результате совместной работы опубликованы следующие монографии:
Бушунов В.Г., Селезнев С.С., Воронов Е.А., Тягун А.Н. Автоматика и средства автоматизации при создании и эксплуатации полиграфических машин. - Омск, 1986. - 278 с.
Антилогова Л.Н., Воронов Е.А., Тягун А.Н. Этико-психологические аспекты профессионального управления коллективом. - Омск, 1998. - 278 с.
Алексеев Г.А., Воронов Е.А. Задачи исследований и расчетов при создании и эксплуатации ротационных печатных машин. - Омск, 2000. - 202 с.
Квалификация научно-педагогических кадров и ее оснащение позволяют помимо образовательных решать прикладные задачи по созданию полиграфической техники и по
управлению полиграфическим производством.
При кафедре функционирует аспирантура по двум актуальным техническим специальностям 05.02.13 и 05.02.18.
Кандидатские и докторские диссертации могут быть представлены к рассмотрению и
защите в диссертационном совете при ОмГТУ.
Руководство кафедрой и научными направлениями осуществляет почетный работник высшего профессионального образования России, доктор технических наук, профессор Воронов Евгений Александрович.
Адрес: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, каб. 8-104. Тел./ факс (8-381-2) 65-94-66.
■га
