Клапанный гидрораспределитель высокого давления
VALVE HIGH-PRESSURE DISPENSER

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к гидропневмоавтоматике, и может использоваться для управления подачей рабочей жидкости к исполнительным сервомеханизмам в гидро- или пневмоприводах различных машин.
Известен клапанный четырехлинейный трехпозиционный гидрораспределитель (функция 4/3), предназначенный для подвода и отвода жидкости из двух полостей гидродвигателя. Распределитель содержит корпус с каналами подвода, слива и отвода жидкости к гидродвигателю. Каналы разделяются шаровыми двухседельными клапанами с толкателями, которые управляются электромагнитами в пилотном каскаде и поршнями управляющих гидроцилиндров в основном каскаде и гидрозамке. Такой гидрораспределитель обеспечивает управление двумя полостями гидродвигателей, включая реверс их хода и гидростопорение (RU 2555635).
Недостатками данного гидрораспределителя являются:
- наличие вспомогательных устройств - встроенного пилотного гидрораспределителя и гидрозамка, необходимость в которых вызвана потребностью в больших силах управления гидравлически неразгруженных шаровых затворов клапанов основного гидрораспределителя и неспособностью их удерживать обратный перепад давления в переключаемых каналах, возникающих в режиме гидростопорения гидродвигателя;
- невозможность использования резервного механического привода для работы гидрораспределителя при отсутствии электро- и гидропитания;
- свойственное комбинации одного затвора с двумя седлами наличие временного соединения каналов подвода жидкости с каналами слива в процессе переключения каналов, вызывающее гидроудары и разрушение сливных трубопроводов гидропривода.
Известен трехлинейный двухпозиционный гидрораспределитель (функция 3/2), в котором затвор клапана гидростатически разгружен от давления в подводящем жидкость канале. Для этого затвор клапана снабжен плунжером, уравновешивающим силы давления жидкости на затвор и снижающим силы управления клапаном (RU 104269).
Недостатки такой конструкции:
- увеличение массогабаритных параметров и времени срабатывания гидрораспределителя от наличия дополнительного монолитного плунжера;
- возникновение гидроударов в слив при переключении каналов и движении одного затвора между двумя седлами;
- отсутствие функции гидростопорения гидродвигателя;
- необходимость применения двух гидрораспределителей для выполнения функции 4/3.
Наиболее близким аналогом по принципу действия является двухлинейный двухпозиционный клапанный гидрораспределитель (функция 2/2). В нем обеспечивается двухсторонняя гидростатическая разгрузка затвора клапана. Он содержит корпус с крышкой. Внутри корпуса установлен клапан с затвором и седлом, с разных сторон которого находятся каналы линий подвода и отвода жидкости. Хвостовик затвора выполнен в виде поршня-плунжера, установленного в подвижном уплотнении крышки корпуса с образованием камеры гидростатической разгрузки затвора. Эта камера соединена каналом в затворе с полостью перед его торцом. Диаметр поршня-плунжера приближен к среднему диаметру кольца контакта затвора с седлом. Благодаря наличию камеры гидростатической разгрузки затвора и соединения ее каналами в затворе с его торцом, а также примерное равенство диаметра поршня-плунжера и среднего диаметра кольца контакта затвора с седлом, такой гидрораспределитель имеет низкие силы управления, работоспособен при любом направлении перепада давления и выполняет функцию гидростопорения гидро двигателя (RU 2455543, прототип).
Недостатки прототипа:
- невысокие допустимые перепады давления жидкости (примерно 4 МПа), что связано с тем, что полная гидростатическая разгрузка затвора лишает его возможности самоуплотняться с ростом давления за счет автоматического роста контактных давлений. Затвор теряет герметичность, как только перепад давления в нем превысит контактное давление, создаваемое пружиной затвора или приводным механизмом;
- невысокие герметичность и надежность гидрораспределителя, связанные с возможными перекосами и эксцентриситетами осей затвора и седла, которые установлены в различных деталях (корпусе и его крышке) с большими погрешностями взаимного положения;
- невозможность использования гидрораспределителя 2/2 как базового унифицированного элемента для компоновки гидрораспределителей с функцией 3/3 и 4/3;
- отсутствие возможности подключения резервного привода затвора гидрораспределителя и индикатора его позиции.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является устранение вышеперечисленных недостатков прототипа, в частности обеспечение технического результата в виде высокой герметичности при давлении до 40 МПа, повышение уровня унификации для компоновки трех и четырех линейных гидрораспределительных устройств.
Сущность изобретения состоит в том, что клапанный гидрораспределитель содержит корпус с встроенной крышкой и с толкателем, установленным с возможностью перемещения при управляющем воздействии на его наружную часть, а также каналы подвода и отвода среды, между которыми размещен по меньшей мере один клапан, включающий две контактирующие между собой детали - кольцевое седло и размещенный с возможностью совместного перемещения с толкателем подпружиненный затвор в виде полой гильзы, снабженной наружным уплотнением и выполненной с опертым на седло кольцевым уступом и со сквозным отверстием в ее торцевой стенке, соединенным с образованной вокруг толкателя пружинной полостью затвора, при этом по меньшей мере одна из контактирующих между собой деталей клапана в зоне контакта выполнена упругой с возможностью местного изгиба и образования клинового зазора под воздействием перепада давления среды в каналах подвода и отвода.
В частных случаях реализации кольцевое седло выполнено упругим в виде мембраны с центральным отверстием, а подпружиненный затвор выполнен с упругим участком в виде отрезка гофрированной сильфонной трубки, на конце которой размещен кольцевой уступ.
В иных частных случаях реализации кольцевой уступ выполнен с тонкостенной выпуклой сферической поверхностью, опертой на выполненную вогнутой сферическую поверхность кольцевого седла.
Предпочтительно, наружное уплотнение гильзы затвора размещено в канавке крышки корпуса.
В частных случаях реализации клапанный гидрораспределитель выполнен с двумя клапанами, встречно установленными торцами гильз вдоль общего толкателя с возможностью поочередного совместного перемещения с последним, при этом корпус выполнен с тремя каналами, один из которых сообщен с седлами обоих клапанов и отделен от каждого из остальных каналов затвором соответствующего клапана.
В других частных случаях реализации клапанный гидрораспределитель выполнен с двумя парами клапанов, попарно встречно установленных торцами гильз вдоль общего толкателя с возможностью поочередного совместного перемещения с последним, при этом корпус выполнен с шестью каналами, причем в каждой паре клапанов один из каналов сообщен с седлами обоих клапанов и отделен от каждого из остальных каналов затвором соответствующего клапана. При этом клапанный гидрораспределитель предпочтительно выполнен с общей крышкой, встроенной в корпус каждой пары клапанов.
На фиг. 1 изображена конструкция двухлинейного двухпозиционного клапанного гидрораспределителя 2/2 с одним клапаном, с седлом в виде мембраны и с центральным отверстием, у которого расположено кольцо контакта с затвором.
1
На фиг. 2 - положение контактной пары затвор-седло в конструкции по фиг. 1 при воздействии давления жидкости p со стороны подводного канала 4.
2
На фиг. 3 - положение контактной пары затвор-седло в конструкции по фиг. 1 при воздействии давления жидкости р со стороны подводного канала 5.
На фиг. 4 - конструкция клапанного гидрораспределителя 2/2 с одним клапаном, у которого торцовая стенка гильзы затвора отделена от цилиндрической части гильзы сильфонным гофром, а кольцо контакта с седлом расположено вблизи от наружного диаметра торцевой стенки гильзы.
1
На фиг. 5 - положение контактной пары затвор-седло в конструкции по фиг. 4 при воздействии давления жидкости p со стороны подводного канала 4.
2
На фиг. 6 - положение контактной пары затвор-седло в конструкции по фиг. 4 при воздействии давления жидкости р со стороны канала 5 подвода.
На фиг. 7 - конструкция клапанного гидрораспределителя 3/3 с двумя клапанами.
На фиг. 8 - конструкция клапанного гидрораспределителя 4/3 с четырьмя клапанами.
Клапанный гидрораспределитель в исполнении 2/2 фиг. 1 и 4 содержит корпус 1 с встроенной крышкой 2, в расточке которого установлен клапан с седлом 3, с разных сторон которого находятся канал 4 подвода и канал 5 отвода среды. Подпружиненный затвор 6 клапана имеет хвостовик 7, выполненный в виде поршня-плунжера и установленный в подвижном уплотнении 8 с образованием камеры 9 гидростатической разгрузки затвора 6, образованной вокруг толкателя 11 пружинной полостью затвора 6 и соединенной отверстием (каналами) 10 в торце затвора 6 с полостью седла 3 перед его торцом. К затвору 6 примыкает толкатель 11, выходящий через уплотнение 12 наружу из корпуса 1 и/или крышки 2. Толкатель 11 установлен с возможностью перемещения при управляющем воздействии на его наружную часть и совместного перемещения с подпружиненным затвором 6, на конце которой размещен кольцевой уступ (не обозначен).
n
c
min
c
max
Диаметр D - поршня плунжера равен среднему диаметру Dcp кольца контакта с диаметрами D и D затвора 6 с седлом 3. Затвор 6 выполнен в виде полой гильзы с кольцевым уступом (не обозначен) на краю, контактирующим с седлом 3, и с торцевой стенкой 13. По меньшей мере одна из контактирующих между собой деталей 3,6 клапана в зоне контакта выполнена упругой с возможностью местного изгиба и образования клинового зазора 15 под воздействием перепада давления среды в каналах 4, 5 подвода и отвода.
Например, по меньшей мере одна из контактирующих частей клапана - седла 3 и, или затвора 6 имеет тонкостенную форму из упругого материла и ее краевая часть 14 седла 3 установлена с возможностью прогиба от перепада давления с любой ее стороны с образованием клинового зазора 15 на части начального кольца контакта со стороны более низкого давления среды. Седло 3 корпуса 1 фиг. 1 может быть выполнено в виде закрепленной в корпусе мембраны с центральным отверстием 16, у которого расположено кольцо контакта с затвором 6.
Торцовая стенка 13 затвора 6 фиг. 4 может быть отделена от цилиндрической части хвостовика 7 затвора 6 сильфонным гофром 17, например, в виде отрезка гофрированной сильфонной трубки, на конце которой размещен кольцевой уступ, а кольцо контакта с седлом 3 расположено вблизи от наружного диаметра стенки 13.
c
min
c
max
Кольцо контакта D÷D затвора 6 с седлом 3 может быть образовано их сферическими поверхностями фиг. 4, а зазор Δ между опорно-направляющими поясками 18 крышки 2 и наружной поверхностью гильзы хвостовика 7 затвора 6 может превышать величину несоосности между этими поясками и контактной поверхностью седла 3.
Для выполнения функции трехлинейного трехпозиционного гидрораспределителя (3/3) в корпусе 1 по фиг. 7 могут быть установлены два клапана с седлами 3 и затворами 6 с торцами 13, направленными навстречу друг другу, причем толкатель 11 затворов 6 с зазором проходит внутри затворов 6 и имеет выступ 19, расположенный между торцами 13 затворов 6 с возможностью поочередного контакта с ними, а корпус 1 снабжен тремя каналами 4, 5, 20, причем канал 20 подходит к торцам 13 затворов 6.
Клапанный четырехлинейный трехпозиционный гидрораспределитель (4/3) по фиг. 8 может быть выполнен составным из двух гидрораспределителей с двумя клапанами в каждом, причем он имеет один общий толкатель 11 с выступами 19 между каждой парой направленных друг к другу торцов 13 затворов 6, а примыкающие друг к другу крышки 2 корпусов 1 двух гидрораспределителей выполнены в виде единой детали 21, скрепляющей эти корпуса 1 между собой.
Наружные поверхности корпусов 1 могут выполняться цилиндрическими при необходимости их встраивания в блочно-модульные конструкции в виде готовых картриджей.
Идентичность конструктивных решений и большинства деталей гидрораспределителей в вариантах 2/2; 3/3; 4/3 определяют их высокую унификацию.
Клапанный гидрораспределитель работает следующим образом.
1
2
n
c
max
1
2
n
c
min
2
1
c min
c
max
к
1
2
При отсутствии управляющих усилий на выходящих из корпуса 1 и крышки 2 концах толкателя 11 подпружиненные затворы 6 клапанов гидрораспределителей прижаты к седлам 3 и все каналы 4, 5, 20 герметично отделены друг от друга. С ростом перепадов давлений жидкости на затворах 6 клапанов независимо от того, какое из давлений p или р выше, происходит дополнительный поджим затворов 6 к седлам 3 за счет разности диаметров D и D при p>р или разности диаметров D и D при р>p. Усилие этого дополнительного поджима затвора 6 к седлу 3 распространяется на всю начальную площадь кольца контакта между D и D и создает дополнительные контактные давления Арк. Величина Арсоставляет примерную половину от давления жидкости p или р, так как площадь кольца контакта в два раза выше площади, на которую действует давление жидкости. Поэтому с ростом давления жидкости при жестких деталях затвора и седла возможно нарушение условия герметичности контакта затвора 6 с седлом 3, при котором контактное давление должно быть выше давления жидкости. Однако выполнение по меньшей мере одной из контактирующих частей седла 3 и затвора 6 тонкостенной формы из упругого материала с краевой частью 14, установленной с возможностью прогиба от перепада давления с образованием клинового зазора 15 на части начального кольца контакта со стороны более низкого давления, уменьшает площадь кольца контакта, сохраняя указанное выше условие герметичности.
1
2
c
min
c
max
c
max
c
min
n
c
min
c
max.
В случае гибкой части седла 3 фиг. 1, выполненного в виде закрепленной в корпусе 1 мембраны с центральным отверстием 16, эта мембрана деформируется как тарельчатая пружина, выгибаясь в сторону более низкого давления фиг. 2 и 3 с образованием клинового зазора 15 на его стороне. При этом площадь действия давления p или р, поджимающего затвор 6 к седлу 3 не изменяется, а площадь кольца контакта между D и D уменьшается пропорционально величине деформации седла 3 и давлению жидкости, обеспечивая рост контактных давлений и условие герметичного контакта без ограничения по давлению жидкости. Рекомендуемая начальная разница между диаметрами D и D составляет 1-:3 мм. Наибольшее значение ограничивается условием минимальных сил управления затвором 6, а минимальное значение должно исключать обнуление площади поджима затвора 6 давлением при крайних допусках на диаметры D и D и D
В случае применения гибкой части затвора 6 фиг. 4 в виде сильфонного гофра 17, воздействие давления жидкости приводит к аналогичному изменению состояния кольца контакта за счет сжатия гофра 17 фиг. 5 или его расширения фиг. 6.
Использование сферической формы контактных поверхностей седла 3 и затвора 6 на кольце контакта и зазора Δ между опорно-направляющими поясками 18 крышки 2 и наружной поверхности гильзы хвостовика 7 затвора 6, превышающего величину несоосности между этими поясками и контактной поверхностью седла 3, обеспечивает затвору 6 способность самоцентрироваться по седлу 3 с образованием герметичного стыка между ними. Такое техническое решение повышает герметичность и надежность гидрораспределителя при увеличенных допусках на точность изготовления его деталей и соответственно снижает издержки производства. Этому же способствует гибкость стыковочных поверхностей седла 3 или затвора 6.
При установке в корпус 1 гидрораспределителя фиг. 7 двух одинаковых клапанов с седлами 3 и затворами 6, направленными навстречу друг другу, и размещении толкателя 11 внутри затворов 6 так, что его выступ 19 расположен между торцами затворов 6 с возможностью поочередного контакта с ними, функции гидрораспределителя расширяются. Он становится трехлинейным и трехпозиционным 3/3. При отсутствии управляющих воздействий на толкатель 11 оба подпружиненных затвора 6 прижаты к седлам 3 и все каналы 4, 5, 20 изолированы друг от друга. Смещение толкателя 11 от центрального положения приводит к отжиму одного из затворов 6 и соединению центрального канала 20 с одним из крайних каналов 4 или 5. После прекращения управляющих воздействий на толкатель 11 подпружиненные затворы 6 возвращаются в исходное закрытое положение. Наличие у толкателя 11 двух концов, выходящих из крышек, позволяет гидрораспределителю иметь кроме основного еще и резервный привод или подключать индикатор положения затворов.
Клапанный гидрораспределитель с функцией 4/3 фиг. 8 работает аналогично гидрораспределителю 3/3 фиг. 7, выполняя задачу одновременного переключения двух каналов потребителя, каждый из которых подключен к каналу между торцами затворов.
Таким образом, предложенная конструкция клапанного гидрораспределителя, сохраняя высокую степень гидростатической разгрузки затворов клапанов и соответственно низкие силы управления ими и свойство нечувствительности к направлению перепада давления, необходимого для функции гидростопорения управляемых гидрораспределителем гидродвигателей, обеспечивает работоспособность клапанного гидрораспределителя при высоких давлениях ограниченных лишь прочностью его деталей.
Способность затворов 6 клапанов самоцентрироваться по седлу 3 с образованием герметичного стыка и гибкость стыковочных поверхностей седла или затвор определяют высокие герметичность и надежность гидрораспределителя при снижении требований к точности изготовления его деталей и соответственно уменьшенные издержки производства.
Предлагаемая унифицированная конструкция базового клапанного гидрораспределителя с функцией 2/2 позволяет использовать его элементы в гидрораспределителях с функцией 3/3 и 4/3. Выход толкателя 11 затворов из двух торцов гидрораспределителя позволяет подключать к нему кроме основного и резервный привод или индикатор положения затворов.
В результате использования настоящего изобретения реализуется технический результат в виде высокой герметичности при давлении до 40 МПа, повышение уровня унификации трех и четырех линейных гидрораспределительных устройств распределения рабочей среды, предназначенных для управления сервомеханизмами.