ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КЛАПАН
HYDRAULIC VALVE

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к клапану для управления потоком гидравлической жидкости, в частности, для питания потребителя одинарного или двойного действия.
Уровень техники
Из уровня техники известны подобные клапаны с уравновешиванием давления и без уравновешивания давления. Клапаны без уравновешивания давления позволяют использовать разность давлений между патрубками высокого и низкого давления на клапане для прижимания запирающего элемента к седлу клапана. Они подходят для надежной герметизации даже при высоких разностях давлений. Недостаток этой конструкции заключается в том, что для поднятия запирающего элемента с седла клапана необходимо преодолеть гидростатическую разность давлений, действующую на запирающий элемент. Поэтому усилие, необходимое для открытия клапана, возрастает с ростом разности давлений. Если такой клапан приводится в действие исполнительным элементом, то такой исполнительный элемент должен обладать силой, достаточной для преодоления максимально возможной разности давлений на клапане. Разумеется, подобные исполнительные элементы занимают много места и дорого стоят.
Клапан с уравновешиванием давления производится, например, фирмой Bosch-Rexroth под обозначением WEDT-08. Этот известный клапан имеет, по существу, цилиндрическую гильзу, причем первый патрубок расположен на торцевой стороне гильзы, а второй - на обечайке гильзы. Шток клапана, перемещающийся в гильзе клапана, имеет осевое отверстие, посредством которого давление из первого патрубка воздействует на две торцевые поверхности штока, обращенные в противоположные друг другу стороны. Гидростатические давящие силы, действующие на торцевые поверхности штока, уравновешивают друг друга, благодаря чему для переключения клапана необходимо лишь небольшое усилие исполнительного элемента, воздействующего на торцевую поверхность штока, обращенную в противоположную первому патрубку сторону.
Однако конструкция с уравновешиванием давления препятствует не только удержанию штока на седле клапана высоким давлением в первом патрубке, но и поднятию штока с седла клапана высоким давлением во втором патрубке. Если клапан должен применяться в гидравлической системе, в которой давление на втором патрубке может периодически превышать давление на втором патрубке и, тем самым, привести к повреждению компонентов системы, то для предотвращения подобных повышений давления необходимо параллельно установить возвратный клапан, что заметно повысит стоимость клапанного блока для такого приложения и увеличит занимаемое им место. Подобные повышения давления могут возникать, например, на самоходной уборочной машине, когда на регулируемый гидравлическими цилиндрами узел, например, навесной уборочный агрегат, во время работы действуют внешние силы.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка клапана простой конструкции, который при незначительном усилии, необходимом для приведения в действие исполнительного элемента, обеспечит управление мощным потоком жидкости и одновременно сможет компенсировать избыточное давление на одном из своих патрубков.
Задача решена за счет того, что в клапане с гильзой, которая содержит, по меньшей мере, первый и второй патрубок, и с уравновешенным по давлению штоком, который выполнен с возможностью перемещения в гильзе клапана между запирающим положением и по меньшей мере одним первым отпирающим положением, шток клапана содержит две части, перемещаемые друг относительно друга и прижимаемые друг к другу гидростатическим давлением, имеющим место в первом патрубке.
Пока давление в первом патрубке в достаточной мере превышает давление во втором патрубке, две части штока клапана плотно прижаты друг к другу давлением, имеющим место в первом патрубке, и, аналогично штоку обычного клапана, могут совместно перемещаться между запирающим положением и первым отпирающим положением. Перемещение одной части штока клапана независимо от другой части позволяет реализовать второе отпирающее положение, в котором две части штока клапана расположены на удалении друг от друга, а жидкость может протекать от второго патрубка к первому патрубку.
Чтобы реализовать целенаправленный переход во второе отпирающее положение при высоком давлении во втором патрубке, обе части могут целенаправленно соприкасаться друг с другом в полости, связанной со вторым патрубком. Так, жидкость из второго патрубка может легко проникать между обеими частями и раздвигать их.
Обе части должны иметь торцевые поверхности, которые целесообразно обращены в противоположные друг другу стороны и на которые воздействует гидростатическое давление, имеющее место в первом патрубке. Давящие силы, действующие на торцевые поверхности в противоположных направлениях, удерживают обе части в запирающем положении и в первом отпирающем положении в соприкосновении друг с другом и, уравновешивая друг друга, гарантируют легкость хода штока клапана в целом.
Клапан может быть выполнен в виде 2/2-ходового или 3/2-ходового клапана с третьим патрубком, который в запирающем положении гидравлически соединен со вторым патрубком, а в первом отпирающем положении отсоединен от второго патрубка. Такой 3/2-ходовой клапан при переходе между запирающим положением и первым отпирающим положением проходит переходную область, в которой либо все три патрубка соединены между собой, либо все три патрубка разъединены. В зависимости от предполагаемого использования клапана один из двух этих вариантов может оказаться неподходящим. По существу, желательно, чтобы переходная область была максимально короткой. Исполнение штока клапана из двух частей, предусматриваемое изобретением, позволяет путем замены или дополнительного изменения конфигурации одной из двух частей штока клапана свести к минимуму протяженность переходной области или преобразовать клапан с отрицательным наложением, у которого в переходной области соединяются все патрубки, в клапан с положительным наложением, у которого в переходной области патрубки отсоединены друг от друга, и наоборот.
В 3/2-ходовом клапане шток клапана может образовывать в первом отпирающем положении щелевое уплотнение между вторым патрубком и третьим патрубком. Щелевое уплотнение позволяет штоку клапана перемещаться из первого отпирающего положения немного дальше, без немедленного принудительного восстановления соединения между вторым и третьим патрубком.
Соединение между двумя торцевыми поверхностями, обычно осуществляемое штоком клапана, можно было бы уплотнить относительно второго патрубка в предусматриваемом изобретением исполнении штока клапана из двух частей лишь с большим трудом. Поэтому гидравлическое соединение с уравновешиванием давления между двумя противоположными друг другу торцевыми поверхностями штока описываемого изобретением клапана, предпочтительно, образовано каналом, проходящим в гильзе клапана отдельно от штока клапана.
Предпочтительно, первая часть штока клапана представляет собой запирающий элемент, который в запирающем положении герметизирует седло клапана, а вторая часть - передающий штифт, который в первом отпирающем положении удерживает запирающий элемент на расстоянии от седла клапана.
В этом случае упомянутое выше щелевое уплотнение, предпочтительно, образовано передающим штифтом.
Во втором отпирающем положении запирающий элемент удален от седла клапана и передающего штифта, предпочтительно, в одном направлении. Запирающий элемент и передающий штифт разделены в осевом направлении гильзы зазором, заполненным гидравлической жидкостью.
Исполнительный элемент с целью передачи усилия на запирающий элемент может воздействовать на передающий штифт.
Предпочтительно, исполнительный элемент выполнен с возможностью пропорционального управления с тем, чтобы он мог стабильно занимать не только упорные положения, соответствующие первому отпирающему положению и запирающему положению, но и расположенные между ними положения. В результате, например, количественное управление расходом клапана или преобразование 3/2-ходового клапана в 3/3-ходовой клапан становится возможным за счет того, что можно настраивать положение штока клапана между первым отпирающим положением и запирающим положением, в котором либо все три патрубка отсоединены друг от друга, либо все три патрубка соединены друг с другом.
Поскольку в описываемом изобретением клапане избыточное давление в первом патрубке не может нагружать запирающий элемент в направлении запирающего положения, для этого, предпочтительно, предусмотрен по меньшей мере один первый упругий элемент.
Второй упругий элемент может воздействовать на передающий штифт, нагружая его в направлении запирающего положения. Благодаря поддержке второго упругого элемента уменьшается усилие, которое должен развивать первый упругий элемент для прижатия запирающего элемента к седлу клапана. Поэтому первый упругий элемент может иметь небольшие размеры и практически не препятствовать потоку гидравлической жидкости через клапан в отпирающем положении.
Исполнительный элемент и гильза клапана могут ограничивать камеру, в которую выходит канал, уравновешивающий давление. В частности, камера может быть образована путем вворачивания гильзы клапана в корпус исполнительного элемента.
Чтобы обеспечить быстрое и прямое действие избыточного давления во втором патрубке на запирающий элемент, целесообразен вариант, в котором запирающий элемент ограничивает полость в осевом направлении гильзы клапана.
Краткое описание чертежей
Прочие признаки и преимущества изобретения раскрываются в нижеследующем описании вариантов исполнения с учетом прилагаемых фигур, на которых изображено:
Фигура 1: разрез клапанного блока с двумя 3/2-ходовыми клапанами, описываемыми изобретением;
Фигура 2: вид одного из клапанов, показанных на фигуре 1, в аксонометрии;
Фигура 3: осевое сечение клапана-распределителя, показанного на фигуре 2;
Фигура 4: осевое сечение 2/2-ходового клапана;
Фигура 5: запирающий элемент согласно следующему варианту исполнения клапана.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 представлены два клапана-распределителя 1, описываемых изобретением, в типичном варианте применения. Каждый клапан-распределитель 1 содержит патрон клапана или гильзу 2 клапана, которая вкручена в сквозное отверстие 4 пластины 3 клапана, ориентированное в плоскости фигуры, и исполнительный элемент 40, расположенный вне пластины клапана. Пластина 3 клапана известным образом содержит два ориентированных перпендикулярно плоскости фигуры отверстия 5, 6, одно 5 из которых выходит в сквозное отверстие 4 между противоположными друг другу торцевыми сторонами 7 патрона 2 клапана с целью подведения гидравлической жидкости под высоким давлением от насоса к торцевым сторонам 7 клапана. Второе отверстие 6 соединено посредством отводящей трубки 8 с пролегающей вокруг патрона 2 клапана кольцевой камерой 9, предназначенной для отведения гидравлической жидкости под низким давлением в резервуар. Каждая из прочих кольцевых камер 10, окружающих патрон 2 клапана, соединена с патрубками 11 потребителей на пластине 3 клапана. Таким образом, кольцевые камеры 9, 10 образуют второй и третий патрубки клапана.
На виде в аксонометрии, представленном на фигуре 2, на торцевой стороне 7 гильзы 2 клапана виден центральный канал 13 и несколько сгруппированных вокруг него каналов 12. Каналы 12, 13 образуют первый патрубок клапана-распределителя 1, находящийся под высоким давлением, нагнетаемым насосом. Как показано на фигуре 2 пунктирными линиями III-III, осевое сечение, представленное на фигуре 3, пересекает клапан-распределитель 1 через один из каналов 12 (на верхней половине фигуры 3) и в пространстве между двумя каналами 12 (на нижней половине фигуры 3),
Как показано на фигуре 3, центральный канал 13 проходит по всей длине гильзы 2 клапана и содержит шток 14 клапана, состоящий из двух частей. Две части штока 14 клапана представляют собой запирающий элемент 15 и передающий штифт 16. Запирающий элемент 15 содержит цилиндрический стержень 15 и полусферу 18. Стержень 17 введен во входной участок канала 13, выходящий на торцевую сторону 7. Высокое давление, нагнетаемое насосом, воздействует через канал 13 на торцевую поверхность 37 стержня 17. К входному участку примыкает камера 19 большего диаметра, в которую выходят каналы 12. Седло 20 клапана образовано сужением канала 13 на стороне камеры 19, противоположной торцевой стороне 7. Сферическая поверхность 39 полусферы 18 герметично прижимается к седлу 20 клапана винтовой пружиной 21, помещенной в камеру 19.
Передающий штифт 16 содержит участок 22 поршня, который с малым допуском заполняет канал 13, и суженный участок 23, оконечность 38 которого соприкасается со сферической поверхностью 39 полусферы 18 по центру.
Полость 25 окружает суженный участок 23. Сквозные отверстия 26, соединяющие полость 25 с кольцевой полостью 10, образуют второй патрубок клапана-распределителя 1, С торцевой стороны 7 полость 25 ограничена полусферой 18. Третий патрубок образован сквозными отверстиями 27, которые выходят на сторону полости 25, противоположную полусфере 18, и соединяют ее с кольцевой полостью 9.
Параллельно каналу 13 расположен канал 28, проходящий через гильзу 2 клапана от камеры 19 до торцевой стороны 29, противоположной торцевой стороне 7. Эта сторона совместно с выполненным в виде стакана корпусом 30 исполнительного элемента 40, в который вкручена гильза 2 клапана, ограничивает вторую камеру 31, в которой магнитный якорь 32, приводящийся расположенной вне корпуса 30 электромагнитной катушкой, прилегает к торцевой поверхности 33 передающего штифта 16. Исполнительный элемент 40 может быть рассчитан на двойное действие, то есть, его магнитный якорь 32 будет иметь только два воспроизводимых настраиваемых упорных положения на концах пути своего перемещения, которые он будет занимать при подаче питания на электромагнитную катушку и при отключении питания. Предпочтительно, исполнительный элемент допускает пропорциональный режим работы, то есть, схема питания рассчитана таким образом, чтобы подавать на электромагнитную катушку ток различной силы, соответствующий воспроизводимым положениям магнитного якоря 32 между упорными положениями.
Канал 28 уравновешивает давление в камерах 19, 31, благодаря чему магнитный якорь 32 для перемещения штока 14 клапана должен преодолеть, по существу, только усилие пружины 21 и, в данном случае, пружины 34, прижимающей передающий штифт 16 к магнитному якорю 32. Поэтому избыточное давление на торцевой стороне 7 клапана-распределителя 1, которое может возникать, например, при воздействии внешней силы на потребитель, запитанный от канала 6 параллельно клапану 1, не может блокировать клапан-распределитель 1.
На участке 22 поршня предусмотрен паз 24, предназначенный для вхождения уплотнения узла с поступательным движением, герметизирующего полость 25 относительно камеры 31.
В положении, показанном на фигуре 3, камера 19 отделена от полости 25, благодаря чему гидравлическая жидкость из отверстия 5 не может протекать к отверстию 6 или патрубку 11 потребителя. Однако, поскольку сквозное отверстие 27 соединено с полостью 25, гидравлическая жидкость может поступать от патрубка 11 потребителя к отверстию 6. Когда передающий штифт 16 смещается от магнитного якоря 32 в направлении торцевой стороны 7, он поднимает запирающий элемент 15 с седла 20 клапана, в результате чего гидравлическая жидкость может протекать из отверстия 5 через камеру 19 в полость 25. Из полости 25 гидравлическая жидкость может поступать далее в кольцевую полость 10 и, наконец, в патрубок 11 потребителя. Кроме того, она может сливаться неиспользованной через сквозные отверстия 27 и кольцевую полость 9 в отверстие 6 и далее в резервуар, пока передающий штифт 16 не будет продвинут достаточно далеко для того, чтобы перекрыть сквозное отверстие 27.
На фигуре 4 представлен альтернативный вариант исполнения клапана-распределителя 1, отличающийся от 2/2-ходового клапана. По сравнению с фигурой 3 отсутствует сквозное отверстие 27, которое может быть заперто при перемещении передающего штифта 16, и относящаяся к нему кольцевая полость 9 на обечайке гильзы 2 клапана. Сквозное отверстие 26 и относящаяся к нему кольцевая полость 10 сохранены.
Еще одно отличие между конструкциями на фигурах 3 и 4 заключается в том, что на фигуре 4 гильза 2 клапана состоит из двух частей. Разумеется, конструкция, состоящая из двух частей, может быть использована и для 3/2-ходового клапана; основной элемент 35 гильзы клапана просверлен с торцевой стороны 7 до седла 20 клапана сверлом большего диаметра с целью формирования камеры 19. В отверстие запрессована крышка 36, поддерживающая винтовую пружину 21 и направляющая стержень 17 запирающего элемента 15.
На фигуре 4 центральный канал 13 проходит, в том числе, через крышку 36. В отличие от вида на фигуре, крышка 36 может также полностью перекрывать канал 13 и содержать глухое отверстие, открытое к камере 19 и служащее для установки стержня 17 запирающего элемента 15. В этом случае на торцевую поверхность 37 стержня 17 непосредственно воздействует не давление, прилагаемое снаружи к торцевой стороне 7, а давление в камере 19. Это может облегчить переключение клапана 1, в частности, в том случае, если вследствие высокого расхода давление в камере 19 будет ниже, чем на торцевой стороне 7.
На фигуре 5 представлен вид в аксонометрии альтернативного запирающего элемента 41, который можно применять в описанных выше клапанах-распределителях 1 вместо запирающего элемента 15 с целью облегчения пропорционального режима работы и/или преобразования 3/2-ходового клапана с отрицательным наложением в клапан с положительным наложением.
Запирающий элемент 41, аналогично запирающему элементу 15, содержит стержень 17 и полусферу 18, а также переходник 42, посаженный на полусферу 18 и входящий в полость 25. В данном случае переходник 42 содержит участок 43 в виде плоского цилиндра с наружным диаметром, который с небольшим допуском соответствует внутреннему диаметру полости 25. Этот переходник, когда запирающий элемент 41 поднимается с седла 20 клапана, образует со стенкой полости 25 щелевое уплотнение, ограничивающее поступление гидравлической жидкости из камеры 19 в камеру 25 пропорционально величине отклонения запирающего элемента 41. Пальцы 44, выступающие из цилиндрического участка 43, охватывают и направляют оконечность передающего штифта 16, проходящего между ними и не показанного на фигуре 5.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 клапан-распределитель
2 гильза клапана
3 пластина клапана
4 сквозное отверстие
5 отверстие
6 отверстие
7 торцевая сторона
8 отводящая трубка
9 кольцевая полость
10 кольцевая полость
11 патрубок потребителя
12 канал/первый патрубок
13 канал/первый патрубок
14 шток клапана
15 запирающий элемент
16 передающий штифт
17 стержень
18 полусфера
19 камера
20 седло клапана
21 винтовая пружина
22 участок стержня
23 суженный участок
24 паз
25 полость
26 сквозное отверстие/второй патрубок
27 сквозное отверстие/третий патрубок
28 канал
29 торцевая сторона
30 корпус
31 камера
32 магнитный якорь
33 торцевая сторона
34 пружина
35 основной элемент
36 крышка
37 торцевая поверхность
38 оконечности
39 поверхность
40 исполнительный элемент
41 запирающий элемент
42 переходник
43 цилиндрический участок
44 палец.