Гидрораспределители

Почти во всех современных машинах различного назначения имеются гидросистемы, в которых распределительные устройства являются одними из основных агрегатов. Среди распределительных устройств рабочих сред обширный класс составляют золот­никовые реверсивные распределители.

Золотниковый распределитель — устройство, в котором рас­пределение рабочей среды осуществляется с помощью осевого смещения цилиндрического или плоского распре­делительного органа. Рабочий элемент распределителей этого типа — цилиндрический золотник, который перемещается в Осевом направлении в цилиндре, имеющем камеры. Подвод и отвод рабочей среды осуществляются через отверстия в камерах.

В распределителях более сложной конструкции помимо осе­вых использованы также и поворотные движения плунжера во­круг оси, что значительно повышает их позиционность.

Настоящий подраздел посвящен проектированию и расчету только золотниковых распределителей с возвратно-поступатель­ным и поворотным движениями золотника, имеющих возврат­ную пружину и канал обратного слива. Такие гидрораспредели­тели применяют в гидропонных установках для выращивания растений. В качестве рабочей среды здесь используют растворы различных питательных веществ в необходимой концентрации, поэтому в дальнейшем изложении под рабочей средой мы будем подразумевать питательный раствор.

К особенностям рассматриваемых распределителей относится наличие:

возвратной пружины для надежного перемещения золотника в исходное положение;

канала, обеспечивающего обратный слив питательного рас­твора от потребителей одновременно с последовательной пода­чей его;

встроенного механизма поворота золотника с системой сигна­лизации о порядке подачи питательного раствора к потребите­лям.

Кроме того, можно назвать использование для привода рас­пределителя только энергии подводимого от насоса питательного раствора без каких-либо других посторонних источников энер­гии.

Основные конструктивные элементы такого распределителя:

цилиндр с окнами для подвода и отвода питательного раствора;

золотник с каналами подачи и обратного слива; возвратная пру­жина с упорной кольцевой пятой; шток с опорой скольжения и механизм поворота золотника.

Принцип действия. Принципиальная схема золотникового рас­пределителя с возвратной пружиной, каналом обратного слива и встроенным механизмом поворота золотника показана на рис. 8.4.

Питательный раствор, подаваемый от насоса в подзолот-никовую полость цилиндра 1 через отверстие 14, создает давление на золотник 2, который, перемещаясь по стрелке Б, сжимает возвратную пружину 4. Поступательное переме­щение золотника происходит с одновременным вращением его под действием механизма поворота, состоящего из гайки 6 с фиксатором 7 и вспомогательной пружины 8. В конце движения канал 3 золотника совпадет с одним из окон 11 цилиндра, после чего питательный раствор начнет поступать к одному из потребителей. Одновременно питательный раствор от остальных объектов потребления через канал 12 и окна 15 и 5 начнет сливаться в резервуар. После окончания процесса подачи питательного раствора насос отключается и давление на золотник уменьшается. Под действием возвратной пружины, воздействующей на золотник при помощи кольцевой пяты 13, золотник и жестко связанная с ним при помощи штока 10 (перемещающегося в опоре скольжения 9) гайка механизма поворота возвращаются в исходное положение, а питательный раствор из подзолотниковой полости цилиндра сливается в резервуар.

КПД распределителя зависит от конструкции и материалов уплотняющих устройств, поэтому к ним предъявляются особые требования. Уплотнение золотника и штока должно быть надеж­ным, чтобы исключить перетекание и утечки питательного рас­твора из рабочих полостей. В то же время сопротивление движению золотника, создавае­мое уплотнительными устрой­ствами, должно быть мини­мальным.

К основным задачам, ко­торые должны быть решены при проектировании и расчете распределителя, относятся:

выбор основных параметров распределителя и подбор ра­ционального механизма пово­рота золотника и направляю­щих прямолинейного движе­ния; расчет возвратной пружины с кольцевой пятой;

Рнс. 8.4. Принципиальная схема золот­никового распределителя с возвратной пружиной, каналом обратного слева и встроенным механизмом поворота зо­лотника

выбор уплотняющих и фильтрующих устройств, конструкционных и уплотнительных мате­риалов; расчет на прочность и жесткость элементов конструк­ции распределителя, а также энергетических затрат на привод распределителя.

Должны быть также решены задачи по определению угловых ошибок при совмещении канала подвода золотника с отводящим окном, по детальному расчету механизма поворота, определению гидравлических потерь и т. д.

Большинство перечисленных задач при решении требуют самостоятельных специальных исследований, поэтому в настоя­щей работе затронуты только те вопросы, которые могут быть решены с позиций общепринятых расчетов для гидравлических устройств.

Основными параметрами, которые характеризуют работу рас­пределителя и которые должны быть заданы при проектирова­нии, являются: давление питательного раствора pi (Па) на входе в распределитель; объемный (при давлении pi) расход Q (м/с) питательного раствора на один объект; число объектов % темпе­ратура питательного раствора Т (°С) на входе в распределитель;

время /I (с) подачи питательного раствора к объекту; время ti (с) слива питательного раствора.

Площадь поперечного сечения отводящего окна. Выражение для расхода Q (м/с) жидкости при истечении через отверстие имеет вид

где н — коэффициент расхода; s — площадь поперечного сечения отверстия, м;

g —ускорение свободного падения, м/с; Я—напор (высота столба жидкос­ти), м.

Обычно питательный раствор от распределителя отводится к объектам потребления по трубопроводам, т. е. истечение его происходит через внешний цилиндрический насадок.

При длине насадка, равной трем (или более) диаметрам от­верстия (окна), и острой входной кромке (на зеркале цилиндра распределителя) коэффициенты расхода и сопротивления имеют следующие значения:

И =0,82;;; =0,50,

где ^—коэффициент сопротивления, учитывающий местные гидравлические потери.

Подставляя в формулу (10.1) выражение

s = •nif'/A,

где D — диаметр отводящего окна, м, получим

Последнее равенство (8.2) перепишем иначе и получим ос­новную расчетную формулу для определения диаметра отводяще­го окна

(8.3)

или, заменив Н= Ар/у,

(8.4)

где р = р\ — рг— потеря давления. Па; pi — давление питательного раствора на входе ~в распределитель. Па, рг — давление питательного раствора на выходе из распределителя, Па; у — удельный вес жидкости, Н/м.

Формулу (8.4) используют для определения диаметра отводя­щего окна в тех случаях, когда задан перепад давления питатель­ного раствора в распределителе.

Проходное сечение канала подвода в золотнике. Учитывая вредное влияние гидравлических потерь давления, все проходные сечения распределителя выбирают так, чтобы сделать эти потери минимальными. В тех случаях, когда потери зависят от наличия каких-либо вспомогательных элементов (например, фильтров или обратных клапанов, которые иногда монтируют в распреде­лителях), они должны быть учтены при расчете проходных сече­ний.

В распределителях с поворотным золотником необходимо учесть также неточность совмещения сечения канала подвода с сечением отводящего окна. Практически проходное сечение ка­нала подвода выбирают несколько больше сечения отводящего окна.

Анализ существующих конструкций показал, что можно при­нять следующую зависимость:

2)i=(l,05...1,l)A (8.5) где D\ — диаметр канала подвода золотника, м.

С целью устранения деформации потока и потерь напора канал подвода в золотнике выполняют прямолинейным, причем сечение его по длине должно быть постоянным.

В случаях, когда выполнение в золотнике прямолинейного канала невозможно, направление его изменяют плавно с мини­мальным радиусом, равным примерно трем диаметрам канала подвода.

Проходное сечение окна подвода в цилиндре (корпусе) распре­делителя. При совершении золотником рабочего хода сечения канала подвода в золотнике и окно отвода цилиндра постепенно совмещаются, при этом давление раствора в подзолотниковой полости сильно падает.

При неправильном выборе соотношения между сечениями окна подвода в цилиндре и канала подвода в золотнике это падение давления будет настолько большим, что золотник может не дойти до положения ВМТ (верхней мертвой точки), и полно­го совпадения сечения канала подвода в золотнике с сечением окна отвода в цилиндре не произойдет.

Чтобы избежать этого, как показали проведенные на ряде распределителей эксперименты, необходимо принимать следую­щее соотношение между сечениями канала подвода в золотнике и окна подвода в цилиндре распределителя:

(8.6)

где di — сечение окна подвода, м.

Проходное сечение окна обратного слива. Конструкция рас­пределителя, изображенного на рис. 8.5, обеспечивает посто­янный одновременный обратный слив питательного раствора от объектов потребления в резервуар через окно обратного слива. В положении НМТ (нижней мертвой точки) золотника слив происходит одновременно от всех потребителей, на которые работает распределитель, а в положении ВМТ слив производится от числа потребителей, равного г— 1, где г— число потребителей, или число отводящих окон цилиндра распределителя.

Для практических расчетов можно принять, что обратный слив питательного раствора происходит одновременно от всех объектов независимо от положения золотника, так как время нахождения золотника в ВМТ (т. е. время подачи питательного раствора к одному из объектов) обычно невелико и им можно пренебречь.

Справедливость такого до­пущения оправдывается тем, что выбранная таким образом расчетная площадь поперечно­го сечения окна обратного слива оказывается несколько

Рис. 8.5. Схема расположения распре­делителя в гидропонной установке:

/—потребители; 2— распределитель; 3— окно обратного слива, 4 — резервуар

больше действительной, что является целесообразным с точки зрения уменьшения влияния вредных гидравлических потерь.

Теоретическая скорость (м/с) истечения жидкости из резер­вуара

«теор = ^2gH, (8.7)

где If— высота столба жидкости между центром отводящего окна и уровнем в гидропонной установке, м.

Расход Q\ через площадь поперечного сечения s\ окна обрат­ного слива определится как произведение скорости истечения на площадь окна:

(8.8)

Подставляя выражения для Q\ и s\ в формулу (8.8) и решая ее относительно -Оз, получим

(8.9)

Габаритные размеры распределителя в значительной мере за­висят от размеров окна обратного слива, поэтому очень важно выбрать оптимальное положение распределителя по отношению к потребителям (к стеллажам гидропонной установки), т. е. вы­брать оптимальное значение величины Н, определяющей дейст­вительную скорость обратного слива питательного раствора.

В связи с этим требования по уменьшению времени обратно­го слива и, следовательно, увеличению его скорости следует предъявлять обоснованно.

Эффективная площадь золотника. Размеры золотника можно определить из условия равновесия сил, действующих на него во время работы распределителя.

При постоянной поступательной скорости золотника проек­ция сил, приложенных к золотнику, на вертикальную ось удов­летворяет условию равновесия

(Р\ -рз) Рэф - Дпр - G- Ti - T-i - Тз - 74 - Г5 = 0, (8.10)

где pi — давление питательного раствора на входе в распределитель (в подзолот-никовой полости). Па; рз — давление питательного раствора в надзолотниковой полости (в полости обратного слива), Па; йф — эффективная площадь золотни­ка, м" S„p — усилие возвратной пружины, Н; G — масса подвижных частей (зо­лотника, штока, гайки механизма поворота, пяты пружины), кг; Т\, Ti, Тз, 74, 7s — сила трения соответственно золотника в цилиндре, в уплотняющем устрой­стве штока, в механизме поворота, в кольцевой пяте опоры возвратной пружины, в подшипнике скольжения штока, Н

Введем обозначение

7Х=Г1+Г2+Гз+Г4+Г5, где 7^ — суммарная сила трения, Н.

Решая уравнение (8.10) относительно -Рэф и заменяя силы Трения суммарной силой, получаем

Рэф = (5пр + G + l)/(pi - рз). (8.11)

Из соотношения (8.11) следует, что для определения эф­фективной площади поперечного сечения золотника необхо­димо знать усилие возвратной пружины, вес перемещающихся элементов конструкции распределителя, суммарную силу трения и перепад давления на золотнике. Для ориентировочных подсчетов силы трения можно определить из следующих соотношений:

(8.12)

где Т\ — сила трения, приложенная ко всей боковой поверхности золотника, Н; Ь — радиус золотника, м; h — ширина зазора между золотником и цилиндром (корпусом), м

(8.13)

где fy, fu, fn — коэффициент трения соответственно в уплотняющем устройстве штока, в механизме поворота золотника, в подшипнике скольжения штока, R — усилие вспомогательной пружины в механизме поворота (боковая нагрузка), Н.

Коэффициенты fy. Ум и fn зависят от материала подвижных элементов распределителя, материала уплотняющих устройств и чистоты обработки трущихся поверхностей.

Трение в опорной кольцевой пяте возвратной пружины ори­ентировочно можно подсчитать по формуле

Т4 =Уо 5цр, где fo — коэффициент трения в кольцевой пяте

(8.14)

Подробно трение в опорной кольцевой пяте будет рассмотре­но в разделе работы, касающемся вопросов расчета возвратной пружины.

В связи с тем что точное определение величины силы суммар­ного трения невозможно, из практических соображений действие суммарной силы трения можно заменить увеличением площади поперечного сечения золотника, т. е. принять

(8.15)

Выражение (8.15) можно преобразовать, выразив площадь 259

через диаметр, и получить основную формулу для подсчета диа­метра золотника:

(8.16)

где D4 — диаметр золотника, м.

Подсчитанный таким образом диаметр золотника должен быть проверен, исходя из геометрических соотношений в золот­нике, которые определяются равенством

7tZ>4 = zD + az, (8.17)

где z — число объектов потребления, равное числу отводящих окон цилиндра распределителя; D — диаметр отводящего окна, м; а — ширина стенки между от­водящими окнами цилиндра (корпуса) распределителя, м.

Величину а (рис. 8.6) выбирают в зависимости от диаметра канала подвода в золотнике и от числа, размеров и количества уплотняющих канавок вокруг канала подвода на боковой поверх­ности золотника.

Ранее было показано, что Di = (1,05...1,10)Z> [см- (8.5)]. Решая уравнение (8.17) относительно Z>4, получим

(8.18)

Из двух значений Z>4, подсчитанных по формулам (8.16) и (8.18), в дальнейших расчетах принимают большее значение.

Длина (высота) золотника. Чтобы предотвратить заклинивание золотника в цилиндре распределителя, длину его направляющей части принимают равной (1,5.-.2)2)4.

Золотник должен свободно перемещаться из любого своего положения в цилиндре под действием собственного веса, если цилиндр распределителя расположить вертикально.

Ход золотника. Золотник распределителя с помощью штока жестко связан с гайкой механизма поворота, поэтому ход h золотника (поступательное °1 ^ перемещение вдоль вертикаль­ной оси) равен ходу h' гайки поворота, а угловые перемеще­ния при этом ходе также оди­наковы.

Рис. 8.6. К определению геометричес­ких соотношении в золотнике:

/ — цилиндр; 2— уплотнительная канавка

Рис. 8.7. Схема к расчету хода золотника:

д — гайка механизма поворота, б— развертка винтовой линии гайки механизма поворота

Гайку механизма поворота выполня­ют в виде цилиндра с многозаходной резьбой, в винтовых канавках которой перемещается подпружиненный фикса­тор.

За ход h' (рис. 8.7) гайка механизма поворота должна повернуться на угол 360°/г или пройти путь nd/z, где z— число объектов потребления; d — диа­метр гайки механизма поворота, м.

По развертке винтовой линии гайки механизма поворота определяем, что

(8.19)

= tgv,

(xrf/г) -^ет' где \(/ — угол подъема винтовой линии, град

Решая уравнение (8.19) относительно h', получим

h' = Tiuf/ztgvi/. (8.20)

Известно, что оптимальное значение угла подъема винтовой линии, обеспечивающее максимальное значение коэффициента полезного действия винтовой пары,

V'=45°-(p/2), (8.21)

где у' — оптимальное значение угла подъема винтовой линии, град; р — угол трения, град.

Подставляя выражение (8.21) в формулу (8.20), получаем

h' =^(45°

р) Г-

(8»22)

Аналогично можно записать, что путь, пройденный центром отверстия канала подвода на боковой поверхности золотника,

l3=nD4/Z, (8.23) где Z>4 — диаметр золотника, м.

Подставляя выражение (8.23) в формулу (8.22) и заменяя ход 261

h' гайки механизма поворота поступательным ходом h золотника, получаем формулу для расчета последнего:

h =^1в(4У (8.24) .4) 2"

где h — ход золотника, м.

Условие работы механизма поворота золотника. Как отмеча­лось ранее, механизм поворота золотника состоит из гайки с многозаходной прямоугольной резьбой, контактирующей с под­пружиненным фиксатором.

Для обеспечения работы механизма поворота золотника необ­ходимо, чтобы выполнялось условие Q > %, где Q — сила, дви­жущая (поворачивающая) золотник, H; 7^ — суммарная сила трения.

Как определять суммарную силу трения, было показано выше, а здесь мы рассмотрим соотношение сил для прямоугольной резьбы винтовой пары. Связь между силой Q (H), поворачиваю­щей золотник (рис. 8.8), и нагрузкой Р (H), действующей по оси винта, выражается уравнением

0=Ag(^+p), (8.25) где \|/ — угол подъема винтовой линии, град, р — угол трения, град

Сила Q приложена на плече г — среднем радиусе резьбы, по среднему диаметру резьбы dcp. Осевая нагрузка

(8.26)

где pi — давление раствора на входе в распределитель. Па; Рэф — эффективная площадь золотника, м.

Подставляем выражение (8.26) в формулу (8.25) и получаем Q=PlF^te(\y+P). (8.27)

Коэффициент полезного действия г| выражается следующим соотношением (для винтовой пары механизма поворота золотни­ка в случае движения его вверх к положению • - ВМТ):

П = tg4//tg (ч/ + р).

Рис. 8.8. Схема к определению соотношения сил в механиз­ме поворота золотника

Рис. 8.9. Схема сил, действующих на шток золот­ника:

7 — шток; 2 — направляющая штока (подшипник сколь­жения)

Максимальное значение т)тах коэффи­циента полезного действия винтовой пары достигается при оптимальном зна­чении угла подъема винтовой линии, равном

Ч/=45° —р/2.

При этом наивыгоднейшем угле подъ­ема винтовой линии коэффициент полез­ного действия винтовой пары механизма поворота золотника равен

(8.28)

^р) I''

Направляющие для прямолинейного движения штока (подшип­ник трения скольжения). При конструировании направляющих необходимо обеспечить исключение возможного перекашивания штока, которое приводит к его заклиниванию (защемлению в подшипнике скольжения).

При работе распределителя на шток золотника действуют сле­дующие силы (рис. 8.9); осевая нагрузка Р (H), усилие вспомога­тельной пружины в механизме поворота золотника R (H) и реак­ции опор М и ni.

Переносим действующие силы в точку на оси штока и, скла­дывая, получаем силу F', направленную под углом а и передви­гающую шток вдоль направляющей. При работе направляющих по схеме, показанной на рис. 8.9, силы R = P'sin а и Р= P'cos а.

Чтобы избежать заклинивания, необходимо выполнение усло­вия

P'cosa>(M +N2) ц, (8.29)

ще ^ — коэффициент трения скольжения.

Проектируя все силы на вертикальную ось и составляя урав­нения моментов относительно кромки отверстия, где приложена сила М, получим два уравнения с двумя неизвестными ni и nt.

N\ = N2 + Р 'sin a;

откуда

М = Т 'sin a (h + l)/l;

N'2=P'sma.(h/l).

Подставив найденные значения М и N-i в выражение (8.29), получим

P'cosa> P'sm²'¹-¹-^,

откуда

^(З^-Обозначая отношение плеч /: h = X, имеем

^tga<^-или

lyitga I — (Atg a'

Принимая А. равной какой-либо определенной величине в зависимости от материала трущихся поверхностей, чистоты обра­ботки поверхности и условий смазки, можно получить зависи­мость Х от а.

Теория и опыт показывают, что при правильном выборе ма­териалов трущихся поверхностей и чистоты их обработки коэф­фициент можно принимать равным ц = 0,2.

Для ц =0,2 зависимость \=l/h от а дана на рис. 8.10.

Для получения заклинива­ния надо ^ приравнять беско­нечности, откуда

4h 8 б4 3 1,6 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0.2 0.1
						№
						^
					^
				/
			/

tga<

(0+1) ц'

т. е. ptg a < 1 или для ц = 0,2 tg a < 0,5, откуда a < 78°. Таким образом, при угле as 78° направляющие (при ц = 0,2) работать не будут.

О 10 20 30 40 50 60 70 а Рис. 8.10. Зависимость W/A от a

Если на шток золотника действует осевая нагрузка Р и сила вспомогательной пружины R, то для перемещения штока сум­марной силой Р' (H), приложенной под углом к линии движе­ния стержня, необходимо, чтобы

р

Р'=

(8.30)

cosa-

где Р', I, h и с — размеры, м

Расчет возвратной цилиндрической пружины сжатия. Расчет сводится к определению диаметра d проволоки, из которой изго­товлена пружина, определению среднего диаметра Dcp пружины, числа п рабочих витков, а также к построению характеристики пружины, т. е. графической зависимости между нагрузкой и де­формацией.

Пружину приближенно рассчитывают на кручение, считая, что нагрузка S (H) направлена вдоль оси пружины и вызывает в поперечном сечении проволоки крутящий момент, равный

М= S(Dcp/2).

Наибольшие касательные напряжения ттах в крайних точках сечения определяют по формуле

Ттах = М/ Wp, где W, — полярный момент сопротивления, м³

Для круглых сечений ]Vp=nd^/l6. Тогда условие прочности

8^Дср. п

тпих=—j-> m,

ЯД

где [т] — допускаемое напряжение кручения, Н/м

(8.31)

Для более точного расчета пружины в формулу (10.31) вводят коэффициент К, учитывающий кривизну витка и влияние по­перечной силы.

Тогда формула (8.31) принимает вид

^J^M. (8-32)

яа

где S— сила, H; Dcp и d — соответственно средний диаметр пружины и диаметр проволоки, м.

Отсюда можно найти максимальную (конечную) допускаемую рабочую нагрузку (H)

(8.30

По этой формуле, задаваясь нагрузкой sk, можно подобра-п, диаметр проволоки d, если известен средний диаметр пружин ы Z>cp, или диаметр пружины Дер, если выбран диаметр проволоки //

В случаях, когда d и Дер одновременно выбирают по кои структивным соображениям, по формуле (8.33) определяют до пускаемую максимальную рабочую нагрузку 5к.

Допускаемое сжатие (деформация) одного витка j\ (м) опреде ляют из равенства работ внешней силы (нагрузки) Sn и момент: i кручения М, действующего в сечении пружины, и подсчитываю! по формуле

л _ я-ОсрМ ^л ~ GdK '

где G — модуль сдвига; для стали G = 8000 Н/м².

(8.34)

Коэффициент К определяют из следующей зависимости:

у_4С—1, 0,615

Дата добавления: 2014-01-03