БЛОК КЛАПАНОВ

Изобретение относится к области машиностроительной гидравлики и предназначена для регулирования потока жидкости в объемных гидроприводах, особенно, в условиях эксплуатации при низких температурах.

Известен тормозной клапан, запирающий и регулирующий поток, представляющий собой блок клапанов двух типов - регулирующего и предохранительного клапанов. Информация о данном клапане содержится в каталоге фирмы Mannesmann Rexroth №27 551/03.92 и на сайте http://www/boschrexroth.com/busines_units/brm/subwebsites/brm_catalogen/ Mobile_Controls/Mobile_Valves/xM_brm_61444.jsp. Тормозной клапан, запирающий и регулирующий поток типа FD серии 2Х.

Недостатком является его сложность, обусловленная сложностью установки и уплотнения седел обратных клапанов: седло разгружающего клапана устанавливается на дне (внутри) главного обратного клапана, а выполнение точных глухих поверхностей представляет значительную технологическую трудность. Данная проблема является весьма существенной, принимая во внимание то обстоятельство, что точность регулирования определяется в первую очередь качеством выполнения поверхностей обоих обратных клапанов.

Известен также блок клапанов, содержащий регулирующий клапан и предохранительный клапан, при этом, вход предохранительного клапана соединен с выходным отверстием регулирующего клапана, а выход предохранительного клапана соединен со сливом (см. RU №2312266 F16K 17/04, 2007).

Недостатком является его конструктивная сложность и невозможность обеспечения надежной работы гидропривода в условиях его эксплуатации при низких температурах.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, упрощение конструкции, а также обеспечение возможности надежной работы гидросистемы оборудования, эксплуатируемого при низких температурах.

Технический результат, проявляющийся при решении заявленной задачи выражается в обеспечении плавного включения гидравлической системы по мере ее прогрева, что исключает резкие перепады давлений и температур рабочей жидкости и, соответственно, снижает износ ее компонентов и расходы на запасные части.

Для решения поставленной задачи, блок клапанов, содержащий регулирующий клапан и предохранительный клапан, при этом, вход предохранительного клапана соединен с выходным отверстием регулирующего клапана, а выход предохранительного клапана соединен со сливом, отличается тем, что регулирующий и предохранительный клапаны установлены на одной платформе, в объеме которой выполнен фигурный канал, содержащий, снабженный фитингами, соосные концевые участки и параллельный им канал, соединенные первым и вторым отводами, лежащими в одной плоскости с фигурным каналом, при этом, отводы продолжены первым и вторым каналами, выполненными до выхода на поверхность платформы, причем, между первым и вторым каналами выполнен третий канал, сообщающий поверхность платформы и полость фигурного канала, кроме того, первый канал выполнен с возможностью фиксации в нем, в качестве регулирующего, электромагнитного клапана, выполненного с возможностью перекрытия первого отвода, тогда как второй канал выполнен с возможностью фиксации в нем предохранительного клапана, выполненного с возможностью перекрытия второго отвода, а третий канал выполнен с возможностью фиксации в нем заглушки или фитинга рукава высокого давления энергоаккумулятора, кроме того, в гидравлическом баке гидросистемы установлен датчик температуры гидравлической жидкости, выполненный с возможностью подачи управляющего сигнала на электромагнитный клапан. Кроме того, участки фигурного канала и поверхность платформы параллельны. Кроме того, в качестве рабочего агента энергоаккумулятора использован азот.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствий заявленного решения критерию «новизна».

Совокупность признаков формулы изобретения обеспечивает упрощение конструкции, и обеспечивает возможность надежной работы гидросистемы оборудования, эксплуатируемого при низких температурах. При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «регулирующий и предохранительный клапаны установлены на одной платформе» обеспечивают возможность упрощения конструкции и минимизации ее габаритов.

Признаки указывающие, что в объеме платформы «выполнен фигурный канал, содержащий, снабженный фитингами, соосные концевые участки и параллельный им канал, соединенные первым и вторым отводами, лежащими в одной плоскости с фигурным каналом» обеспечивают коммутацию предохранительного и регулирующего клапанов, с возможностью подключения энергоаккумулятора. При этом, наличие снабженных фитингами, соосных концевых участков обеспечивают коммутацию блока клапанов с гидравлическим баком гидросистемы.

Признаки указывающие, что «отводы продолжены первым и вторым каналами, выполненными до выхода на поверхность платформы», обеспечивают возможность подключения предохранительного и регулирующего клапанов к фигурному каналу платформы.

Признаки указывающие, что «между первым и вторым каналами выполнен третий канал, сообщающий поверхность платформы и полость фигурного канала, обеспечивают возможность подключения энергоаккумулятора к фигурному каналу платформы.

Признаки указывающие, что «кроме того, первый канал выполнен с возможностью фиксации в нем, в качестве регулирующего, электромагнитного клапана, выполненного с возможностью перекрытия первого отвода» обеспечивают подключение регулирующего клапана к входному участку фигурного канала платформы.

Признаки указывающие, что «второй канал выполнен с возможностью фиксации в нем предохранительного клапана, выполненного с возможностью перекрытия второго отвода» обеспечивают подключение предохранительного клапана к выходному участку фигурного канала платформы.

Признаки указывающие, что «третий канал выполнен с возможностью фиксации в нем заглушки или фитинга рукава высокого давления энергоаккумулятора» обеспечивают возможность подключения энергоаккумулятора.

Признаки указывающие, что «в гидравлическом баке гидросистемы установлен датчик температуры гидравлической жидкости, выполненный с возможностью подачи управляющего сигнала на электромагнитный клапан» позволяют сбрасывать на слив часть гидравлической жидкости из гидравлической системы, пока она не прогреется настолько, чтобы ее вязкость снизилась до нормальных рабочих параметров.

Признаки указывающие, что «участки фигурного канала и поверхность платформы параллельны» упрощают организацию примыканий к платформе под оптимальным углом, регулирующего и предохранительного клапанов, а также заглушки или фитинга рукава высокого давления энергоаккумулятора.

Признаки указывающие, что «в качестве рабочего агента энергоаккумулятора использован азот» повышают безопасность работы энергоаккумулятора, поскольку исключают опасность возгорания гидравлической жидкости при аварийном контакте с рабочим агентом энергоаккумулятора.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлен разрез по платформе; на фиг. 2 показана принципиальная схема устройства.

На чертежах показаны регулирующий клапан 1, предохранительный клапан 2, платформа 3, фигурный канал, содержащий, соосные концевые участки 4 и параллельный канал 5, соединенные первым 6 и вторым 7 отводами, первый 8, второй 9 и третий 10 каналы, концевые фитинги 11, фитинг рукава высокого давления 12, энергоаккумулятор 13, гидравлический бак 14 гидросистемы, датчик температуры гидравлической жидкости 15, управляющее реле 16 электромагнитного клапана (регулирующего клапана 1), напорный канал 17 гидросистемы, обратный клапан 18.

Блок клапанов содержит регулирующий (электромагнитный) клапан 1 и предохранительный клапан 2, при этом, вход предохранительного клапана 2 соединен с выходным отверстием регулирующего клапана, а выход предохранительного клапана 2 соединен со сливом, сообщенным с гидравлическим баком 14 гидросистемы. Регулирующий 1 и предохранительный 2 клапаны установлены на одной платформе 3, в объеме которой выполнен фигурный канал, содержащий, снабженные концевыми фитингами 11, соосные концевые участки 4 и параллельный им канал 5, соединенные первым 6 и вторым 7 отводами, лежащими в одной плоскости с фигурным каналом. Отводы 6 и 7 продолжены, соответственно, первым 8 и вторым 9 каналами, выполненными до выхода на поверхность платформы 3, при этом, участки фигурного канала и поверхность платформы 3 параллельны.

Между первым 8 и вторым 9 каналами выполнен третий канал 10, сообщающий поверхность платформы и полость фигурного канала (на участке параллельного канала 5).

Первый канал 8 выполнен с возможностью фиксации в нем, в качестве регулирующего клапана 1 - электромагнитного клапана, выполненного с возможностью перекрытия первого отвода 6, тогда как второй канал выполнен с возможностью фиксации в нем предохранительного клапана 2, выполненного с возможностью перекрытия второго отвода 7.

Третий канал 10 выполнен с возможностью фиксации в нем заглушки или фитинга рукава высокого давления 12 энергоаккумулятора 13 (в качестве его рабочего агента использован азот).

Объединение клапанов 1 и 2 в один моноблок позволяет значительно сократить геометрические размеры конструкции и упростить работы по монтажу системы. Так же, в моноблоке можно произвести сверление дополнительных каналов для подключения дополнительного оборудования (к примеру, для удобства измерения показателей гидравлического потока) и для усовершенствования конструкции. При необходимости, не задействованные отверстия можно закрыть заглушками.

В гидравлическом баке 14 гидросистемы установлен датчик температуры гидравлической жидкости 15, выполненный с возможностью подачи управляющего сигнала на электромагнитный клапан (регулирующий клапан 1).

В основе конструкции лежат следующие соображения. Эксплуатация горно-промышленной техники включает в себя ряд задач, связанных с бесперебойной работой всех узлов машины для выполнения производственных нужд. В условиях Крайнего Севера машины подвергаются воздействию агрессивной среды, где преобладают низкие температуры. Итогом эксплуатации в таких условиях являются отказы узлов и агрегатов в самый холодный период времени года.

Не менее важный аспект выхода из строя гидравлической системы - неквалифицированная эксплуатация. Зачастую технику включают в работу без надлежащего прогрева систем (особенно касается буровых станков).

Помимо неквалифицированной эксплуатации техники, на ее отказы влияют конструктивные особенности конструкций (техника оснащается новыми системами электронного управления, что позволяет сократить затраты на производство запасных частей, габаритные размеры, сократить общую массу машины), это ведет к применению электромагнитных клапанов, управляющих давлений и сокращению диаметров каналов, что, в свою очередь, создает проблему пропускной способности и ресурса деталей.

Так, выявлено, что в зависимости от режимов эксплуатации, элементы гидравлической системы отказывают в различном порядке. При температурах ниже -30°C, чаще всего выходят из строя рукава высокого давления, уплотнения гидравлических цилиндров и моторов. При продолжительной работе при температуре в промежутке с -30°C до -20°C, чаще всего выходят из строя гидравлические насосы. Так же, в этом диапазоне температур, обнаружено кавитационное воздействие на гидравлические клапаны, резко снижающее их ресурс.

Причиной выхода из строя рукавов высокого давления, уплотнений гидравлических цилиндров и моторов, является разница плотности гидравлической жидкости. Дело в том, что при запуске системы, новая порция жидкости от аксиально-поршневого насоса поступающая в полость исполнительных элементов, вытесняет предыдущую, имеющую несколько меньшую температуру и, как следствие, более плотную структуру. Эта холодная порция не успевает покинуть полость исполнительного органа через отверстие с определенным диаметром, ведущее к магистрали слива в гидравлический бак. В результате чего, в системе растет давление. Плотный, холодный поток жидкости прогревается в процессе попадания его в аксиально-поршневой насос и внутренних сопротивлений при сжатии. Но для достижения рабочей температуры требуется время. За это время исполнительные элементы подвергаются чрезмерным нагрузкам. Их слабым звеном являются уплотнения и рукава высокого давления.

При резком возрастании давления (например, при неквалифицированной работе оператора, аварийном или обеспечивающем безопасность персонала перемещении исполнительных органов), ресурс сокращается еще быстрее, либо приводит к моментальному выходу из строя.

Причиной выхода из строя гидравлических насосов является постоянное воздействие больших нагрузок, от чего возникают неравномерный нагрев конструкции. Полость плунжера при сжатии плотного потока нагревается, локально нагревая жидкость, покрывающее стенки плунжера. Этот тонкий слой в перегретом состоянии теряет смазывающие свойства и ведет к износу. Также, нагретый и расширенный плунжер находится в холодном корпусе насоса, что сокращает зазоры сопряженных прецизионных пар и так же сокращает ресурс. В некоторых случаях, быстрый нагрев жидкости (особенно при эксплуатации гидравлического масла с вязкостью по ISO VG 46 и выше) в холодном насосе ведет к его заклиниванию.

Кавитационное воздействие на гидравлические клапаны вызвано протеканием гидравлической жидкости через сужающееся отверстие клапана. Чрезмерно возросшее давление масла при прохождении через острые грани отверстия клапана вызывает образование газовых пузырьков и их схлопывании на поверхности. Такой эффект снижает ресурс узла.

Постепенное изнашивание сердечника гидравлического клапана приводит к его вибрации при работе. В блоках управления и распределения вибрация приводит к пульсации выходного потока. Возрастающее давление в полости исполнительных органов принимает пульсирующий характер, усугубляя негативное воздействие. Резонанс поверхности от пульсации гидравлического масла под высоким давлением, в конечном итоге, приводит к выкрашиванию и образованию трещин поверхности.

Применение электро-магнитных клапанов и управляющего давления увеличивает вероятность выхода из строя элементов гидравлической системы. Т.к. сечение каналов управления малого диаметра, холодный поток гидравлической жидкости не может создать необходимых условий управления. Создаваемый «подпор» холодной жидкости челночных клапанов создает не своевременное включение исполнительных органов. Что может привести к аварийным ситуациям.

Современные машины с гидравлическим оборудованием имеют разные рабочие диапазоны давления гидравлической жидкости, что определяет размеры сечений каналов гидравлических магистралей и оборудования. Наиболее часто используемые размеры каналов - 1/2'', 5/8'', 3/4'', 1'', 1-1/2'', 1-3/4''. Переходники любых размеров для монтажа моноблока доступны в продаже. Но, чтобы исключить эффект "дросселирования", необходимо чтобы сечения внутренних каналов блока клапанов, соответствовали сечениям входных и выходных отверстий гидравлической системы. Следовательно, невозможно изготовить универсальный блок клапанов. Необходимо изготовлять блоки для каждого из названных основных типоразмеров гидравлических систем различных машин.

Заявленное устройство работает следующим образом. При температуре гидравлической жидкости ниже -10°C регулирующий клапан 1 открыт, возвращая через предохранительный клапан 2 в гидравлический бак 14 гидросистемы поток с давлением, значение которого превосходит максимально заданное техническими настройками системы, регулирующий клапан 1 обеспечивает распределение потока жидкости на рабочий (для выполнения производственных задач машины) с необходимым давлением и возвратный в гидравлический бак 14 с излишним. Температурный контроль осуществляется датчиком температуры гидравлической жидкости 15, установленным в гидравлическом баке 14 и подающим сигнал на электрическую схему управляющего реле 16, питающегося напряжением основной электрической цепи горной машины (24 вольта). В заданных условиях сопротивлений датчика, реле подает напряжение на катушку регулирующего клапана 1.

В итоге давление гидравлической жидкости независимо от ее температуры будут поддерживаться в необходимых пределах. Кроме того, возвращаемый поток ускорит прогрев жидкости.

При низких температурах гидравлической жидкости, блок клапанов играет демпфирующую роль в работе системы. Холодная жидкость при резких, рывковых командах управляющих механизмов, коммутирует прирост давления и внутреннего напряжения деталей в системе, т.к. поток жидкости, резко прибавляющийся в системе, не покидает в такой же мере исполнительный орган из-за разности плотности жидкости. Подогретая жидкость насосом не проталкивает более плотную, холодную порцию, находящуюся ранее в исполнительном механизме. От этого возникает гидравлический удар по телу органов.

Блок клапанов, в свою очередь, увеличивает потенциал выпуска гидравлической жидкости, вновь поступающей в систему посредством гидравлического насоса (на чертежах не показан) - т.е., создает временную дополнительную дренажную линию в системе.

Так же, более мягкую работу обеспечивает добавление нового элемента конструкции - азотного энергоаккумулятора 13. Он позволяет снизить нагрузку при пульсирующей подаче гидравлической жидкости. Такая нагрузка возникает при неисправностях клапанов регулировки основного гидронасоса или блока клапанов-распределителей потока.

Азотный энергоаккумулятор 13 позволит свести к минимуму влияние паразитных факторов в самых уязвимых режимах работы. Его необходимо устанавливать в систему после электромагнитного клапана 1, управляемого по средствам термореле. Соответственно, перед предохранительным клапаном. Для исключения поглощения энергии жидкости при прогретом потоке до рабочей температуры выше 0°C.

Рабочую полость энергоаккумулятора необходимо заправлять азотом, в целях обеспечения безопасности при эксплуатации машины. При прорыве уплотнения между двумя полостями энергоаккумулятора, происходит смешивание веществ. При смешивании азота и гидравлической жидкости под давлением невозможно возгорание.