Кемп Х.(редактор) Гидропривод. Основы и компоненты. Учебный курс по гидравлике, том 1

Подождите немного. Документ загружается.

wroth didactic

Гидроаккумуляторы и их применение 161

5.2. Изменение состояния газа

Изменения состояния могут быть:

- Изохорическим

- Изотермическим

- Адиабатическим

- Политропным.

Рис. 9.41. Изменение состояния на р - V диаграмме

5.2.1. Изохорическое изменение состояния

Для данного типа изменения состояния не произво-

дится работа по изменению объема, т.е. изменения

объема не происходит. Данное изменение состоя-

ния имеет место в процессе заполнения газовой

камеры при низкой температуре с последующим

изменением давления зарядки за счет теплообме-

на с окружающей средой.

Газовый закон: р I Т = pj Т

= const (1)

5.2.2. Изотермическое

изменение состояния

Для данного типа изменения состояния характерно

то, что осуществляется законченный процесс теп-

лообмена с окружающей средой и изменения тем-

пературы не происходит.

Подобное состояние имеет место в аккумуляторах

в том случае, если циклы зарядки - разрядки про-

текают в течение большого периода времени. За

счет замедленных рабочих циклов может быть осу-

ществлен полномасштабный теплообмен между га-

зом и окружающей средой.

5.2.3. Адиабатическое изменение состояния

Для данного типа изменения состояния цикл заряд-

ки - разрядки протекает так быстро, что теплооб-

мен с окружающей средой невозможен.

Газовый закон: р • V

= р

• V* = const

(3)

Из этого закона следуют зависимости между тем-

пературой и объемом, а также между температурой

и давлением V:

Г* \/

= Г,« »/

(4)

7-.р<1-к)/к _ 7

i#Pi

-к)/к

В этих уравнениях к - адиабатный экспонент, кото-

рый может быть принят равным 1,4 для двухатом-

ных газов, таких как азот в нормальных условиях.

Рис. 9.42. Адиабатный экспонент для азота и гелия

в зависимости от давления при температурах 0 и

100

°С

5.2.4. Политропное изменение состояния

Поскольку режимы эксплуатации аккумуляторов ни-

когда не соответствуют теоретическим моделям, т.е.

не обходятся без теплообмена, реальное изменение

состояния находится между изотермическим и адиа-

батическим. Такой тип изменения состояния назы-

вают политропным. Математические отношения для

этого процесса аналогичны применяемым для адиа-

батического изменения состояния, однако адиабати-

ческий экспонент заменяется политропным N.

(2)

Rexroth didactic

5.3. Определение размера аккумулятора 5.5. Процедура проектирования

Расчетные уравнения для аккумулятора зависят от

времени протекания процессов зарядки - разряд-

ки. Основой для выбора соответствующего уравне-

ния могут быть следующие правила:

• Длительность цикла < 1 минуты -> адиабатичес-

кое изменение состояния

• Длительность цикла > 3 минут -» изотермическое

изменение состояния

• Длительность цикла между 1 и 3 минутами —> по-

литропное изменение состояния.

Основные расчетные уравнения приведены в таб-

лице 9.1. Далее при расчете аккумулятора необхо-

димо принимать определенные параметры, получен-

ные на основании опыта эксплуатации, которые под-

тверждают оптимальное использование вместимо-

сти аккумулятора и его долговременную работу.

В таблице 9.2 приведены для отдельных конструк-

тивных типов аккумуляторов данные, полученные в

процессе эксплуатации.

5.4. Отклонение от поведения идеального газа

Приведенные газовые законы справедливы только

для идеального газа. Различные типы газов, в том

числе азот, ведут себя с отклонениями от идеаль-

ных законов особенно в области высоких давлений.

Это поведение называется реальным (неидеальным)

поведением газа. Математическая взаимосвязь

между величинами состояния р, Т и V может быть

представлена для реального поведения только с

помощью приближенных уравнений. В практичес-

ких условиях использование таких уравнений слож-

но, дорого и требует больших вычислений с приме-

нением компьютеров. В связи с этим рекомендует-

ся вводить коэффициенты коррекции, учитывающие

поведение реального газа.

Для определения и выбора подходящей вместимо-

сти аккумулятора необходимо, чтобы он был спосо-

бен обеспечить подачу требуемого объема рабочей

жидкости А\/или иметь энергию О для обеспечения

нормальной работы гидропривода. Принимая во

внимание определенные дополнительные условия,

такие как

- максимальное рабочее давление

- максимальную и минимальную рабочую темпера-

туру

- допустимый перепад давлений,

начинается собственно процедура расчета таким

образом, что вначале изменение состояния между

рабочими давлениями р

и р

принимается адиаба-

тическим. Это ограничивающее предположение до-

пустимо, поскольку в любом случае все другие из-

менения состояния будут учтены.

С помощью последующей проверки времени цикла

и связанного с этим отклонения от адиабатическо-

го изменения состояния можно откорректировать

полученные результаты с учетом коэффициентов С.

и С

, полученных из документации изготовителя.

Давление зарядки должно выбираться в диапазоне

0,7 ... 0,9 от минимального рабочего давления (при

максимальной температуре эксплуатации).

(5)

Это позволяет исключить работу разделительного

элемента вблизи донного клапана, что положитель-

но влияет на долговечность аккумулятора.

Следовательно объем для изотермического изме-

нения состояния будет:

и для адиабатического:

Коэффициенты коррекции Си С

в этих уравнениях

можно получить из материалов, предоставляемых

изготовителями аккумуляторов.

Rexroth didactic

Гидроаккумуляторы и их применение 1вз

Примечания

Применение

Вычисление давления зарядки в случае

отклонения рабочей температуры

от температуры при зарядке

п = к - 1,4 для азота (р

при Т.

Применение

Накопление энергии

Применение

Аварийные и защитные функции

(Ро при^)

Применение

Компенсация утечек

Компенсация объема

(Ро при^)

Таблица 9.1. Основные уравнения

для расчета аккумуляторов

давление зарядки

при минимальной температуре Г,

(по Кельвину)

давление зарядки

при максимальной температуреТ

(по Кельвину)

Rexroth didactic

Давление зарядки

Po(T

)

(при максимальной

рабочей температуре)

Установочное

положение

Максимальное

отношение давлений

Рг'Ро

Максимальное

рабочее давление

Поток жидкости

Вместимость

Общие свойства

- среднее рабо

Баллонный аккумулятор

Высокого Низкого

давления давления

< 0,9 • р

(накопление энергии)

= (0,6...0,9)-р

(поглощение ударов)

= 0,6 • р

(гашение пульсаций)

Вертикальное (горизонтальное

только для специальных случаев

применения)

4 : 1

4: 1

550 бар 35 бар

до 40 л/с

до 50 л

-Заменяемый

баллон

-Возможен

некоторый

контроль

до

140

л/с

до 450 л

-Заменяемый

баллон

-Нет

возможностей

контроля

чее давление для свободного пот

Мембранный

Сварное

исполнение

аккумулятор

Разборное

исполнение

< 0,9 • р

(накопление энергии)

°'6 ' Рт (гашение пульсаций)

Любое

4 :

до 8 : 1

210 бар

4 до 6 л/с

до 3,5 л

- Небольшой

объем камер

- Низкая

СТОИМОСТЬ

-Мембрана

не заменя-

емая

-Нет

возможностей

контроля

ока; давления вс

Любое

10 : 1

400 бар

4 до 6 л/с

до 10 л

- Небольшой

объем камер

-Мембрана

заменяемая

-Нет

возможностей

контроля

егда абсолютны

Поршневой аккумулятор

Исполнение с низким трением

< р

- 5 бар

< 2 бар (для исполнения

с низким трением)

< 10 бар (для стандартного

исполнения)

Любое

(с обзором

контрольных приборов)

Не ограничено

350 бар

Зависит от диаметра поршня,

при условии, что максимально

допустимая скорость 2 м/с

до 250 л

- Возможен контроль

-Специально рекомендуется

для версии присоединения

-Заменяемый поршень

е.

Таблица 9.2. Условия применения стандартных аккумуляторов

5.6. Выбор типа аккумулятора

для стандартных случаев применения

5.6.1. Мембранные (диафрагменные)

аккумуляторы

Мембранные аккумуляторы применяются для не-

больших объемов газа и вытесняемой жидкости. Их

преимуществами являются хорошая герметичность

и длительный срок эксплуатации, любое монтажное

положение, минимальная инерционность.

5.6.2. Баллонные аккумуляторы

Баллонные аккумуляторы применяются при средних

рабочих объемах в гидроприводах высокого быстро-

действия. За счет повышения качества изготовления

баллона в последние годы достигнута хорошая газо-

непроницаемость и длительный срок его эксплуатации.

Баллонные аккумуляторы могут устанавливаться

вертикально или горизонтально с жидкостной поло-

стью преимущественно снизу.

5.6.3. Поршневые аккумуляторы

Для больших рабочих объемов применяются порш-

невые аккумуляторы, которые наиболее приспособ-

лены для подключения дополнительных газовых

емкостей.

К числу недостатков можно отнести повышенную

массу разделителя сред и связанное с этим сниже-

ние быстродействия, а также трение поршневых

уплотнений. В результате полезное рабочее давле-

ние снижается примерно на 10 %. В процессе рабо-

ты скорость движения поршня не должна превышать

2 м/с. Поршневые аккумуляторы могут устанавли-

ваться в любом положении.

oth didactic

Гидроаккумуляторы и их применение 165

6. Правила безопасности

Аккумуляторы должны ремонтироваться только

представителями изготовителя. Категорически зап-

рещается проведение на аккумуляторах сварочных,

паяльных или сверлильных работ.

Поскольку сжатый газ из-за накопленной энергии

представляет определенную опасность, при установ-

ке и сервисном обслуживании аккумуляторов необ-

ходимо строго соблюдать все предписания изгото-

вителя.

Важнейшей работой по техническому обслуживанию

является контроль давления зарядки р

Аккумуляторы должны устанавливаться в месте,

к которому имеется свободный доступ. Монтаж-

ные элементы должны быть способными к воспри-

ятию ударов даже при возможном прорыве трубо-

провода.

Между насосом и аккумулятором должен быть ус-

тановлен обратный клапан для исключения воздей-

ствия инерционных сил на трубопроводы.

Каждый напорный сосуд должен оснащаться под-

ходящим манометром для измерения текущего ра-

бочего давления, а также соответствующим по ха-

рактеристикам предохранительным клапаном.

Предохранительные клапаны аккумуляторов не дол-

жны иметь возможности запирания. Легко доступ-

ные отключающие устройства должны быть установ-

лены в линиях подвода по возможности ближе к

сосуду, находящемуся под давлением.

В Германии аккумуляторы в качестве подгруппы

сосудов высокого давления попадают под действие

Постановления о напорных резервуарах (Напорные

резервуары V). Их установка, наладка и эксплуата-

ция должны выполняться в соответствии с положе-

ниями «Технических правил для напорных резерву-

аров» (TRB). Некоторые резервуары аккумуляторов

разделяются на группы в соответствии с допусти-

мым рабочим давлением р в бар, объемом / в лит-

рах и произведением давления на объем р • /.

В зависимости от групповой принадлежности в таб-

лице 9.3 приведены соответствующие контрольные

мероприятия и проверки.

Аккумуляторы, которые монтируются за границей,

необходимо устанавливать в соответствии с действу-

ющими в стране использования правилами и докумен-

тами, так как сертификат о приемке Объединения тех-

нического надзора Германии признается не везде.

Контрольные проверки

Группа изготовителя

25 бар

р«/<200

III

1 бар,

р»/>200 и

р*/< 1000

бар

р • /

1000

Испытание давлением.

Изготовитель ставит штамп "HP"

или выдает сертификат о том, что

продукция и испытания на давление

проведены в соответствии

с установленными требованиями

Предварительная проверка

конструкции и давления

ответственным персоналом

и сертификация производителя

(типовая проверка) или наличие

сертификата TUV

Аналогично группе III

Проверки потребителя

Приемочные испытания

(испытания оборудования

и его монтажа на соответствие

установленным требованиям)

проводятся ответственным лицом.

Приемка экспертами

(TUV в Германии)

Аналогично группе III

Периодические проверки

На основании опыта эксплуатации

и применяемой жидкости

потребитель решает вопрос

о периодичности испытаний

Аналогично группе II

Внутренние проверки:

Через каждые 10 лет для некоррозионных

жидкостей; для остальных - через 5 лет.

Испытания давлением:

Каждые 10 лет экспертами

(TUV в Германии)

Таблица 9.3. Группы инспекторских работ и проверки для аккумуляторов

Заметки

iexroth didactic

Глава 10

Обратные клапаны

1. Общие положения

Обратные клапаны используются в гидросистемах

для запирания потока рабочей жидкости, движуще-

гося в одном направлении, и свободного пропуска-

ния обратного потока. Они известны также как не-

возвратные клапаны.

Обратные клапаны имеют седельные опорные по-

верхности и, следовательно, обеспечивают полную

герметичность. В качестве запорного элемента при-

меняются шарики, пластины или конусы, в том чис-

ле с эластичными уплотнениями.

Производство шариков достаточно экономично,

однако шарик в процессе эксплуатации незначитель-

но деформируется и может поворачиваться в месте

контакта с седлом. С течением времени это может

привести к потере герметичности. Чтобы посадоч-

ное место под действием усилия пружины или по-

тока рабочей жидкости не получало местных по-

вреждений, шарик нуждается в дополнительных

направляющих устройствах.

Направляющие устройства поддерживают одно оп-

ределенное положение шарика. После непродолжи-

тельной эксплуатации шарик прирабатывается к сед-

лу и обеспечивает полную герметизацию. Производ-

ство других запорных элементов технически более

сложно по сравнению с производством шариков.

Тарельчатые клапаны с эластичным уплотнением

• применяются только в зоне небольших рабочих дав-

лений и скоростей потока, однако их существенным

преимуществом является отсутствие жестких тре-

бований к точности обработки.

В соответствии с областью применения обратные

клапаны можно подразделить на следующие три

группы:

- Простейшие обратные клапаны

-Управляемые обратные клапаны (гидрозамки)

- Клапаны наполнения

(антикавитационные клапаны).

Обратные клапаны

2. Простейшие обратные клапаны

Рис. 10.1. Схема обратного клапана

запираемый поток

свободный поток

Рис. 10.2. Обратный клапан резьбового монтажа

Эти аппараты (см. Рис. 10.2) состоят из корпуса (1),

и закаленного клапана {2), который пружиной (3)

прижимается к уплотняющему седлу (4).

Когда поток рабочей жидкости проходит в заданном

направлении (в данном случае справа налево) кла-

пан под действием давления жидкости отходит от

седла. В обратном направлении пружина и давле-

ние прижимают клапан к седлу и запирают поток.

Рис. 10.3. Обратные клапаны резьбового монтажа

168 Обратные клапаны

Rexroth di

Давление открывания зависит от выбранной пружи-

ны (усилия ее предварительного сжатия) и площа-

ди клапана. В зависимости от области применения

давление открывания обычно находится в пределах

от 0,5 до 10 бар.

Обратный клапан без пружины может устанавливаться

только вертикально. В данном случае запорный эле-

мент прижимается к седлу за счет собственного веса.

Обратные клапаны имеют исполнения по присоеди-

нению (монтажу):

- резьбовое

- стыковое

- фланцевое

- встраиваемое

- модульное.

Рис. 10.4. Обратный клапан стыкового присоединения

Рис. 10.6. Обратный клапан встраиваемого монтажа

Обратные клапаны используются:

- для обхода дросселирующих устройств

- для запирания одного из направлений потока

- в качестве перепускных (by-pass) клапанов для

защиты сливных фильтров при их чрезмерном за-

сорении

- в качестве подпорных клапанов для создания оп-

ределенного давления подпора в гидросистеме.

Так называемая «мостовая выпрямительная схема»

может быть получена путем определенного вклю-

чения четырех обратных клапанов (Рис. 10.7). Она

используется обычно в сочетании с гидроаппарата-

ми регулирования расхода и давления. При движе-

нии рабочей жидкости в одном (показано красными

стрелками) или другом (черными) направлении по-

ток через аппарат сохраняется неизменным.

Рис. 10.5. Обратный клапан модульного монтажа

Рис. 10.7. Схема выпрямителя (мостовая выпрями-

тельная схема Герца)

Rexroth didactic

Обратные клапаны 169

3. Управляемые обратные клапаны

(гидрозамки)

В отличие от простейших обратных клапанов гид-

розамки могут принудительно открываться в запи-

раемом направлении.

Гидрозамки применяются для:

- запирания находящихся под давлением участков

гидросистемы

- предотвращения падения нагрузки при обрыве

трубопровода

- предотвращения сползания гидравлически запер-

тых гидродвигателей.

Гидрозамки имеют два конструктивных исполнения:

3.1. Исполнение без дренажной линии

Рис. 10.8. Гидрозамок без дренажной линии

Рис. 10.9. Гидрозамок без декомпрессора и дренаж-

ной линии

Для аппарата, показанного на Рис. 10.9, рабочая

жидкость свободно проходит из линии А в линию В.

Давление рабочей жидкости воздействует на повер-

хность А, основного клапана (7) и отводит его от

седла, преодолевая усилие пружины (3). Поток из

линии В в линию А в соответствии с режимом рабо-

ты обычного обратного клапана запирается.

Управляющий поршень (4) открывает обратный клапан.

Под воздействием управляющего давления, подводи-

мого через линию X, поршень смещается вправо, при-

чем, когда управляющее давление достигает опреде-

ленной величины, открывается основной клапан (1).

Необходимое управляющее давление соответствует

отношению площади А

к площади управляющего

поршня. Это отношение составляет от 1:1,5 до 1:10.

Когда управляющее давление достигает требуемой

величины, клапан быстро открывается, что может

вызвать резкие удары, особенно если находящийся

под давлением большой объем рабочей жидкости

соединяется с баком. Эти удары оказывают нега-

тивное влияние не только на шум, но и на всю гид-

росистему, особенно на болтовые соединения и под-

вижные части гидрозамка.

Для тех областей применения, где подобные удары

нежелательны, гидрозамок комплектуется специ-

альным устройством опережения — декомпрессо-

ром (см. Рис. 10.10).

Рис. 10.10. Гидрозамок без дренажной линии с де-

компрессором

Когда управляющее давление подводится в линию

X, управляющий поршень (4) сначала открывает де-

компрессор (2), а затем — основной клапан (7). По-

скольку сначала открывается отверстие небольшого

сечения, сжатая рабочая жидкость в гидроцилиндре

сначала относительно медленно расширяется, а уже

затем проходит через полное проходное сечение гид-

розамка. Клапан открыт для прохода рабочей жид-

кости из линии В в линию А. Данный принцип работы

позволяет демпфировать удар, возникающий при

внезапном расширении рабочей жидкости.

Чтобы переключать гидрозамок с помощью управ-

ляющего поршня (4) необходимо создать определен-

ное минимальное давление управления.

Обратные клапаны

Rexroth didactic

Далее показано, как определить требуемое давле-

ние управления. Буквенные обозначения, использу-

емые в расчетах:

- давление управления

- давление в отверстии В гидрозамка

- давление в отверстии А гидрозамка

- площадь главного клапана

- площадь декомпрессора

- площадь управляющего поршня

- площадь поршня в гидроцилиндре

- площадь штоковой полости гидроцилиндра

F - нагрузка, действующая на гидроцилиндр

- усилие пружины с учетом трения.

Равновесие сил на клапане (см. Рис. 10.10)

> Л,

(1)

Это уравнение справедливо для случая когда р

~ 0.

Давление в линии А противодействует давлению

управления (смещению управляющего поршня).

Равновесие сил на гидроцилиндре

(см. Рис. 10.11)

(2)

Из совместного решения уравнений (1) и (2) полу-

чаем для гидрозамка без дренажной линии:

3.2. Исполнение с дренажной линией

Рис. 10.12. Гидрозамок с дренажной линией

Рис. 10.13. Гидрозамок с декомпрессором и дренаж-

ной линией

В отличие от гидрозамка без дренажной линии здесь

кольцевая (правая) поверхность управляющего пор-

шня изолирована от линии А. Давление в линии А

воздействует лишь на поверхность А

управляюще-

го поршня (Рис. 10.13).

Равновесие сил на клапане

(4)

Уравнение показывает, что если гидрозамок открыт,

в линии А может действовать давление р

(р > 0).

Это давление действует только на площадь А

и,

следовательно, практически не влияет на давление

управления. В общем, давление р

увеличивает тре-

буемое давление управления в соответствии с от-

ношением площадей.

Равновесие сил на гидроцилиндре соответствует

уравнению (2).

Рис. 10.11. Схема подключения