ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНО-ПОДПИТОЧНЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КЛАПАН МОДУЛЬНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ДЛЯ ВСТРОЕННОГО МОНТАЖА И ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2007 года по МПК F16K17/10 

Изобретение относится к области машиностроения и промышленного арматуростроения, в частности к объемным гидроприводам гидравлических систем строительных и дорожных машин, и предназначено для предохранения этих систем от перегрузок высоким давлением.

Известен предохранительный клапан со встроенным подпиточным клапаном (см. патент RU 2011915 С1 5, F16K 17/10, опубликованный 30.04.1994 г., бюл. №8).

Известный клапан содержит корпус с полостями подвода и слива, основной, вспомогательный и подпиточный запорные органы, внутреннюю камеру, образованную внешним контуром уплотняющей части основного запорного органа и внутренней поверхностью расточки корпуса-втулки, радиальные отверстия для сообщения этой камеры с надклапанной полостью слива, при этом основной запорный орган снабжен цилиндрической направляющей частью и осевым центральным отверстием, а вспомогательный запорный орган сформирован в виде самостоятельной сборочной единицы с внутренней камерой для отвода рабочей среды и размещения установочного механизма бесступенчатого регулирования, запорный орган сборочной единицы снабжен конической уплотняющей поверхностью и опорным торцом, воспринимающим силовую нагрузку цилиндрической пружины сжатия, упертой противоположным концом в опорный торец регулирующего элемента установочного механизма.

Однако в целом этот клапан отличается конструктивной сложностью и нетехнологичностью из-за необходимости обеспечения не только точности изготовления, а и строгой соосности взаимодействующих между собой деталей, установленных в многоступенчатой расточке корпуса с резьбовым участком. Сложность конструкции в значительной степени обусловлена встройкой в проточную часть втулки узла подпиточного клапана со своими элементами крепления и установочной пружиной сжатия.

К недостатку указанного клапана следует отнести и то, что его корпус снабжен установочной поверхностью. Использование таких клапанов в гидроприводах требует обеспечения высокой точности и небольшой шероховатости при обработке стыковочной поверхности корпуса гидропривода, а также существенно увеличивает массу и габариты последнего. Кроме того, отсутствие во вспомогательном запорном органе направляющей части, как показывает практика, вызывает широкий разброс характеристик клапана по герметичности и недопустимый неравномерный износ уплотняющей кромки в направляющей втулке.

Другими недостатками известного клапана являются низкая чувствительность и недостаточное быстродействие, вызванные наличием дроссельного отверстия в основном запорном органе и незначительным расходом жидкости через него. При этом следует отметить, что чувствительность и быстродействие клапана во многом определяются правильным выбором диаметра дроссельного отверстия, выполненного в основном запорном органе. Этот выбор производится с учетом того, что при уменьшении этого диаметра ускоряется время открытия основного запорного органа. Но в интересах повышения быстродействия закрытия основного запорного органа диаметр дроссельного отверстия желательно увеличивать.

Для поддержания работоспособности известного клапана сопрягаемые между собой поверхности корпуса-втулки и основного запорного органа должны быть уплотнены из-за необходимости обеспечения герметичности управляющей камеры высокого давления, размещенной внутри основного запорного органа. Отсутствие уплотнительных элементов на указанных поверхностях в известном клапане предполагает комплектование запорного элемента с очень малыми зазорами. Учитывая, что при этом должно быть одновременно достигнуто плотное прилегание уплотнительной части запорного органа к своему седлу, выполнение указанных требований связано с необходимостью изготовления сопрягаемых деталей с высокой точностью.

С другой стороны, высокая точность изготовления сопрягаемой пары во многом обуславливает и большую вероятность «заклинивания» или «затяжеления» перемещения основного клапана в процессе работы, например, в случае возможного загрязнения рабочей жидкости, что может привести к полному отказу клапана, чем существенно снижается его надежность.

Из числа известных аналогов заявляемого технического решения ближайшим аналогом (прототипом) может служить предохранительный клапан со встроенным подпиточным клапаном (см. свидетельство на полезную модель RU 37173 U1, F16K 17/10, опубликованное 10.04.2004 г.)

Известный предохранительный клапан со встроенным подпиточным клапаном содержит максимальное количество сходных с заявляемым клапаном конструктивных признаков, а именно: оба клапана содержат корпус с резьбовым участком и уплотнениями на внешних установочных поверхностях, с полостями подвода и слива, основной, вспомогательный и подпиточный запорные органы, внутреннюю камеру управления подпиточным запорным органом, образованную в расточке корпуса-втулки, радиальные отверстия для сообщения этой камеры с надклапанной полостью слива, при этом основной запорный орган снабжен цилиндрической направляющей частью и осевым центральным отверстием, а вспомогательный запорный орган размещен во внутренней камере для отвода рабочей среды и размещения установочного механизма бесступенчатого регулирования, вспомогательный запорный орган снабжен конической уплотняющей поверхностью и опорным торцом, воспринимающим силовую нагрузку цилиндрической пружины сжатия, упертой противоположным концом в опорный торец регулирующего элемента установочного механизма.

Достоинством известного клапана является то, что он выполнен в едином блоке с возможностью встраивания непосредственно в резьбовую расточку корпуса гидропривода, чем значительно уменьшаются его габариты и масса, обеспечивается высокая герметичность по отношению к внешней среде и возможность удобной регулировки выходных параметров клапана.

Однако известный клапан отличается также конструктивной сложностью и, вследствие этого, избыточной трудоемкостью. Наличие в конструкции клапана большого количества взаимодействующих между собой узлов и деталей в совокупности снижает надежность клапана и его эксплуатационные качества. Кроме того, конструкцией клапана не предусмотрена возможность автономной отработки характеристик вспомогательного (управляющего) клапана, а отсутствие во вспомогательном запорном органе направляющей части, как показывает практика, вызывает широкий разброс характеристик по герметичности и недопустимый неравномерный износ уплотняющей кромки в направляющей втулке.

В конструкции известного клапана имеют место недостатки, присущие рассмотренной выше конструкции клапана-аналога в части высокой чувствительности к загрязнению рабочей жидкости.

В конструкции клапана-прототипа предусмотрена общая, совмещенная полость слива, в которой во время работы соединяются две траектории потоков слива основного и вспомогательного запорных органов. Кинетическая энергия потока слива, возникающая в процессе открытия основного запорного органа, в значительной степени подавляет скорость истечения рабочей среды из внутренней камеры вспомогательного запорного органа при прохождении ее через образованный кольцевой зазор между корпусом и втулкой, а значительная рабочая длина истечения в кольцевой щели дополнительно увеличивает гидравлические потери на этом участке. Снижение скорости истечения жидкости из внутренней камеры вспомогательного запорного органа приводит к уменьшению величины открытия основного запорного органа и, соответственно, к снижению расходных характеристик клапана.

В связи с особенностями работы клапана к его конструкции наряду с традиционными предъявляются ряд дополнительных специальных требований, например по компактности исполнения, габаритно-массовому совершенству, удобству монтажа и демонтажа, технического обслуживания, безопасности и т.д.

Так технические особенности работы клапанов, входящих, например, в состав гидроприводов с объемным регулированием (гидромоторов), накладывают дополнительные технические требования, в основном заключающиеся в том, что показатели надежности и герметичности должны обеспечиваться во всем рабочем диапазоне регулирования давления настройки на входе в клапан от 5 до 40 МПа, при этом должна быть исключена зависимость указанных выше важнейших технических характеристик от экстремальных условий эксплуатации клапана, включая и условия несанкционированного изменения противодавления в полостях или линиях основного слива от нуля до 2,5 МПа или наоборот.

Следует отметить, что, с одной стороны, при подводе рабочего давления к входному каналу клапана его основной и подпиточный запорные органы находятся в закрытом положении, обеспечивая необходимую герметичность клапана в целом за счет сил давления рабочей среды, действующих в общей камере управления, куда рабочая жидкость нагнетается из входного канала через центральное дроссельное отверстие основного запорного органа.

Основная сила закрытия, например, основного запорного органа в клапане-прототипе определяется величиной, составляющей разницу рабочих площадей основного и подпиточного запорных органов с одной стороны и входного канала - с другой.

С целью снижения контактных осевых нагрузок на уплотняющие элементы запорных органов и, соответственно, степени их эксплуатационного износа, существует тенденция выполнять эффективную площадь для поджатия запорных органов к седлам с минимально возможными значениями, практически не превышающими 10...11% от полной площади направляющей части запорного органа.

С другой стороны, на запорные органы клапана действуют противоположно направленные силы, способствующие открытию запорных органов. Силы формируются во внутренней камере клапана, сообщенной радиальными каналами с надклапанной полостью слива и напрямую зависят от величины давления в полости слива.

Наиболее тяжелым режимом работы для предохранительно-подпиточного клапана в общем случае является режим его работы при минимальном настроечном давлении напора, равном 5 МПа, и при повышенном противодавлении на сливе, равном 2...2,5 МПа. В этом случае силы, действующие на закрытие запорных органов, могут оказаться меньше сил, действующих на открытие запорных элементов, в результате чего происходит «отход» этих запорных органов от своих седел и, соответственно, потеря герметичности, приводящая к отказу клапана в целом.

Этот недостаток несут в себе многие предохранительно-подпиточные клапаны, в том числе и выбранный прототип-аналог.

В совокупности указанные недостатки известного предохранительного клапана со встроенным подпиточным клапаном ограничивают его применение в гидроприводах строительно-дорожной техники, в частности в гидромоторах средней и большой мощности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание такой конструкции предохранительно-подпиточного клапана (клапана), которая сочетает возможности и достоинства известных клапанов, но имеет при этом более надежную и технологичную конструкцию клапана с одновременным достижением других технико-экономических показателей:

- легкое встраивание клапана в корпус гидропривода,

- обеспечение автономной отработки параметров как вспомогательного (управляющего) запорного органа, так и всего клапана в целом,

- обеспечение возможности выполнения основным запорным органом дополнительной функции подпиточного клапана,

- обеспечение необходимой ориентации вспомогательного запорного органа во внутренней камере отвода рабочей среды с целью улучшения и стабилизации параметров по герметичности,

- повышение чувствительности и быстродействия предохранительного клапана, снижение гистерезисных явлений на переходных режимах и исключение нежелательной зависимости указанных параметров от выбранного значения центрального дроссельного отверстия в основном запорном органе,

- реализация возможности сохранения работоспособности клапана в широком диапазоне изменения противодавления на сливе основного запорного органа при широком диапазоне изменений входного давления настройки,

- повышение надежности работы уплотнительного устройства поршневой части клапана при применении в условиях воздействия высоких температур и давлений рабочей среды,

- повышение КПД клапана путем улучшения его параметров по расходным характеристикам и снижение потерь давления рабочей среды.

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом предохранительно-подпиточном гидравлическом клапане модульного исполнения для встроенного монтажа и высоких давлений (предохранительно-подпиточный клапан), содержащем корпус с резьбовым участком и уплотнениями на внешних установочных поверхностях, с полостями подвода и слива, основной, вспомогательный и подпиточный запорные органы, внутреннюю камеру отвода рабочей среды и управления подпиточным запорным органом, образованную в расточке корпуса-втулки, радиальные отверстия для сообщения этой камеры с надклапанной полостью слива, при этом основной запорный орган снабжен цилиндрической направляющей частью и осевым центральным отверстием, а вспомогательный запорный орган размещен во внутренней камере для отвода рабочей среды и размещения установочного механизма бесступенчатого регулирования, вспомогательный запорный орган снабжен конической уплотняющей поверхностью и опорным торцом, воспринимающим силовую нагрузку цилиндрической пружины сжатия, упертой противоположным концом в опорный торец регулирующего элемента установочного механизма, согласно изобретению предохранительно-подпиточный клапан, включающий в себя основной, вспомогательный и подпиточный запорные органы, образован в виде блока-модуля с возможностью встраивания его непосредственно в корпус гидропривода и автономной отработки всех параметров клапана, при этом корпус блока-модуля выполнен в форме многоступенчатой цилиндрической втулки с резьбовым участком и уплотнениями на внешних установочных поверхностях, внутренними соосно расположенными ступенчатыми расточками, большая ступень которых обращена в сторону регулирующей части клапана, радиально отводящими и центральным подводящим каналами, блок-модуль сформирован в виде соосно размещенных в центральном канале корпуса-втулки двух кинематически связанных и последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления основным, подпиточным и вспомогательным запорными органами с запирающими элементами типа «клапан-седло», с общей камерой командного давления, герметично размещенной между указанными устройствами, с возможностью сообщения ее через дроссель с источником управляющего давления, устройство управления основным и подпиточным запорными органами состоит из корпуса-втулки с основным седлом, с входной и сливной полостями и разделяющих эти полости основного и подпиточного запорных органов, конструктивно совмещенных и выполненных за одно целое в виде подпружиненного плунжера с внутренней сквозной многоступенчатой расточкой, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющей расточке корпуса-втулки и одновременного контакта и взаимодействия конической уплотняющей части с седлом входного канала корпуса-втулки, а внутренней расточки большей ступени - с уплотненной поршневой частью корпуса вспомогательного запорного органа, неподвижно закрепленного в резьбовой расточке корпуса-втулки, при этом внутренняя камера отвода рабочей среды и управления подпиточным запорным органом образована внешним контуром уплотняющей части основного запорного органа и контуром прилегающей к нему расточки корпуса-втулки, причем упомянутая камера постоянно сообщена с надклапанной полостью слива, автоматическое устройство управления вспомогательным запорным органом, включающее в себя установочный механизм бесступенчатого регулирования, конструктивно и функционально образовано в виде самостоятельного блока-модуля и содержит корпус, выполненный в виде уплотненной по установочным цилиндрическим поверхностям резьбовой многоступенчатой втулки с направляющей поршневой цилиндрической частью и разделяющей наружной кольцевой проточкой, втулка снабжена опорным торцом и сформирована с возможностью встраивания ее и, соответственно, всего устройства в целом, в резьбовую расточку корпуса-втулки с перекрыванием его центрального канала своей опорной поверхностью, при этом между этой поверхностью и соответствующей торцовой стенки центрального канала корпуса-втулки соосно этому каналу предусмотрено контактное металлическое уплотнение - герметизирующий стык в виде торцовой уплотняющей кольцевой перемычки, по одну сторону которой, обращенной к основному запорному органу, образована с возможностью постоянного заполнения рабочим телом и гарантированным подпором глухая кольцевая камера гидравлической разгрузки, размещенная между уплотняющим опорным торцом, разделяющей кольцевой проточкой резьбовой втулки, стенкой центрального канала и торцом основного запорного органа, по другую сторону торцовой уплотняющей перемычки, в зоне периферийной части резьбовой втулки, сформирована вспомогательная кольцевая коллекторная полость слива, кроме этого, внутри резьбовой втулки выполнена ступенчатая цилиндрическая расточка - внутренняя камера с участком резьбовой поверхности и седлом в расточке меньшей ступени, камера сообщена с вспомогательной коллекторной полостью слива радиально расположенными каналами, в камере размещены вспомогательный запорный орган, выполненный с конической уплотняющей поверхностью, наружным кольцевым двухсторонним уступом и осевым хвостовиком цилиндрической формы со сферическим опорно-установочным торцом, соосно выведенным в зону общей камеры командного давления, причем запорный орган установлен с возможностью одновременного контакта конической части с седлом втулки, а периферийной поверхности кольцевого двухстороннего уступа - с поверхностью внутренней камеры, при этом на периферийной поверхности кольцевого уступа образованы продольные сквозные, равномерно расположенные в окружном направлении полуцилиндрические расточки, глубина которых расположена вне зоны контакта конической поверхности запорного органа с седлом резьбовой втулки, причем в расточке меньшей ступени резьбовой втулки хвостовик вспомогательного запорного органа установлен с гарантированным кольцевым зазором для прохождения рабочей среды, а указанная кинематическая связь выполнена в виде размещенного во внутренней расточке меньшей ступени основного-подпиточного запорного органа, подпружиненного относительно устройства управления вспомогательным запорным органом, ступенчатого цилиндрического индикаторного стержня - с направляющей наружной частью с двухсторонним уступом и соосной торцовой расточкой-седлом с центральным сквозным дроссельным отверстием, при этом толкатель установлен с возможностью на такте управления осевого перемещения и взаимодействия торцовой расточки-седла со сферической поверхностью хвостовика вспомогательного запорного органа, согласно изобретению траектория отвода рабочей среды из внутренней камеры резьбовой втулки устройства управления вспомогательным запорным органом выполнена автономной, при этом на внешней установочной поверхности большей ступени корпуса-втулки клапана между кольцевыми проточками под уплотнения образована кольцевая выемка профилированной формы с возможностью сообщения ее с дополнительной надклапанной выходной полостью слива, а через радиально расположенные каналы - с вспомогательной кольцевой коллекторной полостью слива и, соответственно, с внутренней камерой резьбовой втулки, кроме этого, сформированные внутри предохранительно-подпиточного клапана камеры для отвода рабочей среды от основного запорного органа, гидравлической разгрузки и надклапанная полость сливной магистрали закольцованы между собой кольцевым каналом, образованным между наружной поверхностью основного запорного органа и соответствующей поверхностью расточки корпуса-втулки, а диаметры центрального канала (расточки) корпуса-втулки и опорной части резьбовой втулки вспомогательного запорного органа, определяющие оптимальную ширину торцовой уплотняющей кольцевой перемычки связаны соотношением

D_оч/D_р=1,09...1,18, где

D_оч - диаметр опорной части резьбовой втулки, мм

D_р - диаметр расточки корпуса, мм,

согласно изобретению внешнее уплотнение поршневой части резьбовой втулки вспомогательного запорного органа образовано в виде манжетного уплотнения, встроенного в кольцевую прямоугольную канавку втулки, при этом манжетное уплотнение выполнено в виде размещенного в канавке с предварительным натягом упругого резинового кольца и манжеты-обечайки из полимерного антифрикционного материала, имеющей в радиальном сечении П-образную форму и установленной в канавке с возможностью одновременного контакта и взаимодействия своими образующими поверхностями с поверхностью внутренней расточки большей ступени основного подпиточного запорного органа и упругим резиновым кольцом, при этом наружный диаметр обечайки выбран равным диаметру расточки основного подпиточного запорного органа.

В соответствии с предлагаемым изобретением отличительной особенностью предохранительно-подпиточного гидравлического клапана со встроенным в основной-подпиточный (основной) запорный орган толкателем является то, что на вспомогательный запорный орган, кроме рабочего давления, постоянно функционирующего в общей камере управления, напрямую действует давление напорной магистрали, передаваемое через толкатель, размещенный в расточке основного запорного органа с радиальным кольцевым зазором. Последний с одной стороны гарантирует протечку рабочей среды в противоположных направлениях, а с другой - работу толкателя в режиме «поршня».

Благодаря указанной особенности время полного открытия вспомогательного запорного органа не будет зависеть от величины сопротивления сквозного дроссельного отверстия, проходное сечение которого может быть выбрано достаточно малым, а следовательно, перепад на дросселе может быть повышен. Исходя из этого вспомогательный запорный орган отрывается от своего седла как от воздействия рабочего давления, поступившего через дроссельное отверстие в общую камеру управления, так и от силы давления напорной магистрали, действующей на полезную площадь толкателя. Так как применение толкателя позволяет значительно увеличить перепад на дросселе, то ускоряется открытие основного запорного органа и повышается его чувствительность.

При забросах давления в напорной магистрали толкатель под действием этого избыточного давления, преодолевая сопротивление пружины, аксиально перемещается в сторону расположения вспомогательного запорного органа до упора в его сферическую часть, чем полностью перекрывается его центральное дроссельное отверстие. Благодаря демпфирующему действию капиллярного кольцевого зазора по направляющей цилиндрической части толкателя повышается устойчивость основного запорного органа против автоколебаний и стабильность расхода.

При понижении давления в камере управления до рабочего значения толкатель под действием пружины перемещается в исходное положение, открывая свое дроссельное отверстие, через которое рабочая среда из напорной магистрали поступает в камеру управления, чем обеспечивается ускоренный возврат основного запорного органа под действием рабочего давления в исходное закрытое положение.

Формирование кольцевого герметизирующего стыка между корпусом-втулкой и опорным торцом резьбовой втулки с образованием глухой камеры гидравлической разгрузки с возможностью сообщения ее с камерой отвода рабочей среды от основного запорного органа, позволило выровнять давления слива, действующие с обеих сторон на основной запорный орган, и, соответственно, исключить его несанкционированный отход от седла корпуса-втулки при работе клапана на режимах с пониженными значениями входного давления настройки. Такое конструктивное исполнение сохраняет работоспособность клапана в гидросистемах и гидроаппаратуре, отличающихся широким диапазоном значений противодавления на сливе.

С целью повышения уплотняющих свойств герметизирующего торцового стыка, образованного между корпусом-втулкой и резьбовой втулкой, а также для компенсации технологических и производственных погрешностей изготовления ширина торцовой уплотняющей кольцевой перемычки выбрана минимально допустимой из расчета осуществления упругой податливости материала при контактировании друг с другом указанных деталей.

Использование в качестве внешнего уплотнения поршневой части корпуса вспомогательного запорного органа в виде манжетного устройства позволяет повысить противоизносные характеристики уплотнителя и минимизировать величину трения перемещения основного запорного органа, чем улучшается работа клапана в режиме «подпитка».

Таким образом, заявляемое техническое решение обладает преимуществом по сравнению с аналогом-прототипом и другими известными решениями, обеспечивающим достижение поставленной задачи - повышение надежности, технико-экономических и эксплуатационных качеств предохранительно-подпиточного клапана за счет:

- выполнения клапана в виде блока-модуля, отличающегося высокой технологичностью и возможностью легкой встройки непосредственно в расточки корпуса гидропривода и демонтажа из него, что позволяет решить задачу минимизации габаритов и массы гидропривода и обеспечить возможность проведения автономной отработки параметров клапана,

- реализации возможности выполнения основным запорным органом помимо основной функции предохранительного клапана функции подпиточного клапана,

- встройки в основной запорный орган индикаторного стержня с центральным сквозным дроссельным отверстием с возможностью на такте управления осевого перемещения и взаимодействия со сферической частью хвостовика вспомогательного запорного органа,

- выполнения автоматического устройства управления вспомогательным запорным органом в виде отдельного блока-модуля с возможностью его легкой встройки в основной корпус клапана и автономной отработки характеристик,

- улучшения работы вспомогательного запорного органа путем образования в нем направляющей части,

- выполнения траектории отвода рабочей среды из внутренней камеры вспомогательного запорного органа автономной и независимой от основной позволяет решить задачу увеличения рабочего хода основного запорного органа при забросах давления в магистрали нагнетания и, соответственно, увеличения расходных характеристик клапана,

- реализации возможности поддержания работоспособности клапана в широком диапазоне изменения противодавления на сливе основного запорного органа при широком диапазоне изменений входного давления настройки.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где

- на фиг.1 показан общий вид, разрез предохранительно-подпиточного гидравлического клапана модульного исполнения для встроенного монтажа и высоких давлений с двумя кинематически связанными и последовательно взаимодействующими между собой автоматическими устройствами 26 и 27 для управления основным, подпиточным и вспомогательным запорными органами;

- на фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1 - конструктивное исполнение двухстороннего кольцевого уступа 49 вспомогательного запорного органа 5 с продольными сквозными равномерно расположенными в окружном направлении полуцилиндрическими расточками 53 для прохождения рабочей жидкости в направлении вспомогательной коллекторной кольцевой полости слива 44;

- на фиг.3 показано место Б на фиг.1 - конструктивное исполнение внешнего уплотнительного устройства поршневой части 34 резьбовой втулки 35 вспомогательного запорного органа 5, глухой кольцевой камеры гидравлической разгрузки 42 и вспомогательной кольцевой коллекторной полости слива 44;

- на фиг.4 показан общий вид, разрез клапана при работе в режиме предохранительного устройства в момент возникновения в гидросистеме питания сверхдопустимых забросов давления;

- на фиг.5 показан общий вид, разрез клапана при работе в режиме «подпитка» напорной магистрали.

Предохранительно-подпиточный гидравлический клапан модульного исполнения для встроенного монтажа и высоких давлений (фиг.1) содержит корпус 1 с полостями подвода 2 и слива 3, основной и подпиточный запорный орган 4, вспомогательный запорный орган 5, внутреннюю камеру 6 отвода рабочей среды и управления подпиточным запорным органом 4, образованную в расточке корпуса-втулки 1, радиальные отверстия 8 для сообщения этой камеры с надклапанной полостью слива 9.

Основной запорный орган 4 снабжен цилиндрической направляющей частью 10 и осевым центральным отверстием 11, а вспомогательный запорный орган 5 сформирован в виде самостоятельного модуля с внутренней камерой 12 для отвода рабочей среды и размещения установочного механизма бесступенчатого регулирования 13, вспомогательный запорный орган 5 снабжен конической уплотняющей поверхностью 14 и опорным торцом 15, воспринимающим силовую нагрузку цилиндрической пружины сжатия 16, упертой противоположным концом в опорный торец 17 регулирующего элемента 18 установочного механизма 13.

Предохранительно-подпиточный клапан образован в виде блока-модуля с возможностью встраивания его в резьбовую расточку 19 корпуса гидропривода, при этом корпус блока-модуля 1 выполнен в форме многоступенчатой цилиндрической втулки с резьбовым участком 20 и уплотнениями 21, 22, 23 на внешних установочных поверхностях, внутренними соосно расположенными ступенчатыми расточками 24, 7, 25, радиально отводящими каналами 8 и центральным подводящим каналом 2.

Блок сформирован в виде соосно размещенных в центральном канале расточек 24, 7, 25 корпуса-втулки 1, двух кинематически связанных и последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления: 26 - основным запорным органом 4 и 27 - вспомогательным запорным органом 5.

Автоматическое устройство управления 27 вспомогательного запорного органа 5, включающее в себя установочный механизм бесступенчатого регулирования 13, образовано в виде самостоятельного блока-модуля и содержит корпус, выполненный в виде уплотненной по установочным цилиндрическим поверхностям 36 и 37 резьбовой многоступенчатой втулки 35 с направляющей поршневой цилиндрической частью 34 и разделяющей наружной кольцевой проточкой 38. Втулка 35 снабжена опорным торцом 39 (фиг.3) и сформирована с возможностью встраивания ее и, соответственно, всего управляющего устройства в целом в резьбовую расточку 25 корпуса-втулки 1 с перекрыванием его центрального канала-расточки 7 своей опорной поверхностью 39, при этом между этой поверхностью и торцовой стенкой 40 (фиг.3) центрального канала 7 корпуса-втулки 1, соосно этому каналу предусмотрено металлическое уплотнение - герметизирующий стык в виде торцовой уплотняющей кольцевой перемычки 41, по одну сторону которой, обращенной к основному запорному органу 4, образована с возможностью постоянного заполнения рабочим телом и гарантированным подпором глухая кольцевая камера гидравлической разгрузки 42, размещенная между уплотняющим опорным торцом 39, разделяющей кольцевой проточкой 38 резьбовой втулки 35, стенкой центрального канала 7 и торцом 43 основного запорного органа 4. По другую сторону уплотняющей перемычки 41 по периферии резьбовой втулки 35 сформирована вспомогательная кольцевая коллекторная полость 44.

Между устройствами управления 26 и 27 герметично размещена общая камера командного давления 28, сообщенная через дроссельное отверстие 29 с источником управляющего давления через центральный подводящий канал 2. Устройство управления 26 состоит из корпуса-втулки 1 с основным седлом 30, с входной полостью 2 и сливной надклапанной полостью 9 основного запорного органа 4.

Основной и подпиточный запорные органы конструктивно совмещены и выполнены за одно целое в виде подпружиненного пружиной 31 запорного органа 4 с внутренней сквозной многоступенчатой расточкой 32. Запорный орган 4 подвижно установлен во внутренней направляющей расточке 7 корпуса-втулки 1 с одновременным контактом и взаимодействием конической уплотняющей части 33 с седлом 30 входного канала 2 корпуса-втулки 1, а внутренней расточки большей ступени 32 - с уплотненной поршневой частью 34 втулки 35 автоматического устройства управления 27 вспомогательным запорным органом 5. Втулка 35 неподвижно закреплена в резьбовой расточке 25 корпуса-втулки 1.

Внутренняя камера 6 отвода рабочей среды и управления основным подпиточным запорным органом 4 образована внешним контуром уплотняющей части основного запорного органа 4 и контуром прилегающей к нему расточки 7 корпуса-втулки 1. Внутренняя камера 6 постоянно сообщена через радиальные отверстия 8 с надклапанной полостью слива 9.

Внутри втулки 35 выполнена ступенчатая цилиндрическая расточка 45 (фиг.1), образующая внутреннюю камеру 12 с участком резьбовой поверхности 46 и седлом 47, расположенным в расточке меньшей ступени.

Камера 12 сообщена с коллекторной кольцевой полостью слива 44 радиально расположенными каналами 48.

Во внутренней камере 12 размещен вспомогательный запорный орган 5, который выполнен с конической уплотняющей поверхностью 14, наружным кольцевым двухсторонним уступом 49 и осевым хвостовиком 50 цилиндрической формы со сферическим опорно-установочным торцом 51, соосно выведенным в зону общей камеры командного давления 28. Вспомогательный запорный орган 5 установлен с возможностью одновременного контакта конической части 14 с седлом 47 втулки 35, а периферийной поверхности 52 кольцевого уступа 49 - с поверхностью расточки 45, при этом на периферийной поверхности 52 уступа 49 выполнены продольные сквозные равномерно расположенные в окружном направлении полуцилиндрические расточки 53 (см. фиг.2) для обеспечения прохождения рабочей жидкости.

В расточке меньшей ступени 45 втулки 35 хвостовик 50 вспомогательного запорного органа 5 установлен с гарантированным кольцевым зазором 54 для прохождения рабочей среды из камеры 28. Во внутренней расточке меньшей ступени 11 основного запорного органа 4 размещен подпружиненный пружиной 55 относительно устройства управления 27 индикаторный стержень-толкатель 56 с направляющей наружной частью 57, с двухсторонним уступом 58, с соосной торцовой расточкой-седлом 59 и центральным сквозным дроссельным отверстием 29.

На внешней установочной поверхности 60 большей ступени корпуса-втулки 1 между кольцевыми проточками под уплотнения 22 и 23 образована кольцевая выемка 61 профилированной формы с возможностью сообщения ее с дополнительной надклапанной выходной полостью слива 62, а через радиально расположенные каналы 63 - с вспомогательной кольцевой коллекторной полостью слива 44 и, соответственно, с внутренней камерой 12 резьбовой втулки 35. Сформированные внутри предохранительно-подпиточного клапана камеры 6 для отвода рабочей среды от основного запорного органа 4, гидравлической разгрузки 42 (см. фиг.3) и надклапанная полость 9 сливной магистрали закольцованы между собой кольцевым каналом 64, образованным между наружной поверхностью основного запорного органа 4 и соответствующей поверхностью расточки 7 корпуса-втулки 1.

Внешнее уплотнение поршневой части 34 (см. фиг.3) резьбовой втулки 35 вспомогательного запорного органа 5 выполнено в виде манжетного уплотнения 65, встроенного в кольцевую прямоугольную канавку 66 поршневой части 34 резьбовой втулки 35. Манжетное уплотнение 65 состоит из упругого резинового кольца 67 и манжеты-обечайки 68 из полимерного антифрикционного материала - фторопласта, имеющей в радиальном сечении П-образную форму и установленной в канавке 66 с возможностью одновременного контакта и взаимодействия своими образующими поверхностями 69 и 70 с поверхностью внутренней расточки большей ступени 32 основного запорного органа 4 и упругим кольцом 67.

Предохранительно-подпиточный клапан работает следующим образом.

В режиме номинального рабочего давления, установленного для гидросистемы гидропривода (см. фиг.1).

Номинальное рабочее давление через центральный входной канал 2 клапана и через дроссельное отверстие 29 толкателя 56 основного запорного органа 4 поступает в общую камеру командного давления 28. В связи с тем, что площадь поршневой части 34, неподвижно установленной резьбовой втулки 35 вспомогательного запорного органа 5, выполнена больше площади седла 30, закрываемой основным запорным органом 4, последний перемещается в сторону расположения входного канала 2 и закрывает его с силой, пропорциональной разности вышеуказанных площадей, исключая переток рабочей жидкости под давлением в надклапанную полость 9 основного слива гидропривода.

В подводящем канале 2 и в общей камере командного давления 28 устанавливается одинаковое номинальное рабочее давление, поступающее от гидросистемы питания, при этом толкатель 56 гидравлически разгружен и под действием пружины сжатия 55 занимает исходное левое крайнее по фиг.1 положение, упираясь торцом своего уступа в опорный торец промежуточной ступени основного запорного органа 4, при этом гидравлически разгружен и основной запорный орган 4 от сил противодавления в сливной магистрали, образующихся в гидроприводе при работе объекта за счет формирования с тыльной стороны основного запорного органа 4 глухой и уплотненной герметизирующим стыком 41 (фиг.3) камеры гидравлической разгрузки 42 с возможностью ее постоянного сообщения с камерой 6 для отвода рабочей среды и надклапанной полостью 9 сливной магистрали с помощью кольцевого канала 64. Закольцовывание между собой указанных камер и полости обуславливает необходимый подпор и выравнивание давлений, действующих с обеих сторон на основной запорный орган 4, чем исключается несанкционированный отход запорного органа 4 от седла 30 корпуса-втулки 1 при работе клапана на режимах с пониженными значениями входного давления настройки и обеспечивается работоспособность клапана в составе гидроаппаратуры, отличающейся широким диапазоном противодавлении на сливе.

В режиме работы предохранительного устройства (см. фиг.4).

При превышении давления рабочей жидкости в гидросистеме питания сверх номинального (например, при забросах давления или гидравлических ударах) толкатель 56 под действием избыточного давления мгновенно преодолевает усилие пружины 55 и, выполняя функцию поршня, аксиально перемещается в сторону расположения вспомогательного запорного органа 5 до упора в его сферическую часть 51 хвостовика 50 и расточкой-седлом 59 перекрывает центральное дроссельное отверстие 29. Избыточное давление, действуя на полную площадь направляющей части 57 толкателя 56, отжимает вспомогательный запорный орган 5 от седла 47 резьбовой втулки 35, пересиливая установленное с помощью регулирующего элемента 18 усилие сжатия силовой пружины 16.

Рабочая жидкость с номинальным давлением из камеры 28 проходит по кольцевому зазору 54 во внутреннюю пружинную камеру 12 резьбовой втулки 35 через сквозные полуцилиндрические расточки 53 (см. фиг.2), образованные на периферийной поверхности двухстороннего уступа 49 запорного органа 5. Далее жидкость через радиальные каналы 48, коллекторную полость 44, радиально направленные каналы 63 корпуса-втулки 1 поступает в дополнительную надклапанную выходную полость слива 62 гидропривода, при этом давление рабочей жидкости в общей камере командного давления 28 резко падает, в результате чего сила, действующая на основной запорный орган 4 со стороны входного канала 2, становится больше силы, действующей со стороны поршневой части 34 резьбовой втулки 35.

Основной запорный орган 4 в этом случае отходит от своего седла 30, открывая проход рабочей жидкости избыточного давления в сливную надклапанную полость 9 гидропривода до момента уравновешивания указанных выше сил, при котором происходит процесс закрытия основного запорного органа 4.

При понижении давления в гидросистеме и соответственно в камере 28 до рабочего значения толкатель 56 под действием пружины 55 перемещается в исходное положение, открывая свое дроссельное отверстие 29, через которое рабочая среда из напорной магистрали из входного канала 2 беспрепятственно поступает в камеру 28, чем обеспечивается ускоренный возврат основного запорного органа 4 в начальное закрытое положение.

В целом при этом режиме благодаря демпфирующему действию капиллярного кольцевого зазора по направляющей цилиндрической части 57 толкателя 56, а также благодаря постоянному контакту в процессе работы основного запорного органа 4 с направляющей расточкой 7 корпуса-втулки 1 значительно повышается устойчивость клапана против колебаний и вибраций, улучшается стабильность расхода и давления в системе питания гидропривода. Таким образом происходит предохранение гидросистемы питания и исполнительных элементов от разрушения.

В режиме подпитки (см. фиг.5).

При превышении давления жидкости в сливной надклапанной полости 9 гидропривода над давлением в камере командного давления 28 и соответственно в центральном входном канале 2, рабочая жидкость через радиальные отверстия 8 корпуса-втулки 1 проходит во внутреннюю управляющую камеру 6 и перемещает основной-подпиточный запорный орган 4 на открытие, преодолевая незначительное сопротивление пружин 31, 55 и трение манжетного уплотнения 65. Этим обеспечивается прохождение рабочей жидкости из полости 9 во входной напорный канал 2 и осуществление режима «подпитка» напорной магистрали.

Заявленная совокупность существенных конструктивных признаков предлагаемого изобретения обуславливает получение технического результата - создание перспективного ряда предохранительно-подпиточных гидравлических клапанов модульного исполнения для встроенного монтажа, отвечающих критериям высокой надежности за счет расширения функциональных возможностей и реализации поддержания работоспособности клапанов в широком диапазоне изменения противодавления на сливе основного запорного органа (от 0 до 2,5 МПа) при широком диапазоне изменений входного давления настройки (от 5 до 40 МПа), при срабатывании больших перепадов давлений как в установившихся, так и в переходных режимах, а также при изменениях пропускной способности. Все элементы клапана просты и технологичны в исполнении и при необходимости могут легко и быстро заменяться. Клапаны обеспечивают возможность легкой встройки непосредственно в корпус гидропривода и проведения автономной отработки технических характеристик.

Устройство предназначено для использования в области машиностроения и промышленного арматуростроения, в частности в объемных гидроприводах гидравлических систем строительных и дорожных машин, и предназначено для предохранения этих систем и машин от перегрузок высоким (избыточным) давлением в авиастроении и судостроении при изготовлении предохранительных клапанов. Клапан выполнен в виде блока-модуля с возможностью его легкой встройки непосредственно в корпусе гидропривода и автономной отработки технических параметров. Реализуется возможность выполнения основным запорным органом дополнительной функции подпиточного клапана. Повышаются чувствительность и быстродействие клапана за счет встройки в основной запорный орган индикаторного стержня-толкателя с центральным сквозным дроссельным отверстием с возможностью на такте управления осевого перемещения и взаимодействия со сферической частью хвостовика вспомогательного запорного органа. Сформированы две независимые друг от друга траектории отвода рабочей среды от клапана, чем достигается улучшение проливочных характеристик клапана и расширение функциональных возможностей последнего. Реализуется возможность сохранения функционирования предохранительно-подпиточного клапана в широком диапазоне изменения противодавления на сливе основного запорного органа при широком диапазоне изменений входного давления настройки. Повышается надежность, технико-экономические и эксплуатационные качества. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Предохранительно-подпиточный гидравлический клапан модульного исполнения для встроенного монтажа и высоких давлений, содержащий корпус с резьбовым участком и уплотнениями на внешних установочных поверхностях, с полостями подвода и слива, основной, вспомогательный и подпиточный запорные органы, внутреннюю камеру отвода рабочей среды и управления подпиточным запорным органом, образованную в расточке корпуса-втулки, радиальные отверстия для сообщения этой камеры с надклапанной полостью слива, при этом основной запорный орган снабжен цилиндрической направляющей частью и осевым центральным отверстием, а вспомогательный запорный орган размещен во внутренней камере для отвода рабочей среды и размещения установочного механизма бесступенчатого регулирования, вспомогательный запорный орган снабжен конической уплотняющей поверхностью и опорным торцом, воспринимающим силовую нагрузку цилиндрической пружины сжатия, упертой противоположным концом в опорный торец регулирующего элемента установочного механизма, отличающийся тем, что предохранительно-подпиточный клапан, включающий в себя основной, вспомогательный и подпиточный запорные органы, образован в виде блока-модуля с возможностью встраивания его непосредственно в корпус гидропривода и автономной отработки всех параметров клапана, при этом корпус блока-модуля выполнен в форме многоступенчатой цилиндрической втулки с резьбовым участком и уплотнениями на внешних установочных поверхностях, внутренними соосно расположенными ступенчатыми расточками, большая ступень которых обращена в сторону регулирующей части клапана, радиально отводящими и центральным подводящим каналами, блок-модуль сформирован в виде соосно размещенных в центральном канале корпуса-втулки двух кинематически связанных и последовательно взаимодействующих между собой автоматических устройств управления основным, подпиточным и вспомогательным запорными органами с запирающими элементами типа "клапан-седло", с общей камерой командного давления, герметично размещенной между указанными устройствами, с возможностью сообщения ее через дроссель с источником управляющего давления, устройство управления основным и подпиточным запорными органами состоит из корпуса-втулки с основным седлом, с входной и сливной полостями и разделяющих эти полости основного и подпиточного запорных органов, конструктивно совмещенных и выполненных за одно целое в виде подпружиненного плунжера с внутренней сквозной многоступенчатой расточкой, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющей расточке корпуса-втулки и одновременного контакта и взаимодействия конической уплотняющей части с седлом входного канала корпуса-втулки, а внутренней расточки большей ступени - с уплотненной поршневой частью корпуса вспомогательного запорного органа, неподвижно закрепленного в резьбовой расточке корпуса-втулки, при этом внутренняя камера отвода рабочей среды и управления подпиточным запорным органом образована внешним контуром уплотняющей части основного запорного органа и контуром прилегающей к нему расточки корпуса-втулки, причем упомянутая камера постоянно сообщена с надклапанной полостью слива, автоматическое устройство управления вспомогательным запорным органом, включающее в себя установочный механизм бесступенчатого регулирования, конструктивно и функционально образованный в виде самостоятельного блока-модуля и содержит корпус, выполненный в виде уплотненной по установочным цилиндрическим поверхностям резьбовой многоступенчатой втулки с направляющей поршневой цилиндрической частью и разделяющей наружной кольцевой проточкой, втулка снабжена опорным торцом и сформирована с возможностью встраивания ее и, соответственно, всего устройства в целом, в резьбовую расточку корпуса-втулки с перекрыванием его центрального канала своей опорной поверхностью, при этом между этой поверхностью и соответствующей торцовой стенки центрального канала корпуса-втулки соосно этому каналу предусмотрено контактное металлическое уплотнение - герметизирующий стык в виде торцовой уплотняющей кольцевой перемычки, по одну сторону которой, обращенной к основному запорному органу, образована с возможностью постоянного заполнения рабочим телом и гарантированным подпором глухая кольцевая камера гидравлической разгрузки, размещенная между уплотняющим опорным торцом, разделяющей кольцевой проточкой резьбовой втулки, стенкой центрального канала и торцом основного запорного органа, по другую сторону торцовой уплотняющей перемычки, в зоне периферийной части резьбовой втулки, сформирована вспомогательная кольцевая коллекторная полость слива, кроме этого, внутри резьбовой втулки выполнена ступенчатая цилиндрическая расточка - внутренняя камера с участком резьбовой поверхности и седлом в расточке меньшей ступени, камера сообщена с вспомогательной коллекторной полостью слива радиально расположенными каналами, в камере размещены вспомогательный запорный орган, выполненный с конической уплотняющей поверхностью, наружным кольцевым двухсторонним уступом и осевым хвостовиком цилиндрической формы со сферическим опорно-установочным торцом, соосно выведенным в зону общей камеры командного давления, причем запорный орган установлен с возможностью одновременного контакта конической части с седлом втулки, а периферийной поверхности кольцевого двухстороннего уступа - с поверхностью внутренней камеры, при этом на периферийной поверхности кольцевого уступа образованы продольные сквозные, равномерно расположенные в окружном направлении, полуцилиндрические расточки, глубина которых расположена вне зоны контакта конической поверхности запорного органа с седлом резьбовой втулки, причем в расточке меньшей ступени резьбовой втулки хвостовик вспомогательного запорного органа установлен с гарантированным кольцевым зазором для прохождения рабочей среды, а указанная кинематическая связь выполнена в виде размещенного во внутренней расточке меньшей ступени основного-подпиточного запорного органа, подпружиненного относительно устройства управления вспомогательным запорным органом, ступенчатого цилиндрического индикаторного стержня - с направляющей наружной частью с двухсторонним уступом и соосной торцовой расточкой-седлом с центральным сквозным дроссельным отверстием, при этом толкатель установлен с возможностью на такте управления осевого перемещения и взаимодействия торцовой расточки-седла со сферической поверхностью хвостовика вспомогательного запорного органа.2. Предохранительно-подпиточный гидравлический клапан по п.1, отличающийся тем, что траектория отвода рабочей среды из внутренней камеры резьбовой втулки устройства управления вспомогательным запорным органом выполнена автономной, при этом на внешней установочной поверхности большей ступени корпуса-втулки клапана между кольцевыми проточками под уплотнения образована кольцевая выемка профилированной формы с возможностью сообщения ее с дополнительной надклапанной выходной полостью слива, а через радиально расположенные каналы - с вспомогательной кольцевой коллекторной полостью слива и, соответственно, с внутренней камерой резьбовой втулки, кроме этого, сформированные внутри предохранительно-подпиточного клапана камеры для отвода рабочей среды от основного запорного органа, гидравлической разгрузки и надклапанная полость сливной магистрали закольцованы между собой кольцевым каналом, образованным между наружной поверхностью основного запорного органа и соответствующей поверхностью расточки корпуса-втулки, а диаметры центрального канала (расточки) корпуса-втулки и опорной части резьбовой втулки вспомогательного запорного органа, определяющие оптимальную ширину торцовой уплотняющей кольцевой перемычки, связаны соотношением

D_оч/D_p=1,09...1,18,

где D_оч - диаметр опорной части резьбовой втулки, мм;

D_p - диаметр расточки корпуса, мм.