Об’ємний гідропривод: Конспект лекцій (Лекції 1-36: Загальні відомості про об’ємний гідропривод. Нові прогресивні технології і перспективи розвитку гідроприводів), страница 20

2. Клапани кулькового типу

Кулькові клапани прості по конструкції і дешеві у виготовленні, завдяки чому вони мають широке застосування в гідросистемах.

Принцип дії такого клапана заснований на урівноваженні дії сил рідини на кульку силою пружності пружини (рис. 3.4). Ця рівновага порушується, коли сила тиску рідини більша зусилля пружини, при цьому кулька піднімається в сідлі і пропускає рідину.

Рис. 3.4. Приклади кулькових клапанів.

Пружина в клапані повинна сприймати зусилля тиску рідини на робочу площу

.

Кульковий клапан може бути виконаний в двох варіантах:

1. Кулька не центрована і тримається у сідлі зусиллям пружини. Такі клапани прості у виготовленні, але мають деякі недоліки, що обмежує їх застосування.

Кулька відкривається якщо P>P₀, де P₀ – зусилля попереднього стиснення пружини. Кулька піднімається на висоту h, тобто тиск повинен піднятися на Δp, де Δp=сh, с – жорсткість пружини. При цьому зусилля, яке діє зі сторони рідини на кульку повинно бути достатнім, щоб його утримувати в новому положенні, але при відкритті клапану на кулька починають діяти нові сили: сила гідродинамічного тиску і друга сила, викликана перепадом тисків до і після клапану. Обидві сили залежать від витрати, а отже кулька займає визначене положення. Висота підйому залежить від рівноваги сил, які діють на кульку і відповідають витраті, в свою чергу прохідний переріз клапану визначає величину витрати. В клапані проходять додаткові явища: як тільки кулька відірветься від сідла і клапан відкриється, тиск під кульком різко впаде, а над кульком підвищиться. Кулька опускається на сідло, потім тиск росте і процес повторюється.

Під дією рідини кулька переміщується не тільки вздовж вісі клапана, але і в боковому напрямку. В результаті порушується посадка клапана в сідлі і губиться герметичність. Крім цього кульковий клапан із-за невеликого прохідного перерізу не можна застосовувати для великих витрат.

2.З метою усунення перерахованих недоліків застосовуються клапани, у яких кулька центрована в опорі спеціальною направляючою, яка перешкоджає виникненню бокових вібрацій.

Розрахунок кулькового клапана

Звичайно визначають прохідний переріз клапана у відповідності з заданою витратою і підбирають пружину, тиск задається.

Витрату рідини крізь клапан можна визначити по виразу

,                                                          (3.1)

де μ – коефіцієнт витрати 0,52...0,55;

f_кл – площа вихідного перерізу.

Розрахункова схема клапану представлена на рис. 3.4.

 - діаметр нижньої основи.

Після підстановки в вираз (3.1) маємо

,                                         (3.3)

де кут α = 100°...110°.

Нехтуючи масою кульки приймемо, що при відкритому клапані на кульку в загальному випадку діє сила гідростатичного  і гідродинамічного тиску , яка врівноважується зусиллям пружини

.                                                        (3.4)

При відкритому клапані тиск р₁ діє на трохи меншу площу з діаметром d₁, а в зазорі тиск падає до р₂.

Оскільки закон зміни тиску в зазорі невідомий, то застосовуємо його таким, що змінюється по лінійному закону:

.                                        (3.5)

Силу гідродинамічного тиску визначаємо з умови зміни кількості руху робочої рідини, приймаючи, що швидкість руху рідини перед кульком v₁, в зазорі v₂ будемо мати

.                                                     (3.6)

Сила пружини

,                                                              (3.7)

де с – жорсткість пружини;

h₀ – попереднє стиснення пружини;

h – висота підйому кулька.

Підставивши одержані значення у вираз (3.2), можна отримати необхідну жорсткість пружини с.

Відомо, що

,                                                                (3.8)