Золотниковые гидравлические распределители

В золотниковых гидрораспределителях (рис. ZSK.9.4) управление потоками рабочей жидкости основано на изменении положения цилиндрического запорно-регулирующего элемента — золотника. Этот элемент устанавливается внутри корпуса в прецизионно обработанном цилиндрическом отверстии и имеет проточки (пояски) и канавки, формирующие рабочие кромки.

Рис. ZSK.9.4. Золотниковый распределитель

Описанный узел (рис. ZSK.9.5, а) представляет собой классическую конструкцию золотникового распределителя с гидравлической разгрузкой. Здесь золотник 4 снабжён двумя буртами 3 и 5, соединёнными перемычкой, и установлен в продольной цилиндрической полости 2 корпуса 1.

Рабочие каналы P (напорный) и A (исполнительный) сообщаются с кольцевыми проточками 8, выполненными в корпусе. Рабочее проходное сечение распределителя определяется зазорами, формируемыми между кромками 6 буртов золотника и кромками 7 кольцевых расточек корпуса.

Конструктивные особенности и работа

• Для обеспечения подвижности золотника в корпусе предусмотрен радиальный зазор по диаметру. Этот зазор неизбежно приводит к утечкам рабочей жидкости при наличии перепада давления между каналами.
• Уменьшение зазора снижает потери, но технологически достичь значения меньше 10 мкм затруднительно: требуется высокая точность обработки и строгий контроль параметров сопрягаемых поверхностей.
• Перемещение золотника требует преодоления только сил трения и, при наличии, усилия возвратной пружины. Давление жидкости на движение золотника не влияет, так как торцы имеют равные площади, и силы давления с обеих сторон уравновешиваются. Такая схема называется гидравлической разгрузкой.

Физика заедания золотника

При длительной неподвижности золотника под давлением рабочей жидкости возникают локальные неравномерности распределения давления в зазоре между буртами и корпусом. В результате в зонах буртов формируются гидродинамические силы прилипания, что повышает сопротивление при начале движения. Именно это объясняет эффект «прикипания» золотника после остановки и необходимость приложить большее усилие для его сдвига.

Важные эксплуатационные моменты

• Чистота рабочей жидкости — при наличии абразивных частиц или продуктов износа зазор увеличивается, утечки возрастают, а износ сопряжённых поверхностей ускоряется.
• Материалы и обработка — золотники и корпуса выполняются из закалённой стали с прецизионной шлифовкой и притиркой, чтобы минимизировать износ и обеспечить стабильность зазоров.
• Форма буртов — оптимизируется для снижения сил трения и уменьшения риска гидродинамического прилипания.
• Режимы работы — частые переключения распределителя снижают вероятность заеданий, тогда как длительные остановки под давлением повышают риск «прикипания».

Рис. ZSK.9.5. Действие давления на буртик золотника

 

Для предотвращения заедания золотника в распределителях действительно применяется конструктивный приём с выполнением цилиндрических разгрузочных проточек на буртиках (см. рис. ZSK.9.3, б). Эти проточки всегда заполнены рабочей жидкостью под давлением, что приводит к образованию устойчивой масляной плёнки. В результате золотник фактически «плавает» внутри расточки корпуса, что значительно уменьшает силу сухого трения, снижает риск гидродинамического прилипания и обеспечивает мягкое и плавное перемещение при переключении.

 

Однако полностью исключить необходимость повышенного усилия при первом сдвиге золотника после длительной остановки не удаётся. Здесь действует не только механический фактор (прилипание из-за неравномерного давления в зазорах), но и физико-химическое явление — облитерация. Оно заключается в том, что молекулы рабочей жидкости за время покоя адсорбируются на поверхностях сопряжённых деталей, формируя тонкий, почти «сросшийся» слой, который частично блокирует подвижность. Поэтому начальное усилие на толкатель или исполнительный элемент должно быть выше, чем в процессе работы.

Пример конструкции золотникового гидрораспределителя (3/2-тип)

На рисунке ZSK.9.6 показан 3/2-распределитель с ручным управлением и возвратной пружиной. Его работа основана на следующем:

1. Исходное состояние
   При отсутствии управляющего воздействия возвратная пружина 3 удерживает золотник 2 в крайнем левом положении.
   Канал P (подача) перекрыт.
   Канал A соединён со сливом T, что обеспечивает разгрузку исполнительного механизма.
   Это положение считается нормальным (исходным).
2. Рабочее состояние (управление нажатием кнопки)
   При нажатии на толкатель 1 золотник перемещается вправо, преодолевая сопротивление пружины.
   Каналы P и A соединяются между собой, обеспечивая подачу рабочей жидкости к потребителю.
   Канал T при этом перекрывается.
3. Возврат в исходное положение
   После снятия управляющего воздействия пружина 3 возвращает золотник в исходное (левое) положение.
   Исполнительный механизм вновь соединяется со сливом, а подача от насоса блокируется.

Рис. ZSK.9.6. 3/2-гидрораспределитель

 

3/2-распределители чаще всего применяются для управления нереверсивными гидромоторами и гидроцилиндрами одностороннего действия. Их главная задача — включение или отключение подачи рабочей жидкости к потребителю и обеспечение разгрузки гидросистемы через слив при отсутствии управляющего сигнала. Такие распределители удобны для простых гидроприводов, где требуется однонаправленное движение штока или ротора.

 

Для управления реверсивными гидромоторами и гидроцилиндрами двустороннего действия используются 4/2-распределители (рис. ZSK.9.7):

Рис. ZSK.9.7. 4/2-гидрораспределитель

 

4/2-распределители позволяют управлять гидроцилиндрами двустороннего действия, обеспечивая их перемещение только в крайних положениях: полностью выдвинутом или полностью втянутом штоке. Они отлично подходят для задач, где промежуточная фиксация штока не требуется.

 

Однако в большинстве сложных гидроприводов, например, при управлении рабочими органами экскаваторов, манипуляторов или промышленных прессов, часто возникает необходимость остановки штока в произвольном положении. Для этого используют 4/3-гидрораспределители (рис. ZSK.9.8).

Рис. ZSK.9.8. 4/3-гидрораспределитель с ручным управлением

 

В гидрораспределителях с возвратными пружинами нейтральное положение золотника выполняет функцию защиты и удержания гидроцилиндра. Если на распределитель не поступает управляющее воздействие, пружины 4 и 6 автоматически возвращают золотник 5 в среднее положение, при котором все рабочие каналы закрыты, и гидроцилиндр фиксируется в текущем положении. Такое решение предотвращает самопроизвольное движение штока и обеспечивает безопасность работы гидропривода.

 

Когда оператор воздействует на рычаг 1, он поворачивается вокруг шарового шарнира 2 и через соединённый толкатель 3 перемещает золотник 5 в одну из рабочих позиций. В результате изменяются внутренние соединения каналов, что приводит к подаче рабочей жидкости под давлением в одну из полостей гидроцилиндра и сливу из другой. Движение золотника соответствует условной гидравлической схеме распределителя, обеспечивая точное управление направлением движения штока.

На примере гидропривода, изображённого на рисунке ZSK.9.9, в исходном состоянии (рис. ZSK.9.9, а) полости гидроцилиндра изолированы друг от друга, и шток остаётся зафиксированным в последнем положении. При повороте рычага в рабочее положение «а» золотник соединяет напорную линию с одной полостью цилиндра, а другую полость — с линией слива. Под действием давления рабочей жидкости шток начинает поступательное движение внутрь цилиндра (рис. ZSK.9.9, б), обеспечивая выполнение заданной команды.

Рис. ZSK.9.9. Управление гидроцилиндром двустороннего действия посредством 4/3-распределителя

 

Когда шток гидроцилиндра достигает заданного положения, определяемого оператором, управляющее воздействие на золотник прекращается. Под действием встроенных центрирующих пружин золотник возвращается в нейтральное (среднее) положение 0, при котором все рабочие каналы закрыты, а подача давления прекращается. В результате шток останавливается в новом положении, фиксируя выполнение команды (см. рис. ZSK.9.9, в).

 

Для удобства описания положения золотника в распределителях используют буквенные обозначения:
«а» — крайнее левое положение;
«в» — крайнее правое положение;
«0» — среднее, нейтральное положение.

В двухпозиционных распределителях применяются только «а» и «в», а в трёхпозиционных распределителях предусмотрено также нейтральное положение «0».

Чтобы стандартизировать разнообразие конструкций распределителей, каждому типу присваивается номер исполнения, который соответствует определённой схеме соединений гидролиний. Это позволяет унифицировать документацию и упростить понимание работы разных моделей распределителей.

Для наглядности и систематизации вариантов коммутации потоков рабочей жидкости золотниковыми распределителями составлены таблицы соединений и схемы, отражающие все основные способы управления подачей и сливом жидкости в гидросистемах, как показано в таблице 9.1. Каждая схема иллюстрирует, какие каналы соединяются между собой при том или ином положении золотника, обеспечивая визуальное представление работы гидропривода и облегчая проектирование и обслуживание систем.

Таблица 9.1

 

(содержит схемы распределителей по ГОСТ 2.781-96 и соответствующие соединения каналов в переходных и рабочих положениях, примеры: 14, 24, 34... 574E и др.)

 

Во время перемещения золотника из одной позиции в другую возможны различные промежуточные соединения гидравлических каналов, которые на условных графических схемах показываются пунктирными линиями, соединяющими основные рабочие положения, обозначенные сплошными линиями. Эти промежуточные состояния отражают моменты, когда часть потоков уже перекоммутирована, а часть ещё остаётся в исходном положении.

Например, схемы 64 и 64А отличаются именно переходными состояниями, а не основными режимами работы. В схеме 64 переключение происходит плавно: давление распределяется одновременно в несколько направлений, обеспечивая мягкое изменение параметров потока в гидролиниях A и B. Такой режим особенно важен при необходимости избежать резких скачков давления, которые могут вызвать гидроудар. В отличие от неё, схема 64А может создавать кратковременный резкий рост давления при переключении, что представляет потенциальную угрозу для уплотнений, клапанов и других элементов гидросистемы.

Выбор конкретной схемы (например, 64 или 64А) определяется эксплуатационными требованиями гидропривода: чувствительностью к перепадам давления, допустимым уровнем шума, требованиями безопасности, характеристиками нагрузки и особенностями управления.

Разнообразие вариантов коммутации достигается конструктивными особенностями золотника. Форма и размеры буртов, наличие и глубина проточек, точность изготовления цилиндрической поверхности — всё это позволяет реализовывать заранее заданные схемы соединения каналов как в основных, так и в переходных позициях (см. рис. ZSK.9.10). Благодаря таким конструктивным решениям обеспечивается плавность работы, снижение гидроударов и увеличение ресурса компонентов гидросистемы.

Рис. ZSK.9.10. Примеры реализации разных схем соединения в нейтральной позиции

 

В зависимости от геометрии и взаимного расположения буртиков золотника и цилиндрических расточек корпуса распределителя различают положительное, отрицательное и нулевое перекрытие (рис. ZSK.9.11).

 

Рис. ZSK.9.11. Виды перекрытий золотников

 

Главным ограничением золотниковых распределителей является их неполная герметичность. Рабочая жидкость может просачиваться через микрозазоры между корпусом и золотником, и величина таких утечек определяется размером зазора, вязкостью гидравлической жидкости и давлением в системе.

 

В обычных гидросистемах эти утечки невелики и находятся в пределах допустимых норм, не оказывая существенного влияния на работу привода. Однако в случаях, когда любые потери рабочей жидкости недопустимы — например, в прецизионных системах или герметичных гидравлических контурах высокой чистоты — использование золотниковых распределителей может быть нецелесообразным. В таких ситуациях предпочитают применять клапанные или мембранные распределительные устройства, где герметичность обеспечивается более эффективно.

Кроме того, на величину утечек влияет износ рабочих поверхностей, качество сборки и условия эксплуатации (температура, загрязнённость жидкости). При длительной эксплуатации без должного обслуживания утечки могут увеличиваться, что приводит к снижению производительности гидросистемы и необходимости регулярного контроля и регулировки зазоров.