Предохранительные клапаны прямого действия подразделяют на обычные, когда давление жидкости действует на всю активную площадь запорного элемента, и дифференциальные, когда давление действует только на часть площади. По конструктивному исполнению клапаны могут быть шариковыми, конусными, плунжерными (золотниковыми). Следует иметь в виду, что предохранительные клапаны, которые рассчитаны на частую работу и большие расходы жидкости, иногда называют перепускными. К ним, например, относятся клапаны, применяемые в гидроприводе механизма поворота и работающие в каждом цикле экскавации.

Шариковые клапаны просты по конструкции и дешевы в изготовлении. Принцип действия клапана основан на уравновешивании давления жидкости, действующего на шарик, усилием пружины. Клапан открывается, когда давление действующей на шарик жидкости больше, чем усилие сжатой пружины. При этом давление жидкости под шариком падает, так как напорная линия А соединяется со сливной Б, и клапан закрывается. Под действием возросшего давления клапан снова открывается и процесс повторяется. Таким образом, быстро и часто открываясь и закрываясь, шарик разбивает седло.

Шариковые клапаны бывают с центрированным и нецентрированным шариком. В клапанах с центрированным шариком направляющие центрирующего элемента препятствуют боковым перемещениям шарика. За счет малого зазора между корпусом и элементом, а также наличия демпфирующего отверстия в элементе колебания шарика в осевом направлении (вибрацию) удается гасить, что(Предохраняет его седло от изнашивания.

Клапаны с нецентрированным шариком проще в изготовлении, но шарик в них может перемещаться также и в боковые стороны, вследствие чего нарушается герметичность клапана и он пропускает рабочую жидкость в сливную линию при любых условиях. Поэтому такие клапаны, как правило, применяют в системах с небольшим расходом жидкости, в них давление редко достигает значения, на которое отрегулирован клапан.

Конусные клапаны, как правило, центрированы и могут поворачиваться только относительно своей оси, поэтому отличаются от шариковых более высокой герметичностью. Недостатки конусных клапанов — неустойчивая работа и вибрация, которые являются причинами повышенного износа седла и клапана, усталостных разрушений трубопроводов. Устраняют их, применяя демпфирующие (тормозящие) устройства или клапаны с обратным конусом.

Например, для предохранения механизма поворота от перегрузок устанавливают два смонтированных в одном корпусе (блок) предохранительных клапана прямого действия конусного типа с механическим демпфированием колебаний. Полости А и Б соединены с рабочими линиями гидромотора поворота. При давлении в одной из линий, превышающем давление настройки клапана, жидкость перепускается в другую линию. Вибрация такого клапана при работе значительно меньше вследствие бокового расположения отверстий А и Е. При прохождении потока жидкости клапан прижимается давлением жидкости к противоположной от отверстия стенке и благодаря трению о стенку колебания его тормозятся и значительно уменьшаются.

Рис. 1. Схемы клапанов прямого действия — с центрированным (а) и нецентрированным (б) шариками и с центрированным (в) и нецентрированным
(г) клапанами:
1 — регулировочный болт, 2 — корпус, 3 — пружина, 4 — шарик, 5 — центрирующий элемент, 6 — конусный клапан; А,Б — напорная и сливная линии

Рис. 2. Блок предохранительных клапанов конусного типа с механическим (а) и гидравлическим (б) демпфированием:
1 — демпфер, 2 — клапан, 3 — пружина, 4 — регулировочная гайка, 5 — плунжер; А…В — полости

На экскаваторах применяют блок клапанов прямого действия с гидравлическим демпфированием колебаний. Собственно клапан выполнен полым с обратным конусом (коническая внутренняя поверхность), который плотно прижат пружиной 3 к седлу и запирает выход рабочей жидкости из полости А в полость В. При этом демпфер, который может перемещаться внутри клапана, прижат давлением жидкости в полости А в крайнее правое положение относительно клапана. Буртик демпфера упирается во внутреннюю коническую поверхность клапана.

При повышении давления в полости А рабочая жидкость, воздействуя на коническую поверхность клапана, быстро открывает его, сжимая, пружину, и проходит из полости А в полость В. Под реактивным давлением потока жидкости, воздействующего на торец демпфера, последний движется вслед за клапаном, но медленнее, чем клапан, так как жидкость из полости Б в полость А должна выжаться через малое отверстие в демпфере.

При понижении давления в полости А клапан под действием пружины начинает закрываться. Однако закрывается он медленно, так как упирается в буртик сместившегося вправо демпфера и плавно перемещается в сторону закрытия вместе с демпфером по мере заполнения полости Б жидкостью, которая медленно проходит туда через отверстие малого диаметра в демпфере.

Плунжерные клапаны прямого действия применяют при большом расходе жидкости и высоком давлении в гидросистеме с целью уменьшения действующих усилий и размеров пружин. В дифференциальном клапане пружина воспринимает только часть усилия, создаваемого давлением жидкости. Для этого в золотнике 1 установлен поршень 2, нижний торец которого соприкасается с пробкой 3 клапана. Жидкость поступает в полость А и через сверления в золотнике в полость Б над поршнем. На пружину золотника действует усилие, равное произведению давления жидкости на площадь поршня.

Предохранительные клапаны непрямого действия конусные применяют для ограничения давления при передаче больших мощностей. Эти клапаны позволяют поддерживать заданное давление независимо от расхода жидкости в гидросистеме.

На золотник действует слабая пружина, которая стремится переместить его в крайнее нижнее положение. В поршне золотника сделано отверстие Б малого диаметра, являющееся демпфером и соединяющее полости А и В. Пока давление жидкости, действующее на конусный клапан, не превышает давления, на которое отрегулирована пружина, клапан закрыт и давление в полости В равно давлению в полости А. При этом золотник под действием пружины находится в крайнем нижнем положении и напорная полость А отсоединена от сливной Г. При давлении, превышающем давление настройки пружины, клапан открывается и перепускает жидкость на слив через канал Д золотника.

Рис. 3. Предохранительные клапаны прямого (в) и непрямого действия (б):
1 — золотник, 2 — поршень золотника, 3 — пробка, 4— корпус, 5, 7 — пружины, 6 — конусный клапан, 8 — крышка, 9 — регулировочный винт

К клапану жидкость поступает из полости А через демпфер (отверстие) Б и канал. Ввиду малого диаметра демпфера Б создается перепад давления до и после него, в результате чего возникает усилие, поднимающее золотник вверх. При этом полость А высокого давления соединяется с полостью Г низкого давления и поток под давлением настройки пружины направляется на слив в бак.

Регулирование направления потока. Обратные клапаны пропускают через себя поток жидкости только в одном направлении и исключают ее обратное движение. Их различают по конструкции (шариковые и конусные) и принципу действия (неуправляемые и управляемые).

На одноковшовых экскаваторах применяют только шариковые клапаны.

Неуправляемый шариковый обратный клапан. В седле штуцера установлен шарик, который прижимается к седлу слабой пружиной. Жидкость, поступающая под давлением в канал А, воздействуя на шарик, легко преодолевает сопротивление пружины и проходит в полость Б и сообщающийся с ней канал В. Если же в полости Б давление выше, чем в канале А, то оно прижимает шарик к седлу тем сильнее, чем больше разница давлений в полости Б и канале А. Таким образом, жидкость может проходить только из канала А в полость Б. Обратное ее движение исключается.

Управляемый шариковый обратный клапан от неуправляемого отличается тем, что при подаче жидкости под давлением в канал Е управления клапаном поршень с иглой и шариком смещаются влево, сжимая пружину и открывая свободный проход жидкости из канала Д в канал Г и обратно. Если в канале Е нет давления, то пружина прижимает шарик к седлу, запирая проход жидкости из канала Д в канал Г.

Дроссельное регулирование расхода жидкости. При дросселировании потока происходят нагрев жидкости, потеря напора и снижение КПД гидропривода. Однако дроссельное регулирование отличается (по сравнению с объемным) незначительными усилиями, необходимыми для управления регулирующими устройствами.

В гидросистемах дроссель устанавливают на напорный (регулирование на входе) или сливной (регулирование на выходе) гидролиниях или параллельно гидродвигателю. На одноковшовых применяют в основном дросселирование на выходе.

Регулирование на выходе. Если дроссель создает достаточное сопротивление, то давление в поршневой (левой) полости гидроцилиндра в любом случае ограничится настройкой предохранительного клапана. Давление в штоковой полости зависит от нагрузки, приложенной к штоку гидроцилиндра. Чем больше нагрузка, тем меньше давление в правой полости цилиндра и перепад давления на дросселе, следовательно, тем меньше и скорость перемещения поршня.

Схема с дросселем, устанавливаемым параллельно гидродвигателю. В этой схеме предохранительный клапан и дроссель установлены параллельно напорной гидролинии. При полностью закрытом дросселе вся жидкость, подаваемая насосом, нагнетается в гидроцилиндр и с максимальной скоростью перемещает поршень. При полностью открытом дросселе вся жидкость через дроссель поступает в бак и поршень перемещаться не будет. При частично открытом дросселе поток разделяется: часть жидкости поступает в гидроцилиндр, а другая часть через дроссель — в бак.

Рис. 4. Неуправляемый (в) и управляемый (б) шариковые обратные клапаны:
1, 6 — штуцера, 2— седло, 3— шарик, 4— пружина, 5 — направляющие, 7 — игла, 8 — поршень

Рис. 5. Схемы установки дросселей на входе (а), выходе (б) и параллельно гидродвигателю (в):
1 — насос, 2 — клапан, 3 — дроссель, 4 — гидрораспределитель, 5 — гидроцилиндр

Давление, развиваемое насосом при параллельной схеме, зависит от сопротивления перемещению штока гидроцилиндра. Чем больше сопротивление, тем больше давление перед дросселем и тем меньше скорость перемещения поршня.

Потери энергии на дросселирование в такой схеме значительно меньше, чем при установке дросселя на входе и выходе, так как насос большую часть времени работает при давлении меньшем, чем то, на.которое настроен предохранительный клапан.

По принципу действия дроссели бывают вязкостного сопротивления, в которых потери напора определяются вязкостным сопротивлением; инерционного, в которых потери напора определяются деформацией потока жидкости; комбинированного, в которых используется и вязкостное, и инерционное сопротивления.

По виду регулирования дроссели подразделяют на управляемые (проходное сечение дросселирующего отверстия в процессе работы может быть увеличено или уменьшено машинистом) и неуправляемые (проходное сечение не изменяется). На одноковшовых экскаваторах применяют только неуправляемые дроссели.

По конструкции неуправляемые дроссели бывают прямого действия, в которых расход жидкости зависит от перепада давления до и после дросселя, и регуляторы скорости, поддерживающие постоянный расход жидкости независимо от размера нагрузки.

Неуправляемые дроссели часто применяют в сочетании с другими регулирующими устройствами.

Рассмотрим устройство конусного обратного клапана со встроенным в него неуправляемым дросселем прямого действия. Назначение дросселя — ограничивать скорость опускания стрелы под действием нагрузки от веса рабочего оборудования.

Рис. 6. Дроссели вязкостного (а), инерционного (б) и комбинированного (в) сопротивления
И обратный клапан с дросселем (г): 1— корпус, 2 — клапан, 3 — пружина, 4 — шайба, 5 — штуцер, 6 — уплотнительное кольцо

Установлен обратный клапан с дросселем в линии питания полости гидроцилиндра. При нагнетании жидкости в эту полость стрела поднимается. При подъеме стрелы (направление потока рабочей жидкости при этом указано на рисунке стрелкой) жидкость поднимает полый клапан, сжимая слабую пружину, почти не создающую сопротивления потоку. При опускании стрелы, когда поток жидкости движется в противоположном направлении, коническая поверхность клапана прижимается к кромке – корпуса пружиной и воздействием самого потока, скорость прохождения которого через клапан ограничивается проходным сечением дроссельного отверстия А. Это устройство не позволяет регулировать скорость опускания стрелы, которая при определенных массе и положении рабочего оборудования и вязкости рабочей жидкости будет зависеть только от размера дроссельного отверстия А.