Клапанные и золотниковые пневмораспределители: отличия в конструкции и характеристиках

В условных обозначениях распределителей нет даже намека на их конструктивное исполнение. А от него зависят многие характеристики: рабочее давление, температура, ресурс, время переключения, потери сжатого воздуха при переключении, уровень утечек в статическом положении и т.д. Таким образом, ориентируясь только на условное обозначение, невозможно подобрать распределитель, отвечающий требованиям конкретной задачи. Поэтому рассмотрим подробно конструкции распределителей, которые остаются за рамками условного обозначения.

Конструктивно различают клапанные и золотниковые распределители, причем последние делятся на распределители с цилиндрическим золотником и плоским золотником. Цилиндрический золотник может иметь упругие уплотнения или быть притертым к внешней втулке (так называемое уплотнение «металл по металлу»), а плоский золотник может перемещаться линейно или поворачиваться.

Клапанные распределители

Под клапаном обычно понимается устройство, состоящее из неподвижного седла и подвижного затвора. При посадке затвора на седло проход рабочей среды перекрывается, при отводе затвора от седла проход открывается – функция 2/2-распределителя. Форма седла и затвора может быть самой разнообразной, как и материал уплотнений. Затвор может быть плоским, сферическим, коническим, а седло при плоском затворе может иметь острую кромку для повышения герметичности. Для получения клапанного распределителя, например, с функцией 3/2 или 5/2, требуется две или четыре пары затвор-седло, соответственно. В 3/2-распределителе одна пара работает на проход между каналами 1 и 2, а вторая – между каналами 2 и 3, а в 5/2-распределителе клапаны сообщают каналы 1 и 2, 1 и 4, 2 и 3, 4 и 5.

Рис. 1. Конструкция клапанного нормально закрытого 3/2-распределителя с односторонним пилотным электромагнитным управлением, пружинным возвратом и ручным дублированием.

Основной клапанный узел совмещен с приводным поршнем, на который при включении распределителя действует давление пилота. В исходном положении (на рис.1 слева) этого давления в полости над приводным поршнем нет, поэтому клапанный узел мощной возвратной пружиной прижимается к нижнему седлу, перекрывая проход воздуху из канала питания 1, а выходной канал 2 через верхний открытый клапан сообщен с каналом 3 и далее с атмосферой.

Похожую конструкцию имеет и пилотный клапан, с той лишь разницей, что здесь его седла расположены снаружи затворов, а не изнутри как в основном каскаде. Нижний затвор пружиной прижат к седлу, а верхний при этом сообщает полость над приводным поршнем с атмосферой через канал 82. Питание пилот получает по внутреннему каналу, который сообщается с основным питанием в канале 1. Подвижный элемент пилота является якорем электромагнита, поэтому при подаче электрического сигнала на катушку, он под действием электродвижущей силы поднимается вверх, открывая проход воздуху в полость над приводным поршнем. Основной клапанный узел идет вниз, открывая проход воздуху из канала 1 в канал 2 и закрывая выход в атмосферу через канал 3 (правое положение на рис.1). Если электрический сигнал снять, то пружина вернет пилотный клапан в исходное положение, воздух из приводной полости выйдет в атмосферу через канал 82, и основной клапанный узел также вернется в исходное положение.

На этом рисунке хорошо видны некоторые особенности конструкции пилотного управления, свойственные и золотниковым распределителям. Понятно, что нижний предел давления, на котором еще сможет работать распределитель с внутренним питанием пилота, определяется силой возвратной пружины, площадью приводного поршня и площадью нижнего седла (или золотника). При внешнем питании пилота этот предел касается давления, подаваемого в канал 12 или 14, тогда как давление в канале 1 может быть любым – от вакуума до некоторого максимума. Хотя, как правило, требуемое для надежного переключения распределителя давление внешнего питания пилота повышается с ростом давления в канале 1.

Мощность электромагнитной катушки определяется площадью сопла пилота, через которое воздух поступает в приводную полость – чем больше сопло, тем мощнее должна быть катушка. Т.е. распределители с маломощными катушками более чувствительны к загрязнению рабочей среды, поскольку отверстие в пилоте у них очень маленькое. У распределителей прямого действия якорь катушки связан непосредственно с основным клапанным узлом, но мощность и габариты катушки из-за возвратной пружины значительно увеличены, по сравнению с пилотным управлением.

Если в канале выхлопа пилота (канал 82 на рис. 1.) имеется резьба, то туда можно установить небольшой глушитель, который защитит пилот от попадания в него загрязнений из окружающей среды. Т.е. распределители с резьбой в каналах выхлопа пилотов лучше подходят для работы в неблагоприятных условиях. Окружающая среда также может проникнуть в так называемую «дыхательную полость», расположенную под приводным поршнем. Эта полость должна быть всегда открыта в атмосферу, чтобы основной каскад переключался нормально. Фактически при каждом срабатывании распределитель «вдыхает» в себя порцию окружающего воздуха, поэтому у некоторых распределителей вход в эту полость защищают фильтром.

Золотниковые распределители

Распределители с цилиндрическим золотником и эластичными уплотнениями благодаря своей простой и симметричной конструкции являются самыми популярными, несмотря на сложности с их ремонтом и более низкую динамику по сравнению с клапанными распределителями. Динамика хуже из-за тяжелого золотника, его большого хода и высокого трения.

Рис. 2. Моностабильные 5/2-распределители с цилиндрическим золотником и эластичными уплотнениями: с внутренним (сверху) и с внешним (снизу) питанием пилота и пневмовозвратом

Перемещаясь по своей оси, золотник за счет поясков разного диаметра открывает и перекрывает проходы между основными каналами. Ремонтировать основной каскад таких распределителей сложно потому, что вставленные в металлические кольца эластичные уплотнения, при сборке запрессовываются в корпус и извлечь их без повреждений очень сложно. Зато, изменяя длину участков с большим и малым диаметром на золотнике, можно получить любую функцию. Уплотнения можно расположить и на золотнике. Тогда обработке подвергается внутренняя поверхность корпуса, а золотник можно сделать из легкого полимера. Такие распределители ремонтопригодны. Технология изготовления и сборки золотниковых распределителей не требует высокой точности обработки поверхностей, и они относительно дешевые.

Как и клапанные распределители, золотниковые распределители с пилотным управлением имеют приводные поршни, дыхательные полости, возвратную пружину или пневмовозврат, внешнее или внутреннее питание пилотов. У распределителей с односторонним управлением и пневмовозвратом диаметры приводных поршней разные, а у распределителей с двусторонним управлением – одинаковые. Но эта разница снова появляется, когда один из сигналов делают доминантным.

Конструкция 5/3-распределителей отличается наличием одной или двух центрирующих пружин, которые удерживают золотник в средней позиции при отсутствии сигналов или наличии сразу двух.

Рис. 3. Распределители 5/3 (сверху вниз): в средней позиции выходы перекрыты, сообщены с питанием и сообщены с атмосферой

Различные средние позиции получают за счет изменения ширины поясков на золотнике, а остальная конструкция остается той же самой. При работе в нормальном режиме все три варианта 5/3-распределителя ведут себя одинаково: сигнал на катушку 14 приводит к появлению давления на выходе 4, а сигнал на катушку 12 – на выходе 2. Но как только сигнал пропадет, распределитель занимает среднюю позицию, и на выходах возникают разные ситуации: давление там фиксируется, выравнивается с давлением питания или с атмосферным давлением.

Распределители для пневмоостровов

В последние годы, когда широкое распространение получили пневмоострова, в конструкцию золотниковых распределителей с эластичными уплотнениями были внесены два новшества.

Во-первых, катушки были перенесены на одну сторону, чтобы облегчить вывод их контактов на общую электрическую шину.

Во-вторых, кроме одного золотника для 5/2 или 5/3-распределителя в том же корпусе можно расположить два золотника для 2/2 и 3/2-распределителей. При этом комбинации могут быть следующие: 2х3/2 НЗ, 2х3/2 НО или 3/2 НО и 3/2 НЗ (то же для 2/2). Приводные поршни теперь выполняются заодно с золотниками, чтобы проще было реализовывать пневмовозврат. Т.е. воздух для возврата подается не под торец золотника, а в «дыхательную» полость под приводной поршень. Такая конструкция «два в одном» позволяет экономить пространство и затраты на этапах проектирования, закупки, хранения, монтажа и ввода в строй. Но есть и недостаток: поскольку размер корпуса не меняется, проходные сечения при установке двух золотников или золотника для 5/3-распределителя становятся меньше. В результате распределитель с функцией 2х3/2 или 5/3 пропускает меньший расход, чем 5/2.

Рис. 4. Распределители с цилиндрическим золотником и эластичными уплотнениями для пневмоостровов

Распределители с притёртым золотником («металл по металлу»)

Распределители с притертым цилиндрическим золотником имеют практически идентичную конструкцию. Нет только уплотнительных колец, а диаметр золотника всего на несколько микрон меньше диаметра охватывающей его втулки. Фактически золотник и втулка имеют полированные поверхности, что повышает стоимость изготовления. Притертый золотник имеет меньшее трение, обеспечивает лучший ресурс, но утечки рабочей среды в таких распределителях очень высоки. И они еще более увеличиваются, если на зеркальной поверхности втулки или золотника в результате воздействия находящихся в воздухе твердых частиц появляются царапины.

Рис. 5. Распределитель с притертым цилиндрическим золотником

Распределители с плоским золотником

В распределителе с плоским линейным золотником конструкция сложнее. Там тоже есть цилиндрический золотник с приводными поршнями, но он не перекрывает напрямую каналы, а перемещает плоский золотник, по форме напоминающий опрокинутую чашку. Эластичных уплотнений на основных каналах нет, а герметичность достигается тем, что плоский золотник прижат давлением рабочей среды к полированной поверхности корпуса, на которую и выходят каналы. И чем выше рабочее давление, тем выше сила прижатия.

Рис. 6. Распределитель с плоским золотником

Такие распределители могут иметь функцию 3/2 или 4/2, а для функции 5/2 или 5/3 форма плоского золотника становится очень сложной. Показанный на рис. 6 плоский золотник в исходном положении соединяет каналы 1 с 2 и 3 с 4, а в другом – 1 с 4, а 2 с 3.

Плоский поворотный золотник представляет собой диск с серповидными отверстиями, который прижат к плите, в которой находятся каналы с 1 по 4. При повороте диска каналы соединяются по иной схеме.

Рис. 7. Распределитель 4/3 с плоским поворотным золотником

Из-за высокого трения и большого угла поворота такая конструкция используется для 3/2-, 4/2- и 4/3-распределителей с ручным управлением.

Золотник с положительными перекрытиями

Если проанализировать поведение клапанного или золотникового распределителя при переключении, то можно отметить, что какое-то время выходной канал соединяется одновременно с питанием и атмосферой. Эту неприятность, влекущую потери рабочей среды, можно устранить, применив так называемый разрезной клапанный узел или золотник с положительными перекрытиями. На начальном этапе перемещения выходной канал отсоединяется от атмосферы, а только затем открывается канал питания 1. При возврате в исходное положение все происходит в обратном порядке, и рабочая среда непосредственно в атмосферу не попадает.

Рис. 8. Распределители с разрезными клапанными узлами

Конечно, такая конструкция становится более сложной и дорогой, но ее часто используют в распределителях с мускульным и механическим управлением, где затраты быстро окупаются за счет экономии рабочей среды. В распределителях с электромагнитным управлением ее используют редко, поскольку там из-за быстрого переключения эффект от проскока воздуха из питания на выхлоп не такой значительный.

Золотниковым распределителям этот отрицательный эффект свойственен в меньшей степени, но и там его можно гарантированно избежать, изменив ширину поясков относительно ширины каналов в корпусе. Так, чтобы сначала перекрывался выход в атмосферу, а затем канал питания соединялся с выходным каналом.

Пропускная способность распределителей

Размер распределителя может указываться несколькими способами. Самый простой, но и самый неточный – по присоединительной резьбе в каналах. Более точным является указание условного прохода в миллиметрах. Этот параметр, который также называется условным диаметром, номинальным диаметром или номинальным размером, показывает диаметр круглого отверстия, равного по площади минимальному проходному сечению распределителя, форма которого, естественно, может быть любой. Распределители с одинаковой присоединительной резьбой могут иметь условные проходы, отличающиеся в 2…3 раза. А ведь именно от площади проходного сечения зависит пропускаемый распределителем расход. Для некоторых распределителей, например, стандартных, характерным размером, который указывает на пропускаемый расход, является ширина корпуса.

© По материалам книги "Проектирование и обслуживание пневматических систем", Сулига С.В. , 2021 г. согласно лицензионному договору с ООО "Би Энд Би Инжиниринг". Копирование запрещено.