Гидроаппаратура ввертного монтажа

История развития гидравлики тесно связана с настойчивыми поисками наиболее компактных методов монтажа гидроаппаратуры, и в этом процессе достигнут значительный прогресс.

Монтажные версии

На начальных стадиях развития гидропривода аппараты имели резьбовое присоединение, при котором в корпусе выполняется резьба для ввертывания штуцеров присоединительных гидролиний. В наше время этот способ монтажа применяется только для простейших аппаратов (краны, обратные клапаны, дроссели), монтируемых непосредственно на трубопроводах. В 50-х годах прошлого века появились аппараты стыкового монтажа, в которых все присоединительные отверстия выведены на стандартную стыковую плоскость (ISO 4401) и заканчиваются цековками под резиновые уплотнительные кольца. Аппарат винтами крепится к монтажной плите с резьбовыми отверстиями для подключения внешних гидролиний, а также возможно механически обработанными каналами для соединения с соседними аппаратами, установленными на этой же плите. Существовала идея так называемых плит-сэндвичей — многослойных (чаще всего трехслойных) монтажных плит, построенных по принципу плат печатного монтажа в электронике. Здесь на верхнем слое размещались аппараты стыкового монтажа, средний содержал фрезерованные фасонные каналы для промежуточных соединений, а нижний — резьбовые отверстия для подключения внешних гидролиний. Однако плиты-сэндвичи не получили широкого распространения, главным образом, из-за технологической сложности герметичного и прочного соединения слоев (например, путем пайки в вакууме) и нулевой ремонтопригодности.

Следующим шагом в развитии монтажной техники явилось создание модульных аппаратов, имеющих две стыковые плоскости (сверху и снизу) с одинаковыми стандартизованными координатами крепежных и присоединительных отверстий. Устанавливая аппараты один на другой, получают пакеты гидроаппаратуры различного назначения, причем сверху пакет замыкается гидрораспределителем или плитой-заглушкой. Модульный пакет устанавливается на монтажных плитах, аналогичных плитам для стыкового монтажа; плиты могут быть многоместными или соединяемыми между собой в горизонтальном направлении. Фирмой Parker был предложен монтаж стыковой и/или модульной аппаратуры на боковых сторонах унифицированных функциональных блоков, собираемых в вертикальный столбик, однако внедрение этого метода ограничивалось из-за повышенной металлоемкости, большого числа уплотняемых стыков и недостаточной номенклатуры монтажных элементов.

Если возможности компактного монтажа стыковой и модульной аппаратуры практически исчерпаны, то почему бы вообще не отказаться от корпусных деталей гидроаппаратов? Эта «крамольная» мысль легла в основу создания нового поколения аппаратов встраиваемого исполнения, которые подразделяются на вставные в монтажные гнезда (cavity) по DIN 24342 и ввертные в монтажные гнезда ISO 7789 (возможны также другие варианты гнезд). Вставные аппараты содержат цилиндрический картридж с радиальными отверстиями подвода основных гидролиний и крепежный фланец с отверстиями подвода линий управления, возможностью размещения дополнительных аппаратов и верхней стыковой плоскостью для установки пилотов электроуправления. Поскольку минимальное расстояние между аппаратами, размещенными в общем гидроблоке (manifold), лимитируется размерами фланца, опережающее развитие получают аппараты ввертного монтажа (Screw-in Cartridge Valves). Здесь фланец вообще отсутствует, а все гидролинии подводятся через радиальные отверстия в картридже, снабженном резьбой для закрепления в гидроблоке. Таким образом, достигается максимальная компактность размещения аппаратуры, например корпорации SUN Hydraulics [1],  в блоке управления (рис. 1).

Типовые конструкции

Основная номенклатура ввертных гидроаппаратов, выпускаемых мировыми лидерами, приведена в табл.1. В последние годы отмечается значительный прогресс в развитии этого метода монтажа. Например, новейший каталог ввертной гидроаппаратуры фирмы Bosch Rexroth [2] имеет 1706 стр. текста. Типовые представители основных групп аппаратов приведены в табл. 2.

Таблица 1. Номенклатура ввертных гидроаппаратов, выпускаемых мировыми лидерами

Таблица 2. Типовые представители гидроаппаратов ввертного монтажа (Bosch Rexroth)

Тип, назначение	Схема	Конструктивное исполнение
Обратный клапан. Свободный проход масла в одном направлении и запирание обратного потока
Гидрозамок. То же, но с возможностью гидравлического деблокирования обратного потока
Челночный клапан. Автоматическое соединение линии низкого давления систем с замкнутой циркуляцией с баком (возможно через маслоохладитель)
Дроссель. Ограничение потока масла в гидролинии
Регулятор потока. Регулирование потока масла в гидролинии независимо от нагрузки; обратный поток - свободный
Делитель/сумматор потока. Разделение потока масла на две части независимо от нагрузки и суммирование обратных потоков с целью синхронизации гидродвигателей
Уравновешивающий клапан. Ограничение скорости движения гидродвигателя при попутной нагрузке
Предохранительный клапан. Защита гидросистемы от перегрузки по давлению
Редукционный клапан. Поддержание давления в участке гидросистемы ниже давления в основной напорной линии
Клапан последовательности. Обеспечение последовательности срабатывания гидродвигателей; обратный поток – свободный (корпорация SUN Hydraulics)
Разгрузочный клапан. Разгрузка гидросистемы от давления с гидроуправлением через линию Х
Гидрораспределитель с ручным управлением. Ручное открытие или запирание потоков масла
Гидрораспределитель с гидроуправлением. Изменение направления или запирание потоков масла путем изменения давления в линиях управления
Гидрораспределитель с электроуправлением. Изменение направления или запирание потоков масла путем переключения электромагнитов
Логический элемент. Изменение дросселирования потока масла в гидролинии в функции давления управления
Пропорциональный дроссель. Изменение дросселирования потока масла в гидролинии в функции задающего сигнала в пропорциональном электромагните
Пропорциональный предохранительный клапан. Изменение давления в гидросистеме в функции задающего сигнала в пропорциональном электромагните
Пропорциональный редукционный клапан. Изменение редуцированного давления в функции задающего сигнала в пропорциональном электромагните
Пропорциональный гидрораспределитель. Изменение величины и направления потока масла в функции задающего сигнала в пропорциональном электромагните
Ручной насос. Нагнетание масла в гидросистему с приводом от ручной кнопки или рычага

Для аппаратов с электроуправлением электромагниты и штепсельные разъемы (возможно со встроенным усилителем для пропорционального исполнения) поставляются по отдельному заказу.

Основной областью применения аппаратов ввертного монтажа являются мобильные машины; типовые значения максимального давления 350 бар (до 420 бар для аппаратов Hydac [3]) и расхода — до 600 л/мин и более. Существуют и миниатюрные исполнения. Так корпорация SUN Hydraulics сообщает о разработке новых миниатюрных цифровых двухлинейных гидрораспределителей ввертного монтажа серий DLV и DLVB (рис. 2), способных  работать при давлениях до 350 бар и расходах до 1 л/мин. 

Аппараты весят 58 г и имеют осевой габарит 57,2 мм, типичное быстродействие 10 мс при минимальном электропотреблении 15 Вт. Основные области применения — логические системы и системы управления. В особо ответственных случаях используются средства электроконтроля положения запорного элемента. Соответствующее решение фирмы Atos [4] показано на рис. 3 (1 - картридж, 2 – устройство электроконтроля). Аналогичные блокировки используются также в ряде аппаратов фирмы Bosch Rexroth.

Корпусные детали

Фирмы-изготовители ввертной гидроаппаратуры поставляют различные варианты монтажных корпусных деталей, изготовляемых из высокопрочного алюминия или стали. При размещении двух-, трех- или четырехлинейных картриджей в монтажных корпусах можно получить аппараты или гидроблоки с присоединительной резьбой ³/₈…1¹/₄", варианты размещения, например, гидрозамков непосредственно на гидроцилиндре, а также аппараты стыкового или модульного монтажа. В качестве примера на рис. 4 показаны монтажные корпусные детали фирмы Parker [5].

Новейшим направлением является создание так называемых интегральных схем — специальных гидроблоков [6] с ввертной гидроаппаратурой, позволяющих реализовать типовые схемные решения (подъем и опускание груза, перемещение рабочих органов в условиях возможной попутной нагрузки, переключение систем с различными давлениями, реализация приоритетных движений и др.) в серийно выпускаемых машинах и оборудовании. При этом расширяется практика присутствия на крупносерийных заводах, например, сельскохозяйственного машиностроения специалистов «гидравлических» фирм, которые еще на начальных стадиях разработки проектов мобильных машин дают рекомендации по созданию оптимизированных интегральных схем. В результате получается обоюдная выгода: «гидравлическая» фирма получает крупный заказ, а машиностроители — высококачественные, профессионально изготовленные и испытанные гидравлические узлы.

На качество работы ввертных гидроаппаратов существенное влияние оказывает точность механической обработки гнезд в гидроблоках. При наличии ошибок возможно срезание эластомерных уплотнительных колец в процессе монтажа, а также заклинивание подвижных прецизионных пар картриджа из-за деформаций корпуса, возникающих при затяжке резьбы. Для исключения этих рисков корпорация SUN Hydraulics применяет оригинальные картриджи (рис. 5), обеспечивающие следующие преимущества (см. номера позиций на рис.):

1. Пояски надежно центрируют картридж в гнезде.

2. Три плавающих подсборки, соединенных в единый узел проволочным кольцом, допускают наличие некоторого эксцентриситета между гнездом и клапаном, т.е. возможность самоустановки, причем крепежная резьба выполняется в верхней подсборке, а подвижные прецизионные пары обычно размещаются в нижней.

3. Плавающая конструкция позволяет повысить момент затяжки крепежной резьбы, что способствует лучшему удержанию картриджа.

4. Плоская упорная поверхность надежно исключает опасность появления радиальных нагрузок, вызывающих деформацию картриджа.

5. Центральное размещение крепежной резьбы (между гидролиниями) дает возможность повышения пропускной способности аппарата, минимизации влияния погрешностей изготовле-ния гнезда на его функциональность и распределения нагрузки, возникающей при закреплении картриджа, в глубине гидроблока.

6. Упор картриджа в дно гнезда обеспечивает надежное соединение трех подсборок между собой, поэтому проволочное кольцо необходимо только в процессе сборки.

7. В гнездах SUN достигаются максимальная конструкторская гибкость и минимизация требований к применяемым инструментам.

Указанные отличия позволяют существенно повысить технические параметры аппаратов (давление до 350 бар, диапазон расходов от 1 до 1100 л/мин в семи типоразмерах).

Технологии проектирования и изготовления гидроблоков

Несмотря на очевидные преимущества использования гидроблоков, имеется одно весьма серьезное ограничение — высокая трудоемкость их проектирования и изготовления. Полный пакет HydroMan программного обеспечения в 3-D формате фирмы PARO software & engineering [7] — быстрый, интуитивный и не требующий специального  обучения — способен решить эту проблему. Пакет содержит обширную библиотеку всех стандартных гнезд для установки гидроаппаратов, а также размеры монтажных поверхностей и инструментов, используемых в гидравлике. В демонстрационном ролике не показано, как производится автотрассировка гидролиний после ручного размещения гидроаппаратов и присоединительных отверстий на сторонах гидроблока, по-видимому, пользователь на начальном этапе делает это вручную, однако далее предлагается широкий спектр интеллектуальных функциональных свойств, направленных на скорейшее проектирование.

Программный пакет показывает потенциальные ошибки в процессе проектирования (расстояния между отверстиями, площади проходных сечений пересекающихся отверстий и т. п.). Устраняя эти ошибки, пользователь наблюдает результат одновременно в 3-D и 2-D моделях в цвете на всех шести сторонах гидроблока. После завершения проектирования одним кликом генерируются список отверстий, сборочный чертеж и спецификация. Разработчики считают, что экономия времени достигает 80 %, причем полностью исключаются ошибки проектирования. Возможно объединение пакета HydroMan с программой HydroSum, которая согласно рекламе «позволит вычертить гидросхему в течение пяти минут».

Фирма HydraForce выпустила последнюю 5-ю серию программы i-Design проектирования гидроблоков, учитывающую тенденции к расширению использования электрогидравлики, гидроблоков и аппаратов ввертного монтажа. Программа позволяет создавать интегральные схемы гидроблоков, указывать расположение комплектующих гидроаппаратов и гидролиний, причем возможна технология «перетаскивания» каналов. После окончания проектирования могут быть сгенерированы отчеты и перечни материалов, необходимые для работы с дистрибьюторами фирмы. Библиотека включает более 500 гидроаппаратов, в том числе новейших многофункциональных устройств высокого давления, грузочувствительных картриджей и драйверов электронных компонентов. Новый графический пользовательский интерфейс на базе Microsoft Windows помогает ускорить программирование.

Программный продукт Circuit Design Software Studio фирмы Eaton (рис. 6) предоставляет всю необходимую информацию для проектирования гидроблоков, включая сбор требований заказчика, выбор типов гидроаппаратов, их встройку в гидроблок и подготовку спецификации. Все это делается быстро, экономично и эффективно.

После завершения проектирования начинается процесс изготовления гидроблоков. Поскольку координатная расточка гнезд является слишком трудоемкой операцией, практически все специализированные фирмы поставляют комплекты оригинальных инструментов, значительно ускоряющих процесс и гарантирующих высокую точность механической обработки.

В заключение следует отметить, что производство прогрессивных гидроаппаратов ввертного монтажа в России практически полностью отсутствует, имеются лишь фрагментарные разработки в ОАО «Пневмостроймашина» и ОАО «КЭМЗ».

В.К. Свешников, к.т.н., ЭНИМС

Список литературы

1. www. Sun hydraulics catalogue pdf — Скачать каталог SUN Hydraulics (на русском языке).

2. Cartridge Valves — Bosch Rexroth USA (2016 г.)

3. Cartridge Valves & Manifolds — Hydac-na.com

4. E115-11/E Atos

5. Hydraulic Cartridge Systems — PH Truck

6. Станочные гидроприводы: Справочник / В. К. Свешников. — 6-е изд. перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2015. — 627 с.: ил. (электронное издание).

7. HydroMan | Paro Software