Что спасает гидросистему, когда цилиндр уперся, а насос продолжает качать? Затягивай пружину клапана, смотри, как растет давление и куда уходит мощность.
Насос постоянной подачи качает масло, пока крутится. Если цилиндр уперся, масло некуда девать, и давление за доли секунды взлетело бы до разрыва шланга. Предохранительный клапан это тарель, прижатая пружиной к седлу. Пока сила давления на тарель меньше силы пружины, он закрыт. Как только больше, тарель приподнимается и выпускает излишек в бак. Обратный клапан устроен еще проще: шарик и слабая пружина. Поток с одной стороны отжимает шарик, с другой прижимает его к седлу. Поэтому поднятый груз не падает, когда насос остановился.
Оба клапана работают на одном правиле: деталь сдвинется, когда сила давления пересилит пружину. Третья формула показывает, чем платим за защиту. Числа под формулами из опыта.
При каком давлении откроется клапан?
Тарель в равновесии, когда сила давления p · S равна силе пружины. Делим силу на площадь и получаем давление открытия. Это тот же закон Паскаля, только наоборот: не давление дает силу, а сила задает давление.
Когда откроется обратный клапан?
Шарик отжимается, только если давление на входе больше давления на выходе хотя бы на небольшую величину, которую дает слабая пружина. Если наоборот, шарик прижат и путь закрыт.
Сколько мощности уходит в тепло?
Насос отдает мощность p · Q. Если масло вернулось в бак через клапан, работы оно не сделало, и вся эта мощность нагрела масло. Подъем температуры за время t: ΔT = N · t / (m · c).
Чтобы пропустить расход Q, тарель должна подняться на высоту h: щель вокруг тарели имеет площадь около π · d · h. Чем больше расход, тем выше подъем.
Но поднимаясь, тарель сильнее сжимает пружину: к натягу добавляется c · h, где c жесткость пружины. Значит и давление, нужное, чтобы держать клапан открытым, становится чуть больше настройки: p = (Fпр + c · h) / S.
Поэтому на графике клапана давление при полном расходе на несколько бар выше, чем в момент открытия. У простого клапана прямого действия эта разница заметна, поэтому на больших машинах ставят клапаны с пилотом: у них характеристика почти плоская.
У карьерных экскаваторов главный предохранительный клапан настроен на 310–320 бар. Его проверяют манометром на диагностическом штуцере: подводят цилиндр в упор и смотрят, где встала стрелка.
На каждой линии цилиндра стоят свои клапаны на 350–380 бар. Они срабатывают при ударе ковша о скалу, когда золотник закрыт, а давление в цилиндре скачет от внешней силы.
Обратные клапаны и гидрозамки держат поднятый кузов самосвала и стрелу экскаватора, пока идет ремонт. Но под поднятым кузовом все равно ставят механический упор: клапан может протекать.
Если оператор держит джойстик в упоре, масло идет через клапан. На машине с насосами 1000 л/мин при 310 бар это больше 500 кВт тепла: радиатор не справится, масло перегреется за минуты.
Обратные клапаны подсасывают масло из слива в полость цилиндра, когда стрела опускается под своим весом быстрее, чем подает насос. Иначе в полости образуется пустота и стук.
Предохранительный клапан стоит на скороварке и бойлере, обратный в насосе скважины и в водопроводе. Принцип тот же: пружина против давления.
Клапан прямого действия с конической тарелью, коэффициент расхода 0,65, жесткость пружины 150 Н/мм. На больших расходах в жизни ставят клапаны с пилотом, здесь показан простой для наглядности. Масло несжимаемое, поэтому давление растет плавно за доли секунды; в жизни скачок при упоре резкий и бывает выше настройки на 10–20 %. Цилиндр одностороннего действия ⌀ 125 мм, трения нет. Утечка через стоящий насос задана как 0,18 л/мин на бар. Нагрев посчитан для бака 200 л без радиатора и без отдачи тепла корпусом, поэтому это верхняя оценка.