Что такое шток клапана

Клапанный механизм

Краткий обзор типов клапанного механизма

Воздух и топливо входят в камеру сгорания, а отработавшие газы покидают ее через порты клапанов. Клапаны, расположенные в портах камеры сгорания, открываются и закрываются, позволяя обеспечивать прохождение воздушно-топливной смеси/отработавших газов или герметизировать камеру сгорания. Для правильной работы двигателя клапаны должны открываться и закрываться в правильные моменты времени. Фазы газораспределения (моменты открывания или закрывания клапанов) задаются распределительным валом, воздействующим на клапанный механизм.

Клапанный механизм со штангами толкателей (OHV)

Двигатели со штангами толкателей, также известные как двигатели с верхним расположением клапанов (OHV), имеют один распределительный вал, расположенный в блоке цилиндров. Клапаны располагаются в головке цилиндров над камерой сгорания. Клапаны открываются и закрываются в результате воздействия кулачков распределительного вала на толкатели, штанги толкателей и клапанные рычаги («коромысла»).

Двигатели имеют каналы, которые пропускают воздушно-топливную смесь в цилиндры и выпускают отработавшие газы, образующиеся после сгорания смеси. Эти каналы, называемые портами клапанов, очень плотно герметизируются на протяжении четырехтактного цикла. Клапаны должны открывать и закрывать порты в точные моменты времени.

Когда распределительный вал вращается, кулачок воздействует на толкатель. Толкатель нажимает на штангу толкателя, которая толкает вверх один из концов клапанного рычага. Другой конец клапанного рычага надавливает на шток клапана и заставляет клапан преодолевать усилие пружины и открываться. После того как кулачок проходит толкатель, клапанная пружина воздействует на клапан, и далее на клапанный рычаг, штангу толкателя и толкатель. Когда кулачок поворачивается достаточно далеко, клапан плотно закрывается в седле клапана.

Привод распределительного вала

В двигателях ОНС распределительный вал (ы) располагается в головке цилиндров.

Преимущества верхнего распределительного вала заключаются в следующем:

• Меньшее количество элементов в клапанном механизме
• Более высокая точность и прямой привод клапанов
• Уменьшение потерь на трение

Один распределительный вал с верхним расположением (SOHC)

Двигатели SOHC обычно имеют по два клапана на цилиндр. В двигателях SOHC используются толкатели роликового типа, которые располагаются под распределительным валом, или клапанные рычаги, которые находятся над распределительным валом.

Два распределительных вала с верхним расположением (DOHC)

В двигателе DOHC работа по открыванию клапанов распределяется между двумя распределительными валами. В двигателях DOHC обычно имеется по четыре клапана на цилиндр. Большее количество клапанов на цилиндр позволяет более эффективно впускать воздушно-топливную смесь на ходе впуска и выпускать отработавшие газы на ходе выпуска.

В двигателях DOHC для воздействия на клапаны используются или толкатели роликового типа или механические толкатели прямого действия.

Привод распределительного вала

Задача газораспределительного механизма заключается в координации впуска воздушно-топливной смеси и выталкивания отработавших газов при возвратно-поступательном перемещении поршня. Это выполняется посредством синхронизации вращения коленчатого вала с распределительным валом (ами). Т.к. коленчатый вал выполняет два оборота на каждый цикл сгорания, а распределительный вал делает только один оборот, передаточное число всегда должно быть равно 2:1. Моменты открывания и закрывания клапанов обозначаются в градусах поворота коленчатого вала. Имеются различные варианты привода распределительного вала. В качестве привода клапанного механизма (а точнее, распределительного вала) могут использоваться:

• Зубчатые колеса
• Цепь
• Ремень

Головка цилиндров для клапанного механизма со штангами толкателей (OHV)

Головка цилиндров крепится болтами сверху на блоке цилиндров и образует «крышу» камеры сгорания. Головка цилиндров:
• уплотняет верхние зоны цилиндров.
• размещает свечи зажигания.
• размещает седла клапанов, направляющие втулки клапанов и порты для впускных и выпускных клапанов.
• размещает клапанный механизм.
• имеет опорные поверхности для установки впускного и выпускного коллекторов.

Прокладка головки цилиндров

Прокладка головки цилиндров обеспечивает газо- и водонепроницаемость стыка между головкой цилиндров и блоком цилиндров. Кроме того, прокладка головки цилиндров компенсирует любые незначительные неровности, имеющиеся на сопрягаемых поверхностях. По этой причине прокладка головки цилиндров должна изготавливаться из достаточно податливого материала.

Болты головки цилиндров

Клапан имеет круглую головку с конической поверхностью (фаской), которая уплотняется в седле в головке цилиндров. Вследствие конструкции клапана, имеющей шток и головку, такой клапан иногда называется тарельчатым клапаном.

Направляющие втулки клапанов

Направляющие втулки клапанов обеспечивают точность посадки клапанов в головке цилиндров. Они позволяют штокам клапанов проходить через камеру сгорания к верхней зоне головки цилиндров, в которой устанавливаются клапанные пружины. Некоторые направляющие втулки клапанов являются неотъемлемой частью отливки головки цилиндров. Другие направляющие втулки клапанов представляют собой вставки из «мягкого» сплава, которые изготавливаются отдельно и затем запрессовываются в головку цилиндров. Радиальный зазор между направляющей втулкой клапана и штоком клапана минимален. Он точно рассчитывается только для обеспечения достаточного пространства для смазки и свободного возвратно-поступательного перемещения штока.

Конструкции, в которых на один цилиндр приходится три или четыре клапана, используются потому, что «многоклапанная» схема более точна и эффективна. В трех клапанной конструкции обычно используются два клапана для впуска и один клапан для выпуска. В четырех-клапанной конструкции используются по два клапана для впуска и выпуска.

Когда клапан перемещается в закрытое положение, он должен плотно сесть в седле клапана. Чтобы выполнить это, не должно быть никакого давления на шток клапана. На некоторых двигателях создается небольшое пространство между кончиком штока клапана и приводом (клапанным рычагом, толкателем, гидравлическим толкателем). Это пространство называется клапанным зазором. Клапанный зазор должен быть точно отрегулирован, чтобы избежать повышенного шума и обеспечить надежную работу. Если клапанный зазор слишком велик, двигатель работает шумно. Если клапанный зазор отсутствует, клапан не способен плотно сесть в седле клапана. Отработавшие газы смогут проходить через седло клапана и в конечном счете прожечь отверстие в клапане в месте протечки. В некоторых двигателях клапанный зазор поддерживается механическими мерами, такими как установка регулировочной прокладки.

Конструкции с механической регулировкой зазора могут требовать периодических регулировок. В некоторых двигателях клапанный зазор поддерживается автоматически посредством гидравлических устройств. Гидравлическое устройство (толкатели различной конструкции) удлиняется под воздействием гидравлического давления масла, что позволяет обеспечить постоянный контакт с кончиком штока клапана. При закрывании клапана давление масла сбрасывается, позволяя клапану плотно сесть в седло клапана (закрыться).

Клапанная пружина отвечает за плотность посадки клапана в седле клапана при закрытии клапана. Пружина устанавливается в верхней зоне головки цилиндров вокруг штока клапана. Верхние и нижние тарелки предотвращают износ пружины и удерживают ее на месте. Сухари клапана, устанавливаемые в верхнюю тарелку пружины, фиксируются в канавке штока клапана и удерживают все перечисленные элементы в требуемом положении.

Клапанная пружина должна быть способна создавать усилие, достаточное, чтобы удерживать клапан в седле клапана плотно закрытым. Кроме того, клапанные пружины должны удерживать все элементы клапанного механизма в контакте друг с другом, т.к. двигатель работает с высокой частотой вращения. В то же самое время, клапанная пружина не должна создавать слишком большое усилие, т.к. это вызовет преждевременный износ элементов. Поэтому клапанные пружины рассчитываются на создание вполне определенного усилия, отвечающего конкретной конструкции двигателя.

Рабочая высота пружины

Распределительный вал управляет фазами газораспределения клапанов (моментами открывания и закрывания клапанов).

Распределительный вал приводится в движение коленчатым валом посредством зубчатой передачи, цепного или ременного привода.

Распределительный вал вращается с частотой вращения, равной половине частоты вращения коленчатого вала, что позволяет обеспечивать правильное газораспределение в четырех тактах сгорания. Открывание и закрывание клапанов выполняется кулачками, расположенными на распределительном вале. Каждому клапану двигателя, независимо от конструкции последнего, соответствует свой собственный кулачок на распределительном вале. В зависимости от конструкции двигателя в нем может иметься только один или несколько распределительных валов.

Продолжительность открытого состояния клапана

Перекрытие клапанов обычно имеет место в последней части хода выпуска четырехтактного цикла. Чтобы обеспечить хорошее прохождение воздушного потока в цилиндр на ходе впуска, впускной клапан должен начать открываться раньше, чем закончится ход выпуска.

Перекрытие клапанов задается расположением кулачков на распределительном вале. Перекрытие клапанов измеряется в градусах поворота распределительного вала. Изменение перекрытия клапанов оказывает влияние на рабочие характеристики двигателя.

Клапанный механизм с верхним расположением клапанов

В двигателе OHV, в котором распределительный вал устанавливается ниже клапанов в блоке цилиндров, для приведения в движение цепи газораспределительного механизма, которая вращает звездочку распределительного вала, используется звездочка коленчатого вала.

В двигателе OHV штанги толкателей передают движение на подъем от распределительного вала и толкателей к клапанам. Штанги толкателей изготавливаются из жесткой стальной трубы и имеют на концах чашеобразные или шаровые головки. На некоторых двигателях используются штанги толкателей с изменяющейся длиной, что позволяет обеспечить первичную регулировку зазора с помощью гидравлических толкателей.

Клапанный рычаг передает движение от штанги толкателя или распределительного вала к клапану, полностью изменяя направление перемещения. Ось для клапанного рычага проходит через сам рычаг (высверливается отверстие для оси), поэтому клапанный рычаг может качаться на оси такого клапанного рычага.

Толкатели клапанов передают движение подъема от кулачков к штокам клапанов. Толкатель предохраняет шток клапана от бокового давления. Толкатели могут быть жесткими или иметь гидравлический привод. Кроме того, толкатели могут иметь или плоскую контактную поверхность или роликовый механизм, позволяющий уменьшить трение.

Жесткий толкатель клапана

Гидравлические толкатели клапанов

Роликовые толкатели и толкатели с плоской рабочей поверхностью

Распределительный вал, воздействуя на плоскую поверхность толкателя, создает трение. Чтобы уменьшить трение, некоторые толкатели имеют ролик, встроенный в зону контактной поверхности толкателя. Распределительный вал контактирует с роликом, а не с плоской поверхностью (причиной трения). Клапанный рычаг с роликом аналогичен клапанному рычагу и имеет то же самое преимущество, что и роликовый толкатель. Один конец клапанного рычага с роликом подпирается толкателем, который управляет регулировкой зазора. Другой конец клапанного рычага с роликом воздействует на клапан по мере того, как распределительный вал «наезжает» на ролик.

Толкатели клапанов при верхнем расположении распределительного вала (ОНС)

Жесткие толкатели клапанов, так называемого, «поршневого типа», используемые в двигателях ОНС и DOHC, предлагают способ корректировки клапанного зазора. Регулировочные прокладки различной толщины позволяют изменять зазор между распределительным валом и толкателем.

Гидравлические компенсаторы клапанных зазоров при верхнем расположении распределительного вала (ОНС)

Гидравлические компенсаоры клапанных зазоров, установленные в клапанных рычагах

Гидравлические компенсаторы клапанных зазоров, установленные в клапанных рычагах, во многом работают подобно гидравлическому компенсатору зазора «поршневого типа», за исключением того, что они находятся в контакте с клапанными рычагами, а не с распределительным валом.

Гидравлический компенсатор зазора, установленный в клапанном рычаге, не имеет корпуса регулятора, но шариковый клапан, плунжер и внутренний корпус работают также, как и в гидравлическом компенсаторе зазора «поршневого типа», что позволяет поддерживать нулевой клапанный зазор.

Привод распределительного вала с верхним расположением

Чтобы приводить в движение распределительный вал (ы), шкив или звездочка на конце коленчатого вала приводит в движение ремень или цепь газораспределительного механизма, который (ая), в свою очередь, приводит во вращение шкив (ы) или звездочку (и) распределительного вала (ов). Шкивы или звездочки распределительных валов, имеющие кинематическую связь с цепью или ремнем, затем приводят во вращение каждый распределительный вал. Шкив зубчатого ремня газораспределительного механизма, расположенный на коленчатом вале, имеет количество зубьев, равное половине количества зубьев на шкивах распределительных валов, поэтому распределительные валы совершают один оборот на каждые два оборота коленчатого вала. Привод распределительного вала типа ОНС также включает в себя натяжной шкив (натяжитель) и пружину натяжителя или гидравлический автоматический натяжитель, которые обеспечивают натяжение цепи или ремня газораспределительного механизма и фазы газораспределения клапанов.

Комбинированный ременно-цепной привод

Комбинированный ременно-зубчатый привод

В этой компоновке с двумя распределительными валами с верхним расположением (DOHC) ремень и шкив используются для привода от коленчатого вала только одного распределительного вала. Второй распределительный вал приводится в движение от первого посредством зубчатой передачи с косыми зубьями. Одно из косозубых зубчатых колес имеет на один зуб больше, чем другое. Зубчатое колесо с дополнительным зубом называется фрикционным зубчатым колесом, потому что оно обеспечивает плотный контакт между зубчатыми колесами. Это заедание уменьшает уровень шума в шестернях и клапанном механизме в процессе работы.

В некоторых двигателях DOHC используется регулируемое газораспределение (VCT). Аналогичная система известна и под аббревиатурой WT. В любой из этих систем гидравлическое исполнительное устройство изменяет фазы газораспределения клапанов, т.е. моменты открывания и закрывания клапанов. Газораспределение изменяется в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя и позволяет улучшить характеристики двигателя.

Источник

Руководство по клапанам

Что такое клапаны?

Доступны различные типы клапанов: задвижной, шаровый, запорный, клапан-бабочка, обратный клапан, диафрагменный клапан, шланговая задвижка, сброса давления, регулирующие клапаны и т. д. Каждый из этих типов имеет несколько моделей, каждая из которых имеет свои особенности и функциональные возможности. Некоторые клапаны управляются самостоятельно, в то время как другие приводятся в действие вручную или с помощью привода, пневматического или гидравлического привода.

Функции клапанов

штурвал шпиндель крышка сальника сальник крышка корпус клин седло

Существует множество конструкций, типов и моделей клапанов с широким спектром промышленного применения. Все они удовлетворяют одной или нескольким функциям, указанным выше. Клапаны являются дорогостоящими предметами, и важно, чтобы для этой функции был задан правильный клапан, и он должен быть изготовлен из материала, соответствующего рабочей жидкости.

Независимо от типа, все клапаны имеют следующие основные части: корпус, крышка, запорная часть (внутренние элементы), привод и уплотнение. Основные части клапана показаны на рисунке справа.

Корпус клапана

Корпус клапана, иногда называемый оболочкой, является основной границей клапана давления. Он служит основным элементом сборки клапана, потому что это каркас, который скрепляет все детали.

Корпус, первая граница давления клапана, противостоит нагрузкам давления жидкости из соединительных трубопроводов. Он принимает входной и выходной трубопроводы через резьбовые, болтовые или сварные соединения.

Концы корпуса клапана предназначены для соединения клапана с патрубком трубопровода или сопла для оборудования с помощью различных типов концевых соединений, таких как приварные или сварные враструб, резьбовые или фланцевые.

Корпуса клапанов отлиты или выкованы в различных формах, и каждый компонент имеет определенную функцию и изготовлен из материала, подходящего для этой функции.

Крышка клапана

Крышка для отверстия в теле клапана, и он является вторым наиболее важной границей клапана давления. Как и корпуса клапанов, крышки доступны во многих исполнениях и моделях.

Крышка действует как крышка на корпусе клапана, отливается или выковывается из того же материала, что и корпус. Обычно он соединяется с корпусом резьбовым, болтовым или сварным соединением. Во время изготовления клапана внутренние компоненты, такие как шток, диск и т. д., Помещаются в корпус, а затем крепится крышка, чтобы удерживать все детали вместе внутри.

Во всех случаях крепление крышки к корпусу считается границей давления. Это означает, что сварное соединение или болты, которые соединяют крышку с корпусом, являются элементами, удерживающими давление. Крышки клапанов, хотя и необходимы для большинства клапанов, представляют собой повод для беспокойства. Крышки могут усложнить изготовление клапанов, увеличить размер клапанов, составить значительную часть затрат на клапаны и стать источником потенциальной утечки.

Затвор арматуры

Съемные и сменные внутренние части клапанов, которые вступают в контакт с текучей средой, в совокупности называют затвором клапана. Эти детали включают седло (и) клапана, диск, сальники, проставки, направляющие, втулки и внутренние пружины. Корпус клапана, крышка, уплотнение и т. д., Которые также входят в контакт с текучей средой, не считаются затвором клапана.

Характеристики затвора клапана определяются интерфейсом диска и седла и отношением положения диска к седлу. Из-за отделки, основные движения и управление потоком возможны. В конструкциях с вращательным движением диск скользит вплотную к седлу, вызывая изменение отверстия потока. В конструкциях с линейным движением диск поднимается перпендикулярно от седла, так что появляется кольцевое отверстие.

Детали отделки клапана могут быть изготовлены из различных материалов из-за различных свойств, необходимых для противостояния различным силам и условиям. На втулки и сальники не действуют те же силы и условия, что и на диск и седло (и) клапана.

Свойства текучей среды, химический состав, давление, температура, скорость потока, скорость и вязкость являются одними из важных факторов при выборе подходящих материалов отделки. Материалы отделки могут быть, а могут и не совпадать с материалом корпуса или крышки.

Диск клапана и седло

Диски обычно кованые, а в некоторых конструкциях имеют твердую поверхность, обеспечивающую хорошие износостойкие свойства. Большинство клапанов названы, дизайн их дисков.

Седло или уплотнительные кольца обеспечивают посадочную поверхность для диска. Клапан может иметь одно или несколько седел. В случае с шаром или поворотным обратным клапаном обычно имеется одно седло, которое образует уплотнение с диском для остановки потока. В случае задвижки есть два сиденья; один на стороне вверх по течению, а другой на стороне ниже по течению. Диск задвижки имеет две посадочные поверхности, которые входят в контакт с седлами клапана, образуя уплотнение для остановки потока.

Чтобы улучшить износостойкость уплотнительных колец, поверхность часто подвергается твердому воздействию при сварке и последующей обработке контактной поверхности уплотнительного кольца. Точная обработка поверхности посадочного места необходима для хорошей герметизации при закрытии клапана. Уплотнительные кольца обычно не считаются деталями, ограничивающими давление, потому что корпус имеет достаточную толщину стенки, чтобы выдерживать расчетное давление, не полагаясь на толщину уплотнительных колец.

Шток вентиля

Штоки обычно кованый и соединяют с диском с помощью резьбовых или других технологий. Чтобы предотвратить утечку, в области уплотнения необходима тонкая обработка поверхности штока.

Существует пять типов стержней клапанов:

с выдвижным штоком

Внешняя часть штока имеет резьбу, а часть штока в клапане гладкая. Резьба штока изолирована от проточной среды уплотнением штока. Два различных стиля этих конструкций доступны; один с маховиком, прикрепленным к штоку, чтобы они могли подниматься вместе, а другой с резьбовой втулкой, которая заставляет шток подниматься через маховик. Этот тип клапана обозначен как «O. S. and Y.» это общая конструкция для клапанов NPS 2 и более.

с внутренним выдвижным винтом

с внутренним не выдвижным винтом

Резьбовая часть штока находится внутри клапана и не поднимается. Диск клапана движется вдоль штока, как гайка, если шток вращается. Стержневые нити подвергаются воздействию текучей среды и, как таковые, подвергаются воздействию. Вот почему эта модель используется, когда пространство ограничено для обеспечения линейного перемещения, а текучая среда не вызывает эрозии, коррозии или истирания материала штока.

Этот шток клапана не вращается и не поворачивается. Он скользит внутрь и наружу клапана, чтобы открыть или закрыть клапан. Эта конструкция используется в ручных рычагах с быстрым открытием клапанов. Он также используется в регулирующих клапанах, управляемых гидравлическими или пневматическими цилиндрами.

Это часто используемая модель для шаровых, пробковых и дроссельных клапанов. Четвертьоборотный ход штока открывает или закрывает клапан.

Уплотнение штока клапана

Для надежного уплотнения между штоком и крышкой необходима прокладка. Это называется уплотнением, и она снабжена, например, следующими компонентами:

Важным аспектом срока службы клапана является уплотнительный узел. Почти все клапаны, такие как стандартные шаровые, запорные клапаны и дроссельные заслонки, имеют свою уплотнительную сборку, основанную на силе сдвига, трении и разрыве.

Поэтому уплотнение клапана должна выполняться надлежащим образом, чтобы предотвратить повреждение штока и потери жидкости или газа. Если уплотнение слишком слабо, клапан будет протекать. Если уплотнение слишком тугое, это повлияет на движение и возможное повреждение штока.

1. Крышка сальника 2. Сальник 3. Набивочная камера с уплотнением 4. Заднее седло

Хомут клапана и гайка вилки

Хомут клапана

Хомут соединяет корпус клапана или крышку с исполнительным механизмом. Верхняя часть хомута удерживает гайку хомута, гайку штока или втулку хомута, и шток клапана проходит через нее. Хомут обычно имеет отверстия для доступа к сальниковой коробке, звеньям привода и т. д. Конструктивно хомут должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать силы, моменты и крутящий момент, создаваемые приводом.

Гайка вилки

Привод запорного устройств

Клапаны с ручным управлением обычно оснащены маховиком, прикрепленным к штоку клапана или гайкой хомута, который вращается по часовой стрелке или против часовой стрелки, чтобы закрыть или открыть клапан. Таким образом, шаровые и задвижки открываются и закрываются.

Клапаны с ручным управлением на четверть оборота, такие как шаровые, запорные или дроссельные, имеют рычаг для приведения в действие клапана.

В некоторых случаях невозможно или не желательно приводить клапан в действие вручную с помощью маховика или рычага. Эти приложения включают в себя:

Большие клапаны, которые должны работать против высокого гидростатического давления

Клапаны они должны эксплуатироваться из удаленного места

Когда время открытия, закрытия, дроссельной заслонки или ручного управления клапаном больше, чем требуется согласно критериям проектирования системы

Эти клапаны обычно оснащены приводом.

Основные приводы используются для полного открытия или полного закрытия клапана. Приводы для управления или регулирования клапанов получают сигнал позиционирования для перемещения в любое промежуточное положение. Существует много различных типов приводов, но ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых приводов клапанов:

Классификация клапанов

Ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых классификаций клапанов, основанных на механическом движении:

Классификация клапанов основанная на движении

Значения давления и температуры клапанов обозначены номерами классов. ASME B16.34, фланцевые, резьбовые и сварные концы является одним из наиболее широко используемых стандартов для клапанов. Он определяет три типа классов: стандартный, специальный и ограниченный. ASME B16.34 охватывает клапаны классов 150, 300, 400, 600, 900, 1500, 2500 и 4500.

Источник