Внешний вид клапанов клапанах (5 видео)

Завершающим звеном механизма газораспределения является клапанная группа, которая включает в себя клапан, пружину, детали крепления клапана и пружины, направляющую втулку и седло клапана.

Клапанная группа работает при больших механических и тепловых нагрузках. Наиболее нагруженным является сопряжение «клапан-седло». Эти детали подвергаются наибольшим ударным воздействиям при посадке клапана в седло, и работают в условиях высоких температур.

Сопряжение «клапан-седло-направляющая втулка» работает при недостаточном смазывании и высокой скорости перемещения клапана, что вызывает их интенсивное изнашивание.

Исходя из условий, в которых работают детали этой группы ГРМ, к клапанной группе предъявляются следующие требования:

герметичное закрытие клапанов;
малое сопротивление рабочей смеси и отработавшим газам при впуске и выпуске (хорошая обтекаемость);
минимальная масса деталей;
высокая прочность и жесткость;
высокая тепловая стойкость;
эффективный отвод тепла от клапана (особенно для выпускного);
высокая износостойкость (особенно в сопряжении «втулка-клапан»);
высокая коррозийная стойкость в сопряжении «седло-клапан».

Содержание

Клапаны
Клапанные пружины
Направляющие втулки клапанов
Седла клапанов
Технические характеристики и основные типы клапанов
Основные детали
Материалы для производства
Разновидности клапанов
Клапаны, оснащенные поворотным затвором
📽️ Видео

Клапаны

Клапаны открывают и закрывают впускные и выпускные отверстия в головке блока цилиндров. Основные элементы клапана: головка 12 и стержень 9 (рис. 1). Головку клапана иногда называют тарелкой клапана.
Плавный переход от головки к стержню снижает сопротивление потоку газов при их истечении через газообменные отверстия. Поскольку отработавшие газы удаляются через выпускной клапан при значительном давлении, головку этого клапана обычно выполняют меньшего диаметра, чему головку впускного клапана.
Температура головки выпускного клапана бензиновых двигателей достигает 800…900 ˚С, а в дизельных двигателях – 500…700 ˚С.
Температурная нагрузка на головки впускных клапанов значительно ниже, тем не менее она приводит к нагреву тарелки клапана до 300 ˚С.

Поэтому для изготовления выпускных клапанов применяются жаропрочные сплавы и материалы, в качестве которых обычно используют жаропрочные стали с большим содержанием легирующих присадок. В целях экономии дорогостоящих жаростойких материалов выпускные клапаны изготовляют из двух частей. При этом для головки используется жаростойкий материал, а для стержня – углеродистые стали.
Головка и стержень в данном случае соединяются между собой стыковой сваркой.

Для повышения коррозийной стойкости и уменьшения изнашивания в выпускных клапанах рабочие поверхности фаски, а в некоторых случаях и поверхность головки со стороны цилиндра наплавляют слоем твердого сплава толщиной 1,5…2,5 мм (рис. 1).

Так как впускные клапаны омываются свежим зарядом и находятся в более легких температурных условиях, к материалу впускных клапанов предъявляются менее жесткие требования и для их изготовления используются хромистые и хромоникелевые среднеуглеродистые стали.

Обтекаемость клапана, работоспособность его фасок во многом зависит от формы головки. Для впускных клапанов чаще используют головки плоской формы (см. рис. 1 и 2), отличающиеся простотой конструкции и достаточной жесткостью. В форсированных двигателях иногда применяют впускные клапаны с вогнутыми головками (см. рис. 1, в). Такие клапаны имеют меньшую массу, чем клапаны с плоской головкой и их движение вызывает меньшие инерционные нагрузки.

Головки выпускных клапанов выполняются или плоскими (рис. 1, 2 и 3, г), или выпуклыми (рис. 3, б). Выпуклая форма головки способствует улучшению обтекаемости клапана со стороны цилиндра и повышению его жесткости, но вместе с тем увеличивается и масса клапана, что отрицательно сказывается на его инерционности.

Сопряжение между тарелкой (головкой) клапана и седлом осуществляется по фаске – специальному пояску на боковой поверхности головки. Угол наклона фаски у впускных клапанов для большинства двигателей составляет 45˚, а у выпускных – 45 и 30˚.
В процессе изготовления клапанов фаски головок шлифуют, а при установке на двигатель притирают к седлу. Ширина притертого пояска фаски для выпускных клапанов должна быть не менее 0,8 мм; для впускных клапанов допускается более узкий поясок, который, тем не менее, не должен прерываться по периметру окружности фаски.
Для обеспечения надежного контакта между клапаном и седлом по наружной кромке фаски клапана угол фаски клапана делают на 0,5…1˚ меньше угла фаски седла.

Коррозийный и механический износ фасок на клапане и седле резко снижает эффективность работы двигателя. На фасках выпускных клапанов в процессе работы постепенно откладывается нагар, который тоже препятствует герметичному закрыванию выпускного отверстия. Для предотвращения образования нагара на фасках выпускных клапанов и повышения их долговечности, в некоторых двигателях выпускной клапан в процессе работы принудительно проворачивается с помощью специального механизма (см. рис. 1, поз. 5).

Механизм принудительного вращения клапана (рис. 4) состоит из неподвижного корпуса 3, расположенных в углублениях этого корпуса пяти шариков 2 с возвратными пружинами 1, конической дисковой пружины 4, опорной тарелки 5 и пружины клапана 7.
Все детали в собранном состоянии скрепляются пружинным кольцом 6.

При открытии клапана от усилия пружины дисковая пружина 4, опирающаяся при закрытом клапане на буртик корпуса 3, деформируется и ложится на шарики 2, которые в это время располагаются в мелкой части углубления корпуса.
Под давлением пружины шарики перекатываются по углублению корпуса в более глубокую часть, поворачивая при этом коническую пружину 4, опорную тарелку 5, пружину клапана и сам клапан вокруг его оси.

Читайте также: Клапан рог что это такое

После закрытия клапана, когда усилие пружины клапана уменьшается, коническая дисковая пружина 4 возвращается в исходное положение, при этом шарики освобождаются и возвратными пружинами 1 перемещаются в более мелкую часть углубления в корпусе 3, подготавливая механизм к следующему циклу работы.

В двигателях марок «ЗМЗ», «ЯМЗ» возможность проворачивания в процессе работы впускных и выпускных клапанов обеспечивается установкой между опорной тарелкой и сухарями промежуточной втулки (см. рис. 1, поз. 13; рис. 2, поз. 11; рис. 3, поз. 4).

Промежуточные втулки имеют небольшую контактную поверхность с подвижными опорными тарелками пружин, следовательно, трение между этими деталями невелико. Поэтому при открытии клапана вследствие вибрации всех деталей механизма клапан периодически поворачивается.

Ниже фаски головка клапана имеет цилиндрический поясок, который предохраняет ее от обгорания, сохраняет диаметр тарелки клапана при перешлифовке и обеспечивает жесткость головки.

Для предотвращения падения клапана в цилиндр при поломке хвостовика стержня или клапанной пружины, на его стержне может устанавливаться пружинное стопорное кольцо (см. рис. 3, д, поз. 1).

Торцы стержней (пятки клапанов), находящиеся в контакте с коромыслом или кулачком, подвергаются закаливанию. В некоторых двигателях вместо закаливания на концы стержней надеваются колпачки (см. рис. 1, поз. 21) из износостойких материалов и сплавов.

На стержень впускных клапанов надевают резиновый колпачок (см. рис. 3, е, поз. 5), который во время такта впуска препятствует проходу масла в камеру сгорания через зазор между стержнем и направляющей втулкой клапана.

Для предотвращения заклинивания выпускных клапанов в отверстии направляющей втулки при температурном расширении, их стержни вблизи головки выполняют несколько меньшего диаметра, чем по остальной длине.

Для крепления клапанных пружин на конце стержня выполняются одна или две выточки, в которые при сборке входят выступы сухарей 2 (рис. 3, д, е).

Для понижения температуры выпускных клапанов диаметр их головок уменьшают, а диаметр стержня увеличивают. Такое техническое решение позволяет повысить тепловую стойкость клапана, но увеличивает сопротивление потоку выпускаемых газов. Впрочем, поскольку выброс отработавших газов из цилиндра осуществляется под значительным давлением (по сравнению с давлением впуска), то этим недостатком пренебрегают.

Более эффективным является способ принудительного охлаждения выпускных клапанов. Для этого стержень выпускного клапана делают пустотелым (см. рис. 1, а, в) и заполняют металлическим натрием, который имеет низкую температуру плавления (97 ˚С). При работе жидкий натрий, нагреваясь от головки клапана, испаряется, поглощая большое количество теплоты. Поднявшись в верхнюю часть стержня, пары натрия конденсируются и передают теплоту верхней части стержня, которая работает в менее теплонапряженных условиях.

Клапанные пружины

Клапанная пружина должна обеспечивать плотную посадку клапана в седло. Она работает в условиях резко меняющихся динамических нагрузок, способных вызвать резонанс и последующую поломку пружины.
Чаще всего применяют цилиндрические винтовые пружины с постоянным шагом витков.
Для предотвращения резонансных явлений могут применяться пружины с переменным шагом, конические пружины и двойные пружины. При использовании двойных пружин возрастает надежность работы ГРМ и уменьшается общий размер пружин.
Направление витков внутренней и внешней пружин выполняют разным, чтобы исключить резонанс и, в случае поломки одной из пружин, предотвратить попадание обломков между витками второй пружины.

Клапанные пружины изготавливают навивкой проволоки из пружинной стали. После навивки пружины подвергаются термической обработке (закалка и отпуск), а для повышения усталостной прочности обдуваются стальной дробью.

Концевые витки пружин шлифуются для получения плоской кольцевой опорной поверхности. Для повышения коррозионной стойкости пружины оксидируют, оцинковывают и кадмируют.

Пружины опираются на головку блока цилиндров через специальные неподвижные тарелки (см. рис. 2, поз. 4), которые штампуются, как и верхние подвижные тарелки из малоуглеродистой стали. Верхняя тарелка пружины фиксируется на клапане с помощью сухарей.

Направляющие втулки клапанов

Направляющая втулка обеспечивает перемещение клапана и отвод теплоты от его стрежня во время работы. При этом нижний конец самой втулки (особенно выпускного клапана) омывается горячими газами. При недостаточном поступлении смазочного материала в зазоры между стержнем клапана и внутренней поверхностью втулки трение между этими деталями приближается к полусухому.
По этой причине к материалу направляющих втулок предъявляются требования высокой износостойкости, достаточной жаростойкости и хорошей теплопроводности. Кроме того, он должен обладать высокими антифрикционными качествами. Этим требованиям удовлетворяют перлитные серые чугуны, алюминиевые бронзы, спекаемая хромистая или хромоникелевая керамика. Пористая структура данных материалов хорошо удерживает смазочный материал.

Для фиксации в головке блока цилиндров втулки выполняются с выточкой под пружинное кольцо (см. рис. 3, а, поз. 1) или с наружными заплечиками.

Читайте также: Что такое соленоидный клапан в двигателе

Зазор между направляющей втулкой и стержнем клапана для впускных клапанов устанавливается меньше, чем для выпускных, из-за разной температуры нагрева. Для предотвращения заклинивания клапана во втулке при высокой температуре и перекоса (в приводе клапана непосредственно от распределительного вала) нижнюю внутреннюю поверхность втулки выполняют конусной (см. рис. 3, г) или уменьшают диаметр стержня клапана у головки (см. рис. 1, б).

Седла клапанов

Седло клапана обеспечивает долговечность контактной зоны клапана с головкой блока цилиндров. В головках из алюминиевого сплава используют стальные седла, а в чугунных головках они растачиваются непосредственно в теле (см. рис. 2, а). Для изготовления вставных седел используют специальные легированные чугуны или жаростойкие стали. Для повышения износостойкости фаски седел выпускных клапанов наплавляются слоем твердого сплава (см. рис. 1, поз. 18).

Седло представляет собой кольцо с цилиндрической или конической наружной поверхностью. Крепится седло в головке с натягом при запрессовке или путем расчеканивания головки (см. рис. 3, к). Стальные седла могут крепиться развальцовкой верхней части седла (см. рис. 3, л). При креплении седел запрессовкой на их наружной поверхности часто выполняются кольцевые проточки (см. рис. 3, з, и), которые в процессе запрессовки заполняются металлом головки.

Цилиндрические седла вставляются до упора, а конические – с небольшим торцевым зазором.

Для получения надежного уплотнения поясок седла шириной около 2 мм выполняют с переменным углом (см. рис. 3, ж).

Видео:Слесарь рассказал: КАК ПРОГОРАЮТ КЛАПАНАСкачать

Технические характеристики и основные типы клапанов

По сути, клапан является запорно-регулирующей трубопроводной арматурой. Это механическое приспособление, служащее для пропуска, перекрывания или регулировки поступления жидкостей, паров или газов по трубопроводу. Исходя из вышеизложенного, такое изделие можно назвать периодическим препятствием, расположенным внутри трубы. Размеры клапанов могут исчисляться нескольким сантиметрами или несколькими миллиметрами. Точный параметр зависит от параметров трубы, на которую он установлен. Конструкция может крепиться к трубопроводу посредством резьбового, фланцевого или сварного соединений.

Трубопроводная арматура нашла широкое применение во всевозможных технологических системах. Совершив поворот крана, приспособленного к трубе, исходящей от плиты, можно урегулировать расходование газа, а клапан, установленный на шине автомобиля, облегчает накачивание ее воздухом, предотвращая выход воздушных потоков наружу. Кран, вмонтированный внутри парового радиатора, дает возможность стравить находящийся там воздух и заменить его паром.

Видео:Протезирование аортального клапанаСкачать

Основные детали

Устройство регулирующих клапанов включает: корпус, крышку (головку), седло, затвор (заслонка) и шток (шпиндель) с маховиком. Иногда маховик может быть заменен на автоматическое приспособление. Все составляющие объединены посредством корпуса. Рабочая материя подается вовнутрь устройства через корпус. Шпиндель, находящийся в головке (здесь же расположен уплотняющий сальник), заставляет затвор передвигаться, в результате чего открывается или закрывается отверстие, имеющееся в седле. Рабочий состав, поступая сквозь него, выходит с другой стороны. Поток может быть прямым или заворачивать.

Видео:Типы регулирующих клапановСкачать

Материалы для производства

Для изготовления таких конструкций используют материалы, которые соответствуют необходимым требованиям, выставляемым для определенного вида труб и рабочих составов.

Клапан может быть изготовлен с использованием следующих материалов:

чугуна для ковки или литейного (серого);
нержавеющей или углеродистой стали;
бронзы;
инконеля, монеля и других металлов, в основу которых входит никель.

Материалы, которые годятся для такого производства, отличаются по цене, и степени стойкости к температурным перепадам и образованию ржавчины.

Из серого чугуна, например, в большинстве случаев изготавливают низкопробные приспособления. Бронза, ввиду своей высокой стойкости к коррозии, применяется для работы с коррозионно-активными материалами. Углеродистую сталь, как наиболее прочный из перечисленных металлов, используют там, где поддерживается высокое давление. Жаропрочный хромомолибденовый материал используют на производствах, где температура воздуха может подниматься до 600°С.

Клапаны, состоящие из вышеперечисленных металлов, применяются для оснащения городских гидросистем. Элементы, вмонтированные во внутрь конструкции, могут быть изготовлены из тех же сплавов, что и корпус, а могут состоять из пластмассовых (чаще всего используются в гравитационных моделях) и резиносодержащих материалов.

Для уплотнения и улучшения герметизации седла, штока клапана и затвора, в большинстве случаев используют графит, хлопок, резину или тефлон (все зависит от разновидности и температуры содержимого труб, а также от условий, в которых используется прибор).

Видео:Соленоидные электромагнитные клапаны. Принцип работы, виды.Скачать

Разновидности клапанов

Конструкцию с линейным перемещением затвора или шибер (задвижка) часто применяется для трубопроводов. Такой промышленный клапан называется затворным. Он может быть полностью закрыт или открыт. Открытый дает возможность потоку материи проходить по трубопроводу почти беспрепятственно.

Вентильный механизм, если сравнить его с шибером, значительно затрудняет продвижение состава по трубам. Перепады давления, происходящие на вентиле, применяются для урегулирования расхода материи или давления внутри трубопровода.

Вентильный механизм снабжен вращающимся шпинделем. Когда вращается маховик, шпиндель передвигается относительно резьбы головки. В результате происходит подъем или опускание затвора.

Игольчатый клапан

Игольчатое устройство невелико. По форме рабочая область штока игольчатого устройства напоминает конус, позволяющий без рывков регулировать расход рабочей материи.

Читайте также: Клапан с логической функцией или

Устройство мембранного типа

Клапан мембранного типа выглядит как вентиль, на шпинделе которого (между корпусом и головкой) расположена гибкая мембрана. Под воздействием штока мембрана, перемещаясь, либо регулирует текущее положение механизма, либо полностью его перекрывает. Подвижные составляющие такого механизма не взаимодействуют с потоком жидкости, потому мембрана не нуждается в замене затвора или уплотнительных материалов. Предназначение мембранных устройств — взаимодействовать с жидкостями, содержащими твердые частицы или являющимся носителями агрессивной среды.

Применение обратного клапана

Назначение обратного механизма — предотвратить возвратное продвижение жидкости внутри трубопровода. Известно о существовании двух основных видов обратных клапанов. Они могут быть откидными и подъемными. Первые снабжены шарнирной заслонкой, закрепленной над седлом. Под воздействием потока, идущего со стороны отверстия, заслонка открывается, а жидкость беспрепятственно проникает через клапан. Если поток изменит направление движения, заслонка опустится и закроет отверстие, плотно прижавшись к седлу под давлением жидкости. Подъемная створка функционирует по аналогичному принципу, перемещаясь в вертикально расположенном направляющем цилиндре. Когда поток изменит направление, заслонка опустится и плотно прижмется к седлу.

Тарельчатый механизм

Тарельчатыми называют односедельные клапаны, открывающиеся посредством «кулачков» и рычажков, а закрывающиеся благодаря действию пружин. Автомобилисты используют такие устройства для подачи топлива и воздуха в цилиндры и двигатель автомобиля, а также для выброса использованных газов. Описанный тарельчатый механизм установлен в некоторых видах паровых машин и в паровых турбинах как приспособление для регулирования подачи пара.

Устройство с сильфоном

Сильфонный клапан имеет гофрированную конструкция из металлических материалов. Такое изделие сохраняет прочность и герметичность при неоднократных сжатиях, растяжениях, изгибах. Применяется в трубопроводной арматуре как герметизирующий, силовой элемент.

Применение импульсных устройств

Для защиты от механического разрушения трубопроводов слишком высоким давлением используются импульсные клапаны. Путем автоматического выпуска проходящей среды из систем они понижают силу увеличившегося давления.

Редукционный механизм

Назначение редукционного устройства — понижать давление внутри трубопровода. Величина проходного отверстия варьируется автоматически. Внутри он оснащен перемещающимся штоком и специальным приспособлением, посредством которого может быть изменено положение относительно седла.

Регулирующее приспособление в большинстве случаев изготавливают в виде профилированной детали. В простых моделях урегулированное давление оказывает действие на мембрану, которая закреплена на штоке. При помощи пружины или грузка давление уравновешивается, а его сила изменяется, когда меняется натяжение пружины во время перемещения груза на рычаге. Мембрана, как правило, находится под воздействием давления потока, идущего над или под клапаном. В силовых приводах, в большинстве случаев, нет необходимости.

Четырехходовой клапан

Там, где необходимо регулирование теплоносителя, применяются устройства четырехходового типа. Добиться нужной температуры в системе можно лишь одним способом – смешиванием горячей и холодной среды, получая на выходе нужный результат. Успешное выполнение такого процесса и обеспечивает четырехходовой клапан.

Видео:Не ставьте приточный клапан ! Результат в -20Скачать

Клапаны, оснащенные поворотным затвором

Изделия дроссельного типа нужны для регулировки или перекрывания доступа к газу, жидким или двухфазным потокам. Тонкая заслонка внешне напоминает две сложенные вместе глубокие тарелки. В проходном отверстии дроссельного устройства может находиться уплотняющая прослойка из мягкого материала. Шпиндель перемещается относительно заслонки. При закрытии заслонка препятствует прохождению потока, принимая перпендикулярное положение и плотно примыкая к мягкому прокладочному материалу, расположенному внутри корпуса. Когда дроссельный клапан открыт, значит, заслонка расположена параллельно потоку.

Устройство шаровой конструкции

Регулирующая деталь шарового клапана похожа на шар со сквозным отверстием. Под воздействием шпинделя он может вращаться с амплитудой 90°С. Когда механизм открыт, это значит, что внешние концы сквозного отверстия на шаре совпали с отверстиями на седлах. Когда он находится в закрытом состоянии – отверстия в шаре не совпадают с отверстиями в седлах, а седла перекрыты, потому что плотно примыкают к поверхности.

Регулирующий механизм чем-то напоминает редукционный. Он снабжен специальным приводом (как правило – электрическим или пневматическим), сопряженным с автоматическим регулятором. Касаемо характеристики блока управления регулирующего клапана, то можно отметить, что по сути, он является устройством для измерения расхода жидкости, температуры или давления с последующим сравнением уровня этих величин с требуемыми. Из блока управления поступает команда, повинуясь которой, рабочий орган принимает нужное положение. Перемещение элемента внутри клапана непрямого действия может носить поступательный или вращательный характер. По конструкции регулирующий механизм может быть вентильного или дроссельного типа.

Посредством регулирующих клапанов можно контролировать расход вещества и уровень давления, поэтому механизм практически не бывает полностью открытым или закрытым. Так как он служит для дросселирования потока (процесса, для которого характерно понижение давления). Материал, из которого изготовлено регулирующее устройство, должен отличаться высокой стойкостью к эрозии. Понижение давление иногда заканчивается кавитацией (если речь идет о жидких веществах) и шумами (если речь идет о потоках пара или газа). Современные регулирующие клапаны обладают повышенной стойкостью к кавитации и шумам, что делает их пригодными для работы в самых неблагоприятных условиях.