Аккумуляторы в гидравлических системах

Аккумуляторы обычно устанавливаются в гидравлических системах для накопления энергии и сглаживания пульсаций. Как правило, гидравлическая система с аккумулятором может использовать насос меньшего размера, поскольку аккумулятор накапливает энергию насоса в периоды низкого спроса. Эта энергия доступна для мгновенного использования и высвобождается по требованию со скоростью, во много раз превышающей ту, которую мог бы обеспечить только насос.

Виды поперечного сечения типичных аккумуляторов пузырькового и поршневого типа. Нажмите на изображение для увеличения.

Аккумуляторы также могут действовать как поглотители всплесков или пульсаций, подобно тому, как воздушный купол используется в пульсирующих поршневых или роторных насосах. Аккумуляторы амортизируют гидравлические удары, уменьшая толчки, вызванные быстрой работой или внезапным запуском и остановкой силовых цилиндров в гидравлическом контуре.

Существует четыре основных типа аккумуляторов: поршневые с утяжеленным поршнем, мембранные (или пузырьковые), пружинные и гидропневматические поршневые. Весовой тип был первым, но он намного больше и тяжелее для своей емкости, чем современные поршневые и пузырьковые типы. И взвешенный, и пружинный типы сегодня встречаются нечасто. Гидропневматические аккумуляторы, рисунок 1, являются типом, наиболее часто используемым в промышленности.

Функции

Накопление энергии — гидропневматические аккумуляторы включают газ в сочетании с гидравлической жидкостью. Жидкость обладает незначительными динамическими свойствами по накоплению энергии; типичные гидравлические жидкости могут уменьшиться в объеме всего на 1.7% под давлением 5 000 фунтов на кв. дюйм. (Однако эта относительная несжимаемость делает их идеальными для передачи энергии, обеспечивая быструю реакцию на потребность в энергии.) Поэтому, когда высвобождается только 2% от общего объема, давление оставшегося в системе масла падает до нуля.

С другой стороны, газ, являющийся партнером гидравлической жидкости в аккумуляторе, может быть сжат в небольшие объемы при высоком давлении. В сжатом газе сохраняется потенциальная энергия, которая высвобождается по требованию. Такую энергию можно сравнить с энергией поднятой сваи, готовой передать свою огромную энергию на сваю. В аккумуляторе поршневого типа энергия сжатого газа оказывает давление на поршень, разделяющий газ и гидравлическую жидкость. Поршень, в свою очередь, выталкивает жидкость из цилиндра в систему и в то место, где будет выполняться полезная работа.

Пульсационное поглощение — Насосы, конечно же, генерируют необходимую мощность для использования или хранения в гидравлической системе. Многие насосы выдают эту мощность в виде пульсирующего потока. Поршневой насос, обычно используемый для обеспечения высокого давления, может создавать пульсации, вредные для системы высокого давления. Аккумулятор, правильно расположенный в системе, существенно смягчит эти колебания давления.

Амортизация ударных нагрузок — Во многих случаях применения гидравлических систем приводной элемент гидравлической системы внезапно останавливается, создавая волну давления, которая распространяется по системе. Эта ударная волна может создать пиковое давление, в несколько раз превышающее нормальное рабочее давление. Это может вызвать неприятный шум или даже отказ системы. Газовая подушка аккумулятора, правильно расположенная в системе, минимизирует этот удар.

Примером такого применения является поглощение удара, вызванного внезапной остановкой погрузочного ковша на гидравлическом фронтальном погрузчике. Без аккумулятора ковш весом более 2 тонн может полностью оторвать задние колеса погрузчика от земли. Сильный удар по раме и оси трактора, а также износ оператора преодолеваются путем добавления в гидравлическую систему соответствующего аккумулятора.

Дополнение потока насоса — Аккумулятор, способный накапливать энергию, может дополнять гидравлический насос при подаче энергии в систему. Насос накапливает потенциальную энергию в аккумуляторе в периоды простоя рабочего цикла. Аккумулятор передает эту резервную энергию обратно в систему, когда цикл требует аварийной или пиковой мощности. Это позволяет системе использовать гораздо меньший насос, что приводит к экономии средств и электроэнергии.

Поддержание давления — Изменение давления в гидравлической системе происходит при повышении или понижении температуры жидкости. Также может происходить падение давления из-за утечки гидравлической жидкости. Аккумулятор компенсирует такие изменения давления, отдавая или принимая небольшое количество гидравлической жидкости. Если основной источник энергии выйдет из строя или остановится, аккумулятор будет действовать как вспомогательный источник энергии, поддерживая давление в системе.

Аккумуляторы в гидравлических системах

Дозирование жидкостей — аккумулятор может использоваться для дозирования небольших объемов жидкостей, таких как смазочные материалы и масла, по команде.

Работа

При правильном выборе размера и предварительной зарядке аккумуляторы обычно работают в циклическом режиме между стадиями (d) и (f), рис. 2. В поршневых аккумуляторах поршень не соприкасается с крышкой, а пузырек не соприкасается с клапаном и не сжимается так, чтобы разрушительно сложиться в верхней части корпуса.

Производители указывают рекомендуемое давление предварительного заряда для своих аккумуляторов. В системах накопления энергии пузырьковый аккумулятор обычно заряжается до 80% минимального давления в гидравлической системе, а поршневой аккумулятор — на 100 фунтов на кв. дюйм ниже минимального давления в системе. Давление предварительного заряда определяет, сколько жидкости останется в аккумуляторе при минимальном давлении в системе.

Аккумуляторы в гидравлических системах

Шесть этапов работы аккумуляторов: этап (a), аккумулятор пуст — нет заряда газа; этап (b), аккумулятор предварительно заряжен сухим азотом; этап (c), давление в системе превышает давление предварительного заряда, и гидравлическая жидкость поступает в аккумулятор; этап (d), давление в системе достигает максимума, максимальное количество жидкости поступило в аккумулятор, и разгрузочный клапан системы открывается; этап (e), давление в системе падает, давление предварительного заряда выталкивает жидкость из аккумулятора в систему; и этап (f), давление в системе достигает минимума, необходимого для выполнения работы.

Правильный предварительный заряд предполагает точное заполнение газовой стороны аккумулятора сухим инертным газом, например, азотом, при отсутствии гидравлической жидкости в жидкостной части. Зарядка аккумулятора начинается, когда гидравлическая жидкость поступает в жидкостную часть, и происходит только при давлении, превышающем давление предварительного заряда. Во время зарядки газ сжимается, накапливая энергию.

Правильное давление предварительного заряда является наиболее важным фактором для продления срока службы аккумулятора. Тщательность, с которой должна выполняться и поддерживаться предварительная зарядка, является важным фактором при выборе типа аккумулятора для применения при прочих равных условиях. Если пользователь небрежно относится к настройкам давления газа и перепускного клапана или регулирует давление в системе, не внося соответствующих изменений в давление предварительного заряда, срок службы может сократиться, даже если был выбран правильный тип аккумулятора. Если был выбран неправильный аккумулятор, преждевременный выход из строя практически гарантирован.

Аккумуляторы в гидравлических системах

Монтажное положение

Оптимальное положение для установки любого аккумулятора — вертикальное, гидравлическим портом вниз. Поршневые модели могут быть горизонтальными, если жидкость поддерживается в чистом состоянии. Если присутствуют или ожидаются твердые загрязнения в значительных количествах, горизонтальный монтаж может привести к неравномерному или ускоренному износу уплотнений. Максимальный срок службы может быть достигнут в горизонтальном положении при использовании нескольких поршневых уплотнений для балансировки параллельной поверхности поршня.

Аккумуляторы в гидравлических системах

Горизонтально установленный аккумулятор может привести к неравномерному износу пузырька и отводу жидкости от гидравлического клапана.

Пузырьковый аккумулятор также может быть установлен горизонтально, рис. 3, но неравномерный износ пузырька, поскольку он трется о корпус, плавая в жидкости, может сократить срок службы. Величина повреждения зависит от чистоты жидкости, частоты циклов и степени сжатия (определяется как максимальное давление в системе/минимальное давление в системе). В крайних случаях жидкость может задерживаться вдали от гидравлического конца, что снижает производительность или может привести к удлинению пузырька и преждевременному закрытию клапана.

Размеры и производительность

Доступные размеры и мощность также влияют на выбор типа аккумулятора. Поршневые аккумуляторы определенной емкости часто поставляются с различными диаметрами и длиной, Таблица 1. Кроме того, поршневые аккумуляторы могут быть изготовлены по индивидуальному заказу за небольшую или нулевую надбавку к цене. Пузырьковые аккумуляторы предлагаются только в одном размере для каждой емкости, при этом доступно меньшее количество емкостей.

Таблица 1 — Относительная производительность, 10-галовый аккумулятор
Компрессия
коэффициент
1/2
Давление в системе, psiРекомендуемая предварительная подпитка, psiПроизводительность, гал
максимум 1минимум 2пузырь 3поршень 4пузырь 5поршень 6
1.5
2.0
3,000
3,000
2,000
1,500
1,600
1,200
1,900
1,400
2.53
3.80
3.00
4.41
3.0
6.0
3,000
3,000
1,000
500
800
900
400
5.06
5.70
6.33

Более высокая производительность поршневого аккумулятора может сделать его лучшей альтернативой в условиях ограниченного пространства. В таблице 1 перечислены мощности поршневых и пузырьковых аккумуляторов емкостью 10 галлонов, работающих изотермически в качестве вспомогательных источников энергии в диапазоне минимальных давлений в системе. Разница в давлении предварительного заряда, столбцы 3 и 4 (определяется 80% от минимального давления в системе для моделей пузырьковых аккумуляторов, на 100 фунтов на кв. дюйм ниже минимального для поршневых), приводит к существенной разнице в производительности, столбцы 5 и 6.

Для предотвращения чрезмерной деформации и высоких температур пузырька, в таблице 1 также отмечено, что пузырьковые аккумуляторы следует выбирать с коэффициентом сжатия более 3:1.

Многочисленные компоненты

Поршневые аккумуляторы, используемые в сочетании с газовыми баллонами.

Хотя пузырьковые аккумуляторы не выпускаются в объемах более 40 галлонов, поршневые аккумуляторы в настоящее время поставляются в объеме до 200 галлонов в одном сосуде. Экономика и доступное пространство для установки заставляют инженеров рассматривать многокомпонентные установки. Две из них могут покрыть большинство высокопроизводительных приложений.

Аккумуляторы в гидравлических системах

Установка на рисунке 4 состоит из нескольких газовых баллонов, обслуживающих один поршневой аккумулятор через газовый коллектор. Аккумуляторная часть должна иметь такие размеры, чтобы поршень не ударялся многократно о крышки при циклическом движении. Один из недостатков этой схемы заключается в том, что при нарушении одного уплотнения может произойти разгерметизация газовой системы. Поскольку газовые баллоны часто дешевле аккумуляторов, одним из преимуществ такой схемы может быть более низкая стоимость.

Несколько аккумуляторов могут быть объединены в коллектор для обеспечения больших потоков в системе.

Несколько аккумуляторов поршневой или пузырьковой конструкции могут быть установлены на гидравлическом коллекторе, рисунок 5. При использовании поршневых аккумуляторов, поршень с наименьшим трением будет двигаться первым и иногда может опуститься на гидравлическую крышку. В медленных или редко используемых системах это несущественно.

Газобаллонная установка

Небольшой аккумулятор может справиться с задачей, если он дистанционно подключен к вспомогательному газовому баллону.

Удаленное хранение газа обеспечивает гибкость в больших и малых системах, Рисунок 6. Концепция газового баллона обычно описывается простой формулой: размер аккумулятора минус требуемый выход жидкости равен размеру газового баллона. Например, в случае, когда требуется 30-галловый аккумулятор, может потребоваться только 8-10 галлонов жидкости. Поэтому для данного применения можно использовать 10-галловый аккумулятор и 20-галловый газовый баллон.

Аккумуляторы в гидравлических системах

Аккумулятор, используемый для удаленного хранения газа, обычно имеет на газовом конце порт того же размера, что и на гидравлическом конце, чтобы обеспечить беспрепятственный поток газа в газовый баллон и из него. Газовый баллон имеет эквивалентное отверстие на одном конце и клапан для заправки газом на другом. Эти двухкомпонентные аккумуляторы могут быть сконфигурированы или согнуты под любым углом, чтобы соответствовать имеющемуся пространству.

Концепция газового баллона подходит как для пузырьковых, так и для поршневых аккумуляторов. Обратите внимание, что для пузырьковых аккумуляторов требуется специальное устройство, называемое барьером передачи на газовом конце, чтобы предотвратить выдавливание пузырька в трубопровод газового баллона.

Поршневой аккумулятор также должен быть рассчитан на то, чтобы предотвратить опускание поршня в конце цикла. Конструкция пузырьков должна быть рассчитана таким образом, чтобы предотвратить заполнение более чем на 85% или разрядку более чем на 85%. Скорость потока между барьером для переноса пузыря и его газовым баллоном будет ограничена горловиной трубки барьера для переноса. Из-за этих недостатков аккумуляторы в виде баллонов/пузырей следует использовать только в специальных приложениях.

Скорость потока и время срабатывания

В таблице 2 приведены максимальные скорости потока для аккумуляторов соответствующих размеров и типов. Более крупные стандартные конструкции пузырьков ограничены 220 галлонами в минуту, хотя скорость может быть увеличена до 600 галлонов в минуту с помощью дорогостоящего высокопроизводительного порта. Затвор регулирует скорость потока; чрезмерный поток вызывает преждевременное закрытие затвора. Для достижения расхода более 600 гал/мин требуется несколько аккумуляторов, установленных на общем коллекторе.

Таблица 2 — Максимальный рекомендуемый расход аккумуляторов
Поршень
отверстие, в.
Пузырь
емкость
Г/мин при 3 000 фунтов на кв. дюйм
ПоршеньМочевой пузырь
СтандартныйВысокопоточный
2
4
6
1 qt
1 галлон
2½ галлон
100
400
800
60
150
220


600
7
9
12
больше 2½ галлон1,200
2,000
3,400
220
220
220
600
600
600

Допустимые скорости потока для поршневых аккумуляторов обычно превышают скорости потока для пузырьковых конструкций. Расход ограничивается скоростью поршня, которая не должна превышать 10 футов/сек во избежание повреждения уплотнения поршня. В высокоскоростных системах высокая температура контакта уплотнения и быстрая декомпрессия азота, проникшего в материал уплотнения, могут привести к образованию пузырей, трещин и ям в резине.

Пузырьковые аккумуляторы быстрее реагируют на изменения давления в системе, чем поршневые, по двум причинам:

1. Резиновым пузырькам не нужно преодолевать статическое трение, которое необходимо поршневому уплотнению, и 2. массу поршня не нужно ускорять и замедлять.
На практике, однако, разница в реакции может быть не столь велика, как принято считать, и, вероятно, незначительна в большинстве применений.

Подавление удара

Испытательная схема для генерации и измерения ударных волн в системе.

Испытания, проведенные в Университете Висконсина, Мэдисон, показывают, что для подавления ударной волны не обязательно использовать пузырьковый аккумулятор. При номинальном расходе в системе 30 галлонов в минуту в испытательном контуре, рис. 7, управляемый изнутри распределитель, расположенный на расстоянии 118 футов от насоса, закрывается, создавая ударную волну. Когда ударная волна проходит от клапана обратно по гидравлическим линиям, огибая углы и различные ограничения, некоторая часть ее энергии расходуется, ускоряя массу жидкости в линиях.

График показывает результаты испытаний ударной волны.

С 1¼-в. трубах, настройке перепускного клапана на 2 750 фунтов на кв. дюйм и отсутствии аккумулятора в контуре, осциллограмма A, рисунок 8, показывает скачок давления на 385 фунтов на кв. дюйм сверх настройки перепускного клапана. Добавление поршневого аккумулятора емкостью 1 гал. на клапан снижает переходное давление до 100 фунтов на кв. дюйм сверх настройки перепускного клапана, трасса B. Замена пузырькового аккумулятора емкостью 1 гал. снижает переходное значение до 78 фунтов на кв. дюйм сверх настройки перепускного клапана, след C, что лишь на 22 фунта на кв. дюйм лучше, чем защита поршневого типа.

Результаты второго испытания с использованием трубок меньшего диаметра.

Второе, аналогичное испытание с трубами диаметром 5/8 дюйма. и настройкой перепускного клапана 2650 фунтов на кв. дюйм привело к скачку давления на 2011 фунтов на кв. дюйм по сравнению с настройкой перепускного клапана без аккумулятора, след A, рис. 9. Поршневой аккумулятор гасит переходный процесс до 107 фунтов на кв. дюйм сверх настройки перепускного клапана, след B, а пузырьковый аккумулятор гасит переходный процесс до 87 фунтов на кв. дюйм сверх настройки перепускного клапана, след C. Разница между типами аккумуляторов в подавлении ударной волны снова оказалась незначительной.

Сервооборудование

Еще одно распространенное заблуждение гласит, что все сервоприводы требуют использования пузырькового аккумулятора. Опыт показывает, что только небольшой процент сервоприводов требует времени отклика 25 мс или менее, область, где разница в отклике между поршневыми и пузырьковыми аккумуляторами становится существенной. Для приложений, требующих отклика менее 25 мс, следует использовать пузырьковые аккумуляторы, а для приложений, требующих отклика 25 мс и более, — аккумуляторы любого типа.

Настройка и обслуживание: предварительная зарядка

В недавно отремонтированных пузырьковых аккумуляторах перед предварительной зарядкой идентификатор оболочки должен быть смазан системной жидкостью. Эта жидкость действует как подушка, смазывает и защищает пузырь, когда он разворачивается и сворачивается. Когда начинается предварительная зарядка, первоначальные 50 фунтов на квадратный дюйм азота следует вводить медленно.

Звездчатый разрыв в конце пузыря (a) может указывать на потерю эластичности материала пузыря из-за охрупчивания холодным азотом во время предварительной зарядки. Если пузырь задвинут под поппер (b), то пузырь может получить С-образный разрез от поппера.

Пренебрежение этими мерами предосторожности может привести к немедленному выходу из строя мочевого пузыря. Азот высокого давления, быстро расширяющийся и, следовательно, холодный, может проходить по всей длине сложенного пузыря и концентрироваться в нижней части. Охлажденная хрупкая резина, быстро расширяясь, может разорваться в виде звездочки, Рисунок 10(a). Пузырь также может быть вытеснен под плунжер, в результате чего образуется С-образный разрез в днище пузыря, Рисунок 10(b).

Аккумуляторы в гидравлических системах

Жидкостная сторона поршневых аккумуляторов должна быть пустой во время предварительной зарядки, чтобы объем газовой стороны был максимальным. Во время предварительной зарядки может произойти незначительное повреждение, если таковое вообще возможно.

Слишком высокое давление предварительного заряда или снижение минимального давления в системе без соответствующего снижения давления предварительного заряда может привести к проблемам в работе или повреждению аккумуляторов. При чрезмерном давлении предварительной зарядки поршневой аккумулятор будет циклически переключаться между стадиями (e) и (b), рис. 2, и поршень будет находиться слишком близко к гидравлической торцевой крышке. Поршень может опуститься на дно при минимальном давлении в системе, что приведет к снижению производительности и в конечном итоге к повреждению поршня и его уплотнения. Днище поршня часто можно услышать; этот звук служит предупреждением о надвигающихся проблемах.

Слишком высокий предварительный заряд в пузырьковом аккумуляторе может привести к тому, что при циклическом переходе между стадиями (e) и (b), рис. 2, пузырек вдавится в узел плунжера. Это может привести к усталостному разрушению пружины и узла поппера, или к защемлению и разрезанию пузырька, если мешок попадет под поппер при его принудительном закрытии. Слишком высокое давление предварительного заряда является наиболее распространенной причиной разрушения пузырька.

Слишком низкое давление предварительного заряда или повышение давления в системе без компенсирующего повышения давления предварительного заряда также может вызвать проблемы в работе, с возможным повреждением аккумулятора. При отсутствии предварительного заряда в поршневом аккумуляторе поршень, скорее всего, будет загнан в газовую крышку и, вероятно, останется там. Одиночный контакт вряд ли приведет к повреждению.

Для пузырьковых аккумуляторов слишком низкий предварительный заряд или его отсутствие может привести к серьезным последствиям. Пузырь может быть вдавлен в верхнюю часть оболочки, затем может выдавиться в газовый клапан и быть пробитым. Одного такого цикла достаточно, чтобы разрушить пузырь. Поэтому поршневые аккумуляторы более терпимы к неправильной предварительной зарядке.