蓄能器通常安装在液压系统中以储存能量和消除脉动。
通常,带有蓄能器的液压系统可以使用较小的泵,因为蓄能器在需求量较低的时期存储来自泵的能量。这种能量可供瞬时使用,按需释放,其速率比单泵可提供的能量大很多倍。
图1.典型气囊式和活塞式蓄能器的横截面图
蓄能器也可以起到浪涌或脉动吸收器的作用,就像空气圆顶用于脉动活塞或旋转泵一样。蓄能器将缓冲液压锤,减少因液压回路中动力缸的快速操作或突然启动和停止而引起的冲击。
蓄能器有四种主要类型:负重活塞式、隔膜(或气囊)式、弹簧式和油气活塞式。负重型是第一次使用,但其容量比现代活塞式和气囊式大得多、重得多。如今,重量型和弹簧型都不常见。油气蓄能器,图1,是工业中最常用的类型。
储能-液压气动蓄能器结合气体和液压流体。
这种液体几乎没有动力储存特性;在5000磅/平方英寸的压力下,典型的液压液体体积只能减少约1.7%。(然而,这种相对的不可压缩性使其成为理想的动力传输方式,能够快速响应动力需求。)因此,当仅释放总容油量的2%时,系统中剩余油的压力降至零。
另一方面,气体作为蓄能器中液压流体的伙伴,可以在高压下压缩成小体积。势能储存在压缩气体中,按需释放。这种能量可以与准备将其巨大能量传递到桩上的打桩机的能量相比。在活塞式蓄能器中,压缩气体中的能量对分离气体和液压流体的活塞施加压力。活塞反过来迫使液体从气缸进入系统并到达将完成有用工作的位置。
脉冲吸收泵,当然,产生所需的动力,用于或储存在液压系统。许多泵以脉动流输送这种能量。活塞泵,通常用于其高压能力,可以产生不利于高压系统的脉动。系统中的蓄能器可以有效地缓冲这些压力变化。
冲击缓冲-在许多流体动力应用中,液压系统的从动件突然停止,产生一个压力波,通过系统传回。这种冲击波能产生比正常工作压力大几倍的峰值压力。它会引起令人不快的噪音甚至系统故障。蓄能器的气垫,正确地安装在系统中,将使这种冲击降到最低。
这种应用的一个例子是吸收由突然停止液压前端装载机上的装载斗引起的冲击。如果没有蓄能器,重量超过2吨的铲斗可以将装载机后轮完全抬离地面。通过在液压系统中添加适当的蓄能器,可以克服拖拉机机架和轮轴受到的严重冲击以及操作员的磨损。
补充泵流量-能够储存动力的蓄能器可以补充液压泵向系统输送动力。泵在工作循环的怠速期间将势能储存在蓄能器中。当循环需要紧急或峰值功率时,蓄能器将此备用功率传回系统。这使得系统能够使用更小的泵,从而节省成本和功率。
保持压力-当液体受到上升或下降的温度时,液压系统中会发生压力变化。此外,液压油泄漏可能导致压力下降。蓄能器通过输送或接收少量液压油来补偿这种压力变化。如果主电源发生故障或停止工作,蓄能器将充当辅助电源,保持系统中的压力。
液体分配-根据命令,蓄能器可用于分配少量液体,如润滑脂和润滑油。
当尺寸和预充正确时,蓄能器通常在阶段(d)和阶段(f)之间循环,以下六阶段所示。活塞不会接触活塞蓄能器中的任何一个盖,气囊也不会接触提升阀或被压缩,从而破坏性地折叠到阀体顶部。
制造商规定了其蓄能器的推荐预充压力。在储能应用中,气囊式蓄能器通常预充至最小液压系统压力的80%,活塞式蓄能器预充至低于最小系统压力100 psi。预充压力决定了在最低系统压力下蓄能器中的液体量。
阶段(a),蓄能器为空-不充气;
阶段(b),蓄能器已预充干氮;
阶段(c),系统压力超过预充压力,液压油流入蓄能器;
阶段(d),系统压力峰值,最大油液已进入蓄能器,系统泄压打开;
阶段(e),系统压降,预充压力迫使流体从蓄能器进入系统;
阶段(f),系统压力达到工作所需的最小值。
正确的预充包括在蓄能器的气侧准确地充入干燥的惰性气体,如氮气,而液侧没有液压油。然后,当液压油进入油液侧时,蓄能器充注开始,并且仅在高于预充压力的压力下发生。充电时,气体被压缩以储存能量。
正确的预充压力是延长蓄能器寿命的最重要因素。在为应用选择蓄能器类型时,必须注意预充的完成和维护,其他条件都相同。如果用户不注意气体压力和安全阀的设置,或者在没有对预充压力进行相应调整的情况下调整系统压力,即使选择了正确的蓄能器类型,也可能会缩短使用寿命。如果选择了错误的蓄能器,则几乎可以肯定过早发生故障。
任何蓄能器的最佳安装位置都是垂直的,液压端口向下。如果液体保持清洁,活塞模型可以是水平的。当存在或预计存在大量固体污染物时,水平安装可能导致不均匀或加速密封磨损。在水平位置使用多个活塞密封件平衡活塞的平行表面,可获得最大的使用寿命。
图2.水平安装的蓄能器会导致气囊不均匀磨损
并将液体从液压阀中截留
气囊式蓄能器也可以水平安装,如图2所示,但当气囊漂浮在液体上时与壳体摩擦时,气囊上的不均匀磨损会缩短寿命。损伤量取决于流体清洁度、循环速率和压缩比(定义为最大系统压力/最小系统压力)。在极端情况下,液体可能被截留远离液压端,从而降低输出或拉长气囊,迫使提升阀过早关闭。
可用的尺寸和容量也会影响要选择的蓄能器类型。特定容量的活塞式蓄能器通常按直径和长度的选择供货,见表1。此外,活塞设计可以建立定制的长度,很少或没有价格溢价。每种容量的气囊式蓄能器只有一种尺寸,可用容量较少。
表1-相对输出,10加仑蓄能器 | ||||||
压缩 比 1/2 | 系统压力,psi | 推荐预充电, psi | 输出,gal | |||
最大1 | 最小2 | 气囊3 | 活塞4 | 气囊5 | 活塞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 |
活塞式蓄能器固有的较高输出可能使其成为空间紧张时的最佳选择。表1列出了10 gal活塞和气囊式蓄能器在最小系统压力范围内作为辅助电源等温性工作的输出。第3列和第4列预充压力的差异(由气囊模型的最小系统压力的80%确定,活塞的最小压力低于100 psi)导致第5列和第6列的输出存在实质性差异。
为防止气囊过度变形和气囊温度过高,还应在表1中注意气囊蓄能器的规定压缩比应大于3:1。
图3.与气瓶配合使用的活塞式蓄能器
尽管无法提供超过40 gal的气囊设计,但目前在单个容器中最多可提供200 gal的活塞设计。经济性和可用的安装空间已导致工程师考虑进行多组件安装。其中两个可以涵盖大多数高输出应用。
图3中的设备由几个气瓶组成,这些气瓶通过气体歧管为单个活塞式蓄能器提供服务。蓄能器部分的尺寸必须设计成在循环时活塞不会反复撞击盖。这种布置的一个缺点是单个密封失效会耗尽气体系统。由于气瓶通常比蓄能器便宜,因此这种设置的一个优势可能是降低了成本。
图4.多个蓄能器可以集成在一起以提供较大的系统流量
可以将多个蓄能器(活塞式或气囊式设计)安装在液压歧管上(图4)。如果使用活塞式蓄能器,则摩擦最小的活塞将首先移动,并且偶尔会在液压盖上移至底部。在慢速或不经常使用的系统中,这无关紧要。
图5.如果小型蓄能器远程连接到辅助气瓶,则可以完成该工作
远程气体存储在大型和小型系统中都具有灵活性,图5。
通常使用以下简单公式来描述气瓶概念:储气罐尺寸减去所需的流体输出量等于气瓶尺寸。
例如,需要30 gal蓄能器的应用程序可能只需要8到10 gal的流体输出即可。因此,使用10 gal的蓄能器和20 gal的气瓶可以满足该应用程序。
*1美制加仑(us gal)=3.7854118升(l)
用于远程气体存储的蓄能器通常在气体端具有与液压端相同的尺寸端口,以允许气体无阻碍地流入和流出气瓶。气瓶的一端有一个等效端口,另一端有一个充气阀。这些两件式蓄能器可以配置为任意角度或以任何角度弯曲以适合可用空间。
气瓶概念适用于气囊或活塞式蓄能器。请注意,气囊式蓄能器需要在气体端部使用一种称为转移屏障的特殊装置,以防止气囊挤入气瓶管道中。
同样,应确定活塞式蓄能器的尺寸,以防止活塞在循环的任何一端触底。气囊设计的尺寸应能防止填充量超过85%或排空到85%以上。气囊转移屏障与其气瓶之间的流速将受到转移屏障管颈部的限制。由于这些缺点,瓶/气囊蓄能器应保留用于特殊应用。
表2列出了代表性蓄能器尺寸和类型的最大流量。较大的标准气囊设计限制为220 gpm,尽管使用额外的高流量端口也可以将速率提高到600 gpm。提升阀控制流量;流量过大会导致提动阀芯过早关闭。需要多个安装在公共歧管上的蓄能器以实现大于600 gpm的流量。
表2-建议的最大蓄能器流量 | ||||
活塞内径 | 气囊容量 | Gpm在3,000 psi下 | ||
---|---|---|---|---|
活塞 | 气囊 | |||
标准 | 高流动性 | |||
2 4 6 | 1夸脱 1加仑 2½加仑 | 100 400 800 | 60 150 220 | - - 600 |
7 9 12 | 大于2½加仑 | 1,200 2,000 3,400 | 220 220 220 | 600 600 600 |
活塞式蓄能器的允许流速通常超过气囊设计的允许流速。流量受活塞速度的限制,活塞速度不得超过10英尺/秒,以免损坏活塞密封圈。
在高速应用中,高的密封接触温度和渗透到密封材料中的氮气的快速减压会在橡胶中引起起泡,破裂和凹陷。
气囊蓄能器对系统压力变化的响应比活塞类型更快,其原因有两个:
1.橡胶气囊不必克服活塞密封件必须产生的静摩擦
2.活塞质量不需要加速和减速
但是,实际上,响应差异可能不像通常认为的那么大,并且在大多数应用中可能微不足道。
图6.测试电路,用于生成和测量系统中的冲击波
威斯康星大学麦迪逊分校的测试表明,电击控制不一定需要气囊蓄压器。在测试回路中,系统流量在标称值为30 gpm的情况下(图6),一个内部先导方向控制阀(距泵118英尺)关闭以产生冲击。当冲击波从阀门通过液压管路返回并在拐角处以及各种限制条件下传播时,其一部分能量被消耗,同时加速了管路中的流体质量。
图7.图表显示了冲击波测试的结果
1/4英寸。管道,2750磅/平方英寸的安全阀设置,电路中没有蓄能器,示波器轨迹a,图7,显示了超过安全阀设置385磅/平方英寸的压力峰值。在阀门处添加1加仑活塞式蓄能器可将瞬态压力降低至安全阀设定值(trace B)以上的100 psi。替换1加仑气囊式蓄能器可将瞬态压力降低至安全阀设定值(trace C)以上的78 psi,仅比活塞式保护好22 psi。
图8.使用较小直径管子的第二次试验结果
另一个5/8英寸的类似测试。管道和安全阀设定值为2650 psi,导致在没有蓄能器的情况下,压力峰值超过安全阀设定值2011 psi,轨迹a,图8。活塞式蓄能器将瞬态阻尼至安全阀设定值(轨迹B)的107 psi,而气囊式蓄能器将瞬态阻尼至安全阀设定值(轨迹C)的87 psi。蓄能器类型之间再次抑制冲击的差异可以忽略不计。
另一个常见的误解是,所有的伺服应用都需要气囊蓄能器。经验表明,只有一小部分伺服系统需要25毫秒或更短的响应时间,即活塞式蓄能器和气囊式蓄能器之间的响应差异变大的区域。气囊蓄能器应用于需要小于25 ms响应的应用,并且当响应大于或等于25 ms时,两种类型的蓄能器均可使用。
对于新维修的气囊式蓄能器,在预充之前,应使用系统油润滑壳体ID。这种液体起到缓冲作用,在气囊放松和展开时润滑和保护气囊。当预充开始时,初始50磅/平方英寸的氮气应缓慢引入。
图9.气囊末端的星爆破裂
(a)可能是由于预充过程中冷氮气的脆化导致气囊材料失去弹性。如果气囊在提升阀
(b)下受力,气囊可以承受从提升阀上切下的C形切口。
忽视这些预防措施可能会导致气囊立即衰竭。高压氮气,膨胀迅速,因此冷,可以通道的长度折叠气囊和集中在底部。快速膨胀的冷脆橡胶可能会以星爆模式破裂,如图9(a)。气囊也可能被压在提升阀下面,导致气囊底部出现C形切口,如图9(b)。
在预充期间,活塞蓄能器的流体侧应为空,以便气体侧容积达到最大值。在预充电过程中,如果有任何损坏,都不会发生。
预充压力过高或在未相应降低预充压力的情况下降低最小系统压力可能会导致操作问题或损坏蓄能器。当预充压力过大时,活塞蓄能器将在阶段(e)和(b)级之间循环(上文蓄能器换工作的六个阶段),并且活塞的范围将过于靠近液压端盖。活塞可能在最小系统压力下触底,从而降低输出,最终导致活塞及其密封件损坏。经常可以听到活塞底部的声音;这声音是对即将发生的问题的警告。
当在阶段(e)和阶段(b)之间循环时,气囊蓄能器中的预充量过高会将气囊推入提升阀总成,如图2所示。这可能会导致弹簧和提升阀总成的疲劳失效,或者如果在强制关闭提升阀时气囊被夹在提升阀下方,则会导致气囊被挤压和切割。预充压力过高是气囊功能衰竭的最常见原因。
如果预充压力过低或系统压力增加而未补偿预充压力的增加,也可能导致操作问题,并可能损坏蓄能器。在活塞蓄能器中没有预充的情况下,活塞可能会被打入气体端盖,并可能保持在那里。一次接触不太可能造成损坏。
对于气囊蓄能器,过低或没有预充可能会产生严重后果。气囊可能被压碎到外壳的顶部,然后被挤压到气阀中并被刺穿。一个这样的循环足以摧毁气囊。因此,活塞蓄能器更能容忍不正确的预充。