Гидроаккумуляторы

В составе источников гидравлической энергии обычно выделяют три основных элемента: насосы, аккумуляторы и преобразователи давления.

Гидравлический аккумулятор – это устройство, предназначенное для хранения гидравлической энергии с целью её последующего использования в моменты, когда системе требуется дополнительный поток жидкости. Он считается одним из компонентов источника питания гидросистемы, поскольку может временно заменять подачу от насоса. Основные функции аккумуляторов: компенсация пульсаций давления, аварийная подача жидкости, обеспечение смазки, стабилизация давления и прочее.

Существует несколько разновидностей гидроаккумуляторов: грузовые, с пружинным механизмом и газовые (рис. ZSK.2.1). Газовые в свою очередь подразделяются на:

• без разделения среды; (б)
• с твёрдым разделителем; (в)
• мембранные (с эластичной перегородкой); (г)
• баллонные. (д, е)

Принцип действия различных моделей одинаков в основе: при превышении давления в системе над сопротивлением в аккумуляторе происходит его зарядка – жидкость заполняет его полость, а при снижении давления – разрядка, и жидкость возвращается в систему.

Грузовой тип обеспечивает стабильное давление независимо от объёма, но требует вертикального монтажа и значительного пространства. Пружинные устройства более компактны, допускают произвольное положение, но давление зависит от степени сжатия пружины. Газовые аккумуляторы с мембраной являются самыми универсальными и удобными – они компактны, эффективны и защищены от износа при правильной эксплуатации. Используемый газ – обычно технический азот, безопасный и инертный по отношению к материалам корпуса и мембраны.

Расчёт объёма аккумулятора производится исходя из полезного объёма, давления заряда и рабочих параметров системы. Его назначение – покрытие кратковременного дефицита подачи жидкости или сглаживание скачков давления.

Аккумуляторы применяются в амортизаторах, в качестве аварийного питания, в системах смазки, для поддержания давления в исполнительных органах, и даже для гашения гидроударов или пиков давления при переключении клапанов. Их использование повышает КПД системы, снижает нагрузку на насос и экономит электроэнергию, позволяя системам работать более стабильно и эффективно.

Именно благодаря этим свойствам гидроаккумуляторы широко применяются в различных секторах машиностроения, транспорта и автоматизации.

Принцип работы гидроаккумулятора можно описать следующим образом. Когда давление жидкости в гидросистеме становится выше силы, с которой груз 2 воздействует на поршень аккумулятора 4 (рис. ZSK.2.1, а), поршень начинает подниматься, а в освободившееся пространство поступает рабочая жидкость – это и есть процесс зарядки аккумулятора. При снижении давления в системе груз опускает поршень, выталкивая накопленную жидкость обратно в гидролинию, тем самым происходит разрядка.

В других типах аккумуляторов процесс происходит аналогично: в пружинных моделях жидкость преодолевает сопротивление пружины 3, а в газовых – давление сжатого газа, который сжимается во время зарядки и расширяется при разрядке (рис. ZSK.2.1, ж, з). Заполнение газом производится через специальный штуцер 5, а слив жидкости осуществляется через штуцер 8.

Рис. ZSK.2.1. Гидравлические аккумуляторы

Самыми компактными среди газовых аккумуляторов считаются устройства, в конструкции которых используется гибкая мембрана (см. рис. ZSK.2.1, д, е). В таких моделях минимальное давление жидкости определяется исходным давлением газа  P_нач, которым предварительно заправляется баллон. В процессе зарядки газ сжимается, и давление повышается до максимального уровня P_max. Чтобы мембранный аккумулятор функционировал надежно и долговечно, необходимо, чтобы минимальное давление жидкости в системе P_min оставалось немного выше начального давления газа. Это предотвращает полное вытеснение жидкости и не допускает соприкосновения мембраны с ограничительным клапаном (рис. ZSK.2.1, ж), что снижает риск её повреждения и продлевает срок службы.

Газовые аккумуляторы, в которых используется жёсткий разделительный элемент (например, поршень, рис. ZSK.2.1, г), менее компактны и характеризуются повышенными силами трения, возникающими из-за наличия уплотнителей на поршне.

Вариант газового аккумулятора без разграничивающей мембраны или поршня (рис. ZSK.2.1, в) прост по конструкции и не содержит движущихся деталей, однако требует установки строго в вертикальном положении. Кроме того, в него необходимо заправлять инертный газ, практически нерастворимый в рабочей жидкости и не вступающий с ней в химическую реакцию. Эти ограничения сужают область его применения.

Наибольшее распространение в современной практике получили именно мембранные газовые аккумуляторы. В качестве заправочного газа, как правило, используют технический азот, поскольку он не оказывает вредного воздействия на материалы корпуса и самой мембраны.

В конструкции гидроамортизатора (см. рис. ZSK.2.3) используется пружинный тип гидроаккумулятора, состоящий из поршня 4 и возвратной пружины 5. При наезде движущегося элемента исполнительного механизма на шток поршня 1 происходит его смещение влево. В результате этого перемещения жидкость из камеры A выталкивается в камеру Г через дросселирующее отверстие дросселя 3 по каналу Б, а также через кольцевой зазор между поршнем и конической поверхностью камеры А – по каналу В. В этот момент энергия движения поглощается, а жидкость, поступая в аккумулятор, сжимает пружину 5, тем самым заряжая устройство.

Когда воздействие на шток прекращается, и он освобождается, поршень 1 перемещается вправо под действием возвращающей силы пружины. При этом жидкость из аккумулятора возвращается обратно в полость А через обратный клапан 6, подготавливая систему к следующему циклу торможения.

Если в процессе работы гидропривода (рис. ZSK.2.4, а) произойдёт аварийное отключение электропитания насоса, то аккумулятор начнёт автоматически подавать рабочую жидкость в гидроцилиндр 1, обеспечивая продолжение функционирования привода. В случае необходимости увеличить подачу жидкости в цилиндр, распределитель 2 переводится в правую позицию, и аккумулятор направляет дополнительный поток рабочей среды в систему (рис. ZSK.2.4, б).

Рис. ZSK.2.2. Пневмогидравлический баллонный аккумулятор

Рис. ZSK.2.3. Применение пружинного аккумулятора

Когда давление в зажимном гидроцилиндре 1 достигает установленного значения, реле давления 3 отключает насос от питания, после чего поддержание давления в системе переходит на аккумулятор. Это позволяет снизить энергозатраты и повысить экономичность работы привода.

По аналогичному принципу работает и система централизованной смазки с использованием аккумулятора (рис. ZSK.2.4, г). Как только давление в системе достигает заданного уровня, реле давления 3 отключает насос, а подача смазочного материала к трущимся поверхностям продолжается за счёт энергии, накопленной в аккумуляторе.

В процессе работы клепального автомата (рис. ZSK.2.4, д) в гидролинии могут возникать резкие перепады давления. Они обусловлены либо резкими движениями поршней цилиндров 1, либо моментами переключения распределителя 2. Для компенсации этих скачков давления используются два аккумулятора: A1 устраняет колебания, вызванные ударом поршня, а A2 – гасит всплески, возникающие при изменении направления потока.

Буферное устройство с аккумулятором (рис. ZSK.2.4, е) предназначено для приёма избыточного объёма жидкости, вытесняемого из полости цилиндра 1 при движении его поршня вниз. После снятия нагрузки аккумулятор возвращает жидкость обратно, поднимая поршень в верхнюю точку. За счёт дросселя 4 можно регулировать скорость торможения, а клапан давления 5 позволяет добиться постоянного замедления, контролируя ускорение при торможении.

На (рис. ZSK.2.4, ж) показана схема, в которой аккумулятор участвует в рабочем процессе: он обеспечивает движение поршня цилиндра 1 влево, а также поддерживает давление на нём в момент, когда насос разгружается. Это достигается включением распределителя 2 в правую позицию.

Рис. ZSK.2.4. Схемы применения гидроаккумуляторов