Гидравлические аккумуляторы

Гидравлические аккумуляторы - это устройства для накопления энергии во время пауз в потреблении ее агрегатами гидросистем. Применение гидравлических аккумуляторов позволяет понизить мощность насосов или обеспечить в гидравлических системах питание отдельных контуров эпизодического действия (например, контур сервоуправления гидрораспределителями или насосами).
Поскольку энергия, накопленная в гидравлических аккумуляторах, может быть использована (отдана) очень быстро, они кратковременно могут развивать большую мощность, т.е. использоваться как дополнительный, а иногда, и основной источник питания гидродвигателей.
Гидроаккумуляторы эффективно гасят скачки давления (гидроудары) и обеспечивают положительную динамику (плавную работу) гидросистем.
В машиностроительной гидравлике применяются грузовые, пружинные и газовые аккумуляторы. Их принципиальные схемы представлены на рис. 1.
 

Рис. 1 Типы гидравлических аккумуляторов
В грузовых аккумуляторах накопление гидравлической энергии происходит за счёт действия силы тяжести груза. Грузовой аккумулятор представляет собой гидроцилиндр, поршень которого нагружен массой. Давление р рабочей жидкости в аккумуляторе определяется площадью сечения поршня и силой тяжести (весом) нагружающей массы.

Поскольку сила тяжести нагружающей массы является постоянной величиной, то давление рабочей жидкости не зависит от степени его разрядки (количества жидкости в цилиндре аккумулятора).
Недостатком таких аккумуляторов является их громоздкость, а также необходимое условие использования только в вертикальном положении.

В пружинных аккумуляторах вместо нагружающей массы использован упругий элемент – пружина. В них давление рабочей жидкости создается усилием, развиваемом при растяжении или сжатии пружины.

Поскольку сила, развиваемая пружиной, зависит от величины ее деформации, давление рабочей жидкости в таком аккумуляторе пропорционально степени его разрядки. Работа пружинного гидравлического аккумулятора не зависит от его ориентации в пространстве. На рис. 2 представлен общий вид пружинного гидравлического аккумулятора. Они часто используются в авиационных гидросистемах.

Рис. 2. Пружинный гидравлический аккумулятор

Пружинные, и особенно грузовые гидравлические аккумуляторы применяются в гидроприводах мобильных машин достаточно редко. Наибольшее распространение получили газогидравлические аккумуляторы.
В газовых аккумуляторах энергия накапливается в результате сжатия газа, в качестве которого, в основном, применяется азот.
Газогидравлический аккумулятор представляет собой закрытый сосуд, заполненный сжатым газом с некоторым начальным давлением зарядки (рн). При подаче в этот сосуд рабочей жидкости объем газовой камеры сокращается. При этом давление газа повышается, достигая к концу зарядки (заполнения) рабочей жидкостью максимального значения (рмакс). Количество поданной в аккумулятор рабочей жидкости и давление газа определяют запас энергии (энергоемкость), которая может быть полностью или частично использована при разрядке аккумулятора, т.е. при нагнетании рабочей жидкости в контур гидросистемы.

Газогидравлические аккумуляторы можно разделить на два типа: поршневые и диафрагменные.

1 - Газовый клапан; 2 – Уплотнения неподвижных элементов (статические);

 3 – Задняя крышка; 4 - Корпус цилиндрический; 5 – Уплотнения поршня (динамические); 6 – Поршень; 7 – Входное/выходное отверстие для рабочей жидкости.

Наполнение газовой полости производится через клапан. Он не допускает утечку газа в окружающую среду. Поршень в цилиндре герметизируется резиновыми уплотнительными элементами (кольцами). Их основное назначение предотвращение утечек газа при нулевом давлении рабочей жидкости. Это режим нерабочего состояния аккумулятора, которому соответствует начальное давление газа (рн). В рабочем состоянии аккумулятора давление жидкости и газа фактически равны между собой, поэтому утечек газа, практически нет. Степень сжатия газа в аккумуляторах обычно составляет 5:1.

Недостатком поршневых аккумуляторов является наличие сил трения поршня в цилиндре, которые создают гистерезис при работе. Кроме того, поскольку сила трения покоя поршня, уплотненного резиновыми кольцами, может в несколько раз превышать величину трения при его перемещении, возможны скачкообразное движение поршня. При наличии упругого элемента (газа) и значительной массы и, соответственно, инерции поршня, могут возникать его автоколебания, которые, через рабочую жидкость, передаются на все компоненты гидросистемы. Такие автоколебания могут послужить причиной усталостных разрушений отдельных элементов. При низких отрицательных температурах возможно нарушение герметичности по месту посадки поршня в цилиндре, что приводит к утечкам газа.
Эти недостатки устранены в аккумуляторах, где жидкая и газовая среда изолированы друг от друга резиновыми разделителями. В таких аккумуляторах давление газа передается непосредственно на поверхность рабочей жидкости. Давления газа и жидкости равны.
Использование в качестве газа инертного азота предохраняет резиновые разделители от контакта с кислородом воздуха, что заметно повышает срок их службы. Использование воздуха противопоказано, поскольку при давлениях 1,4 – 1,6 МПа он становится взрывоопасным (эффект Дизеля).
Резиновый разделитель должен иметь такие размеры и форму, чтобы при разрядке аккумулятора (нагнетании рабочей жидкости в гидросистему) на нем не образовывались складки, и растяжение происходило в допустимых пределах.
Аккумуляторы с резиновыми разделителями делятся на два типа: с газовой резиновой камерой и диафрагменные. На рис. 4 показаны такие аккумуляторы.

В машиностроительной гидравлике часто используются аккумуляторы с газовой камерой, выполненной в виде резинового мешка. В мобильных машинах также используются диафрагменные аккумуляторы. Они более компактны и, поэтому нашли применение в тормозных контурах и системах подвески. Принцип работы гидрогазовых аккумуляторов с резиновой камерой представлен на рис. 5.

Аккумуляторы с газовой резиновой камерой имеют большой типоразмерный ряд и часто используются как устройства для хранения энергии в соединении с насосом постоянной или переменной производительности.
Часто такие аккумуляторы используются на тяжёлой мобильной технике (экскаваторы, краны и т.п.). Они устанавливаются в гидравлических системах сервоуправления пропорциональными гидрораспределителями или насосами с переменным рабочим объемом. В этом случае аккумуляторы работают совместно с клапанным блоком, обеспечивающим безопасность эксплуатации. На рис. 6 показана схема и общий вид гидрогазового аккумулятора с блоком безопасности.

В последнее время гидрогазовые аккумуляторы начинают внедряться и в силовые контуры мобильной гидравлической техники. На некоторых машинах они устанавливаются непосредственно на гидроцилиндры, обеспечивая высокие динамические показатели гидроприводов, а, следовательно, и плавность работы машины. На рис. 7 показаны гидрогазовые аккумуляторы, интегрированные в конструкцию гидроцилиндров.

Газовая резиновая камера аккумуляторов заполняется азотом с помощью специального оборудования. Специалистам для заправки аккумуляторов необходимо пройти краткосрочное обучение и получить разрешение для работы с сосудами высокого давления.

При эксплуатации техники с гидрогазовыми аккумуляторами необходимо осуществлять их регулярное квалифицированное техническое обслуживание и неукоснительно выполнять правила безопасности ведения работ.
Регулировка давления должна выполняться в соответствии с техническими требованиями к гидрогазовым аккумуляторам, изложенными в сопроводительной документации.
Превышение установленного давления может привести к разрушению корпуса аккумулятора и создать угрозу безопасности персонала и эксплуатируемой машины. На рис. 8 показан разрушенный металлический корпус гидрогазового аккумулятора, полученный в результате неправильного технического обслуживания.