5.2. Гидравлические аккумуляторы

Гидравлические аккумуляторы – это устройства, предназначенные для накопления гидравлической энергии и ее отдачи в необходимый период работы гидропривода. Эти устройства относят к источникам питания гидросистем, потому что их основная задача – выдать дополнительный к подаче насоса поток рабочей жидкости. Гидравлический аккумулятор есть резервный источник рабочей жидкости. Кроме того, его можно использовать для гашения пульсаций давления, в тормозных устройствах, в качестве аварийного источника энергии, источника питания систем смазывания, а также для поддержания постоянного давления и других задач.

Известны три типа гидравлических аккумуляторов: грузовые, пружинные и газовые (см. рис. 5.22). Кроме того, газовые аккумуляторы могут быть четырех типов: без разделения газовой и жидкой сред (см. рис. 5.22, в), с жестким разделительным элементом (см. рис. 5.22,г), сферические и баллонные с эластичной мембраной7и9(см. рис. 5.22,д,е).

Принцип действия заключается в следующем. Если давление рабочей жидкости в системе гидропривода таково, что под поршнем аккумулятора 4(см. рис. 5.22,а) создается сила, превышающая силу тяжестиGгруза2, то тогда жидкость поднимает поршень и заполняет освобождающуюся полость аккумулятора – аккумулятор заряжается. При понижении давления поршень под действием груза вытесняет жидкость в систему – идет процесс разрядки аккумулятора. Аналогично работают и другие типы аккумуляторов, только в пружинном аккумуляторе жидкость преодолевает силу пружины3, а в газовом – давление газовой среды, которая при зарядке аккумулятора сжимается, а при разрядке – расширяется (см. рис. 5.22,ж,з). Заполняется аккумулятор газом через штуцер5, а опорожнение аккумулятора происходит через штуцер8.

Основное достоинство грузовых аккумуляторов заключается в поддержании постоянного давления груза весом G: р=G/s, гдеs– эффективная площадь (без учета сил трения) независимо от степени их разрядки. Однако им присущи два серьезных недостатка: громоздкость и необходимость вертикальной установки. Чаще всего их применяют в приводах автоматизированного прессового оборудования.

Пружинные аккумуляторы (рис. 5.22, б) менее громоздки, их можно устанавливать в любом положении, но давление жидкости в них зависит от степени сжатия пружины3:р=с(h₀+h)/s, гдес– жесткость пружины;h₀ –предварительный натяг;h– сжатие пружины3(ход поршня1).

Наиболее компактны газовые аккумуляторы с эластичной мембраной 7,9(см. рис. 5.22,д,е). В них наименьшее давление жидкости зависит от начального давления газар_нач, которым заполнен аккумулятор. При зарядке аккумулятора за счет сжатия газа происходит и некоторое повышение давления до наибольшей величиныр_mах. Для нормальной работы таких аккумуляторов необходимо соблюдать одно важное условие: минимальное давление рабочей жидкостир_minдолжно быть несколько выше начального давления газар_нач. В этом случае при разрядке аккумулятора не происходит его полное опорожнение, а эластичная мембрана9не соприкасается с клапаном10(см. рис. 5.22,ж), что предохраняет ее от преждевременного изнашивания.

Газовый аккумулятор с жестким разделительным элементом (см. рис. 5.22, г) более громоздок, чем аккумулятор с эластичной мембраной, и имеет большие силы трения за счет уплотнительных элементов поршня 6. Газовый аккумулятор без разделительного элемента (см. рис. 5.22,в) не имеет трущихся деталей, но его надо устанавливать только вертикально и заполнять малорастворяемым в жидкости газом, не вступающим с нею в химическую реакцию. Эти причины ограничивают область применения указанных газовых аккумуляторов.

Наиболее широкое применение нашли газовые аккумуляторы с эластичной мембраной. Отечественная промышленность выпускает несколько моделей баллонных аккумуляторов, и среди них АХР и АПГ-Б (см. рис. 5.23), которые могут работать при давлении до 32 МПа и иметь вместимость баллона 1–40 л. В качестве газа в них применяют технический азот, нейтральный к материалу баллона и мембраны.

Выбор аккумулятора ведется по рассчитанному конструктивному объему баллона

,

где W_п– полезный объем аккумулятора, определяемый из условий работы гидросистемы;р_нач– начальное давление зарядки аккумулятора газом;р_min– минимальное давление рабочей жидкости, при котором начинается зарядка аккумулятора;p_max– максимальное давление рабочей жидкости в конце зарядки аккумулятора.

Полезный объем

,

где Q_д– дополнительный поток, который должен выдать аккумулятор для осуществления движения исполнительного двигателя в течение времениt.

На рис. 5.24 и 5.25 представлены схемы, показывающие возможности применения гидравлических аккумуляторов для решения различных технических задач.

Вгидроамортизаторе (см. рис. 5.24) применяют пружинный аккумулятор, имеющий поршень4и пружину5. Когда движущийся узел привода наезжает на шток поршня1, то он, смещаясь влево, вытесняет жидкость из полостиАв корпусе2в полость Г через щель в дросселе3по каналу Б и через кольцевую щель между поршнем и конической расточкой полости А по каналу В. При этом гасится энергия движущегося узла, а вытесненная жидкость, сжимая пружину5, заполняет аккумулятор. Как только узел привода уйдет с поршня1(снимается нагрузка с поршня1), аккумулятор, разряжаясь, вытеснит жидкость через обратный клапан6в полость А и поршень1, сместившись вправо, снова будет готов к торможению.

Если в работающем гидравлическом приводе (см. рис. 5.25, а) произойдет отключение электроэнергии привода насоса, то аккумулятор обеспечит подачу жидкости к гидроцилиндру1. Если необходимо подать дополнительный поток жидкости к гидроцилиндру1, то, переключив распределитель2в правую позицию, аккумулятор подаст жидкость в гидросистему (см. рис. 5.25,б).

Аккумулятором можно поддерживать также и постоянное давление, например, в приводах зажима заготовки (см. рис. 5.25, в). При достижении необходимого давления в гидроцилиндре зажима1реле давления3отключает насос, а аккумулятор поддерживает нужное давление. При этом экономится энергия привода.

Аналогично срабатывает система смазывания с аккумулятором (см. рис. 5.25, г): при достижении необходимого давления в системе смазывания реле давления3отключает насос, а жидкость к местам смазывания подает аккумулятор.

При работе клепального автомата (см. рис. 5.25, д) возникают резкие колебания давления в гидролинии из-за столкновения поршней цилиндров1или из-за переключения распределителя2. Гасятся эти колебания давления в первом случае аккумуляторомА1, а во втором – аккумуляторомА2.

Применение аккумулятора в буферном устройстве (см. рис. 5.25, е) необходимо для приема части вытесняемой при движении поршня гидроцилиндра1вниз жидкости и возврата поршня в верхнее положение при снятии на нем нагрузки. Дроссель4обеспечивает возможность настройки времени торможения, а клапан давления5обеспечивает торможение с постоянным ускорением замедления. Аккумулятор в приводе (см. рис. 5.25,ж) осуществляет перемещение поршня цилиндра1влево и его выдержку под давлением при разгрузке насоса включением распределителя2в правую позицию.

Применение аккумуляторов в гидроприводах дает возможность повышать КПД гидросистем и снижать экономические затраты, поскольку благодаря им возможны, если это необходимо, перерывы в работе насоса под нагрузкой. При этом возможно понижение потребляемой мощности до среднего значения. В то же время благодаря аккумуляторам можно получить большие кратковременные мощности, так как их разрядка может происходить за короткий промежуток времени.

Все эти положительные качества обусловили широкое применение гидравлических аккумуляторов в различных областях техники.