3.2.2 Пружинні акумулятори

В пружинних акумуляторах накопичення і повернення енергії в систему відбувається за рахунок деформації пружини. Пружинний акумулятор (рис. 3.1,б) – це гідроциліндр, поршень якого навантажений зусиллям попередньо стиснутої пружини. При зарядці пружинного акумулятора поршень під дією сили тиску робочої рідини переміщається, додатково деформуючи пружину. При цьому робота, виконана рідиною, перетворюється в енергію деформації пружини. Під час розрядки акумулятора енергія, накопичена при деформації пружини перетворюється в гідравлічну енергію рідини. Використовуючи закон збереження енергії, можна записати

,

(3.4)

де k – жорсткість пружини; h – переміщення поршня з початкового положення; h₁,h₂ – початкова і кінцева деформація пружини.

Якщо знехтувати силою тертя між поршнем і гідроциліндром, то тиск в такому акумуляторі визначається за формулою

.

(3.5)

де p_min мінімальний тиск в акумуляторі.

Мінімальний тиск в акумуляторі можна регулювати, змінюючи початкову деформацію пружини

.

(3.6)

Враховуючи, що , формула (3.5) матиме вигляд

,

(3.7)

де V – об’єм рідини в акумуляторі.

З формули (3.7) видно, що тиск в акумуляторі залежить від об’єму рідини, яка в ньому знаходиться. Отже, зарядка чи розрядка акумулятора можлива тільки при зміні тиску в гідросистемі. При збільшенні тиску об’єм акумулятора зростає і він наповнюється додатковою кількістю рідини, яка може бути повернута в систему при зменшенні тиску.

Величина робочого об’єму пружинного акумулятора залежить від рівня найбільшого p_max і найменшого p_min допустимих тисків

.

(3.8)

При розрахунку пружинних акумуляторів установлюють зв'язок між робочим об’ємом, конструктивними розмірами камери акумулятора (площею поршня та робочою деформацією пружини ), діапазоном зміни тиску та величиною початкової деформації пружини.

Перевагою пружинних акумуляторів є менші маса і габарити, у порівнянні з вантажними, можливість установки в довільному положенні, та можливість роботи при наявності вібрації. Недолік – залежність тиску від об’єму рідини в акумуляторі.

3.2.3 Пневмогідравлічні акумулятори

В пневмогідравлічних акумуляторах накопичення і повернення енергії в систему відбувається за рахунок стискування і розширення газу. Пневмогідравлічні акумулятори за принципом дії аналогічні пружинним, тільки функцію пружини в них виконує газ. Найчастіше для пневмогідравлічних акумуляторів використовують технічний азот. Рідина і газ в акумуляторі можуть бути розділені поршнем (рис. 1,в), еластичною мембраною або мати безпосередній контакт. Акумулятори без роздільника мають найбільш просту й технологічну конструкцію, але в процесі роботи в них швидко зменшується величина енергії, яку вони здатні запасати. Причина – втрати газу, який виноситься рідиною, розчиняючись в ній. Це призводить до аерації рідини, що може викликати появу в гідросистемі газових пробок, які призводять до нерівномірності руху гідродвигунів, вібрацій при їхній роботі.

У пневмогідравлічних акумуляторах, незалежно від конструктивної схеми, газ завжди має початковий тиск більший за атмосферний. При зарядці газ додатково стискується за рахунок тиску робочої рідини. При цьому робота, виконана рідиною, перетворюється у внутрішню потенційну енергію деформації газу. Під час розрядки акумулятора енергія, накопичена при деформації газу, перетворюється в гідравлічну енергію рідини.

При розрахунках пневмогідравлічних акумуляторів необхідно встановити зв’язок між робочим об’ємом акумулятора, конструктивним об’ємом акумулятора V_к, діапазоном зміни тисків та тиском зарядки акумулятора р_з.

Робочий об’єм акумулятора

,

(3.9)

де V_г.max – максимальний об’єм газу в акумуляторі (при мінімальному тиску); V_г.min – мінімальний об’єм газу в акумуляторі (при максимальному тиску).

Якщо знехтувати втратами на тертя при рухові роздільника (в акумуляторах з поршневим чи мембранним роздільником), то можна вважати, що тиск газу такий же, як і тиск рідини. Отже, діапазон зміни тиску газу в пневмогідравлічному акумуляторі повністю визначається параметрами гідросистеми.

Для політропного процесу зміни стану газу в процесі роботи акумулятора можна записати

,

(3.10)

де n – показник політропи.

З формули (3.10) отримаємо

.

(3.11)

Для пневмогідравлічних акумуляторів тиск зарядки не повинен виходити за межі діапазону [1]

.

(3.12)

З формули (3.11) видно, що конструктивний об’єм пневмогідравлічного акумулятора обернено пропорційно залежить від діапазону зміни тисків у гідросистемі. Для розрахунків рекомендується [1] приймати значення показника політропи n=1,3. Для швидкоплинних процесів, вважаючи їх адіабатними, можна прийняти n=k, а для дуже повільних процесів, вважаючи їх ізотермічними, n=1.