Гидроаккумуляторы с пневматическим накопителем

В пневмогидравлических аккумуляторах (пневмогидроаккумуляторах) накопление энергии гидравлической жидкости и её возврат в систему происходит за счёт энергии сжатого газа (обычно азота или сжатого воздуха). Для предотвращения попадания воздуха в жидкостную магистраль могут применяться плавающий поршень, мембрана или поплавковый механизм.

Процесс сжатия и расширения газа в пневмогидроаккумуляторе является политропным процессом. Для модели идеального газа справедлива зависимость:

.

Причём, интервал времени, за который происходит процесс, учитывает показатель политропы . Медленно протекающие процессы расширения и сжатия газа близки к изотермическому с показателем политропы . Быстрому расширению и сжатию газа близок адиабатный процесс, поэтому показатель политропы принимается .

При давлении выше 200 бар поведение реального газа отличается от поведения модели идеального газа и, если его не учитывать, то при расчётах получается заниженное значение объёма гидроаккумулятора. В этом случае необходимо ввести корректирующий коэффициент, учитывающий это несоответствие.

При практическом применении зависимость давления от объёма газа может быть снижена за счёт увеличения газовой полости путём присоединения дополнительного объёма.

При малом изменении давления в жидкостной полости гидроаккумулятора газ сжимается незначительно. В этом случае для поддержания давления в узком диапазоне изменяемый объём гидроаккумулятора может оказаться недостаточным для рабочего процесса. Для того, чтобы изменение объёма в меньшей степени влияло на изменение давления, газовую полость гидроаккумулятора увеличивают посредством подключения к ней дополнительного ресивера. В этом случае объём газовой полости складывается из объёма ресивера и изменяемого объёма гидроаккумулятора.

Каждому типу гидроаккумуляторов свойственны свои преимущества и недостатки (таблица 3.1).

Таблица 3.1. Преимущества и недостатки гидроаккумуляторов

Примеры применения

Накопление энергии. Показанная на рис. 3.1 циклограмма потребления мощности установки для литья пластмасс под давлением свидетельствует, что при большой скорости вспрыска в рабочий инструмент максимальная мощность требуется только на очень короткое время, однако для таких пиков требуется соответствующая мощность насоса.

За счет применения гидропневматических аккумуляторов мощность насоса может быть существенно понижена. Для этого необходимо, чтобы подача насоса за время цикла лишь несколько превышала суммарное потребление рабочей жидкости. Таким образом, при медленных перемещениях рабочая жидкость заполняет гидроаккумулятор, а в моменты ускоренных движений разница между потребляемым расходом и подачей насоса восполняется за счет гидроаккумулятора.

Повышение быстродействия (например, для станков). За счет установки гидропневматических аккумуляторов вблизи от гидродвигателей удается легче преодолеть инерцию столба жидкости между насосом и гидродвигателем, что способствует повышению быстродействия. Кроме того, гидроаккумуляторы позволяют сгладить пульсации расхода (например, при гармонических колебаниях гидродвигателя).

Уменьшение времени хода. С целью повышения производительности при проведении прессовых и штамповочных работ требуются большие скорости в режиме подъема на холостом ходу, а собственно рабочий процесс происходит с небольшой скоростью и большим давлением.

В режиме холостого хода рабочая жидкость поступает в гидроцилиндр одновременно от насоса (1) низкого давления, насоса (2) высокого давления и гидроаккумулятора, что позволяет обеспечить высокую скорость.

При росте давления в конце такта холостого хода обратный клапан (Л) запирается, рабочая жидкость поступает в гидроцилиндр только от насоса (2) с небольшим рабочим объемом и высоким давлением, а насос (7) заряжает аккумулятор.

Накопление рабочей жидкости. Если аккумулятор используется в качестве элемента безопасности, он не выполняет функции источника энергии при нормальной работе гидропривода, однако подключен напрямую к насосу. За счет применения высококачественных разделительных элементов накопленная энергия может храниться почти безг ранично долго и при необходимости немедленно быть предоставлена в распоряжение. Предохранительные элементы с аккумуляторами применяются в гидроприводах для аварийного подключения, чтобы даже при возникновении сбоев и неполадок имелась возможность завершения специальных действий.

В качестве примеров можно назвать:

1) Закрытие переборок, заслонок и переключателей

2) Срабатывание шиберных затворов

3) Срабатывание выключателей большой мощности

4) Срабатывание систем быстрого отключения

Действие в аварийной ситуации. В аварийных случаях, например при отключении привода, с помощью имеющейся в аккумуляторе энергии выполняется рабочий ход или безопасно завершается операция. При отключении подачи электроэнергии (Рис. 3.3) пружина переключает гидрораспределитель (1) в исходное положение, а гидрораспределитель (2) - в среднее положение. В результате аккумулятор соединяется со штоковой полостью гидроцилиндра и исключается возможность его самопроизвольного опускания.

Рис.3.3. Аварийное подключение гидроцилиндра

Большое кратковременное потребление масла при отказе. Еще один пример аварийного подключения аккумулятора, позволяющего завершить начатый рабочий цикл при отключении (сбое) насоса или отказе одного из гидрораспределителей, показан на Рис. 3.4.

Основными преимуществами аварийного подключения аккумуляторов являются:

1) Готовность к немедленному включению

2) Неограниченный срок службы

3) Отсутствие усталостных явлений

4) Безынерционность

5) Наивысшая степень надежности при небольших затратах на обслуживание.

Рис. 3.4. Выдвижение штока гидроцилиндра при отказе гидросистемы

Аварийное торможение. Аккумуляторы могут использоваться для аварийного срабатывания тормозов и дверей для канатных дорог, железных дорог в горных местностях, автомашин и т.д. Зарядка аккумулятора осуществляется от насосного агрегата или от ручного насоса на станциях. Таким образом, аккумулятор всегда имеет достаточную энергию для аварийного торможения.

Часто имеет место обратный принцип действия: торможение реализуется пружинами, а освобождение тормозов — гидроцилиндрами, получающими энергию от аккумулятора.

Рис. 3.5. Аварийное торможение для канатных дорог

Аварийное смазывание. Для поддержания масляной пленки в подшипниках они должны постоянно подпитываться смазочным маслом. Это означает, что смазочные точки постоянно находятся под давлением. При отказе масляного насоса аккумулятор может поддерживать постоянное давление до тех пор, пока машина не остановится или пока установленный вспомогательный насос вновь не создаст требуемое давление в смазочной системе.

Рис.3.6. Аварийное смазывание подшипников

Предотвращение прерывания рабочих циклов. Отключение электроснабжения во время рабочего цикла машины может привести к ее высозатратным выходам из строя. Аккумуляторы обеспечивают в подобных случаях полное завершение рабочего цикла (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Применение гидроаккумуляторов для предотвращения

прерывания рабочих циклов.