К источникам гидравлической энергии относятся также и гидравлические аккумуляторы. Ими называются устройства, предназначенные для накопления энергии и ее отдачи в необходимые при работе гидравлического привода периоды. По сути своей гидравлический аккумулятор является резервным или дополнительным источником энергии. И потому имеет очень широкое применение как для создания дополнительных потоков жидкости, так и в качестве аварийного источника энергии, а также в других различных технологических целях, что будет показано ниже.
Гидравлические аккумуляторы бывают трех типов: грузовые (рис.2.30а), пружинные (рис.2.306) и газовые (рис.2.30в, г, д, е). В свою очередь газовые гидроаккумуляторы могут быть без разделения сред (рис.2.30в) и с разделением газовой и жидкой среды (рис.2.30г, д, е). В качестве разделителя может быть поршень 6 (жесткий разделитель) или мембраны 7 и 9 (эластичный разделитель).
Принцип действия гидравлического аккумулятора заключается в следующем. Накопление энергии в аккумуляторе происходит в процессе его зарядки. Зарядка аккумулятора осуществляется путем совершения некоторой работы по преодолению силы веса G груза 2 в грузовом аккумуляторе, силы пружины 3 в пружинном аккумуляторе и силы от давления сжатой газовой среды в газовом аккумуляторе. Работу аккумулятора рассмотрим на примере газового аккумулятора. Перед сдачей газового аккумулятора в эксплуатацию он заполняется газовой средой под начальным давлением Рнач через штуцер 5 (рис.2.30г, д) и закрывается пробкой. Мембрана 9 растягивается и прижимается к внутренней поверхности корпуса аккумулятора (рис.2.30е). К штуцеру 8 подсоединяется трубопровод гидравлической системы. Если давление в гидросистеме превышает начальное давление в аккумуляторе, то клапан 10 поднимается вверх и открывает проход рабочей жидкости внутрь аккумулятора (рис.2.30ж). Жидкость заполняет внутреннюю полость аккумулятора и обжимает мембрану 9. Одновременно с этим растет и давление сжатого газа за счет уменьшения его объема.
Рис.2.30. Принципиальные схемы гидравлических аккумуляторов
Процесс зарядки аккумулятора закончится при уравнивании давлений сжатого газа и жидкости. Для грузового аккумулятора зарядка заканчивается при подъеме груза на полную высоту (рис.2.30а), а для пружинного – при уравнивании силы сжатой пружины 3 с силой, действующей на поршень 1 от давления рабочей жидкости (рис.2.30б). Разрядка аккумулятора начинается при понижении давления рабочей жидкости в гидравлической системе. Тогда под действием большего давления сжатого газа расширяющаяся мембрана вытесняет жидкость через открытый клапан 10 в гидросистему (рис.2.30з). Рекомендуется разрядку аккумулятора производить до некоторого минимально допустимого давления Pмин, несколько большего, чем начальное давление сжатого газа. При этом не происходит полное опорожнение самого аккумулятора, что предотвращает контакт эластичной мембраны с клапаном 10 и увеличивает срок ее службы.
Достоинством грузовых аккумуляторов является постоянство давления аккумулятора Pак, которое не зависит от степени разрядки аккумулятора и определяется (без учета сил трения) весом груза G, т.е. Pак = G/S, где S - эффективная площадь поршня 1 в цилиндре 4. Однако их громоздкость и необходимость лишь вертикальной установки серьезно сужают область применения таких аккумуляторов. Чаще всего их применяют в гидравлических системах прессового оборудования.
Достоинством пружинных аккумуляторов являются их меньшая громоздкость, возможность встраивания непосредственно в гидравлические устройства (рис.2.32) и способность работы в любом положении. Однако давление такого аккумулятора зависит от степени его разрядки и без учета сил трения определяется выражением: Pак = c(h0 +h)/S, где
c - жесткость пружины 3, h0 - ее предварительный натяг, h - ход поршня 1 во время зарядки.
К достоинствам газовых аккумуляторов относят их компактность, удобство в монтаже и возможность установки в любом положении (последнее не касается газовых аккумуляторов без разделения сред). Наиболее компактны газовые аккумуляторы с эластичной мембраной, Газовый аккумулятор с жестким разделителем более громоздок, да и силы трения велики за счет уплотнительных элементов поршня 6, что препятствует его широкому применению. Газовый аккумулятор без разделения сред хоть и не имеет трущихся поверхностей, но работоспособен лишь в вертикальном положении и требует использования такого газа, который мало растворяется в рабочей жидкости и не вступает с нею в химические реакции. Это также ограничивает область применения таких аккумуляторов.
Устройство применяемых в промышленности аккумуляторов показано на рис.2.31.
Пружинный аккумулятор (рис.2.31а) представляет собой цилиндр 7, в котором поршень 6 со штоком 5 поджат к верхней крышке цилиндра пружиной 3, размещенной между фланцами 2 и 4. Сила поджима настраивается гайкой 1. При соединении канала А с напорной гидролинией при росте давления поршень 6 опускается вниз, сжимая пружину 3 (происходит процесс зарядки аккумулятора). В случае падения давления в канале А действием пружины поршень вытесняет в гидролинию жидкость из аккумулятора (происходит процесс его разрядки). Тем самым обеспечивается сглаживание пульсаций давления. Канал Б обеспечивает отвод из нижней полости цилиндра 7 утечек жидкости.
Рис.2.31. Конструктивные схемы гидравлических аккумуляторов: а - пружинный; б- газо-гидравлический с жестким разделением сред; в - газо-гидравлический с эластичной мембраной
Газогидравлический аккумулятор с жестким разделением сред модели АРХ (рис.2.31б) выполнен в виде цилиндра 1, внутри которого находится поршень 3. В верхнюю полость между крышкой 4 и поршнем 3 через клапан 5 закачивается технический азот при необходимом для работы давлении. В нижнюю полость аккумулятора по каналу А в крышке 2 подается рабочая жидкость гидравлической системы. Для лучшей герметизации проточку Б поршня 3 заполняют этой же жидкостью, создавая так называемый масляный замок, который вместе с резиновыми кольцами 6 надежно уплотняет зазор между поршнем и цилиндром.
Благодаря своей компактности и малой инерционности широко применяются газогидравлические аккумуляторы баллонного типа с эластичным разделителем сред в виде мембраны 2 (рис.2.31в). В корпусе 1 аккумулятора диаметром D установлен клапан 4 для подвода рабочей жидкости из гидросистемы. В верхней части баллона установлен клапан 3, через который закачивается сжатый газ внутрь мембраны 2 в виде мешка.
Такие аккумуляторы обеспечивают работу гидросистем при давлениях до 32 МПа и имеют объем баллона от 1 до 40 дм3. В качестве газа в них используется технический азот, нейтральный к материалу баллона и мембраны. Однако следует заметить, что при эксплуатации баллонных аккумуляторов должны строго соблюдаться правила их эксплуатации и в установленные сроки проводиться проверки их работоспособности, как оборудования, находящегося под высоким давлением.
Выбор аккумуляторов производится по конструктивному объему баллона Wб , рассчитываемому с учетом полезного объема Wп и давлений газа и рабочей жидкости гидравлической системы: Wп /Wб = = Pнач /Pмин — Pнач /Pмакс , где Pмакс – максимальное давление зарядки аккумулятора, Wп - полезный объем аккумулятора, определяемый с учетом дополнительного потока жидкости Qд, который должен выдавать аккумулятор в течение времени t, по формуле: Wп = Qд t.
На рис.2.32 показан пример применения пружинного аккумулятора в гидравлическом амортизаторе модели СА-106, используемом для торможения движущихся узлов. Когда последний наезжает на шток поршня 1, он смещается, вытесняя жидкость из полости А в корпусе 2 в полость Г через сопротивления в канале Б в виде щели дросселя 3 и в полости А в виде кольцеобразной щели между поршнем 1 и ее конической поверхностью по каналу В. При этом движущийся узел тормозится, теряя кинетическую энергию на преодоление сопротивлений. Вытесняемая поршнем 1 жидкость воздействует на поршень 4 аккумулятора и, сжимая пружину 5, заряжает его. Когда остановившийся узел уйдет от амортизатора, давление в полости Г понизится, и пружина 5 с поршнем 4 вытеснит жидкость из аккумулятора через обратный клапан 6 в полость А. Поршень 1 выдвинется из корпуса и снова будет готов к торможению.
Рис.2.32. Гидравлический амортизатор модели СА-106
Применение аккумуляторов в гидравлических приводах повышает КПД гидравлической системы и снижает материальные затраты. В то же время, гидравлические аккумуляторы дают возможность получить большие кратковременные мощности без увеличения потребляемой гидрофицированным оборудованием мощности за счет запасенной энергии. Эти факторы и обусловили широкое применение гидроаккумуляторов на практике. Примеры гидравлических приводов с аккумуляторами приведены на рис.2.33.
На рис.2.33а показано применение гидравлического аккумулятора в качестве аварийного источника энергии. Так, если произойдет отключение электроэнергии, то прекратится работа насоса. Однако аккумулятор обеспечит подачу жидкости к гидравлическому цилиндру 1 (сведения о гидравлических цилиндрах даны в разделе 2.3) и предотвратит аварийную ситуацию в работе гидравлического привода. Рис.2.33б иллюстрирует применение аккумулятора в качестве дополнительного источника энергии. Если гидравлический распределитель 2 (сведения о гидравлических распределителях приведены в разделе 2.4) переключить в правую позицию, то аккумулятор подсоединится к напорной гидролинии насоса, и к гидроцилиндру 1 начнет поступать суммарный поток жидкости, состоящий из потока аккумулятора и потока, пропускаемого дросселем.
Рис.2.33. Схемы применения гидравлических аккумуляторов
С помощью гидроаккумулятора в приводе по рис.2.33в осуществляется зажим детали цилиндром 1 при отключении насоса по команде реле давления 3, когда давление в системе достигнет необходимого для зажима уровня. Тем самым обеспечивается экономия потребляемой насосом энергии.
На рис.2.33г показан пример использования аккумулятора для питания систем смазки. При достижении в системе необходимого для смазки и зарядки аккумулятора давления реле 3 отключает насос, а подвод смазки происходит от аккумулятора.
Рис.2.33д иллюстрирует применение аккумулятора для гашения пульсаций давления жидкости в динамическом режиме работы гидравлического привода клепальной машины. При этом аккумулятор А1 гасит забросы давления, возникающие при соударении идущих навстречу друг другу штоков цилиндров 1, а аккумулятор А2 – возможные скачки давления в напорной гидролинии насоса при переключениях гидрораспределителя 2 из левой позиции в правую, поскольку при прохождении средней позиции распределителя мгновенно перекрываются каналы подвода жидкости. Это может привести к возникновению гидравлического удара, сопровождающегося скачками давления, причем мгновенный рост давления может достичь уровня, в 2–2,5 раза превышающего рабочее давление.
Схема, приведенная на рис.2.33е, иллюстрирует работу аккумулятора в тормозных гидравлических устройствах. Когда устройство осуществляет торможение, поршень цилиндра 1 под действием наехавшего на него тормозимого узла (на рис.2.33е не показан) опускается вниз, вытесняя жидкость через дроссель 4 и гася на нем энергию движущегося узла. Часть вытесняемой жидкости поступает в верхнюю полость цилиндра 1, другая часть – в аккумулятор, заряжая его. Когда тормозное устройство освободится от воздействия заторможенного узла (он уйдет вверх), аккумулятор начнет вытеснять жидкость в нижнюю полость цилиндра через обратный клапан, осуществляя быстрое (за счет дифференциального включения цилиндра) перемещение поршня вверх и подготавливая устройство к новому торможению. Подключение параллельно дросселю 4 клапана давления 5 обеспечивает получение режима торможения с постоянным замедлением и предохраняет устройство от перегрузки, ограничивая давление в цилиндре в соответствии с настройкой предохранительного клапана на максимально допустимое давление.
В схеме привода на рис.2.33ж аккумулятор обеспечивает реверс гидроцилиндра 1. При движении поршня вправо происходит зарядка аккумулятора. В случае переключения распределителя 2 в правую позицию происходит разгрузка насоса (давление в напорной гидролинии насоса понижается почти до нуля), а аккумулятор, разряжаясь, перемещает поршень влево.
Еще одним типом источников гидравлической энергии можно считать преобразователи давления. Это такие устройства, которые обеспечивают получение измененных по величине давлений на их выходе по сравнению с давлениями на входе этих устройств. Обычно такие устройства применяют для получения более высоких, чем на входе, давлений. Однако есть примеры применения преобразователей давления и в качестве редукторов давления.
Различают преобразователи давления прерывистого и непрерывного действия. Их принципиальные схемы действия приведены на рис.2.34.
Рис.2.34. Преобразователи давления: а - прерывистого действия; б - непрерывного действия с разными входами; в - непрерывного действия с объединенным входом
Преобразователь прерывистого действия (рис.2.34а) состоит из двух соединенных между собой цилиндров 1 и 2, поршни 3 и 5 которых связаны одним штоком 4. При подаче рабочей жидкости в левую полость цилиндра 1 под давлением P1 из правой полости цилиндра 2 жидкость будет вытесняться при давлении P2 . Из условия равновесия сил, действующих на поршни со стороны жидкости, без учета сил трения легко получить зависимость выходного давления P2 от величины входного давления P1/P2 = P1D2/d2, т.е. величина выходного давления зависит от соотношения квадратов диаметров цилиндров преобразователя. Известны такого рода преобразователи, обеспечивающие повышение выходного давления от 3 до 100 раз и подачу жидкости до 110 л/ мин [5].
Прерывистым преобразователь называют потому, что после выполнения рабочего хода вправо его поршень для проведения нового рабочего хода следует отвести влево, т.е. совершить холостой ход.
Преобразователь непрерывного действия состоит из соединенных между собой одним валом 3 двух гидравлических машин в виде насоса 1 и мотора 2 (рис.2.34б и в) с разными по величине рабочими объемами v1 и v2 соответственно. При подаче рабочей жидкости к гидромотору 2 при давлении P1 он вращает ротор насоса 1, подающего жидкость в гидравлическую систему с давлением P2. Из условия равенства вращающих моментов насоса и гидромотора, приложенных к одному валу 3, без учета потерь на трение получается зависимость выходного давления P2 от рабочих объемов гидравлических машин для преобразователя по рис.2.34б: P2 = P1v1/v2, те. давление на выходе преобразователя во столько раз больше давления на входе, во сколько раз рабочий объем гидромотора больше рабочего объема насоса. Для преобразователя, подключенного к напорной гидролинии с давлением P1 по схеме рис.2.34в, уравнение равенства вращающих моментов будет иметь вид: P1v1 = (P2 - P1)v2. Отсюда легко получим искомую зависимость: P2 = P1(1 + v1/v2).
