液压系统蓄能器

蓄能器是液压系统的能量储存装置。它在适当的时机将液压系统的液压能转变为压缩能或位能储存起来。当需要时将压缩能或位能转变为液压能释放出来，供给液压系统。蓄能器能改善液压系统的工作性能，使它更加有效地、合理地使用能量。

一、 蓄能器的种类

根据工作原理和结构可将蓄能器分类如下。

1. 充气式蓄能器  它是利用气体的可压缩性储存能量，根据结构的不同又可分为如下几种形式。

气液直接接触式  蓄能器中气体和油液直接接触，气体常采用氮气等惰性气体。安装使用时充气部分朝上，它的下端油口通液压系统，上端气口通压缩气体。当系统压力升高时，油面上升，压缩上腔气体，当液压系统压力降低时，压缩气体将下腔油液压出，输送到工作系统。这种结构工作部分惯性小，工作灵敏，容量大，占地面积小，没有摩擦损失。缺点是

(1) 气体容易渗入油中，气体消耗量大，不仅需要经常补充气体，而且因气体混入油液容易破坏传动的平稳性。为防止气体进入油液管路和液体进入气体管路，需安装高、低液位指示器，所以不能利用其全部容量。另外，它需要的附助设备较多，如空压机、液压位指示器等，成本较大。一般适用于大流量的中、低压系统。

(2) 活塞式  它用活塞将气体和油液隔离，活塞可在缸筒内滑动，上部为封闭的气腔，下部油腔通向液压系统。优点是气体不容易混入油液，结构简单，体积小，寿命长，使用方便，缺点是活塞惯性和摩擦力较大，密封和加工都很困难，它一般用于高压系统吸收脉动和蓄能。

(3) 气囊式  它的壳体是两端为半球形的圆筒，壳体内有一个用特殊耐油橡胶材料制成的气囊；气囊上部设有空气阀，下部有一受弹簧力作用的蕈式提升阀，防止油液全部排出时气囊胀出壳体之外。一般它的充气压力为油液最低工作压力的60~70%。它惯性小，工作灵敏，尺寸小，重量轻。但容量小，气囊和壳体制造困难。常用于机床液压系统，折合式气囊适用于蓄能，波纹型气囊适用于缓冲。

(4) 隔膜式  它用耐油橡胶隔膜代替气囊将气体和油液分开。它的壳体为球形，重量与容积的比值最小，所以相对重量轻，但它的容量很小，约为1~12L。一般用于飞机上。

1. 弹簧式蓄能器  它利用弹簧的压缩储存能量。这种形式结构简单，但是容量较小，一般只用于低压（p<10~12 kgf/cm²）系统。

2. 重锤式蓄能器  它利用重锤位置的改变，把液压能变成位能储存起来，是一种较陈旧的形式。它结构简单，压力稳定，在全行程中压力基本保持不变。缺点是容量小、体积大、重量重、惯性大、摩擦损失大、反应不灵敏，因此已很小使用，一般只在轧钢设备中有所应用。

一、 蓄能器的应用

蓄能器在液压系统中主要用于储存能量，吸收压力脉动和缓和冲击压力。

1. 储存能量  蓄能器可以储存一定容积的压力油，在需要时释放出来供给液压系统使用，因此它可以完成以下几种职能：

(1) 提高液压缸的运动速度  液压缸在慢速运动时，需要的流量较小，快速运动时需要的流量较大。选择液压泵的流量时，应考虑快速运动时的流量。在设置蓄能器后，可以减小油泵的容量和所需电机的功率。如下图，当液压缸停止运动时，系统压力上升，压力油进入蓄能器，储存能量。当换向阀切换，使液压缸快速运动时，系统压力降低，此时蓄能器压力油排出来，与泵同时供油给液压缸，使其快速前进。这种蓄能器要求的容量较大。

(2) 作应急动力源  液压装置在工作时遇到特殊情况如停电、控制阀或泵发生故障等，蓄能器可作为应急动力源供给液压系统，或保持系统力，或将某一动作完成，从而避免发生事故。如图所示，工作时，压力油进入蓄能器储存起来，当泵发生故障时，则依靠蓄能器提供压力油。

(3) 完成某一特定动作  液压装置的某一特定动作，可依靠蓄能器提供的压力油来完成。如图，液压缸向右运动时依靠液压泵压力油推动，向左运动时依靠蓄能器储存的压力油推动。当电源断路或发生故障时，液压缸仍能退回原位。

(4) 实现停泵保压  如图是用于夹紧系统的停泵保压回路。当液压缸夹紧时，系统压力上升，蓄能器充液；当达到压力继电器开启压力时，发出信号，使液压泵停止转动，此时依靠蓄能器压力油保持压力，从而减少液压系统的功率消耗。

2. 吸收压力脉动  除螺杆泵外，其它形式的液压泵输出的压力油都存在压力脉动，特别是柱塞泵的压力脉动最为明显，因而会影响液压系统的稳定。安装蓄能器可能吸收这些压力脉动，用于吸收压力脉动的蓄能器的容量不需太大，但是要求其惯性小、动作灵敏。吸收压力脉动的蓄能器一般设在泵附近。

缓和压力冲击  执行元件的往复运动，控制阀的突然切换和关闭，往往引起压力冲击。

1. 采用蓄能器可以缓和压力冲击，蓄能器一般设在产生压力冲击的部位。这种蓄能器要求容量不大，但要求惯性小、动作灵敏。

2. 吸收热膨胀油量，稳定压力  在闭锁回路中，由于油温升高，常常使液体膨胀而引起压力升高，因而存在胀裂某些薄弱部位或破坏密封的危险。设置蓄能器能吸收膨胀的油液，防止发生事故。当闭锁回路的油量流失减少，油液冷却收缩时，蓄能器可以补充油量，保持稳定压力。

一、 蓄能器容量的计算

1. 储蓄液压能时容量的计算

(1) 排油速度较慢时  当蓄能器作为动力源用于保压或补偿泄漏等情况而排出油液的速度较慢时，蓄能器内气体的膨胀可按等温变化考虑，即

p₀V₀=p₁V₁=p₂V₂=常数

式中：p₀——供油前蓄能器充气压力（kgf/cm²）

V₀——供油前蓄能器气体容积，即蓄能器的总容量（L）

p₁——最高工作压力（kgf/cm²）

V₁——压力为p₁时的气体容积，即蓄能器的充油后气体的体积（L）

p₂——最低工作压力（kgf/cm²）

V₂——压力为p₂时的气体容积，即蓄能器的排油后气体的体积（L）

从上式可以推导出当工作压力从p₁降到p₂时蓄能器排出的油量ΔV

ΔV= V₂- V₁= p₀V₀（1/ p₂-1/ p₁） （L）

利用此式可以计算所需要的蓄能器的容积。

理论上p₀= p₂，但使用时考虑充气温度与使用温度不同，为了在排油后使蓄能器仍有一定能力补偿系统的泄漏，一般取p₀=（0.75~0.85）p₂。

(2) 排油速度较快时  当蓄能器作为动力源，用于液压缸快速运动或完成某一动作时，蓄能器内气体膨胀可按绝热变化考虑，即

p₀V₀^1.4=p₁V₁^1.4=p₂V₂^1.4=常数

从上式可以导出当工作压力从p₁降为p₂时，蓄能器排出的油量ΔV

ΔV= V₂- V₁= p₀^0.71V₀（1/ p₂^0.71-1/ p₁^0.71） （L）

式中符号意义同上。

2. 吸收压力脉动时容量的计算  当蓄能器用于吸收液压泵的压力脉动，蓄能器内气体按等温变化考虑，它的充气压力为p₀=0.6 p_B时，按下式计算

V₀=qI/0.6K

式中：V₀——蓄能器的总容积（L）

I——液压泵的排量变化率（见表3-3）

q——液压泵的每转排量（L/r）

K——液压泵的压力脉动率K=Δp/p_B

p_B——液压泵工作压力（kgf/cm²）

Δp——液压泵压力脉动（kgf/cm²）

3. 缓和压力冲击时容量的计算  由于阀的关闭等原因，当发生压力冲击并且存在正值冲击油量时，可按下面经验公式计算

V₀=0.004Qp₃（0.0164L-T）/（p₃-p₁）

式中：V₀——蓄能器的总容积

p₁——阀全开时油液工作压力（kgf/cm²）

p₃——阀关闭后允许的冲击压力（kgf/cm²）

Q——阀关闭前管内的流量（L/m）

L——产生冲击压力的管路长度（m）

T——阀关闭时间（s），突然关闭时T为0

4. 吸收系统热膨胀油量时容量的计算  蓄能器用于吸收系统热膨胀油量、稳定压力时，蓄能器中气体按等温条件考虑，可按下式计算

V₀=V_a（t₂-t₁）（α-3β）（p₁/p₀）/[1-（p₁/p₂）]

式中：V₀——蓄能器容积（L）

V_a——封闭管路中油液总容积（L）

t₁——系统最低温度（℃）

t₂——系统最高温度

β——油液体膨胀系数（1/）

α——管道材料的线膨胀系数

p₀——充气压力

p₁——系统最低压力

p₂——系统最高压力