蓄能器

蓄能器是贮存工作介质(油液、压缩气体)势能的一种装置。在高压大流量的间歇负载或大小不等的连 续负载系统中，有时一个工作循环内各阶段所需要的流量差别很大，而峰值流量负载的时间又往往较为短 促，对于这种工况，虽然存在着多种解决方案，但一条重要的途径是采用蓄能器作为辅助能源。当系统需要 的流量较小时，泵输出的压力油一部分供给系统，而余下的部分输向蓄能器储存起来。在系统需要高压大流 量时，蓄能器便和泵共同向系统供油，获得短时间内比由泵单独供给的流量大和油压高的工作油液，满足系 统的工作需要。

液压系统中采用的蓄能器的种类如图7—50所示。

皮囊式蓄能器具有体积小，重量轻、惯性小、反应灵敏等优点，目前在国内应用最普遍，现简介其工作 原理和结构。

图 7 - 5 1 为NXQ 型皮囊式蓄能器结构图。体壳(高压容器)3内装入一个耐油橡胶制成的皮囊2,囊 内充气(一般用氮气),囊外储油。皮囊2与充气阀1一起压制而成，壳体3下端有一提升烟4,它能使油 液通过阀口进入蓄能器而又能防止油液全部排出时气囊膨胀出容器之外，充气阀1在蓄能器工作前用来为 皮囊充气，充气后关死。在整个工作过程中，皮囊的体积随着充油压缩而减少，随着排油膨胀而增大，蓄能 器的压力也随之上升或下降，在最高工作压力(P₂)   和最低工作压力(P₁)   之间，皮囊体积改变量△V=    V₁-V₂,  称为皮囊式蓄能器的工作容积，P。为充气压力，V。为充气体积。由图7-52可知，P₂>P₁>P。.V₂<

V₁<V。, 所以皮囊体积压力和体积的变化，实现蓄能和释能，这便是蓄能器的工作原理。

其它各种蓄能器结构图如图7-53所示。

二、蓄能器的几个典型用途

蓄能器在液压系统中有多种用途，其主要有：

① 用作辅助动力源(图7—54)。在工作循环的某一段时间里，蓄能器将泵所输出的 压力油储存起来。

然后在工作循环的另一段时间内根据需要放出这些压力油，协助泵的工作，满足系统的需要。图中，在换向 阀处于中位时，蓄能器储能。油缸作上升动作时蓄能器释放，与泵一起完成快速上升的需要。

② 作为漏损补偿器(图7--55)。

作漏损补偿器的作用是：在系统有压但不工作的较长时间里，补偿  内泄漏与外泄漏，使系统压力不因泄漏而掉下来，即所谓“保压”作用。

图中，当油缸压住工件后，换向阀处于中位，不再向油缸供油，此 时蓄能器1可补充油缸及电磁陶3内外泄漏产生的掉下现象。

③ 热膨胀补偿器(图7—-56)。

图示所示的封闭回路系统受热时，因为液体的体积膨胀系数一般 大于金属管容腔材料的膨胀系数，所以受热后的液体体积 (V) 使封闭 回路中的压力升高，有可能超过安全极限的压力而发生危险，加装蓄能 器(充气压力为正常工作压力),可吸收系统液体体积的任何增加，起 到保护作用。压力过大时，通过卸荷阀3卸压。当发生收缩时，蓄能器 也可反过来向系统供给需要的液体。

④ 应急动力源(图7--57)。

在液压系统中，万一电源断电或泵故障，供油停止。而为了安全， 又需要不停止供油，这时可设置图7—5)所示的回路，装一个适当容 量的蓄能器作应急动力源。停电时，单向阀l₂ 打开，阀I₁ 关闭，蓄能  器往系统提供应急压力油。

⑤ 液体补充装置(图7—58)。

在封闭的液压系统中，蓄能器可以有效地用作一个液体补充装置， 补充图中有杆腔和无杆腔之间油液的体积之差。当活塞杆被大的外力驱动内缩时，油液从无杆腔经节流阀挤向有杆腔，但由于行程相同，挤出的液体(无杆腔)要多于挤入有杆 腔的液体，设置蓄能器的作用就是存放多余的液体，而当外负载去掉后，存放的液体又可补充无杆腔的较大 空间。

⑥ 脉动阻尼器与油击吸收器(图7—59)。

这种应用的作用是消除或减弱高压脉动或液压管路冲击。图中，当应急关断二位二动电磁阀时，高速液  流突然停止(或减速)会造成油击，设置蓄能器(冲击源附近),可抑制油击，并起到脉动阻尼器的作用。

⑦ 作双压回路中的动力源(图7—60)。

在工作循环的快速阶段，蓄能器6为快速运动提供追加流量(手动阀处于图示位置),和双泵一起供油。 当运动到头，系统压力升高，压力继电器3动作，阀2通电，低压大流量泵5向蓄能器6充液，高压小流量 泵继续往系统供油。

⑧ 保压装置。

其作用与上述的漏损补偿器完全相同。

③ 传递其它(另 一种)液体(图7 — 61)。

设置皮囊式蓄能器，利用皮囊(材料要与液体相容)的挠性隔离作用，使不能与液压油相混的另一种液体能以一种稳定的压力输送到系统中去，即如果输入的液体压力下降，从泵 来的压力油压缩皮囊，使另一种液体在输送过程中增压输往系统，反之则涨开皮囊，另一种液体压力下降，输往系统。

⑩ 液体分配器。

如图7—62所示，蓄能器用来作为液体或润滑剂的分配器，液体与润滑剂 可以储存在蓄能器里，以便根据需要在控制压力下向一部复杂的机器里的许 多轴承分配，长时间提供恒定的受控润滑剂，直到重新充液。

三、蓄能器的容量选择

蓄能器按玻义耳气体定律的原理工作，气体的压缩有两种状态；即等温压缩(或膨胀)和绝热压缩(或膨胀)。 一般来说，如果气体的压缩或膨胀在一分钟内发生，并且隔离件(如 皮囊)又有很高的隔热特性，则可看成绝热压缩，反之则看成等温压缩。因而在决定蓄能器容量时，根据不 同使用用途和不同工况，有不同的选择方式。

此处仅就皮囊式 (NXQ 型)蓄能器的容量选择予以说明(参阅图7—52)。 ①蓄能时 式中：n 为状态指数(等温状态n=1,    绝热状态n=1.4)

②吸收冲击压力时：

Vo=4×10-3QP₁(0.016L-T)/(P₁-P₂)

式中：Q—— L—  T—  P₁—

为阀关闭前的管内流量；

为形成冲击波的配管长度；

阀切换时间；

允许的冲击压力；

P₂- 一阀关闭前蓄能器安装部位的压力。 上式为经验公式，下为理论公式：

③脉动压力吸收时：式中：q—         油泵排量： P₀——  充气压力； P₁——  允许压力： P₂—     工作压力：

F—— 由泵形状决定的常数(一般取F=0.06)

特别要注意的是，在选择蓄能器的容量(V₀) 时，若提高Po,能使V。减少；增加蓄能器工作压力范围(△P =P₂-P₁),   也能使V。减少。一般，为使蓄能器正常工作，应Po≤P₁, 即在最低工作压力下，蓄能器胶囊仍未 膨胀得与壳体内壁完全接触。另外P₀ 应 ≥ 2 5 %P₂,  即在最高工作压力下，胶囊收缩后的体积仍大于充气压 力的原始体积的四分之一，这样限制胶囊在工作时的变形范围，可以保护胶囊不被破坏而延长使用寿命。

四 、蓄能器的正确使用

(一)皮囊式蕃能器充气压力P。的确定蓄能器充气压力的确定是很重要的一-环，应根据使用情况的不同分别确定，

①用作辅助动力源时，P。一般按最低工作压力P₁  的80～90%选取，并保证P₀ ≥0.25P₂    (最高工作压 力)。

②用作吸收冲击压力时：P。应等于或稍高于蓄能器设置点的正常工作压力，也有取安装部位阀关闭前 的压力的 6 0 ～ 7 0 % 的 。

③用作吸收脉动压力时：P。取平均工作压力(         )的60%或系统最低工作压力。

④用作热膨胀补偿器，吸收封闭回路液压系统受热时由于油液体积膨胀系数大于管子材料的膨胀系数 而多出来的油液体积，从而把系统压力限制在安全范围内。在这种情况下，蓄能器的充气压力应等于或稍低 于液压系统封闭回路中的最低工作压力。

⑤用于同时作为系统蓄能和吸收压力脉动及冲击压力之多功能元件使用时，充气压力P, 可在平均工

作压力的40～80%的范围内选取。

检查蓄能器充气压力的办法有：i)   在图7—63所示的油 路中接一只压力表。在慢慢打开截止阀将蓄能器压力油逐渐 放回油箱的同时，注意观察压力表的指针，压力表指针先是慢 慢向低压端转动，达到某压力值后急速转到零，此时迅速关闭 截止阀。指针转动速度发生突变时的压力读数，就是蓄能器的 充气压力；ii) 也可以利用充气工具上的压力表直接观察充气 压力，不过，每检查一次要放掉一部分气体，所以不宜用于容 量较小的蓄能器。有人把压力表接在蓄能器的充气口来检查充气压力，系统工作时频繁的剧烈压力上升下降和压力波动会使压力表指针剧烈摆动，这是不适当的。

(二)蓄能器的正确使用

①蓄能器的工作介质的粘度和使用温度均应与液压系统的工作介质的要求相同；

②蓄能器一般应立式安装，气阀向上，安装位置应远离热源，固定要牢固，但不允许焊接在主机上；作 缓冲和吸收脉动压力时，要紧靠振源安装；

③在泵和蓄能器之间应安装单向阀，以免在泵停止工作时，蓄能器中的液体经泵流回油箱及发生事故： 蓄能器与系统之间，应装设截止阀，此阀供充气、检查、维修或者长期停机使用。

④蓄能器装好后，充以隋性气体(如N₂), 严禁充氧气、压缩空气或其它易燃性气体。

⑤蓄能器在使用过程中，须定期对气囊进行气密性检查。对于新使用的蓄能器，第一周检查一次，第一  个月内还要检查一次，然后半年检查一次。对于作应急动力源的蓄能器，为了确保安全，应经常检查与维护；

⑥蓄能器充气后，各部分绝对不允许再拆开，也不能松动，以免发生危险。需要拆开时应先放尽气体 确认无气体后，再拆卸；

⑦在有高温辐射热源环境中使用的蓄能器可在蓄能器的旁边装设两层铁板和一层石棉组成的隔热板 起隔热作用；

⑧安装蓄能器后，系统的刚度降低，因此对系统有刚度要求的装置中，必须充分考虑这一因素的影响 程度；

⑨在长期停止使用后，应关闭蓄能器与系统管路间的截止阀，保持蓄能器油压在充气压力以上，使皮 囊不靠底。

(三)蓄能器的充气方法

一般可按蓄能器使用说明书的方法进行，使用充气工具向蓄能器充入氮气。此处仅介绍一种蓄能器的充 气压力高于氮气瓶的压力的充气方法。例如充气压力要求14MPa, 而氮气瓶的压力只能充至10MPa 时，满 足不了使用要求，并且氮气瓶的氮气利用率很低，造成浪费。在没有蓄能器专用充气车的情况下，可采用用 蓄能器对充的方法(如图7—64),具体操作方法如下：

①首先用充气工具向蓄能器充入氮气，在充气时放掉蓄能器中的油液；

②将充气工具A 和 B 分别装在蓄能器C 和 D 上，将A 中的进气单向阀拆除，用高压软管将A、B 联

通，顶开皮囊进气单向阀的阀芯，打开球阀1、4,并 闭2、3两阀。开启高压泵并缓慢升压，可将C 内的氮 气充入D内，当C 的气压不随油压的升高而明显地升 高时，即其内的氮气已基本充完，将油压降下来；

③ 再用氮气瓶向C 内充气，然后重复上述步骤 直至D内的气压符合要求为止。

五 、蓄 能 器 故 障 的 排 除

我们以 NXQ  型皮囊式蓄能器为例说明蓄能器的 故障现象及排除方法，其它类型的蓄能器可参考进行。

(一)皮最式蓄能器压力下降严重，经常需要补气

皮囊式蓄能器，皮囊的充气阀为单向阀的形式，靠密封锥面(图7—65)密封，当蓄能器在工作过程中 受到振动时，有可能致使阀芯松动，密封锥面不密合，导致漏气，此时可在充气阀的密封盖内垫入厚3mm 左右的硬橡胶垫，加强密封。另外，阀芯上端螺母松脱，会使皮囊内氮气倾刻泄完。

(二)皮囊使用寿命短

其影响因素有皮囊质量，使用的工作介质与皮囊材质的相容性； 有否污物混入；选用的公称容量是否合适(油口流速不能超过7m/   sec);油温是否合适；作储能用时，往复频率是否超过1次/10秒 (寿命开始下降),若1次/3秒，则寿命急剧下降；安装是否良好，配 管设计是否合理等。

另外，为了保证蓄能器在最小工作压力P₁  时，能可靠工作，并避 免皮囊在工作过程中常与蓄能器下端的菌型阀相碰撞，延长皮囊的 使用寿命，P。一般应在0 . 75～0 . 9P₁  的范围内选取；为避免在工作 过程中皮囊的收缩和膨胀的幅度过大而影响使用寿命，要有P₀

25%P₂, 即要有

(三)蓄能器不起作用

产生原因主要是气阀漏气严重，皮囊内根本无氮气，以及皮囊破损进油，另外当P₀≥P₂,      即最大工作压力过低时，蓄能器完全丧失贮能功能。

排除办法是检查气阀的气密性，发现泄气，应加强密封，并补加氮气；若气阀处泄油，则很可能是皮囊 破裂、应予以更换；当P₀≥P₂时，应降低充气压力或者根据负载情况提高工作压力。

(四)吸收压力脉动的效果差

为了更好地发挥蓄能器对脉动压力的吸收作用，蓄能器与主管路分支点的连接管道要短，通径要适当大 些，并要安装在靠近脉动源的位置。否则，它消除压力脉动的效果就差，有时甚至会加剧压力脉动。

(五)蓄能器释放出的流量稳定性差

蓄能器充放液的瞬时流量是一个变量，特别是在大容量；且△P(P₂-P₁)       范围又较大的系统中若要获 得较恒定的、较大的瞬时流量时，可采用下述措施：①在蓄能器与执行元件之间加入流量控制元件；②用几  个容量较小的蓄能器并联，取代一个大容量蓄能器，并且几个容量较小的蓄能器采用不同档次的充气压力； ③ 尽量减少工作压力范图△P, 也可以采用适当增大蓄能器结构容积(公称容积)的方法4④在一个工作循环  中安排好有足够的充液时间，减少充液期间的系统其它部位的内泄漏，使在充液时，蓄能器的压力能迅速和  确保能升到P₂, 再释放能量。

表7 — 8为国产NXQ—L   型皮囊式蓄能器允许充放流量表

表7 — 8 NXQ—L型蓄能器允许充放流量表