2.2.7. Akumulatory hydrauliczne.doc

2.2.7. Akumulatory hydrauliczne.             

              Akumulatorem hydraulicznym nazywamy zbiornik ciśnieniowy przystosowany do magazynowania energii ciśnienia czynnika roboczego, którą później, zależnie od potrzeb można wykorzystać w układzie napędowym lub w obwodzie sterującym. Gromadzenie energii odbywa się podczas cyklu ładowania, natomiast jej oddawanie układowi podczas rozładowania akumulatora.

              Ciekły czynnik roboczy jest gromadzony w komorze cieczowej akumulatora pod określonym ciśnieniem, które musi być zrównoważone ciśnieniem sił zewnętrznych, działających najczęściej na ruchomą przegrodę, zamykającą szczelnie komorę cieczową. Zależnie od sposobu działania siły na ściankę zamykającą, akumulatory można podzielić

na ciężarowe, sprężynowe i gazowe (rys. 89).

Rys. 89. Systematyka akumulatorów hydraylicznych.

Akumulator ciężarowy.

W akumulatorach ciężarowych zbiornik ciśnieniowy jest wykonany w postaci cylindra hydraulicznego, obciążonego masą (rys. 90). Akumulatory ciężarowe przeważnie spotyka się w urządzeniach hydraulicznych, w których jako ciecz roboczą stosuje się wodę lub emulsję wodną, rzadziej olej. Akumulatory ciężarowe buduje się na ciśnienia do 30 MPa,

z zastosowaniem ciężarów do 160 000 kG. W tego rodzaju akumulatorze skok tłoka wynosi zwykle (3¸15) d. W celu wytworzenia wysokiego ciśnienia stosuje się akumulator z tło­kiem różnicowym, pokazanym schematycznie na rysunku 90 B. Dzięki odpowied­niej różnicy średnic D oraz d uzyskuje się wymagane wysokie ciśnienie, przy czym akumulator jest stosunkowo lekki.

Rys. 90. Schematy akumulatorów ciężarowych.

Akumulator sprężynowy.

Akumulator sprężynowy gromadzi energię kosztem pracy odkształcania elementu sprężystego – z reguły stalowej sprężyny. Ładowanie akumulatora sprężynowego

(rys. 91) polega na tym, że pod naporem cieczy o wysokim ciśnieniu tłok ustępuje ściskając sprężynę, a cylinder wypełnia się cieczą. Podczas odpływania cieczy z akumulatora sprężyna rozpręża się i przesuwa tłok usiłując stale wytłoczyć ciecz, co zapobiega zanikaniu jej ciśnienia. Akumulatory sprężynowe spotyka się rzadko, ponieważ nawet przy niskim ciśnieniu roboczym i niewielkiej pojemności akumu­latora niezbędna jest sprężyna o znacznej twardości i dużym ugięciu roboczym. Na ogół robocze ciśnienie akumulatora sprężynowego nie przekracza 2 MPa, a użyteczna pojemność – 0,5 1. Przez pojemność użyteczną akumulatora spręży­nowego QA należy rozumieć objętość oleju, jaką wchłania akumulator

w trakcie zmiany ciśnienia zawartej w nim cieczy od ciśnienia minimalnego pmin. do ciśnienia maksymalnego pmax. [MPa]. Chwilowe ciśnienie robocze cieczy zależy od charak­terystyki sprężyny i zmienia się odpowiednio do zmian jej ugięcia podczas pracy układu hydraulicznego.

Akumulatory sprężynowe mogą mieć sprężyny wewnętrzne (rys. 91) lub zewnętrzne (rys. 92). Bez względu na wykonanie, akumulatory takie można ustawiać

w do­wolnym położeniu i w czasie eksploatacji nie wymagają one niemal w ogóle obsługi.

Rys. 91. Schemat akumulatora hydraulicznego

ze sprężyną wewnętrzną.

Rys. 92. Schemat akumulatorów hydraulicznych

ze sprężynami zewnętrznymi.

Akumulator gazowy.

Akumulator gazowy gromadzi energię potencjalną kosztem sprężania gazu, zwykle powietrza. Dlatego też akumulatory gazowe są często nazywane akumulatorami powietrznymi, powietrzno-hydraulicznymi czy też pneumatycznymi. Akumulator powietrzny działa podobnie jak sprężynowy, przy czym zadania sprężyny spełnia powietrze.

W akumulatorach stanowiących osprzęt układów hydraulicznych ciecz i gaz są oddzielone przez swobodny tłok lub inny element. 

Zależnie od wykonania elementu rozdzielającego rozróżnia się akumulatory tłoko­we i przeponowe. Oba typy akumulatorów stosuje się w zasadzie do ciśnień robo­czych sięgających 35 MPa. Przeważnie akumulatory tłokowe mają stosunkowo duże objętości (do 100 l i więcej), a przeponowe – małe i umiarkowane.

Swobodny tłok w akumulatorze tłokowym dzieli jego cylinder na dwie komory – gazową i hydrauliczną. Komory te powinny być od siebie szczelnie oddzielone, ponieważ inaczej gaz przenika do cieczy roboczej i układ hydrauliczny ulega tzw. zapowietrzeniu. Wymaganą szczelność tłoka w cylindrze uzyskuje się zaopatrując tłok w gumowe pierścienie uszczelniające – zwykle typu „O", czyli o przekroju okrągłym (rys.93 A). Często stosuje się również uszczelnienia złożone, składające się z pierścieni kołnierzowych typu „V" oraz typu „O" (rys. 93 B). Denka cylindra akumulatora tłokowego na ogół mocuje się stalowymi pierścieniami rozpręż­nymi. Na rysunku 93 C pokazano akumulator, którego tłok ma wbudowany zawór tłumiący, stanowiący jednocześnie urządzenie uszczelniające (zamykające). W niektó­rych akumulatorach (rys.93 D), w celu polepszenia szczelności, stosuje się tzw. zamknięcie hydrauliczne – w postaci wypełnionego cieczą pierścieniowego wyto­czenia tłoka. Akumulator taki wymaga pionowego ustawienia, komorą gazową w górę.

Na rysunku 93 E pokazano akumulator, po rozładowaniu którego w obszarze zamknięcia hydraulicznego wytwarza się ciśnienie wyższe niż ciśnienie powietrza. W tym celu ciecz jest doprowadzana do kanału pierścieniowego na tłoku, umiesz­czonego między pierścieniem uszczelniającym i pomocniczym tłokiem różnicowym, podlegającym wypadkowemu oddziaływaniu sprężyny i ciśnienia cieczy. Stosowanie takiego akumulatora jest szczególnie celowe

w urządzeniach pracujących

w niskich temperaturach otoczenia.

Rys. 93. Hydrauliczne akumulatory tłokowe.

Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych akumulatorów hydraulicznych tłokowych.

Rys. 94. Akumulator tłokowy.

1 – cylinder, 2 – tłok,

3, 4 – pierścień uszczelniający, 5 – denko.

Na rysunku 94 przedstawiono przykład konstrukcji tłoka uszczelniającego pierścieniami samouszczelniającymi rowkowymi 3. Tłok ma na obwodzie wytłoczenie „a”, spełniające rolę zasobnika oleju do smarowania współpracujących powierzchni oraz równoważące siły promieniowe działające na tłok. Zadaniem pierścienia samouszczelniającego 4, znajdującego się nad wytoczeniem „a”, jest niedopuszczenie do przedostania się oleju do przestrzeni gazowej oraz poprawienie szczelności przestrzeni gazowej w stanie pełnego rozładowania akumulatora. W wielu rozwiązaniach dodatkowy pierścień o przekroju kołowym 4 stosuje się także powyżej wytoczenia „a”.

Rys.95. Akumulator hydrauliczny tłokowy

z zamknięciem hydraulicznym.

1 – cylinder, 2 – tłok, 3 – pierścień uszczelniający,

4 – tłoczek różnicowy, 5 – sprężyna, 6 – denko.

Na rysunku 95 pokazano hydrauliczny akumulator tłokowym z zamknięciem hydraulicznym. W tłoku 2 pracuje dodatkowy tłoczek różnicowy 4, utrzymywany w skrajnym położeniu sprężyną 5. Ciecz wypełniająca komorę „b” otworami promieniowymi dostaje się do obwodowego wytoczenia „a”. Konstrukcja ta ma przede wszystkim zapobiec startom gazu w stanie zupełnego rozładowania akumulatora, kiedy po stronie cieczowej ciśnienie spada do zera. Tłoczek różnicowy utrzymuje w przestrzeni „a” ciśnienie wyższe od ciśnienia

w przestrzeni cieczowej, zwiększając efekt samouszczelniania pierścieni 3.

Rys. 96. Akumulator gazowy z tłokiem dzielonym.

1 – cylinder, 2 – denko, 3 – tłok, 4 – pierścień uszczelniający, 5 – sprężyna, 6 – tarcza oporowa, 7 – zawór zwrotny.

              Inne rozwiązanie konstrukcyjne uszczelniania tłoka ma akumulator produkcji francuskiej firmy ETNA (rys. 96). Tłok 3 składa się z dwóch części ściskanych sprężyną 5 o nastawnym nacisku wstępnym. Elastomerowa uszczelka 4, znajdująca się między elementami tłoka, doznaje odkształcenia przylegając do ścian cylindra tym bardziej, im większe ciśnienie panuje w akumulatorze. Sposób, w jaki pracuje to uszczelnienie sprawia,

że odkształcenia sprężyste cylindra nie zmniejszają szczelności, jak miało to miejsce

w rozwiązaniach poprzednich. W denku górnym akumulatora znajduje się bardzo szczelny zawór zwrotny, służący do napełniania akumulatora gazem. Akumulatory tej konstrukcji są przystosowane do pracy przy ciśnieniach do 35 MPa. Pojemności nominalne są stopniowane do 1 do kilkudziesięciu dm3.

Rys. 97. Akumulator gazowy firmy niemieckiej.

1, 2 – tłok, 3 – uszczelnienie wieloelementowe, 4 -  cylinder, 5 – butla gazowa, 6 – zawór do napełniania akumulatora gazem wraz z odbojem tłoka, 7 – pierścień samouszczelniający, 8 – pierścień podporowy, 9 – uszczelka stożkowa.

              W konstrukcji akumulatora wg rys. 97, tłok pracuje w cylindrze 4, wbudowany jest do większej butli gazowej 5. Cylinder cieczowy ma bardzo cienką ściankę, ponieważ nie jest obciążony ciśnieniem. Ciśnienia wewnątrz i zewnątrz cylindra są jednakowe. Luz,

z jakim pracuje tłok w cylindrze, pozostaje stały – niezależnie od ciśnienia pracy akumulatora. Uszczelnienie tłoka jest wieloelementowe (szczegół „A”) i obejmuje pierścień samouszczelniający, a także samosmarujący 7, pierścienie podporowe 8 wykonane z polifluoroetylenu oraz elastyczną uszczelkę stożkową 9, dociskającą pierścień 7 do gładzi cylindrowej. Uszczelnienie to służy do znacznego zmniejszenia tarcia na współpracujących powierzchniach, przy zachowaniu zasad prostej proporcjonalności tarcia do ciśnienia pracy oraz zapewnia całkowitą szczelność tłoka w cylindrze.

Akumulatory tłokowe obarczone są istotnymi wadami, jak dość znaczne opory tarcia przeciwstawiające się przesuwaniu tłoka w cylindrze oraz niezupełna szczel­ność tłoka. Niedogodności wynikające z tych wad pogłębiają się w niskich tempe­raturach otoczenia.

Wymienione wady nie występują w akumulatorach przepo­nowych.

Typowy akumulator gazowo-hydrauliczny w kształcie butli z przeponą pokazano na rysunku 98. Stosunek sprężania gazu wynosi zwykle 5: l, a ciśnienie robocze – 21 MPa lub niekiedy do 35 MPa. Akumulatory przeponowe mają obję­tości do 40 1.

Rys. 98. Hydrauliczny akumulator przeponowy w kształcie butli cylindrycznej.

Przepona (grubości 1,5 do 3 mm) powinna mieć taki kształt i rozmiary, aby nie fałdowała się i nie ulegała nadmiernym odkształceniom w przypadku całkowitego rozładowania akumulatora. Dotyczy to zwłaszcza akumulatorów użytkowanych w niskich temperaturach otoczenia, kiedy wydatnie zmniejsza się elastyczność gumy. W akumulatorach przeponowych bardziej celowe jest stosowanie azotu niż powietrza, ponieważ wówczas warunki pracy

przepony gumowej są znacznie korzystniejsze.

Rys. 99. Kulisty akumulator hydrauliczny z przeponą gumową.

Dość szeroko rozpowszechnione są kuliste akumulatory przeponowe, odznaczające się zwartą konstrukcją

i stosunkowo małym ciężarem. Akumulator o ciśnieniu ro­boczym 10¸12 MPa (rys. 99) składa się zwykle z dwóch jednakowych czło­nów półkulistych, pomiędzy którymi mocuje się przeponę. Akumulator przeponowy o bardzo wysokim ciśnieniu roboczym ma zwykle kulistą obudowę dzieloną nie w przekroju największym, lecz w mniejszym (rys. 6.2.7.12).

Rys. 100. Kulisty akumulator hydrauliczny wysokiego ciśnienia.

Przepona i jej mocowanie powinny być wykonane w taki sposób, aby odkształcała się ona bez przeginania, przy czym zmniejszające się promienie krzywizny powinny być jak największe. Z tego względu często stosuje się przepony o zmiennej grubości, najcieńsze

w środku, albo też przepony usztywnione dzięki zgrubieniu na powierzch­ni wewnętrznej – zwykle w postaci pierścieniowego paska gumowego, który jest przyklejony do przepony lub tworzy z nią jedną całość.

Jako element oddzielający gaz od cieczy w niektórych konstrukcjach akumulato­rów cylindrycznych przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach stosowane są przepony w postaci mieszka sprężystego z nierdzewnej stali (rys. 101). Jednak zastosowanie takiej przegrody powoduje zwiększenie ciężaru i gabarytów akumu­latora, a wówczas także obniżenie jego żywotności, która określana jest okresem pracy mieszka sprężystego.

Rys.101. Schemat akumulatora hydraulicznego z przeponą w postaci mieszka sprężystego. 

Na rysunku 102 przedstawiono akumulator hydropneumatyczny z tłokiem, przezna­czony do pracy w zakresie temperatur od - 40 do +180°C przy ciśnieniu 28 MPa.

W celu zmniejszenia wpływu temperatury na węzeł uszczelniający tłoka, cylinder jest oddzielony od korpusu akumulatora. Minimalne ciśnienie w akumulatorze powinno zapewnić zakończenie suwu roboczego najbardziej obciążonego urządzenia wyko­nawczego układu.

Ze względów bezpieczeństwa hydrauliczne akumulatory gazowe podlegają przepi­som Urzędu Dozoru Technicznego.

Rys. 102. Schemat konstrukcyjny hydropneumatycznego akumulatora przeznaczonego do pracy w niskich temperaturach.

Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych akumulatorów hydraulicznych przeponowych.

Rys. 103. Akumulator membranowy.

1, 2 – czasza, 3 membrana.

              Na rysunku 103 przedstawiono konstrukcję akumulatora membranowego produkcji amerykańskiej. Dwie odkute czasze 1 i 2 mają specjalny gwint drobnozwojny. Zgrubione obrzeże membrany 3 jest po skręceniu czasz mocno uchwycone w rowku, wykonanym na powierzchni podziału kuli. Uzyskuje się w ten sposób połączenie bardzo szczelne. Otwór w górnej czaszy służy do napełniania akumulatora gazem. Gniazdo gwintowe w dolnej części umożliwia montaż przewodowy akumulatora. Akumulatory te produkuje się

o pojemności nominalnej 4,5 ¸ 91 dm3 i na maksymalne ciśnienie robocze 21 MPa. Ciśnienie niszczące butlę wynosi 170 MPa.

Rys. 104. Akumulator membranowy.

1 – butla, 2 – pokrywa, 3, 4 – membrana,

5 – nakrętka, 6 – wkładka talerzowa.

Butla kulista 1 akumulatora wg

rys. 104 jest wykonana w całości. Zamknięcie butli stanowi pokrywa 2, mocująca membranę 3. 

Membrana ma po stronie gazowej odpowiednio wyprofilowane zgrubienie 4, gwarantujące minimalną dopuszczalną wartość promienia jej zgięcia przy ładowaniu akumulatora cieczą. Stalowa wkładka talerzowa 6 zamyka wylot akumulatora przy całkowitym jego rozładowaniu, zapobiegając uszkodzeniu membrany, które mogłoby nastąpić przy wprowadzaniu jej

...