液压系统活塞式蓄能器的工作原理与连接注意事项

蓄能器是一种能把液压储存在耐压容器里，待需要时又将其释放出来的能量存储装置。蓄能器是液压传动与控制系统中重要的辅助元件，对保证液压系统的正常运行、改善其动态品质、保持工作稳定性、延长工作寿命和降低噪声等有重要作用。蓄能器给液压系统带来的经济、节能、安全、可靠和环保效果显著，在现代大型液压系统中，特别是具有间歇性工作要求的系统中更为重要。

图2-92 气体加载式蓄能器的结构原理

a）活塞式蓄能器 b）囊隔式蓄能器

1—活塞 2—缸筒 3—充气阀 4—壳体 5—充气囊 6—提升阀

1.蓄能器的类型与工作原理

蓄能器按结构分为弹簧加载式蓄能器、重力加载式蓄能器和气体加载式蓄能器三类。重力加载式蓄能器利用重物的位能来储存能量，是最古老的一种蓄能器。它能提供大容量、压力恒定的液体，但尺寸庞大，反应迟钝，这种蓄能器只用于固定的重型液压设备。弹簧加载式蓄能器利用弹簧的压缩能来储存能量，其结构简单，反应比重力加载式蓄能器灵敏，但其容积较小，一般用于小容量、低压系统。重力加载式蓄能器及弹簧加载式蓄能器在工程应用上都有局限性，现在这两种蓄能器已很少使用，目前大量使用的是气体加载式蓄能器。

气体加载式蓄能器的工作原理建立在波义耳定律的基础上，使用时首先向蓄能器充入预定压力的空气或氮气，当外部系统的压力超过蓄能器的压力时，油液压缩气体充入蓄能器，当外部系统的压力低于蓄能器的压力时，蓄能器中的油液在压缩气体的作用下流向外部系统。气体加载式蓄能器又分为非隔离式蓄能器、囊隔式蓄能器、隔膜式蓄能器、活塞式蓄能器等几种。工程中主要应用的是囊隔式蓄能器和活塞式蓄能器。

（1）活塞式蓄能器 如图2-92a所示，活塞式蓄能器是利用一种气体（氮气）的压缩性来蓄积液体的原理而工作的。活塞式蓄能器由油液部分和带有作为气体密封隔离件的活塞的气体部分构成。气腔内预先充有氮气，油液部分与液压回路连接在一起，因此当压力升高时蓄能器吸收液体，气体被压缩；当压力下降时，被压缩的气体膨胀且将蓄积的液压油压入液压回路。

其特点是结构简单、尺寸小、易安装维护、寿命长；但因活塞在运动时有摩擦阻力，且有惯性，故低压下动作不灵活，动作频率也不能太高。所以这种蓄能器主要供蓄能和中高压下吸收脉动用。其充气压力一般为液压系统最低工作压力的80%～90%。

活塞式蓄能器使用时需注意以下事项：

1）蓄能器壳体上不得进行焊接和任何机械加工。

2）蓄能器与液压管道连接完成后，这些管道必须进行彻底排气。

3）充气时，蓄能器只允许充入氮气，不得使用氧气及其他可燃烧性、腐蚀性气体。

（2）囊隔式蓄能器 囊隔式蓄能器是利用气体的膨胀、压缩来储存和释放液压能的。如图2-92b所示，它主要由充气阀、壳体、气囊和提升阀等组成，气囊用耐油橡胶与充气阀座一起压制而成，通过压紧螺母固定在壳体的上端。蓄能器工作前通过充气阀对其充气。提升阀防止油液全排出时气囊膨胀出容器之外。其特点是漏气损失小、反应灵敏、质量小、体积小，可吸收急速的压力冲击和脉动。囊隔式蓄能器目前应用较广，它分为折合型囊隔式蓄能器和波纹型囊隔式蓄能器。折合型囊隔式蓄能器容量大，适合于蓄能，充气压力为系统最低工作压力的80%～85%；波纹型囊隔式蓄能器容量较小，适于吸收压力冲击和脉动，充气压力为系统最低工作压力的60%～65%。

2.蓄能器的功能及应用

（1）用作辅助动力源，减小装机功率 周期循环动作的液压系统，只在短时需要大流量。用蓄能器作为辅助动力源，可减小泵的规格和选用较小功率的主动机，减少系统发热，提高效率。如图2-93a所示，液压缸6停止运动时，液压泵1向蓄能器4充液；液压缸运动时，液压泵和蓄能器就会联合向液压缸供油。压力继电器3的作用是控制蓄能器的充液压力，当达到其调定压力时，压力继电器发出信号，使液压泵停止供油。

图2-93 蓄能器的作用

a）作为辅助动力源 b）系统保压 c）吸收压力冲击 d）吸收压力脉动

1—液压泵 2—单向阀 3—压力继电器 4—蓄能器 5—换向阀 6—液压缸

（2）系统保压 如图2-93b所示，执行机构停止后，卸荷阀被打开使液压泵卸荷，蓄能器补偿系统泄漏使系统保压。此外，蓄能器在液压泵发生故障时，作为应急能源在一定时间内可保持系统压力，防止系统发生故障。

（3）吸收压力冲击 在液压缸开停、换向阀换向、液压泵停车等液流发生激烈变化时会产生液压冲击而引起执行机构运动不均匀，严重时还会引起故障。蓄能器能吸收回路的冲击压力，起安全保护作用，如图2-93c所示。

（4）吸收压力脉动 如图2-93d所示，蓄能器能吸收或减少液压泵的流量脉动和其他原因造成的压力脉动，降低系统的噪声和振动。

3.蓄能器的选择计算

（1）作为辅助液压源的容量计算

1）确定液压泵的总流量∑q。根据执行元件的工况负载变化情况，制订耗油量与时间关系的循环图后，求出一个工作循环内系统所需的平均流量q_m。其计算公式为

式中 Δt_i——时间间隔；(www.xing528.com)

q_i——在各时间间隔Δt_i内的流量。

由循环图可知，超出平均流量q_m的部分由蓄能器供油，小于q_m的部分由液压泵供油。

2）计算有效工作容积（有效排油量）ΔV其计算公式为。

ΔV=∑Vζ_L′-∑qt （2-63）

式中 ∑V——系统的最大耗油量（各工作点的总耗油量）；

ζ_L′——泄漏系数，一般可取ζ_L′=1.2；

∑q——液压泵总供油流量；

t——最大耗油时液压泵的工作时间。

3）计算总容积V₀。其计算公式为

式中 p₀、p₁、p₂——充气压力、最低工作压力和最高压力（绝对压力）；

ΔV——有效排油量，ΔV=V₁-V₂，其中V₁、V₂分别是压力为p₁、p₂时的气体容积；

κ——绝热指数，氮气或空气在等温过程中κ=1，在绝热过程中κ=1.4。

气体膨胀和压缩过程进行得缓慢（如保压或补偿泄漏），有足够的散热时间，可认为是等温过程；气体的压缩或膨胀进程进行得较快（蓄能器在短时间内供大量油），来不及进行热交换，可看作是绝热过程，或1min内完成气体压缩或膨胀过程称为绝热过程。

（2）作为吸收压力冲击用容量的计算 一般按下列经验公式计算：

式中 V₀——蓄能器的总容积；

L——产生冲击波的管道长度；

q——阀门关闭前管中的流量；

t——阀门由全开到全闭所持续的时间；

p₁——阀门关闭前的压力，即系统的最低工作压力（绝对压力）；

p₂——系统允许的最大冲击压力，即蓄能器吸收液压冲击后的绝对压力，一般取p₂=1.5p₁。

再根据蓄能器在液压系统中的性能要求，参考有关产品样本，即可确定所需蓄能器。

4.蓄能器的使用和安装

蓄能器应根据给定的工况——包括压力条件、动作频率、脉动频率、最高工作压力和最低工作压力、系统在一个工作循环内的供油量情况等进行计算选用，所选公称容积应大于计算容积，使用压力应小于额定压力。充气式蓄能器所充气体应该是无毒、难燃、不易爆炸的稳定气体，通常只允许在有压侧无压力的情况下对气囊充气，充气压力按蓄能器的功用而定：作为吸收压力冲击使用时，充气压力为安装处的工作压力或略高；作为吸收压力脉动使用时，充气压力为平均脉动压力的60%；作为应急或辅助能源使用时，充气压力为大于系统最高工作压力的25%而小于系统最小工作压力的90%，一般为系统最小工作压力的85%左右；用于补偿闭式回路温度变化而引起的压力变化时，充气压力应等于或稍低于回路的最低压力。蓄能器属于压力容器类设备，在使用时，应完全遵照压力容器的安装使用技术规范执行。蓄能器应垂直（即油口朝下，充气阀朝上）安装在便于检修、清洁并远离热源的地方，并且必须使用抱箍或卡箍等紧固件组固定牢固。

5.蓄能器的维护

对于囊隔式蓄能器而言，在充气之前，应从油口灌注少许液压油，以实现皮囊的自润滑。在使用过程中，必须定期对皮囊进行气密性检查，定期更换皮囊及密封件。一旦发现皮囊中充气压力低于规定的充气压力，要及时充（补）气，以使蓄能器经常处于最佳使用状态。另外，液压油的工作温度对皮囊的寿命也有相当大的影响，工作温度过高或过低，都会缩短皮囊的使用寿命，因此系统的工作温度必须控制在合理的范围内。如果蓄能器长期停止使用，则应关闭蓄能器与管路之间的截止阀，以保持蓄能器的充气压力。检修蓄能器时，应完全卸压，即放尽有压氮气、放空液压油后才可拆卸、修配。