蓄能器的工作原理、分类和结构简介

1.蓄能器的工作原理

在液压机构中，蓄能器是利用力的平衡原理，使工作油液的体积发生变化，从而达到储存和释放液压能的一种装置。

如图3-47所示，蓄能器基本上由壳体、活塞、活塞上部的高纯氮气（也可能是弹簧）和活塞下部与系统相连的工作油液四部分组成，工作过程可分储能和释放两个阶段。

（1）储能阶段

图3-47a所示为蓄能器预储能状态，这时活塞上下的工作油液和高纯氮气（或弹簧力）处于平衡状态，高纯氮气处于预充氮（或弹簧处于预压缩）状态，此时工作油液体积为V₁。

图3-47 蓄能器工作原理示意

1—壳体 2—活塞 3—高纯氮气（也可能是弹簧） 4—工作油液

当系统压力增高，工作油液的压力也随之增高，推动活塞向上移动，系统中的工作油液进入蓄能器（这时的体积增加为V₂），直至达到平衡状态如图3-47b所示。这时系统中有（V₂-V₁）体积的工作油液进入蓄能器储存起来，此阶段称为储能阶段。在此阶段，蓄能器储存了一定压力和（V₂-V₁）体积的工作油液。

（2）释放阶段

当液压机构进行分闸或合闸操作时，系统压力小于蓄能器内的工作油液压力，在气体的压力（或弹簧力）作用下，推动活塞向下移动，工作油液向系统排放，直至达到平衡状态如图3-47c所示，此阶段称为释放阶段。此阶段把储能阶段储存的工作油液部分排到系统中。

从上述可知，只要系统压力有变化，蓄能器中的工作油液的压力就随之变化，根据力平衡原理，活塞就移动，工作油液体积就随之改变，如此反复储能、释放，便达到了蓄能器的目的。

2.蓄能器的分类

在液压机构中，蓄能器按其作用于工作油液的物质不同，一般分为充气式和弹簧式两大类。每类蓄能器又根据其结构有不同的形式。具体分类如下：

3.典型蓄能器的结构

（1）充气式蓄能器

充气式蓄能器的工作原理是利用蓄能器内预先充有预定压力的高纯氮气与液压泵充入蓄能器内的压力油平衡。当系统需要油液时，在气体压力作用下使油液排出。充气式蓄能器油液分为隔离式和直接接触式两种。

隔离式蓄能器：隔离式蓄能器是指在蓄能器内的气体与液体之间有隔离件隔离，气体不易混入液体中。这种蓄能器能有效地利用气体的可压缩性，因而被广泛地应用。

根据隔离件的形式又分为挠型和非挠型蓄能器。

挠型蓄能器中的气囊式蓄能器在液压机构中有应用，非挠型蓄能器中的活塞式和差动活塞式蓄能器在液压机构中用得最多。

a.气囊式蓄能器

图3-48 气囊式蓄能器的典型结构

1—充气阀 2—壳体 3—气囊 4—菌形阀 5—阀体总成 6—半圆卡箍 7—螺母 8—垫片 9—O型圈 10—压紧螺母

(www.xing528.com)

图3-49 活塞式蓄能器

1—活塞 2—缸筒 3—充气筒

气囊式蓄能器的工作原理是基于波义尔定理，其典型结构如图3-48所示。在使用前，首先向蓄能器中的气囊3充以预定压力的氮气，然后用液压泵向蓄能器充油，在压力油的作用下，顶开菌型阀4，油进入容器内，压缩气囊，当气腔和液腔的压力相等时，气囊处于平衡状态，这时蓄能器内压力为泵压力。当系统需要油时，在气体压力作用下，气囊膨胀，逐渐将油液挤出。

这种蓄能器的优点是：气腔与油腔之间是气囊，密封可靠，二者之间无泄漏；气囊惯性小，反应灵敏、结构紧凑、尺寸小、重量轻、维护简单、在液压机构中经常用小容积的气囊式蓄能器作吸收压力脉动或缓冲用的蓄能器，也有操作功较小、压力较低的场合用气囊式蓄能器作液压机构液压系统操作储能用的。

气囊式蓄能器的典型结构如图3-48a所示，它是由充气阀1、壳体2、气囊3和菌形阀4组成。壳体2是个压力容器，其上端有个容纳充气阀1的开口。由合成橡胶制成的完全封闭的气囊3压在气门嘴上，形成一个封闭的空间。气囊经壳体下端开口塞进去后，借助于压紧螺母10固定在壳体的上部。阀体总成5用一对装在壳体开口内侧的半圆卡箍6卡住阀体5的台肩，装在壳体的下部，加上O型圈9与垫片8，用螺母7拧紧。阀体总成5中的菌形阀4的作用是防止油液全部排出时，气囊膨胀出壳体外。这种蓄能器在壳体开口处设有O型圈，当壳体内压力加大至爆破压力时，壳体的开口就先胀大，使O型圈被挤掉，油压能安全被解除。

上述为A型结构的气囊式蓄能器，这种蓄能器更换气囊不方便，为此将壳体和气囊顶部设计成“上部敞开式”结构，如图3-48b所示，称为B型结构的气囊式蓄能器。

b.活塞式蓄能器

活塞式蓄能器利用活塞把油和氮气隔离开，如图3-49所示。这种蓄能器的优点是：结构简单、寿命长。但活塞运动惯性大，又有密封摩擦阻力，因而反应灵敏性差；加工精度要求较高，密封困难，不适于作吸收脉动和液压冲击用。在液压机构液压系统中，操作储能用蓄能器常用此结构，液压机构中常用的操作储能用活塞式蓄能器如图3-50所示。

图3-50 液压机构中常用的操作储能用活塞式蓄能器

（2）弹簧式蓄能器

这种蓄能器是利用弹簧力作用于活塞上，使之与压力油的压力相平衡，以储存压力能，蓄能器产生的压力取决于弹簧的刚度和压缩量，常用的有螺旋压缩弹簧和碟形弹簧两种。螺旋压缩弹簧蓄能器如图3-51所示。这种蓄能器结构简单、反映相对灵敏，使用寿命取决于弹簧寿命。在小容量、低压、循环频率低的系统中用作蓄能和缓冲，液压机构一般不使用。在液压机构中，常用碟形弹簧蓄能器，如图3-52所示。

图3-51 螺旋压缩弹簧蓄能器

1—壳体 2—弹簧 3—活塞 4—油液腔 5—盖

图3-52 碟形弹簧蓄能器

1—储能活塞 2—定位孔 3—支撑环 4—壳体 5—支撑碟簧 6—碟簧组

（3）蓄能器的功用

蓄能器是用以储存油液的压力能，在需要时能将此能量释放出来完成有用功的装置。在液压系统中的主要作用如下：

a.储存液压能

液压机构中蓄能器的主要用途。当液压系统的一个工作循环中不同阶段所需流量变化很大时，常采用蓄能器和一个流量较小的泵组成油源。若系统需要小流量，蓄能器将液压泵多余的流量储存起来；若系统短时间需要大流量，蓄能器将储存的油液释放出来和液压泵一起向系统供油。另外，在液压泵停止向系统供油时，蓄能器把储存的压力油供给系统，补充系统泄漏或保持系统压力恒定，还有在液压泵源发生故障时作应急能源使用。

b.吸收压力冲击和压力脉动

液压机构中蓄能器的次要用途。在液压系统中，蓄能器用于吸收由于液流速度急剧变化（如换向阀突然换向，液压缸负载突然停止运动等）时产生的冲击压力，使压力冲击的峰值降低；液压泵的流量脉动会引起负载运动速度的不均匀，还会引起压力脉动，故负载速度要求较均匀的系统要在泵的出口处安装相应的蓄能器，提高系统工作的平稳性。