Pokaż menu

Firmy z okładek

Multiprojekt  FESTONapędy i Sterowanie

Reklama

Współpraca

Akumulator w układach hydraulicznych. Część I. Funkcje i zjawiska w nim zachodzące

Maciej Oleksiuk



Akumulator w układach hydraulicznych spełniać może wiele różnych, pożytecznych funkcji. Jego sensowne zastosowanie wymaga jednak znajomości jego cech, warunków pracy oraz ograniczeń. Niniejsza publikacja ma na celu przybliżenie powyższych aspektów. Ze względu na objętość publikacja podzielna została na dwie części. Poniżej prezentowana jest część I, opisująca podstawowe informacje o gazowych akumulatorach hydraulicznych.


1. Funkcja akumulatora w układach hydraulicznych
Akumulator hydrauliczny jest ciśnieniowym zbiornikiem sprężonego azotu, który jest odseparowany od medium roboczego instalacji hydraulicznej. Akumulator stanowi więc dodatkowe źródło energii możliwej do wykorzystania w instalacji hydraulicznej w różnych celach.

Tłumienie pulsacji i pików ciśnienia
Podstawowym źródłem pulsacji ciśnienia jest zwykle pompa dostarczająca podczas każdego obrotu wałka kilka – kilkanaście porcji nieściśliwego praktycznie oleju. Elementy sprężyste instalacji, w tym przewody elastyczne, pochłaniają częściowo tę energię. Niemniej pozostają drgania, które w niektórych przypadkach nie są akceptowane przez odbiornik. W takim przypadku sprężony gaz ma przeważnie dostatecznie dużą pojemność, aby przechwycić te drgania i wystabilizować ciśnienie zasilania.

Inną formą niestabilności ciśnienia są jego piki, które mogą przekraczać dwu-, trzykrotnie wartość średnią. Ich źródłem są zarówno oddziaływania odbiorników, jak i elementów sterujących. Ze względu na bardzo krótkie czasy występowania piku (często nie dłuższe, niż kilka ms), jego rzeczywista energia jest niewielka, ale przy określonej częstotliwości występowania prowadzić może do szeregu niekorzystnych oddziaływań na układ hydrauliczny.

W celu identyfikacji występowania krótkotrwałych pików stosować należy specjalizowane przetworniki ciśnienia o czasach pomiaru nie dłuższych niż 1 ms. Przykładem takiego przyrządu są przetworniki produkcji Parkera serii SCP ze standardowym wyjściem analogowym lub przeznaczone do współpracy ze specjalizowanymi, szybkimi miernikami wielkości hydraulicznych takich, jak ciśnienie, przepływ, temperatura i prędkość obrotowa (fot. 1).

 
Fot. 1. Od lewej czujniki ze standardowym sygnałem wyjściowym, czujnik do współpracy z miernikiem oraz sam wielokanałowy miernik
Fot. 1. Od lewej czujniki ze standardowym sygnałem wyjściowym, czujnik do współpracy z miernikiem oraz sam wielokanałowy miernik


Zastosowanie odpowiednich akumulatorów hydraulicznych umożliwia ograniczenie zarówno pulsacji ciśnienia, jak i jego pików.

Zasilanie w energię hydrauliczną w przypadku awarii podstawowego źródła zasilania lub jako jedyne źródło energii w stanach awaryjnych.

W pierwszym przypadku akumulator lub baterię akumulatorów dobiera się tak, aby umożliwić wykonanie niezbędnej sekwencji ruchów w przypadku awarii podstawowego źródła zasilania, np. w razie braku energii elektrycznej zasilającej silniki napędzające pompy w układach hydraulicznych, w których przerwanie cyklu pracy spowodować może zagrożenie zdrowia lub życia obsługi albo znaczne straty materialne.

W drugim przypadku chodzi o autonomiczne układy, które pozostają w stanie gotowości i uruchamiane są jedynie w przypadku awarii. Przykładem tego są urządzenia do wodowania łodzi ratunkowych ze statków lub platform wiertniczych. Urządzenie to wyposażane jest w baterię akumulatorów, które na sygnał załączają układ hydrauliczny zapewniający wykonanie cyklu pracy przez zespół cylindrów wodujący łódź.

Uzupełnienie przepływu umożliwiające dobór mniejszej pompy, co wprost prowadzi do istotnych oszczędności energii.

W wielu aplikacjach mamy do czynienia z bardzo nierównomiernym zapotrzebowaniem na energię w trakcie cyklu pracy. W przypadku, gdy zapotrzebowanie na duży przepływ jest tylko w niewielkiej części cyklu, można dobrać niewielką pompę, która zapewni wystarczającą wydajność w czasie braku lub małego zapotrzebowania na energię hydrauliczną. W tym czasie pompa doładuje również akumulator. W krótkim okresie zwiększonego zapotrzebowania duży, chwilowy przepływ uzyska się, korzystając z energii zgromadzonej w akumulatorze w czasie małego zapotrzebowania.

Uzupełnienie przecieków w zaworach i napędach
W niektórych zastosowaniach zadaniem układu hydraulicznego jest zapewnienie zadanej, stałej siły wywieranej przez napęd bez wykonywania ruchu. Oznacza to konieczność zapewnienia ciśnienia bez przepływu. W przypadku występowania przecieków wewnętrznych lub ryzyka ich występowania bardzo przydatny okazuje się akumulator, który, wykorzystując zgromadzoną energię, uzupełnia zamkniętą przestrzeń olejem pod zadanym ciśnieniem bez potrzeby korzystania z pompy, co wprost prowadzi do oszczędności.

Kompensacja wpływu temperatury
Zadaniem układu hydraulicznego w niektórych aplikacjach jest zapewnienie zadanej pozycji tłoka cylindra hydraulicznego. Stosuje się do tego zawory zwrotne sterowane, zwane popularnie zamkami hydraulicznymi, które odcinają określoną ilość oleju w zamkniętej przestrzeni. W przypadku, gdy taki układ poddany zostanie zmianom temperatury lub zmianom wysokości, co też skutkuje zmianami temperatury, pojawić się mogą naprężenia prowadzące do zniszczenia ustroju. Aby temu zapobiec, stosowane są naładowane odpowiednim ciśnieniem akumulatory, które kompensują zmiany wymiarów poprzez pobranie niewielkiej ilości oleju z zamkniętego obwodu.

Biorąc pod uwagę różnorodność miejsc zastosowań i realizowanych zadań, na ryku dostępnych jest kilka konstrukcji akumulatorów, co umożliwia optymalny dobór produktu do wymagań aplikacji.

2. Zjawiska zachodzące w akumulatorach
Podczas pracy azot w akumulatorze jest na przemian sprężany, gdy ciśnienie oleju wzrośnie powyżej ciśnienia ładowania i olej wpływa do akumulatora, bądź rozpręża się, gdy ciśnienie oleju maleje i olej wypływa z akumulatora. Tak więc zjawiska zachodzące w akumulatorze opisują prawa przemian gazowych, przy czym zakładamy, że właściwości azotu nie odbiegają w istotny sposób od właściwości gazu doskonałego.

Podstawowym prawem w tym zakresie jest prawo Boyla-Mariotte’a (1), które mówi, że w układzie zamkniętym przy stałej temperaturze iloczyn ciśnienia absolutnego i objętości gazu doskonałego pozostaje wartością stałą:

    p · V = const (1)

W realnych warunkach temperatura zarówno podczas sprężania, jak i podczas rozprężania zmienia się, dlatego słuszne jest równanie Clapeyrona (2)

    p · V = T · R (2)

gdzie:    
p – ciśnienie absolutne;
V – objętość;
T – temperatura absolutna [K];
R – uniwersalna stała gazowa.

Wpływ temperatury pokazany jest na wykresie na rys. 2 podczas rozładowania pewnego akumulatora. Wykres obejmuje zmiany zachodzące w czasie 400 s. W stanie początkowym akumulator wypełniony jest azotem pod ciśnieniem 170 barów. Temperatura sprężonego gazu jest identyczna jak temperatura korpusu i wynosi 24°C. W pewnym momencie zawór zostaje nagle otwarty i z akumulatora wypływa w ciągu ok. 6 sekund taka ilość oleju, że ciśnienie spada do 60 barów, po czym zawór zostaje zamknięty. W tym czasie temperatura spada zdecydowanie poniżej temperatury otoczenia, do –34°C, po czym gaz zaczyna powoli ogrzewać się. Ponieważ objętość gazu pozostaje ta sama, więc wraz ze wzrostem temperatury rośnie ciśnienie, dochodząc do poziomu ok. 80 barów. Obniżenie się temperatury gazu spowodowało powolne (ze względu na pojemność cieplną stali) obniżenie się temperatury korpusu, aż do osiągnięcia nowego punktu równowagi na poziome ok. 18°C.
 
Rys. 2. Powyżej opisane zjawisko wynika wprost z właściwości gazu i dotyczy wszystkich konstrukcji akumulatorów
Rys. 2. Powyżej opisane zjawisko wynika wprost z właściwości gazu i dotyczy wszystkich konstrukcji akumulatorów


3. Typy akumulatorów
Z uwagi na różne zadania pełnione przez akumulatory w układzie hydraulicznym stosowane są trzy różne ich konstrukcje: akumulatory przeponowe, pęcherzowe i tłokowe, pokazane na rys. 3.
 
Rys. 3. Od lewej: akumulator przeponowy, pęcherzowy i tłokowy
Rys. 3. Od lewej: akumulator przeponowy, pęcherzowy i tłokowy


3.1. Akumulatory pęcherzowe
Powszechnie używana jest obecnie wersja konstrukcyjna serwisowana od dołu (jak na rys. 3). Akumulator zbudowany jest ze skorupy, w której w górnym otworze umieszczony jest zawór gazowy połączony z wnętrzem pęcherza. W dolnym otworze umieszczone jest przyłącze hydrauliczne z zaworem grzybkowym zabezpieczającym pęcherz przed zniszczeniem w przypadku, gdy akumulator będzie naładowany, a w instalacji hydraulicznej nie będzie ciśnienia.

Jako zaworów gazowych używa się kilku wykonań konstrukcyjnych. W zależności od rodzaju zaworu potrzebne jest właściwe przyłącze instalacji ładowania. W standardowym zestawie do ładowania Parkera typ VGU, pokazanym na rys. 4, znajdują się różne przyłącza umożliwiające w praktyce naładowanie wszystkich standardowych akumulatorów.
 
Rys. 4. Urządzenie do ładowania akumulatorów
Rys. 4. Urządzenie do ładowania akumulatorów


Najpopularniejsze są skorupy wykonane ze stali węglowej, aczkolwiek w ofercie Parkera są też skorupy ze stali kwasoodpornej.

Pęcherze wykonane są przeważnie z mieszanki NBR, choć dostępne są też inne elastomery dostosowane do różnych płynów roboczych i temperatur pracy, takie jak FPM, EPDM, ECO itp.

Akumulatory przeponowe produkcji Parkera są o pojemnościach od 0,2 do 575 l i ciśnieniach do 690 barów.

3.2. Akumulatory przeponowe
Akumulatory te są uproszczoną, nieserwisowalną odmianą akumulatorów pęcherzowych. Akumulatory te wykonywane są również w wersji bez zaworu gazowego, choć możliwe jest naładowanie ich azotem do zadanego ciśnienia za pomocą urządzenia do ładownia VGU. Korpus akumulatorów wykonany jest ze stali węglowej, a przepona standardowo z NBR lub rzadziej z ECO. Akumulatory te są sprzedawane już w stanie naładowanym.

Akumulatory przeponowe są o pojemnościach od 0,075 do 3,5 l i ciśnieniach do 350 barów.

3.3. Akumulatory tłokowe
Akumulator zbudowany jest z rury cylindrowej, w której umieszczony jest tłok wyposażony w specjalny zestaw uszczelnień zapewniających skuteczne rozgraniczenie części gazowej i olejowej. W jeden koniec rury wkręcona jest pokrywa z zaworem gazowym, a w drugi pokrywa z gniazdem hydraulicznym. Podobnie, jak w akumulatorach pęcherzowych, stosowane są różne zawory gazowe. Również uszczelnienia mogą być wykonane z różnych materiałów, aby dostosować się do medium roboczego i temperatury pracy. Akumulatory wykonywane są ze stali węglowej lub kwasoodpornej.

Akumulatory tłokowe produkowane są o pojemności od 0,02 do 1350 l i ciśnieniu do 3500 barów.

3.4. Tłumiki
Parker Hannifin ma swojej ofercie urządzenia o charakterze akumulatorów hydraulicznych, ale pełniące funkcje tłumików drgań i hałasu pokazane na rys 5.
 
Rys. 5. Od lewej: tłumiki drgań i tłumik hałasu
Rys. 5. Od lewej: tłumiki drgań i tłumik hałasu


Tłumiki wykonywane są ze stali kwasoodpornej o pojemności od 0,1 do 5 l z zaworami ze stali kwasoodpornej lub z mosiądzu, na ciśnienia do 690 barów.

Tłumiki hałasu obniżają pulsacje spowodowane przez pompy o kilka do ponad 25 dB w zakresie do 1500 Hz, co pokazano na rys. 6. Tłumiki włączone są w linię tłoczną i umożliwiają przepływ nominalny od 25 do 275 l/min.
 
Rys. 6. Tłumienie hałasu pomp
Rys. 6. Tłumienie hałasu pomp


Dalsze informacje, między innymi na temat zasad doboru akumulatorów hydraulicznych, zamieszczono w kolejnej części publikacji.


Opracowano na postawie materiałów Parker Hannifin.
Autor: mgr inż. Maciej Oleksiuk – Parker Hannifin Sales Poland

www.parker.com
 

Reklama