氣囊式蓄能器及其常見故障
1.簡(jiǎn)介
在工業(yè)應(yīng)用中,廣泛使用三種類型的氣液蓄能器:活塞式、氣囊式和膜片式。每種類型的蓄能器都有其白身的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合,活塞式蓄能器由于尺寸范圍更寬,因此具有更高的效率和更大的靈活性。氣囊式/膜片式蓄能器通常更適用于要求工作頻率快、油液污染嚴(yán)重以及響應(yīng)速度快的應(yīng)用場(chǎng)合。這兩種蓄能器具有極佳的氣一液分隔能力。
氣囊式蓄能器具有可靠的氣體和流體隔離性能,從而確保其具有可靠的性能、晟高的效率,而且使用壽命長(zhǎng),在液壓系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。氣囊式蓄能器提供了一種改善液壓系統(tǒng)性能的手段,可以用于儲(chǔ)存壓力能,吸收液壓沖擊,舒緩液壓泵的脈動(dòng)和流量的波動(dòng)。它常被用于間歇?jiǎng)幼?,且工作時(shí)間短,或在一個(gè)工作循環(huán)中速度差別很大,要求瞬間補(bǔ)充大量液壓油,以及作為提供應(yīng)急能源等場(chǎng)合。
2.結(jié)構(gòu)特性與工作原理及安裝方式
(1)結(jié)構(gòu)特性。氣囊式蓄能器的典型特征是在鋼殼內(nèi)有一個(gè)非折疊的、柔性的橡膠氣囊。氣囊的開口端連接在鋼殼充氣側(cè)的氣閥上。提升閥在彈簧的作用下保持常開狀態(tài),用以調(diào)節(jié)通過充油口的油液流量。氣囊式蓄能器的頂部或底部組件是可維修的,從而可以提供最佳的靈活性。
氣囊式蓄能器優(yōu)點(diǎn):①補(bǔ)充油泵流量;②提供應(yīng)急能源;③提高系統(tǒng)效率;④補(bǔ)償泄漏;⑤吸收液壓沖擊;⑥很好的抗污染能力;⑦通用性好,安全,但不能在受壓狀態(tài)下拆卸。缺點(diǎn):①氣囊破裂易導(dǎo)致流體系統(tǒng)產(chǎn)生氣穴、氣爆;②壓縮極限(有效容積)小,一般不超過最大容積的20%。
(2)工作原理和安裝方式。氣囊式蓄能器的工作原理,如圖62所示。
階段(a):蓄能器是空的,其充氣側(cè)與充油側(cè)均沒有壓力。
階段(b):蓄能器充氣到預(yù)定壓力。
階段(c);液壓系統(tǒng)壓力逐漸升高。當(dāng)系統(tǒng)壓力大于蓄能器的預(yù)定壓力時(shí),液壓油進(jìn)入蓄能器。
階段(d):液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到最大值。此時(shí),蓄能器充滿油液,達(dá)到其設(shè)計(jì)容量。系統(tǒng)中的溢流閥防止系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高。
階段(e);系統(tǒng)壓力開始下降。在預(yù)充氣壓力的作用下,迫使蓄能器內(nèi)的油液流入系統(tǒng)。
階段(f):液壓系統(tǒng)壓力處于最小值。蓄能器內(nèi)的油液全部流回系統(tǒng)。
無論哪種蓄能器,必須是垂直安裝,即充油口朝下。氣囊的受損范圍則取決于流體的污染度,工作周期及其壓縮比(即系統(tǒng)最大壓力與系統(tǒng)最小壓力之間的比值)。在極端的情況下,部分流體可能與充油口隔斷(如圖63所示),從而使輸出容積減小,或者氣囊變長(zhǎng),迫使提升閥過早關(guān)閉。
3.常見故障分析
(1)預(yù)充氣壓力過高時(shí)蓄能器失效。如果預(yù)充氣壓力過高,或者系統(tǒng)壓力下降而未相應(yīng)地降低預(yù)充氣壓力,則可能導(dǎo)致蓄能器無法正常工作,甚至被破壞。
當(dāng)預(yù)充氣壓力過高時(shí),氣囊式蓄能器則在階段(e)和(b)之間循環(huán)工作,氣囊可能會(huì)補(bǔ)夾在提升閥組件中,從而導(dǎo)致提升閥彈簧組件出現(xiàn)疲勞失效;或者,當(dāng)提升閥被關(guān)閉時(shí),如果氣囊被壓在提升閣下面,則會(huì)導(dǎo)致氣囊被夾破,如圖64所示。預(yù)充氣壓力過高是導(dǎo)致氣囊失效的最常見的原因。
(2)預(yù)充氣時(shí)氣囊失效。氣囊式蓄能器的預(yù)充氣過程是,在允許油液進(jìn)入蓄能器充油側(cè)之前,先在蓄能器的充氣側(cè)精確地充入干燥的惰性氣體,如氮?dú)?。非常重要的是,將蓄能器預(yù)充氣至指定的壓力。預(yù)充氣壓力決定了當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到最小值時(shí),殘留在蓄能器中的油液的體積。典型地,在儲(chǔ)能應(yīng)用系統(tǒng)中,氣囊式蓄能器的預(yù)充氣壓力等于系統(tǒng)工作溫度下系統(tǒng)最小壓力的90%,在針對(duì)具體應(yīng)用選擇蓄能器類型時(shí),能否正確地對(duì)蓄能器進(jìn)行預(yù)充氣,并保持該預(yù)充氣壓力是一個(gè)非常重要的因素。
在預(yù)充氣期間,氣囊式蓄能器容易受到損壞。在充氣和投入使用前,鋼瓶?jī)?nèi)壁應(yīng)該用系統(tǒng)油液進(jìn)行潤(rùn)滑。這些油液起到緩沖和潤(rùn)滑的作用,在氣囊膨脹時(shí)保護(hù)氣囊。預(yù)充氣時(shí),在壓力首次達(dá)到5MPa之前,應(yīng)該緩慢地充^氮?dú)?。否則,氣囊會(huì)立即失效:高壓氮?dú)庋杆倥蛎浗又杆倮鋮s,會(huì)在折疊的氣囊底部形成一條凹槽。接著,冷脆的橡膠由于迅速膨脹而不可避免地出現(xiàn)破裂,如圖65所示。而且,氣囊在提升閥的壓迫下被切破,如圖65所示。在預(yù)充氣期間,尤其應(yīng)該注意工作溫度。因?yàn)?,隨著溫度的升高,壓力也會(huì)相應(yīng)地升高,甚至超過允許的預(yù)充氣壓力值。
(3)預(yù)充氣壓力過低時(shí)。如果預(yù)充氣壓力過低,或者系統(tǒng)壓力升高而未相應(yīng)地增大預(yù)充氣壓力,也可能導(dǎo)致蓄能器無法正常工作,甚至被破壞。
(4)對(duì)于氣囊式蓄能器,如果預(yù)充氣壓力過低,或者沒有預(yù)先充氣,則會(huì)迅速地導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。氣囊被壓入鋼瓶頂部,擠入充氣閥閥桿而被刺破,如圖66所示。這種情況稱為拔出。一般,只要一次工作循環(huán)就足以破壞氣囊。
(4)作為應(yīng)急能源應(yīng)用過程中失效。在實(shí)際應(yīng)用中,作為應(yīng)急能源的蓄能器,對(duì)于一些排放流量、輸出壓力或是最低工作壓力無法控制的液壓系統(tǒng),常出現(xiàn)蓄能器工作過程中工作壓力低于蓄能器預(yù)充壓力,蓄能器內(nèi)油液排空,蓄能器氣囊反復(fù)接觸提升閥,如果油液排放過快,可能出現(xiàn)提升閥夾住氣囊,導(dǎo)致氣囊損壞失效,如圖67所示。
4.故障預(yù)防與應(yīng)用
(1)蓄能器的故障預(yù)防。蓄能器的故障通常定義為:在指定的系統(tǒng)壓力范圍內(nèi)工作時(shí),無法接受和排出指定容積的油液。通常,故障的來源是不希望的預(yù)充氣壓力損失或增大。需要重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的是,正確的預(yù)充氣壓力是延長(zhǎng)蓄能器使用壽命的最重要因素。如果忽視了維持預(yù)充氣壓力和溢流閥設(shè)定壓力的重要性,如果在調(diào)整系統(tǒng)壓力時(shí)對(duì)預(yù)充氣壓力不作相應(yīng)的調(diào)整,則蓄能器的使用壽命將大大縮短。
如果氣囊破裂,則氣囊式蓄能器將立即失效,如圖68所示。由于完好的氣囊基本不會(huì)引起氣體或油液的滲漏,因此無法預(yù)測(cè)氣囊的破裂,在出現(xiàn)故障前,也沒有辦法來測(cè)量氣體或油液是否經(jīng)由氣囊泄漏。
(2)蓄能器的應(yīng)用。作為應(yīng)急能源的蓄能器,對(duì)于一些排放流量、輸出壓力或是最低工作壓力無法控制的液壓系統(tǒng),為保證蓄能器的正常工作,采用了下述幾種方案。
圖69 (a)中,液壓系統(tǒng)對(duì)壓力變化、蓄能器油液排放流量要求不高,只在蓄能器的出油口加一個(gè)單向節(jié)流閥,簡(jiǎn)單控制蓄能器在高壓時(shí)的排放速度。不足是高壓對(duì)液壓系統(tǒng)有一定的沖擊,隨著能量的釋放,蓄能器壓力會(huì)降低,因閥和管路在不同壓力下過流量不同,導(dǎo)致液壓驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度不穩(wěn)。
圖69(b)中,在蓄能器的油口加減壓閥,控制了蓄能器高壓時(shí)出口壓力,克服了因蓄能器的投人工作對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的影響,如果液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載變化較大,蓄能器存在著排空現(xiàn)象。
圖69(c)中,在蓄能器的油口加順序閥,對(duì)蓄能器最低工作壓力可以起到保護(hù),達(dá)到設(shè)定的壓力后順序閥關(guān)閉,保證蓄能器的最低工作壓力不受負(fù)載的影響。
圖70中,在蓄能器的進(jìn)油口加控制閥組,通過液壓閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄能器的控制。電磁換向閥打開液控單向閥,控制蓄能器的工作,通過壓力繼電器檢測(cè)蓄能器壓力,在最低工作壓力時(shí),關(guān)閉液控單向閥或啟動(dòng)充油泵裝置,給蓄能器充油達(dá)到設(shè)定值,保證氣囊式蓄能器內(nèi)的最低工作壓力,從而避免因油液排空使氣囊與提升閥接觸。