Современные условия жизни побуждают нас к постоянному совершенствованию наших знаний и навыков. Исключениями не стали и технологии производства с автоматизацией производственных процессов. С течением времени механические шестерни стали слишком громоздкими, а цепи – тяжеловесными; силы трения маховиков и валов стали недопустимо велики. Требовалось создание привода, способного выполнять все возложенные на него нагрузки, будучи в тоже время компактным и простым в монтаже и эксплуатации. Такой системой передачи энергии стал гидропривод.

В качестве рабочей жидкости была практически несжимаемая среда - минеральное масло. Для создания необходимого давления был разработан ряд насосов, приводимых в движение двигателями, которые, по своему разнообразию типов, справлялись с различными задачами в различных условиях эксплуатации. Понадобились устройства, которые бы распределяли жидкость по разные направлениям и линиям, изменяя скорость движения жидкости и её давление в системе. Так появились гидрораспределители и клапаны. В роли самих исполнительных механизмов были разработаны гидроцилиндры (для линейного перемещения) и гидромоторы (поступательно-вращательные действия).

Так как механические процессы всё равно в некоторой степени присутствуют, в гидравлической системе образуется продукт трения и износа, пыль и осадок. Для решения этой проблемой были внедрены специальные промышленные фильтры, очищающие рабочую жидкость от всевозможных механических примесей для стабильной и продолжительной работы всех компонентов системы. В качестве линий соединений всех этих устройств используются рукава высокого давления (РВД), представляющие собой резиновые шланги с металлическим сетчатым каркасом внутри, которые могут быть протянуты на довольно значительные расстояния. Это свойство является одним из главных преимуществ гидравлики. Есть ещё одно устройство, которое мы не упомянули, но о котором в этой статье хотелось бы рассказать подробнее. Это устройство, способное накапливать энергию жидкости, когда энергия избыточна, и отдавать, когда она необходима. Это устройство получило название гидроаккумулятор.

Как понятно из самого названия, которое состоит из двух частей: гидра (жидкость) и аккумулятор; данное устройство аккумулирует (накапливает) жидкость под давлением, что является его основной, но не единственной функцией. Также их называют пневмогидроаккумуляторами. Происходит это потому, что для большей эффективности и уравнивания давлений жидкость в аккумуляторе подвергается давлению сжатого газа (Вместо газа иногда используется пружина, однако, данный тип аккумуляторов, как и грузовой, не получили большого распространения, они используются в специальных случаях и подробно на них останавливаться не будем). Так как газы растворимы в жидкостях, для разделения этих сред применяют каучук. Состав данного материала может меняться в зависимости от среды и условий использования. В качестве газа подразумевается, в основном, азот и никогда - взрывоопасные газы, такие, как кислород.

Гидроаккумулятор – это сосуд, работающий под давлением, который позволяет накапливать гидравлическую энергию и возвращать её в систему в нужный момент.

По способу накопления энергии гидравлические аккумуляторы разделяются на два типа:

• гидроаккумуляторы с механическим накопителем;
• гидроаккумуляторы с пневматическим накопителем.

Гидроаккумуляторы с механическим накопителем по конструкции разделяются на две основные группы:

• грузовые гидроаккумуляторы;
• пружинные гидроаккумуляторы.

В грузовых гидроаккумуляторах накопление энергии гидравлической жидкости и её возврат в систему происходит за счет потенциальной энергии находящегося на определённой высоте груза. В пружинных гидроаккумуляторах накопление энергии гидравлической жидкости и её возврат в систему происходит за счёт механической энергии сжатой пружины. В пневмогидравлических аккумуляторах (пневмогидроаккумуляторах) накопление энергии гидравлической жидкости и её возврат в систему происходит за счёт энергии сжатого газа. В пневмогидроаккумуляторах в качестве сжимаемой среды используется газ азот.

Каждому типу гидроаккумуляторов свойственны свои преимущества и недостатки.

Грузовой гидроаккумулятор

Преимущества:

• постоянное давление аккумулятора;
• простота конструкции;
• большой рабочий объём;
• низкая стоимость.

Недостатки:

• низкая энергоёмкость;
• высокая инерционность;
• громоздкость конструкции;
• низкое давление.

Пружинный гидроаккумулятор

Преимущества:

• относительная простота конструкции ;
• невысокая стоимость.

Недостатки:

• давление зависит от характеристики и линейной деформации пружины;
• небольшой рабочий объём;
• инерционность.

Пневмогидравлический гидроаккумулятор

Преимущества:

• высокая энергоёмкость при малых размерах;
• различные исполнения по конструкции и назначению;

Недостатки:

• давление аккумулятора изменяется в соответствии с политропным процессом сжатия и расширения газа.

Ввиду ряда недостатков гидроаккумуляторы с механическим накоплением энергии не получили широкого распространения и имеют ограниченное применение. Наиболее широкое применение на практике во всём мире получили пневмогидравлические аккумуляторы. Процесс сжатия и расширения газа в пневмогидроаккумуляторе является политропным процессом. Для модели идеального газа справедлива зависимость: P₀V₀ⁿ = P₁*V₁ⁿ = P₂*V₂ⁿ. Причём, интервал времени, за который происходит процесс, учитывает показатель политропы "n". Медленно протекающие процессы расширения и сжатия газа близки к изотермическому с показателем политропы n~1. Быстрому расширению и сжатию газа близок адиабатный процесс, поэтому показатель политропы принимается n~1,4. При давлении выше 200 бар поведение реального газа отличается от поведения модели идеального газа и, если его не учитывать, то при расчётах получается заниженное значение объёма гидроаккумулятора. В этом случае необходимо ввести корректирующий коэффициент, учитывающий это несоответствие. При практическом применении зависимость давления от объёма газа может быть снижена за счёт увеличения газовой полости путём присоединения дополнительного объёма.

При малом изменении давления в жидкостной полости гидроаккумулятора газ сжимается незначительно. В этом случае для поддержания давления в узком диапазоне изменяемый объём гидроаккумулятора может оказаться недостаточным для рабочего процесса. Для того, чтобы изменение объёма в меньшей степени влияло на изменение давления, газовую полость гидроаккумулятора увеличивают посредством подключения к ней дополнительного ресивера. В этом случае объём газовой полости складывается из объёма ресивера и изменяемого объёма гидроаккумулятора. Экономически целесообразно применять гидроаккумуляторы в системах с эпизодическими пиками потребляемого расхода, которые значительно превышают средний расход жидкости в гидросистеме. Установленная мощность гидропривода при этом может быть уменьшена в полтора-два раза, а потребление энергии такой системой можно снизить более, чем на 50%. Различные по конструкции (поршневые, баллонные, мембранные, сильфонные) и назначению пневмогидроаккумуляторы позволяют получить решения для многих задач, таких как:

• аккумулирование гидравлической энергии;
• питание системы в нештатных и аварийных ситуациях;
• уравновешивание сил и нагрузок;
• компенсация утечек;
• компенсация объёмов рабочей жидкости;
• демпфирование пульсации поршневых насосов;
• демпфирование пульсаций в напорных и всасывающих магистралях;
• демпфирование пульсации при работе топливных насосов высокого давления дизельных двигателей;
• гашение гидроударов;
• амортизационная подвеска мобильной техники и пр.

По конструктивному исполнению пневмогидроаккумуляторы делят на три типа:

• баллонные
• поршневые
• мембранные

Рассмотрим каждый из типов более подробно:

Баллонный гидроаккумулятор - самый распространенный тип аккумулятора на средний расход в гидроприводах быстрого действия. В качестве разделителя среды используется резиновый баллон. Изначально баллон находится под давлением газа. Жидкостная полость соединена с системой. При увеличении давления в системе, баллон сжимается, вбирая в аккумулятор некоторое количество жидкости. При уменьшении давления сжатый газ вытесняет жидкость обратно в систему. Устанавливаются обычно вертикально или горизонтально. Полость жидкости должна находиться снизу. Работать могут в диапазоне температуры от -50°С до + 150°С. Каучуковый баллон по мере износа может быть заменен на новый.

Поршневой гидроаккумулятор - простота конструкции обеспечивает ему сравнительно небольшую стоимость по сравнению с возможностью работать на больших объёмах (до 600 литров). Принцип работы такой же, как и у баллонного, с той лишь разницей, что в качестве разделительной среды используется металлический поршень. От материала уплотнений в поршне зависит среда и температура, с которой совместимы гидроаккумуляторы. В связи со своими особенностями, поршневой аккумулятор имеет свои преимущества, по сравнению с остальными. Вот некоторые из них:

• широкий ассортимент изделий: от 0.1 до 1200 л номинального объема;
• высокое соотношение между давлением зарядки газа и максимальным рабочим давлением жидкости;
• экономичное решение использования газовых резервных баллонов для систем с низкой разницей давлений;
• возможны низкие скорости потока. Ограничение: максимальная скорость поршня;
• экономия мощности;
• высокий уровень эффективности гидравлической установки;
• отсутствие возникновения внезапного падения давления газа при износе уплотнений;
• компактность;
• контроль объема жидкости по всей длине хода поршня, например, с помощью электрического конечного выключателя.

Мембранный аккумулятор - ввиду своих небольших размеров, используется чаще всего там, требуется моментальное высвобождение энергии при небольших размерах (например, станки или мобильная техника). Диапазон вместимости рабочей жидкости варьируется от 0,75 до 4 литров. Принцип работы схож с поршневым аккумулятором, только в качестве разделителя сред применяется каучуковая мембрана. Различают два типа мембранных аккумуляторов: со сварным и разборным корпусом. В сварной конструкции мембрана запрессована в кольцевой паз внутри корпуса, а специальная технология обеспечивает минимальный нагрев во избежание повреждений мембраны при сварке. В этом заключается отличие от разборной мембраны, где верхняя и нижняя части корпуса соединены посредством резьбы. Такое устройство позволяет заменять мембрану, не меняя корпус. Допустимая рабочая температура от -10°С до +80°С.

В процессе использования гидравлических систем было разработано много дополнительных устройств для более удобного использования и обслуживания гидроаккумуляторов. Например, запорно-предохранительные блоки, которые монтируются между аккумулятором и рабочей линией для предохранения его от перегрузки, его отключения и разрядки (применяют ручное и электрическое управление). Непосредственно, для заправки азотом аккумулятора, появились зарядные устройства. Их можно поделить на два вида по конструктивному и принципиальному исполнению: переливного типа и вакуумной перекачки. Первый вид представляет собой перепускной или редукционный клапан с манометром, который подключается к газовой полости аккумулятора и баллону с азотом. Заправка происходит по принципу перетекания из области высокого давления (азотный баллон) в область низкого (аккумулятор). Второй вид является более сложным устройством, обычно состоящим из гидравлической маслостанции, вакуумного насоса и с полностью автоматизированным управлением. Перекачивает азот путем вакуумной откачки из азотного баллона и наполнения газовой полости аккумулятора. Перед переливным типом имеет то преимущество, что может полностью выкачать газ из азотного баллона и имеет возможность работать с большими давлениями. Следует отметить, что у каждого производителя свои подсоединения к газовой полости, поэтому, если на предприятии установлено сразу несколько разных видов, необходимо иметь в наличии различные переходники. В настоящий момент, гидроаккумулятор установлен в среднем на двух из трёх гидравлических систем. Следует помнить, что, так как пневмогидроаккумулятор - это устройство, работающее под давлением, оно обязано иметь сертификат по безопасности той страны, в которой применяется. Это касается также и запорно-предохранительных блоков. Ведь зачастую только соблюдая правила безопасности и правильные условия эксплуатации можно добиться продуктивного, бесперебойного и долговременного протекания рабочего процесса.

Авторы:

• к.т.н, инженер технического бюро Хюдак Новокузнецк Кариколпаков Василий Михайлович
• инженер технического бюро Хюдак Санкт-Петербург Шашков Дмитрий