氣囊式蓄能器及其常見故障

1．簡介

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。對于大多數(shù)的應(yīng)用場合，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、油液污染嚴重以及響應(yīng)速度快的應(yīng)用場合。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，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，可以用于儲存壓力能，吸收液壓沖擊，舒緩液壓泵的脈動和流量的波動。它常被用于間歇動作，且工作時間短，或在一個工作循環(huán)中速度差別很大，要求瞬間補充大量液壓油，以及作為提供應(yīng)急能源等場合。

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：①補充油泵流量；②提供應(yīng)急能源；③提高系統(tǒng)效率；④補償泄漏；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：①氣囊破裂易導致流體系統(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)：蓄能器充氣到預定壓力。

階段(c)；液壓系統(tǒng)壓力逐漸升高。當系統(tǒng)壓力大于蓄能器的預定壓力時，液壓油進入蓄能器。

階段(d)：液壓系統(tǒng)壓力達到最大值。此時，蓄能器充滿油液，達到其設(shè)計容量。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，迫使提升閥過早關(guān)閉。

3．常見故障分析

(1)預充氣壓力過高時蓄能器失效。如果預充氣壓力過高，或者系統(tǒng)壓力下降而未相應(yīng)地降低預充氣壓力，則可能導致蓄能器無法正常工作，甚至被破壞。

當預充氣壓力過高時，氣囊式蓄能器則在階段(e)和(b)之間循環(huán)工作，氣囊可能會補夾在提升閥組件中，從而導致提升閥彈簧組件出現(xiàn)疲勞失效；或者，當提升閥被關(guān)閉時，如果氣囊被壓在提升閣下面，則會導致氣囊被夾破，如圖64所示。預充氣壓力過高是導致氣囊失效的最常見的原因。

 

(2)預充氣時氣囊失效。氣囊式蓄能器的預充氣過程是，在允許油液進入蓄能器充油側(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，如氮氣。非常重要的是，將蓄能器預充氣至指定的壓力。預充氣壓力決定了當系統(tǒng)壓力達到最小值時，殘留在蓄能器中的油液的體積。典型地，在儲能應(yīng)用系統(tǒng)中，氣囊式蓄能器的預充氣壓力等于系統(tǒng)工作溫度下系統(tǒng)最小壓力的90%，在針對具體應(yīng)用選擇蓄能器類型時，能否正確地對蓄能器進行預充氣，并保持該預充氣壓力是一個非常重要的因素。

在預充氣期間，氣囊式蓄能器容易受到損壞。在充氣和投入使用前，鋼瓶內(nèi)壁應(yīng)該用系統(tǒng)油液進行潤滑。這些油液起到緩沖和潤滑的作用，在氣囊膨脹時保護氣囊。預充氣時，在壓力首次達到5MPa之前，應(yīng)該緩慢地充^氮氣。否則，氣囊會立即失效：高壓氮氣迅速膨脹接著迅速冷卻，會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。在預充氣期間，尤其應(yīng)該注意工作溫度。因為，隨著溫度的升高，壓力也會相應(yīng)地升高，甚至超過允許的預充氣壓力值。

(3)預充氣壓力過低時。如果預充氣壓力過低，或者系統(tǒng)壓力升高而未相應(yīng)地增大預充氣壓力，也可能導致蓄能器無法正常工作，甚至被破壞。

(4)對于氣囊式蓄能器，如果預充氣壓力過低，或者沒有預先充氣，則會迅速地導致嚴重的后果。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。在實際應(yīng)用中，作為應(yīng)急能源的蓄能器，對于一些排放流量、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充壓力，蓄能器內(nèi)油液排空，蓄能器氣囊反復接觸提升閥，如果油液排放過快，可能出現(xiàn)提升閥夾住氣囊，導致氣囊損壞失效，如圖67所示。

4．故障預防與應(yīng)用

(1)蓄能器的故障預防。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，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充氣壓力損失或增大。需要重點強調(diào)的是，正確的預充氣壓力是延長蓄能器使用壽命的最重要因素。如果忽視了維持預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)壓力時對預充氣壓力不作相應(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引起氣體或油液的滲漏，因此無法預測氣囊的破裂，在出現(xiàn)故障前，也沒有辦法來測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單向節(jié)流閥，簡單控制蓄能器在高壓時的排放速度。不足是高壓對液壓系統(tǒng)有一定的沖擊，隨著能量的釋放，蓄能器壓力會降低，因閥和管路在不同壓力下過流量不同，導致液壓驅(qū)動的執(zhí)行機構(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出口壓力，克服了因蓄能器的投人工作對整個液壓系統(tǒng)的影響，如果液壓系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)負載變化較大，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，對蓄能器最低工作壓力可以起到保護，達到設(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載的影響。

 

圖70中，在蓄能器的進油口加控制閥組，通過液壓閥來實現(xiàn)對蓄能器的控制。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蓄能器壓力，在最低工作壓力時，關(guān)閉液控單向閥或啟動充油泵裝置，給蓄能器充油達到設(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。