氣囊式蓄能器及其常見(jiàn)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)幼鳎夜ぷ鲿r(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(kāi)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(kāi)狀態(tài)，用以調(diào)節(jié)通過(guò)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(guò)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(méi)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(kāi)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(wú)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(guò)早關(guān)閉。
3．常見(jiàn)故障分析
(1)預(yù)充氣壓力過(guò)高時(shí)蓄能器失效。如果預(yù)充氣壓力過(guò)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(wú)法正常工作，甚至被破壞。
當(dāng)預(yù)充氣壓力過(guò)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(guò)高是導(dǎo)致氣囊失效的最常見(jiàn)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(guò)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)狻７浅Ｖ匾氖牵瑢⑿钅芷黝A(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)狻７駝t，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)椋S著溫度的升高，壓力也會(huì)相應(yīng)地升高，甚至超過(guò)允許的預(yù)充氣壓力值。
(3)預(yù)充氣壓力過(guò)低時(shí)。如果預(yù)充氣壓力過(guò)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(wú)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(guò)低，或者沒(méi)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(guò)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(wú)法控制的液壓系統(tǒng)，常出現(xiàn)蓄能器工作過(guò)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(guò)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(wú)法接受和排出指定容積的油液。通常，故障的來(lái)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(wú)法預(yù)測(cè)氣囊的破裂，在出現(xiàn)故障前，也沒(méi)有辦法來(lái)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(wú)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(guò)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(guò)液壓閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄能器的控制。電磁換向閥打開(kāi)液控單向閥，控制蓄能器的工作，通過(guò)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。