蓄能器

蓄能器
辅助动力源提供一个辅助能源，即所储存的能源能在高峰时刻应用，以便选用较小的泵。

用较小的泵，也可以实现在瞬间提供大量压力油。

☆平稳保持液压系统中一定的流量和压力。

☆补充液体容积以保持一定的压力。

☆当液压装置发生故障、停泵或停电时，作为应急的动力源，以便安全地做完一个工作循环，如用于船舶液压方向舵。

☆较长时间地使系统维持一个必须的高压而无需开泵，以防止油料过热减少泵磨损并节约能源。

☆保持系统压力：补充液压系统的漏油，或用于液压泵长时期停止运转而要保持恒压的设备上。

☆驱动二次回路：机械在由于调整检修等原因而使主回路停止时，可以使用蓄能器的液压能来驱动二次回路。

☆稳定压力：在闭锁回路中，由于油温升高而使液体膨胀，产生高压可使用蓄能器吸收，对容积变化而使油量减少时，也能起补偿作用。

☆为设备的严重磨损区提供不间断但流量不大的润滑油。

建设工程、矿山设备中用于紧急情况下的操纵和刹车。

☆注模铸造设备操作中用于在一个短时间内提供高压。

☆机床上用于保持压力以便采用小规模的油泵。

☆汽轮机上用于提供润滑油。

☆油井、井口防喷器上用于作关闭闸门的备用动力。

☆流体储存，紧急能源，压力补偿，渗漏补偿，热胀吸收，增加流量。

☆对于间歇负荷，能减少液压泵的传动功率。

当液压缸需要较多油量时，蓄能器与液压泵同时供油；当液压缸不工作时，液压泵给蓄能器充油，达到一定压力后液压泵停止运转。

☆具体分析一个例子：蓄能器的重要性在高压EH油系统中，当系统的多数油动机快速开启时（比如汽轮机开始冲转，2个中压调节门同时开启，或者2900转时的阀切换，6个高调门同时开启），系统油压必然快速下降，此时油泵来不及做出反映，蓄能器在设计上位置不仅靠近油动机并且能比油泵更加迅速的向系统补充油液，避免系统油压下降到9.7MPA
时造成保护动作而停机。

吸收脉动：吸收液压泵的压力脉动。

☆减震，柱塞式/隔膜式泵等设备减少振动。

☆噪声衰减，柱塞式/隔膜式泵等设备降低噪音。

☆柱塞式/隔膜式泵等设备降低能耗。

☆使柱塞式/隔膜式泵等设备输出压力更加平稳，平衡管路油压波动。

吸收冲击吸收缓冲突发和剧烈的冲击造成的系统内压力巨变。

☆缓和阀在迅速关闭和变换方向时所引起的水锤现象。

☆在管道系统中减少因压力巨变而产生的振动和损失。

☆吸收液体流路中的冲击振动，以减少管路，装置和仪表的损坏从而节约费用。

☆液压传动中用于换向时吸收冲击。

☆叉车及车载升降台等设备用于压力突变时起阻尼作用。

☆航空母舰上用于吸收飞机降落时对拉索的冲击。

☆涌流控制，力学平衡。

☆缓和冲击的蓄能器，应选用惯性小的蓄能器，如Tobul气囊式蓄能器。

一般尽可能安装
在靠近发生冲击的地方，并垂直安装，油口向下。

如实在受位置限制，垂直安装不可能时，再水平安装。

一般情况要用的，常开的
蓄能器的基本功能
《液气压世界》2008年第1期阅读次数：2427
蓄能器的基本功能
蓄能器的功用主要分为存储能量、吸收液压冲击、消除脉动和回收能量等。

2.1 存储能量
这一类功用主要应用蓄能器能够较大量存储能量的功能。

在实际使用中又可细分为作辅助动力源、减小装机容量、补偿泄漏、作紧急动力源以及构成恒压油
源等。

2.1.1 作辅助动力源
典型液压源回路见图2-1,带蓄能器的液压源回路见图2-2。

图2-1 一般液压源回路图2-2 带蓄能器的液压源回路
两种回路从表面看仅为是否有蓄能器的差别,两种回路的性能差别却非常大。

蓄能器作为能量储存装置在液压源回路中出现,其主要用途是作为辅助油源,该回路经常在间歇性操作工况的液压系统中被采用。

液压源回路中安装蓄能装置,在减小液压泵的驱动功率、节约能源、降低噪声、消除肪动、降低设备运行成本等方面效果非常明显；另一方面还可以提高液压系统的安全性和可靠性,一旦发生故障或停电时,还可以作为应急动力源,促使主机恢复到安全状态,避免重大事故的发生。

这类回路在液压系统工作时能补充油量,减少液压油泵供油,降低电机功率,减少液压系统尺寸及重量,节约投资。

常用于间歇动作,且工作时间很短；或在一个工作循环中速度差别很大,要求瞬间补充大量液压油的场合。

典型辅助能源回路如图2-3所示。

液压机液压系统中当模具接触工作慢进及保压时,部分液压油储入蓄能器；而在冲模快速向工件移动及快速退回时,蓄能器与泵同时供油,使液压缸快速动作。

对于图2-4所示的回路,调节节流阀,可以控制油缸运动速度,低速时系统压力波动很小,油泵保持卸荷状态,由蓄能器提供压力油,蓄能器成为动力源,驱动油缸运动。

图2-4 蓄能器为动力源的回路
图2-5所示的回路设置大小两个蓄能器,可以完成高、低压两个泵的功能。

快进时,油泵和大蓄能器一起供油。

当移动件碰上快速开关A时二位二通阀动作,接通小蓄能器的回路,此时,小蓄能器的压力大于大蓄能器的压力,故单向阀B截止,油泵和大蓄能器的油过不来,由快进转为工作进给,同时,油泵向大蓄能器充油。

如果工作进给时间比蓄能器充油时间长,应用卸荷阀使油泵卸荷。

【例2-1】某轧钢厂实际年轧制能力大大超出了当初的年设计能力,年轧制能力的大大提高,导致轧制速度的提高。

液压系统如图2-6所示。

液压缸是其执行机构,由于轧制速度的提高,液压缸在同一时间内所需的液压油就更多,液压泵长时间处于超负荷状态,导致能耗增加,液压泵发热过高而损坏。

同时,液压泵输出的液压油油温上升,密封件老化加快,极易泄漏,从而要求停机处理。

当液压泵供油不足时,一组蓄能器就向系统供油,但是还不能满足系统供油需要时,蓄能器皮囊就极易破裂,对管路的冲击就会加大。

如果对恒压变量泵进行改造,加大其流量,那么液压泵的驱动电机也要重新进行匹配,再加上泵站内设备布置、空间布局也要重新考虑。

通过对液压系统的分析、比较,提出了一种代价最小,最切实可行的方法,就是加大蓄能器容量,经过比较选用了德国的HYDAC蓄能器。

改造完成后,用于主机生产,无需更换蓄能器皮囊。

降低了工人的劳动强度,又降低了成本,提高了生产效益。

图2-6 液压系统原理图
1—液压泵；2—单向阀；3—蓄能器；4—过滤器；5—伺服阀；6—液压缸
2.1.2 保持恒压
某些液压执行元件工作中要求在一定的工作压力下长时间保持不动,这时如果启动液压泵来补充泄漏以保持恒压是不经济的,而采用蓄能器则是最经济有效的。

液压系统泄漏（内漏）时,蓄能器能向系统中补充供油,使系统压力保持恒定。

常用于执行元件长时间不动作,并要求系统压力恒定的场合。

保压回路如图2-7所示,液压夹紧系统中二位四通阀左位接入,工件夹紧,油压升高,通过顺序阀1、二位二通阀2、溢流阀3使油泵卸荷,利用蓄能器供油,
保持恒压。

图2-7 保压回路
1—顺序阀；2—二位二通阀；3—溢流阀
【例2-2】在风力发电机液压系统中,蓄能器用于降低液压泵启动频率。

由于液压泵采用间歇工作制,当液压泵停止工作,而系统需要保压时,系统会有不同程度的内泄。

使用蓄能器后就可通过释放蓄能器中储存的压力油来补偿系统的泄漏,使液压系统的压力基本维持恒定,这样就降低了液压泵的启动频率。

在仅有一个失效制动类型执行机构的液压系统中,蓄能器容积往往选得很小。

如选用大容量的蓄能器,在制动过程中必须将蓄能器中储存的压力油泄回油箱,这样就降低了执行机构的响应速度。

BONUS600kW风力机的高速制动液压系统中使用0.32L 的蓄能器；NTK300kW风力机的机械制动液压系统中仅使用0.075L的蓄能器；NTK300kW风力机叶尖液压系统中,在高压油口中省略了蓄能器,靠缸体的变形和油液的微量压缩量来储存压力能。

【例2-3】小浪底水利枢纽是一座以防洪减淤为主,并兼顾供水、灌溉、发电等综合利用的大型工程。

枢纽泄水建筑物由3条孔板洞、3条排沙洞、3条明流泄洪洞、6条发电洞及正常溢洪道组成。

3条明流泄洪洞是枢纽主要泄洪建筑物,承担枢纽的泄洪、排沙、排漂等任务。

明流泄洪洞闸门和液压启闭机布置在进水塔内,每扇弧形闸门各由一台液压启闭机独立操作。

每套液压启闭机均有独立的液压泵站,泵站和油缸均布置在液压启闭机室
内。

启闭机采用摇摆式结构,油缸支承在机架轴承座中,吊头与弧门吊耳相连。

启闭机泵站设有两套油泵电机组,其中一套作为工作泵组,一套作为备用泵组。

两套油泵电机组共用一套液压控制阀块,油箱、管道均采用不锈钢材料,液压泵站的压力油经过管道进入油缸上、下腔,对闸门进行操作。

液压系统如图2-8所示。

为防止重力以及油液泄漏引起闸门下降,在油缸下腔装有气囊式液压蓄能器,为油缸下腔充液、保压,并配有蓄能器专用油泵电机组p2。

当蓄能器压力降至规定值时,该油泵电机组自动投入运行,为蓄能器充液、增压。

蓄能器的使用不但克服了以往机械锁定机构笨重、操作繁冗等缺点,还为方便集中控制和操作提供了前提条件。

当闸门处于全开或者局部开启位置,若油缸密封发生泄漏将导致闸门下沉时,油缸下腔通过气囊式蓄能器自动补泄,使闸门保持在所要求的位置。

当蓄能器压力低于调定压力时,压力继电器动作,接通蓄能器电机,延时10s后电磁铁通电,蓄能器充压,延时1~2min后电磁铁断电,5s后蓄能器电机停止转动。

蓄能器电机只有在主泵组两电机都停机状态下,才能投入运行。

图2-8 启闭机液压系统
2.1.3 作液体补充装置
对于图2-9所示的液压回路,因活塞杆占有一定的体积,蓄能器能补充供给液压缸内无杆腔与有杆腔之间体积差的油量。

活塞杆缩回时,油返回到有杆腔内,
多余的油储到蓄能器内；活塞杆伸出时,蓄能器内的油补充到无杆腔内。

图2-9 蓄能器作液体补充装置
2.1.4 作应急动力源
大型工程机械的转向和制动多采用液压助力。

当转向或制动系统的液压源出现故障时,蓄能器可以帮助解决其应急转向或制动的问题。

工厂突然停电,或发生故障,油泵中断供油,蓄能器能提供一定的油量作为应急动力源,使执行元件能继续完成必要的动作。

图2-10所示为应急动力源。

停电时,二位四通阀右位接入,蓄能器放出油量经单向阀进入油缸有杆腔,使活塞杆缩回,达到安全目的。

图2-10 应急动力源
2.2 吸收液压冲击
2.2.1 概述
输送液体的管道中,由于生产装置和生产过程的调节,常需要启闭阀门,水泵和水轮面也有可能发生突然开、停的情况。

这种时候,管道内的液体速度就会发生突然变化,有时还是急剧的变化,液体速度的变化使液体的动量改变,反映在管
道内的压强迅速上升或下降,并伴有液体锤击的声音,这种现象称为液击现象,也叫做水锤或水击。

液击造成管道内压力的变化有时是很大的,突然加压严重时可使管子爆裂,迅速降压形成的管内负压可能使管子失稳。

液击还常导致管道振动、发出噪声,严重影响管道系统的正常运行。

换向阀突然换向,液压泵突然停转,执行元件的运动突然停止,甚至在需要执行元件紧急制动时,都会使管路内液体受到冲击而产生冲击压力,这些情况下安
全阀也不能避免其压力的增高,其值可能高达正常压力值的几倍以上；这种冲击压力往往会引起系统中仪表、元件和密封元件发生故障,还会使系统产生强烈的振动。

如图2-11所示的回路,在控制阀或液压缸等受到冲击之前的管路上装设蓄
能器,可以吸收或缓和换向阀突然换向,油缸突然停止运动产生的冲击压力。

换向阀突然换向时,蓄能器吸收了液压冲击,使压力不会剧增。

图2-11 吸收液压冲击的回路
2.2.2 应用实例Ⅰ
飞机对加注油料的质量要求较高,另外,考虑到易于维护、工作寿命、动作的灵活性等因素通常选用皮囊式蓄能器作为水击压力缓冲器。

在管路内油压作用下皮囊内保持必需的剩余压力,皮囊内气体与所输送油料之间彼此隔开。

在加油系统管网中采用皮囊式蓄能器能够有效地抑制瞬变压力波,削减水击压力波动幅值,降低末端阀门在关闭过程中产生的压力波动频率；皮囊式蓄能器的初始空气体积越大抑制瞬变压力波动的效果越理想；与初始容积相对应,初始压力越大时由于其气体初始容积变小,因而其抑制效果要比初始压力小的效果要差些；安装位置越靠近水击压力发生源,蓄能器控制效果越理想；选用皮囊式蓄
能器作为水击压力缓冲器时应进行系统动态分析,同时统筹兼顾缓冲器的安装位置、容积大小及其运行参数之间关系才能更好地发挥控制水击作用；为了有效地控制水击,皮囊式蓄能器应尽量设置在飞机加油管路上,或安装在给加油车加油
的加油站内,并尽可能直接靠近水击压力起源地。

2.2.3 应用实例Ⅱ
在煤矿液压支架修理完成后,进行液压油缸工作试验过程中,即液压支架无
负载液压系统中,经常会发现油缸的伸缩是不平稳的,不是均匀的伸缩运动。

在井下不管是移架还是升降液压支架,即液压支架有负载的液压系统中,同样会经常
出现类似的现象。

同时发现液压管道有振动,甚至剧烈跳动,出现噪声现象,严重时,会导致高压胶管崩裂和接头损坏而卸压,甚至造成人身伤害事故。

在液压系统中出现的这类现象大部分是因为系统中产生压力瞬变所导致。

液压系统内的流速发生突变时必将引起液压冲击,在系统中完全避免液压冲击是很难的,但可通过适当途径减小液压支架液压系统的峰值压力,消除高压胶
管崩裂卸压伤人,降低噪声。

保持系统正常工作的重要途径为：增加乳化液泵的柱塞数,比如由三柱塞改为五柱塞泵,以减小系统压力的脉动；同时使液压系统保持较高的液压固有频率,一般可采用蓄能器来减小液压系统的峰值压力。

2.2.4 应用实例Ⅲ
随着超高层建筑的不断出现,电梯的速度变得越来越快,电梯坑道的建筑空
间也要随之发生改变。

电梯用缓冲器的行程随着电梯速度的增加要成平方地增加,这样电梯底坑就要随之加深,造成了建筑空间的很大浪费。

如果采用弹簧或者柱塞复位,其复位弹簧的高度将占用缓冲器总体高度中相当大的一部分。

为了节约空间,降低缓冲器的有效高度,一种利用活塞式蓄能器复位的适用于高速冲击
的小尺寸缓冲器被研制出来。

缓冲器主要实现缓冲和复位两个功能过程,所设计的新型缓冲器是采用蓄能器在缓冲过程中储存的能量来实现柱塞复位的。

在相同的制停条件下,这种缓冲器缓冲作用的时间短,大部分的动能通过蓄能器转化为油液的内能储存,另一部分通
过节流作用转化为热能消耗掉。

在理论上,最好的节流方式是梯形凸台和多孔式。

在此,综合考虑了结构、功能、成本等各方面因素,从理论设计上确定缓冲性能最优方案,采用径向分布节流小孔来实现缓冲过程的节流。

尽管活塞式蓄能器反应不像皮囊式灵敏,缸体加工和活塞密封性能要求较高,但通过设计,可以实现缓冲器结构上的一体化,使成本降低、结构紧凑。

因此,最终选用活塞式蓄能器。

蓄能器不仅可使缓冲过程平稳,而且其在缓冲过程中储存的能量,可取代传统缓
冲器中的复位弹簧,从而大大缩减缓冲器的轴向尺寸。

在高速电梯中采用此设计方案,可以减小底坑的高度,提高空间的利用率。

采用活塞式蓄能器取代气囊式蓄能器,缓冲性能可以满足标准要求,即使由
于蓄能器活塞质量的惯性会造成缓冲器外腔压力在缓冲开始阶段的振荡,但是通过减小活塞质量,可以使振荡现象得到明显的减轻,而且这个振荡是收敛的,不影响缓冲器的整体功能。

采用活塞式蓄能器可以实现缓冲器结构上的一体化。

蓄能器活塞的密封圈与缸壁之间的摩擦力大小对缓冲器的复位时间有较大的影响,宜采用组合密封。

2.3 消除脉动、降低噪声
2.3.1 概述
除螺杆泵之外,其他类型液压泵输出的压力油都存在压力脉动,从而影响液
压系统的工作性能。

对于采用柱塞泵且其柱塞数较少的液压系统,泵流量周期变化使系统产生振动。

为了减轻或消除压力脉动,通常的做法是在不变更原设备液压元件的情况下,在液压泵附近设置蓄能器,以吸收压力脉动（如图2-12所示）。

系统的压力脉动多是由流量脉动引起的,在一个脉动周期内,高于平均流量的部
分被蓄能器吸收,低于平均流量的部分由蓄能器供给。

这就吸收了脉动中的能量,降低了脉动；减小了对敏感仪器和设备的损坏程度。

图2-12 吸收压力脉动蓄能器回路
在多执行机构的液压系统中,由于泵的启动往往滞后,如系统中无蓄能器,在一个执行机构动作时会引起系统压力大幅下降,影响其他执行机构的正常工作。

蓄能器能使其压力波动大大减小。

例如,风力发电机偏航制动器制动时,如蓄能器损坏不起作用,会引起系统压力下降,从而引起机械制动器制动力矩减小。

在实践中往往发现,装设蓄能器前后设备振动状况改善不明显,这当然不是蓄能器的质量问题,实际上蓄能器在系统中吸收脉动的效果与很多因素有关,如蓄能器和管路中油液的质量、蓄能器的结构参数和状态参数、管路的特性、回路中元件的特性和流量脉动频率等。

因此,需要具体地分析。

2.3.2 应用实例
轧钢机液压压下采用三通阀控缸的结构形式,因此,液压缸有杆腔是恒定的压力油作用。

这样,如果在轧制过程中液压缸有杆腔的压力有脉动,这将引起轧制力的波动,从而影响到产品的质量。

因此,为保证轧制力稳定,通常在液压缸有杆腔的进油路上设置液压力脉动补偿蓄能器（见图2-13）。

图2-13 轧机压下液压回路
1—动态补偿蓄能器；2—伺服阀；3—压下缸；4—脉动补偿蓄能器
2.4 回收能量
2.4.1 概述
随着工业化进程的加速,能源需求量日益增加,石油资源面临枯竭的危机。

汽车节能已成为全球的热点问题。

国内外都在研究开发使用新型动力传动系统来提高设备经济性和动力性,降低能源消耗,减少大气污染,保护生态环境。

用蓄能器回收能量可以提高能量利用率,是节能的一个重要途径。

蓄能器因为可以暂存能量,所以可以用来回收多种动能、位置势能。

具体应用包括回收车辆制动能量、回收工程机械动臂机构位能、回收液压挖掘机转台制动能量、回收石油修井机及钻机管下落重力势能、回收电梯下行重力势能等。

例如,液压升降机是被广泛用于市政工程、建筑、安装、仓储、货物装运及工厂生产过程（在铸造、焊接、喷涂、搬运、装配等工作场合,就有各种升降机被用作输送和定位的工具）中的一种机械设备。

较大型升降机的驱动装置一般都选用液压缸,由其结构原理由工作特点所决定。

在升降机工作台携带着工件上升时,需要液压缸向其提供驱动力,即液压缸输出能量,把机械（液压）能转换成势能；而在升降机工作台携带着工件下降时,其势能将被释放出来。

这种势能如果
不能有效地回收利用,则会造成能量浪费。

这种能量浪费对于小型升降机来说尚不严重,但对于载重和举升高度较大、南非频繁工作的机型来说,就非常厉害了。

对于此类机型,应在其液压系统中设计储能装置,以把升降机下降过程中释放出的势能储存起来,并在上升时重新加以利用,从而减少无用功的消耗,提高能量的利用效率,并同时达到使系统运行平稳、工作可靠、安全的目的。

对于城市用车辆,需要频繁地起步加速与制动。

车速低、油耗高、排放污染与噪声严重是城市车辆的共有问题。

制动器频繁地作用,造成能量的无谓消耗。

如能把制动器消耗的能量回收,在车辆起步时释放,这无疑是提高能量利用率的有效途径,同时也会改善车辆排放性能。

对于工程机械,液压设备在运行过程中会产生很大的能量损失,利用蓄能器可实现系统节能,减小能量损失,提高传动效率。

蓄能器的作用是：在制动过程中,泵/马达呈泵的工况向蓄能器供油,使其回收制动能量,形成制动力矩,制动力矩的大小可通过改变泵/马达的排量进行控制；重新启动时,先由蓄能器释放储存的制动能量,通过泵/马达单独驱动车轮,当机器启动后达到一定速度时,再由发动机驱动；当发动机的输出功率大于驱动车轮所需功率时,多余的能量输入蓄能器储存起来；在发动机的转矩小于驱动车轮的需要时,蓄能器释放能量以加大驱动车轮的转矩。

加装蓄能器的主要优点是：吸收或补充发动机的输出转矩,使发动机始终工作在效率最高的工况下,回收与利用制动能量,大大降低了机器行驶中频繁启动和制动时造成的燃油消耗。

图2-14为柴油机的油马达启动系统,在该系统中设置有蓄能器。

启动时,扳动二。