Akumulatory hydrauliczne
Akumulatory hydrauliczne (zwane również zasobnikami hydraulicznymi) przeznaczone są do gromadzenia
(akumulowania) energii potencjalnej w postaci cieczy pod ciśnieniem. Energię tą wykorzystuje się do
uruchamiania roboczych urządzeń układu hydraulicznego podczas jego normalnej lub awaryjnej pracy, a
ponadto do pokrywania krótkotrwałego zwiększonego zapotrzebowania cieczy pod ciśnieniem, kiedy bieżące
zapotrzebowanie jest zaspokajane przez stale pracującą pompę.
Gromadzenie cieczy roboczej, związane z akumulowaniem energii, może odbywać się za pomocą
obciążnika, bądz
sprężonego powietrza, bądz
też sprężyn. Największe znaczenie mają akumulatory
hydrauliczne gazowe, dzięki zastosowaniu których układ hydrauliczny może być zasilany przez pompę o
stosunkowo malej wydajności.
Akumulatory hydrauliczne znajdują także zastosowanie do:
- awaryjne sterowanie,
- kompensowanie przecieków cieczy roboczej,
- absorbowanie uderzeń,
- tłumienie pulsacji (tłumienie uderzeń i drgań).
1. Podział akumulatorów według nośnika energii i przegrody
Zasada działania wszystkich akumulatorów hydraulicznych polega na akumulowaniu energii ciśnienia.
" W akumulatorach mechanicznych (ciężarowych i sprężynowych) odbywa się przez zmianę energii
potencjalnej kosztem pracy podnoszenia ciężaru lub kosztem pracy odkształcenia elementu sprężystego
" Natomiast w akumulatorach gazowych gromadzenie energii potencjalnej odbywa się kosztem sprężania
gazu.
Sposób działania tych akumulatorów oparty jest na wykorzystaniu ściśliwości gazu do akumulowania
energii. Jako nośnik energii najczęściej stosowany jest azot. Akumulatory gazowe składają się głównie z
komory ciśnieniowej podzielonej na przestrzeń. gazu i przestrzeń cieczy oraz z przegrody gazoszczelnej.
Przestrzeń cieczy połączona jest z obiegiem hydraulicznym, wobec czego przy narastaniu ciśnienia następuje
sprężanie gazu w przestrzeni gazowej, natomiast przy spadku ciśnienia sprężony gaz może rozszerzać się w
skutek czego nagromadzona ciecz robocza zostaje wyparta z powrotem do układu hydraulicznego.
2. Akumulatory pęcherzowe
Rys. 48 akumulator pęcherzowy składa się ze zbiornika (9)
o dużej wytrzymałości, który przejmuje całkowite ciśnienie
panujące w układzie hydraulicznym, wewnątrz którego
znajduje się wypełniony gazem pęcherz (2), wykonany z
elastomerów. Do którego napełniania służy zawór gazowy
(11) umieszczony w górnej części akumulatora. W jego
dolnej części umieszczony jest zawór cieczowy (6), który
przede wszystkim zapobiega porywaniu ze sobą pęcherza
przez ciecz roboczą wypływającą z akumulatora. W tym celu
swobodny przekrój zaworu ma taki wymiar, aby nie mogło
wystąpić przekroczenie, zależnego od wielkości
akumulatora, maksymalnego natężenia przepływu (około
120 l/s).
Niektóre specjalne konstrukcje, tzw. akumulatory high-flow (o dużym przepływie), dopuszczają natężenie
przepływu do 140 1/s
(rys. 49). Niskociśnieniowy akumulator pęcherzowy  high-flow (o dużym przepływie)
1. Zawór gazowy
2. Zbiornik
3. Pęcherz
4. Tarcza z otworem
5. Przyłącze ( po stronie cieczowej)
Szczególna cecha tych akumulatorów o dużej wydajności polega na tym,
ze element przyłączowy ma zamocowaną tarczę z otworami które tworzą
duży swobodny przekrój, dopuszczający duże natężenie przepływu.
 Wariant takiego akumulatora przedstawia ( rys. 50),
1. Zawór gazowy
2. Zbiornik
3. Pęcherz
4. Zawór cieczowy
Rys. 50. Wysokociśnieniowy akumulator  high-flow (o dużym
przepływie)
Odmiana ta, nadająca się do stosowania w układach hydraulicznych z
ciśnieniem roboczym do 290 bar zawiera element przyłączowy z wstępnie
napiętym zaworem zwrotnym. W ten sposób zapobiega się również
wydostawaniu się pęcherza w razie całkowitego opróżnienia akumulatora
.Trzonek zaworu jest ponadto wyposażony w urządzenie tłumiące
zapobiegające uszkodzeniu zaworu przy otwieraniu lub zamykaniu
przepływu o dużym natężeniu.
Na ogół okazuje się konieczne. by otwór przeznaczony do
wbudowania zaworu cieczowego w zbiorniku ciśnieniowym miał większą
średnicę, niż otwór do wbudowania zaworu gazowego. W skutek tego
wmontowanie i wymontowanie pęcherza odbywa się zazwyczaj od strony cieczowej. Niektóre rozwiązania
wyjątkowo uwzględniają, możliwość bardzo pracochłonnego demontażu akumulatora w celu dokonania
wymiany pęcherza ,bądz
też uwzględniają konieczność bardzo szybkiej wymiany pęcherza.
Rozwiązania te umożliwiają wmontowanie i wymontowanie
pęcherza również od strony gazowej (odmiana  top repairable
(przystosowany do naprawy od góry)
1. Zawór gazowy
2. Zbiornik
3. Zawór cieczowy
Rys. 51. Hydraul akumulator pęcherzowy odmiany  top
repairable (przystosowany do naprawy od góry)
Działanie akumulatora pęcherzowego.
Pęcherz napełniany jest azotem o określonym wstępnym
ciśnieniu gazu, wielkość tego ciśnienia podaje producent w
odniesieniu do danego sposobu eksploatacji akumulatora.
Gdy w układzie hydraulicznym przekroczone zostanie
wstępne ciśnienie gazu przy rozpoczynaniu ładowania
akumulatora, wówczas otwiera się zawór i ciecz robocza
płynie do akumulatora .
Dalsze zwiększanie ciśnienia powoduje sprężanie gazu aż do osiągnięcia max. ciśnienia roboczego p2.
Zmiana objętości gazu w pęcherzu od min. do max. ciśnienia odpowiada pojemności użytecznej akumulatora.
Położenie zabudowy akumulatora pęcherzowego jest dowolne z punktu widzenia charakterystyki roboczej
jednakże zalecane jest położenie pionowe w pionowym lub nachylonym położeniu zabudowy akumulatora
zawór cieczowy powinien zawsze znajdować się u dołu.
3. Akumulatory przeponowe
1. Zawór gazowy
2. Zbiornik
3. Przepona
4. Talerzyk (grzybek) zaworu
5. Przyłącze ( po stronie cieczowej)
Rys. 53. Akumulator przeponowy o konstrukcji spawanej
Przedstawiony na rys. 53 akumulator przeponowy składa się
z wytrzymałego na ciśnienie zbiornika stalowego (2),
wykonywanego najczęściej w kształcie zbliżonym, do kuli lub
walca. Wewnątrz zbiornika akumulatora znajduje się przegroda w postaci przepony (membrany), wykonanej z
tworzywa (elastomeru) charakteryzującego się sprężystością i dużą wytrzymałością zmęczeniową. W
określonych zastosowaniach, gdzie stawiane są wysokie wymagania pod względem odporności elastomerów
jak na przykład w układach z cieczami korodującymi, wskazane jest dokonywanie wymiany przepony w
określonych odstępach czasu.
Pod tym względem, istnieją, dwie odmiany konstrukcji
akumulatorów przeponowych, mianowicie:
- akumulatory z korpusem spawanym (patrz rys.53):
- z korpusem łączonym śrubami.( patrz rys. 54).
1. Zawór gazowy
2. Zbiornik
3. Przepona
4. Talerzyk (grzybek) zaworu
5. Przyłącze ( po stronie gazowej )
Rys.54. Akumulator o konstrukcji łączonej śrubami
 Akumulatory przeponowe o konstrukcji spawanej maja przeponę zaprasowywaną w dolnej części zbiornika
przed wykonaniem spoiny obwodowej. Przez zastosowanie odpowiedniej metody spawania - np. spawania
wiązką elektronów - i przez szczególne rozmieszczenie przepony można z całą pewnością uniknąć uszkodzenia
elastomeru podczas spawania.
Natomiast w konstrukcji skręcanej śrubami przepona utrzymywana jest przez połączenie gwintowe w
górnej i dolnej części z zastosowaniem nakrętki nasadowej złącznej.
Przepony, w obydwu odmianach konstrukcyjnych, mają w dolnym końcu współosiowo umieszczony
talerzyk zaworowy, zapobiegający wyciąganiu przepony przez przyłącze cieczowe. Takie niebezpieczeństwo
występuje przede wszystkim przy całkowitym , rozdawaniu akumulatora.
Zasadę dziabania akumulatora przeponowego
przedstawia rys. 55
W stanie wyjściowym przepona jest od strony
gazowej wypełniona azotem o odpowiednim
wstępnym ciśnieniu Przepona przybiera wtedy
kształt wewnętrznego zarysu akumulatora, a talerzyk
zaworowy zamyka przyłącze cieczowe. Po
osiągnięciu minimalnego ciśnienia roboczego, tak
samo jak w akumulatorze pęcherzowym, następuje
uniesienie się talerzyka zaworowego wobec czego hydrauliczna ciecz robocza wpływa do akumulatora.
Użyteczna pojemność akumulatora wynika z różnicy objętości gazu przy minimalnym i maksymalnym
ciśnieniu roboczym.
Położenie zabudowy akumulatorów przeponowych jest dowolne, jednakże najczęściej stosowane jest
położenie pionowe.
4. Akumulatory tłokowe
Rys. 56. Przedstawia budowę typowego akumulatora
tłokowego:
1. Zawór gazowy 5. Tłok
2. Pierścień gwintowy 6. Rura
3. Pokrywa 7. Uszczelnienia zewnętrzne
4. Układ uszczelnień 8. Przyłącze (po stronie cieczowej)
Głównymi składnikami są zewnętrzna rura walcowa, tłok z układem
uszczelnień oraz umieszczane z obydwu stron pokrywy zamykające,
zawierające również przyłącze cieczowe i przyłącze gazowe. Rura
walcowa spełnia dwa zadania. Po pierwsze służy do przenoszenia
ciśnienia wewnętrznego, a po drugie realizuje prowadzenie tłoka, który
oddziela przestrzeń gazu od przestrzeni cieczy.
Sposób działania akumulatora tłokowego przedstawia Rys. 57.
Napełnienie komory gazowej azotem o
odpowiednim wstępnym ciśnieniu powoduje, że
tłok przylega do pokrywy po stronie cieczowej i
przykrywa otwór wlotu cieczy roboczej. Po
osiągnięciu minimalnego ciśnienia roboczego tłok
przemieszcza się w stronę przestrzeni gazowej i
spręża gaz.
Dysponowana pojemność użyteczna wynika z
sprężenia objętości gazu przy zmianie ciśnienia od minimalnego V1 do maksymalnego V2. W obydwu
przestrzeniach powinien występować możliwie wyrównany poziom ciśnienia i z tego względu wymaga się, by
tarcie między uszczelnieniem tłoka i ścianką wewnętrzną było bardzo małe podczas ruchu tłoka. Powierzchnia
wewnętrznej strony rury walcowej powinna więc być obrobiona z największą dokładnością.
Występowanie tarcia między uszczelnieniem tłoka i wewnętrzną ścianką nie pozwala na uniknięcie różnicy
między ciśnieniem w przestrzeni gazowej i ciśnieniem w przestrzeni cieczowej.
Wpływ tarcia objaśnia wykres 18 ,przedstawiający
przebieg ciśnienia cieczy roboczej i gazu w czasie trwania
cyklu pracy akumulatora z zastosowaniem dwóch różnych
układów uszczelnień.
Z wykresu wynika , że układ uszczelnień o
mniejszym tarciu powoduje mniejszą różnicę
ciśnień, a tym samym lepszą charakterystykę
działania. Opór tarcia nie jest jednak stały, lecz
wzrasta wraz ze zwiększaniem się ciśnienia. Przy
mniejszym ciśnieniu opór tarcia przewyższa siłę
wywołującą ruch totka; a zatem praca w zakresie
niskich ciśnień raczej nie może być realizowana.
Modyfikacja tłoka pozwala bezpośrednio
osiągnąć określone działania układu
hydraulicznego, jak na przykład, wyłączanie
pompy zasilającej lub nadzorowanie stanu napełnienia akumulatora.
 W tym celu, jak to przedstawiono na rys. 58, odpowiednie
tłoczysko zostaje połączone z tłokiem i wyprowadzone z
akumulatora. Umożliwiając realizację różnego rodzaju działań
sterowniczych, mianowicie:
" mechanicznych poprzez krzywki sterujące;
" elektrycznych z magnesami trwałymi albo indukcyjnymi
łącznikami zbliżeniowymi.
1.Tłok
2.Tłoczysko
3.Krzywa sterownicza
Rys. 58. Akumulator tłokowy z wysuniętym tłoczkiem
Innym wariantem umożliwiającym określenie położenia tłoka
może być zastosowanie ultradz
więkowego układu pomiarowego.
Układ ten zawiera mikroprocesor, który do różnych działań sterowniczych bezpośrednio
wykorzystuje takie dane, jak położenie tłoka oraz wyniki jednoczesnego pomiaru ciśnienia
gazu.