Основы аккумулятора… без математики

Я попытаюсь сделать невозможное: я собираюсь объяснить основы гидропневматических аккумуляторов без использования математики. Я буду использовать некоторые числа, где это необходимо, но суровая реальность заключается в том, что для правильного применения аккумуляторов требуется манипулирование уравнениями.

Аккумуляторы являются универсальным и ценным инструментом, но из-за отсутствия понимания их использования — и того факта, что немногие люди умеют правильно их применять — они недоиспользуются. К концу этой статьи я надеюсь заложить прочную основу теории для работы аккумуляторов.
Гидравлические аккумуляторы способны выполнять несколько функций: накопление энергии, компенсация утечек, а также снижение вибрации и ударов. Эти функции могут использоваться для различных применений и целей, хотя накопление энергии является наиболее распространенным. Немногие гидравлические системы настолько совершенны, что аккумулятор не улучшит их, возможно, за исключением крайних случаев высокой нагрузки, стоимости или легкости.
Гидравлическая жидкость, будь то масло, вода или синтетическая композиция, не очень сжимаема. Просто некоторые вещества сжимаются сильнее, чем другие, и на самом деле гидравлическое масло сжимается менее чем на 0,5% на 1000 psi. Таким образом, при поразительном давлении в 10 000 psi масло будет сжато на 4%. В реальных гидравлических системах сжатие может фактически быть выше из-за вовлеченного воздуха в масле.
Как видите, любая попытка накопить энергию путем сжатия масла бесплодна. Хотя декомпрессия большого объема жидкости под высоким давлением представляет собой определенную проблему, поскольку может выделяться много энергии, такое выделение энергии обычно происходит за доли секунды. Крупные системы высокого давления, такие как гибочные прессы или массивные ножницы, требуют наличия вспомогательных цепей для управления этой декомпрессией. Даже когда декомпрессия может происходить медленно, она никогда не бывает достаточно продолжительной, чтобы выполнять полезную работу по высвобождению энергии.
Газы, однако, обладают высокой сжимаемостью, и когда газ сжимается в замкнутом пространстве, где давление за пределами его баллона ниже, он сделает все, что в его силах, чтобы расшириться и уравнять его с давлением окружающей среды. Энергия давления, накапливаемая в сжатом газе, обратно пропорциональна размеру нового пространства, которое занимает газ. Например, взятие десяти кубических сантиметров окружающего воздуха и помещение его в один кубический сантиметр бокс увеличит давление в десять раз (всегда помните, что в этом вычислении должно использоваться окружающее, абсолютное давление).
Пневматические системы используют перепад давления между сжатым воздухом и атмосферой. Воздушные компрессоры «всасывают» окружающий воздух, а затем сжимают его до 1/7–1 / 11-го от первоначального объема, чтобы достичь значения от 90 до 150 psi. Этот сжатый воздух хранится и / или распределяется, где он использует перепад давления для создания механической силы в пневматических цилиндрах и двигателях. Чем выше степень сжатия, тем больший потенциал он должен выполнять, хотя в пневматических системах наступает момент, когда сжатие выше 150 фунтов на квадратный дюйм начинает выделять больше тепла, чем что-либо другое. Помните, когда вы уменьшаете объем воздуха, вы в основном берете все молекулы воздуха и тепловую энергию и конденсируете ее. Сжатие воздуха до одной десятой его первоначального объема также увеличивает температуру в десять раз (закон Чарльза).
Однако типичное давление в пневматической системе мало обеспечивает мотивацию в гидравлических системах. Даже при 150 psi, что является высоким для пневматической системы, вы даже не можете вращать большой объемный орбитальный двигатель без нагрузки на него. Итак, если пневматические системы не могут эффективно достичь 200 psi, как мы можем использовать газы для накопления энергии в системах с 3000 psi или более?
Гидропневматические аккумуляторы используют сжатый газообразный азот, поскольку он относительно инертен и является наиболее распространенным газом в нашей атмосфере. Азот не обладает магическими свойствами, позволяющими ему сжиматься без нагрева, но системы сжатия азота, как правило, большие, эффективные и дорогие. Они имеют тенденцию работать медленно, в несколько этапов. Это позволяет умеренной степени сжатия каждой ступени и обеспечивает охлаждение между ступенями. После сжатия азот может храниться в больших резервуарах или прямо в баллонах с азотом для раздачи конечным пользователям. Как правило, танки заряжены до 5000 фунтов на квадратный дюйм, что достаточно для заполнения большинства аккумуляторов.
Как только аккумулятор установлен, он готов к зарядке. Специальный шланг и зарядная головка, которые обычно поставляются в комплекте, используются для соединения азотного баллона с газовой арматурой аккумулятора. На зарядной головке будет установлен манометр для измерения давления внутри аккумулятора (обычно на баллоне также есть манометр). Когда клапан открывается, чтобы позволить азоту проникнуть в аккумулятор, слышен приток газа, поскольку он быстро заполняется. Перепад давления уменьшается, когда он заполняется, и клапан закрывается, когда достигается заданное давление.
Заданное давление аккумулятора обычно устанавливается на уровне 90% от минимального рабочего давления. Это позволяет максимально сжать газ для накопления энергии. Если заданное давление слишком низкое, эффект аккумулятора будет ленивым, и газ будет легко сжиматься и накапливать мало энергии. Если заданное давление слишком высокое, газ даже не начнет накапливать энергию, пока давление в системе не превысит заданное давление.

Аккумулятор накапливает энергию каждый раз, когда давление в системе превышает давление предварительной зарядки. Хотя это может происходить во время рабочего цикла на машине, схема предназначена для заполнения аккумулятора во время отключения, когда поток насоса не распределяется между приводами. Давайте возьмем пример машины и скажем, что главный предохранительный клапан установлен на 3000 psi, функция работы машины требует 2000 psi, а аккумулятор установлен на 1800 psi.
Когда система включена, когда все регулирующие клапаны закрыты, насос (который способен выдерживать давление 3000 psi) начнет работать, а при аккумуляторе 1800 psi это текущий путь наименьшего сопротивления. Аккумулятор будет принимать полный поток насоса до тех пор, пока давление не достигнет 3000 psi, где он пройдет через предохранительный клапан. Между насосом и аккумулятором, как правило, имеется обратный клапан, который обеспечивает сохранение энергии в аккумуляторе и не пытается протолкнуть обратно через насос или через предохранительный клапан.
Часто разгрузочный клапан оснащен функцией разгрузки, которая считывает давление со стороны аккумулятора обратного клапана, который запускает перепускной клапан полностью открытым, чтобы сбросить поток насоса обратно в бак при низком давлении. Функция разгрузки также может быть электрической, когда реле давления открывает электромагнитный клапан разгрузки или реле давления может быть запрограммировано на полное отключение двигателя насоса.
В этот момент аккумулятор готов добавить свою накопленную энергию в систему, которая часто комбинируется с потоком насоса для увеличения пиковой производительности, в то время как размер насоса остается меньшим. При работающем насосе и открытом направленном клапане поток из аккумулятора соединяется с потоком насоса для обеспечения высокого потока к приводу (ам), но только до тех пор, пока давление в аккумуляторе 3000 фунтов / кв. Дюйм не достигнет системного давления, и в этот момент он почти истощенный и больше не дополняющий поток, в данном случае 2000 фунтов на квадратный дюйм. Аккумулятор будет пополнять поток настолько быстро, насколько это возможно на основе перепада давления и расчетов расхода; Аккумуляторы иногда дозируются для предотвращения слишком быстрого поступления чрезмерного потока в систему.
Краткое объяснение работы аккумулятора: воздушная подушка заполнена газом, гидравлическая жидкость выдавливается в пространство, занимаемое газом, газ пытается вытолкнуть гидравлическую жидкость, а открытие нижнего клапана позволяет газу вытолкнуть газ. гидравлическая жидкость. Как я упоминал ранее, это делается для сохранения энергии, для компенсации утечки или для уменьшения удара или вибрации.
Энергия — это название игры, и в наши дни все, что нужно для ее спасения, считается первостепенным. В течение десятилетий гидравлические системы использовали аккумуляторы для накопления энергии, хотя изначально это было «для получения большего за счет меньшего». Поскольку маленький насос может использоваться с аккумулятором для обеспечения высокого расхода в системах с меньшим рабочим циклом, размер и стоимость экономятся на насосе и первичном двигателе. При высоких энергозатратах этот способ хранения энергии является экономичным и эффективным, особенно в системах, которые полностью отключают насос при низком потреблении.
Накопитель энергии не должен использоваться для непрерывной езды на велосипеде, и иногда аккумуляторы используются для аварийной энергии во время отказа насоса или потери электроэнергии. Жидкость под давлением в аккумуляторе может использоваться для открытия формы или перемещения машины в безопасное положение, в котором она может оставаться до тех пор, пока не будет восстановлено питание или исправлена ​​неисправность.
Для использования в качестве компенсации утечки аккумулятор может работать в течение продолжительных периодов времени. Например, функция зажима машины не требует, чтобы гидравлическая система работала и тратила энергию, пока она закрывает зажим. Аккумулятор может обеспечивать постоянное зажимное давление, даже когда поток медленно теряется из-за утечки через поршневые уплотнения или зазоры регулирующих клапанов. Когда давление в аккумуляторе упадет до критической точки, реле давления включит насос на время, достаточное для заполнения аккумулятора
Из-за физических свойств гидравлической жидкости легко передавать удары и вибрацию через трубы, трубки и шланги системы. Например, некоторые насосы создают импульсы давления, когда поршни или шестерни достигают своего выпускного отверстия. При добавлении небольшого аккумулятора на выходе из насоса сжатый газ может поглощать эти импульсы, как амортизаторы подвески вашего автомобиля могут поглощать неровности на дороге, обеспечивая более плавную работу.

Иногда пики давления довольно велики, например, при декомпрессии большого цилиндра под высоким давлением, как обсуждалось ранее. Добавив аккумулятор в возвратную линию этих машин, можно снять гидроудар и предотвратить повреждение компонентов, расположенных в обратной линии и которые часто не рассчитаны на высокое давление.

Хотя каждый пример использования аккумулятора требует своего собственного, уникального уравнения для решения критических параметров, таких как объем аккумулятора и давление предварительной зарядки, вам не нужны эти формулы, чтобы понять, как и где использовать аккумулятор. Но если вы не понимаете математику, вам нужно будет воспользоваться услугами кого-то, кто понимает. Аккумуляторы просты в применении, но, как говорится, дьявол кроется в деталях.

Автор — JOSH COSFORD