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      蓄能器的維修技術和故障診斷與工作原理以及類型

      蓄能器的維修技術和故障診斷與工作原理以及類型

      1.1 蓄能器的使用維修,蓄能器的使用維修主要包括蓄能器的安裝維護、故障診斷與排除及修理等。蓄能器的安裝包括安裝前的檢查、安裝、充氮等。正確的安裝固定與充氣,是蓄能器正常運行、發揮應有作用的重要條件。參數的測量與各類工具儀表的正確使用不可忽略。蓄能器在使用過程中,需防振、防高溫、防污染、防泄漏,要定期對氣囊進行氣密性檢查及其他方面的檢查。因此,日常檢查與維護保養不可少。日常檢查即用目視、聽覺和手摸及儀表等簡單的方法進行外觀及狀態的檢查,檢查時既要檢查局部也要注意設備整體。在檢查中發現的異常情況,對妨礙蓄能器繼續工作的應作應急處理;對其他的則應仔細雨觀察并記錄,到定期維護時予以解決。一些損壞的零部件也需要及時更換。主動維護是繼故障維修、預防維修、狀態維修后,國際上近幾年來提出的一種新的設備管理理論。

      它的定義是:對導致設備損壞的根源性參數進行修復,從而有效地防止失效的發生,延長設備的使用壽命。主動維護是在設備磨損之前針對其根源問題采取的措施,有效地控制磨損及失效的發生,從而大幅度地延長修理周期。主動維護不但為液壓設備與元件可造運行提供保障,同時可大幅度降低維修成本。蓄能器在液壓系統中屬于危險部件,所以在操作過程中要特別注意安全。蓄能器故障診斷與排除,既包括蓄能器本身故障的診斷與排除,又涉及蓄能器所在液壓系統的故障診斷與排除,兩者之間相互交織。

      故障診斷的主要工作內容有:①判定故障的性質與嚴重程度。根據現場狀況,判斷是否存在故障,是什么性質的問題(壓力、速度、動作還是其他),問題的嚴重程度(正常、輕微故障、一般故障、還是嚴重故障)。②查找失效元件及失效位置。根據癥狀及相關信息,找出故障點,以便進一步排除故障,這里主要弄清“問題出在何處”。③進一步查找引起故障的初始原因。如液壓油污染,元件可靠性低,環境因素不合要求等。這里主要弄清故障的外部原因。④機理分析。對故障的因果關系鏈進行深入地分析與探討,弄清問題產生的來龍去脈。⑤預測故障發展趨向。根據系統磨損劣化的現狀及速度、元件使用壽命的理論與經驗數據,預測蓄能器或液壓系統將來的狀況。分析、對比、統計、歸納與綜合,找出規律。

      1.2歷史回顧及研究現狀,17世紀和18世紀是液壓理論發展的鼎盛時期。形成并成熟于這段時期的流體靜壓傳遞理論、現代流體動力潤滑理論、流體動力學等理論,基本上奠定了現代液壓理論的基礎。而因為實際應用的要求,也出現一些簡單的蓄能器,比如用裝滿水的容器作質量塊的重錘式蓄能器。第二次世界大戰后期,液壓機械受到青睞,液壓伺服傳動在軍事武器制造業的應用使液壓傳動和控制技術得以發展,液壓控制技術、材料密封潤滑技術和自動控制技術的進步也為液壓控制理論的發展奠定了理論基礎。戰后由于軍事需要而發展起來的技術逐步轉向工業民用領域,并開始蓬勃發展。也就是從這一時期開始,針對成熟液壓控制理論和實用技術的蓄能器理論研究逐步受到重視。出現了一些具有通用性的蓄能器,比如彈簧式蓄能器、更加成熟的重錘式蓄能器和一些簡單的氣體蓄能器。

      從20世紀70年代開始,研究人員開始重視蓄能器基本理論(諸如參數選擇公式和頻率計算公式等)的研究,并不斷使其發展和完善。70年代末期,汽車節能技術的發展推動了蓄能器和蓄能器節能技術的研究,利用蓄能器在液壓系統中節能的功用開始引起重視。80年代,蓄能器的結構、種類、形式及功用開始多樣化,研制各種類型的蓄能器成為主要研究內容。90年代,新型計算機軟、硬件和控制技術的發展為液壓系統和智能型液壓元件的研究提供了先進的研究工具和研究手段,這為蓄能器的研究提出新的要求。

      液壓理論及技術的發展離不開新型液壓元件的研制和開發。目前,國內外針對蓄能器的研究工作大致有以下幾個方面。①適應新型液壓系統研究的發展,技術應用方面的研究開展較多。因為隨著液壓系統向高壓、高速、高精度方向發展,很多特殊系統不斷出現,這些系統對某個方面的要求一般很高,單純依靠改進其他元件不能達到目的,所以需要研制特殊蓄能器作為手段。比如針對吸收脈動,目本的Shini-chi YOKOTA研制了一種新型有源蓄能器,由多級式的PED(Piezo-Electric Device)裝置驅動,可有效消除由液壓元件引起的高頻脈動(500~1000Hz)。又如西安交大的邢科禮等人研制的一種串聯囊式蓄能器,對頻率為112~288Hz的脈動有良好的吸收效果,而且與常規蓄能器相比,它的衰減頻寬更寬。

      ②將已有的蓄能器理論和新的分析手段、控制理論等結合起來,在理論上進行創新,即以現有理論為基礎,采用較先進的研究手段和方法得出更有價值的理論成果。比如,哈工大的陳照第等人運用鍵圖理論分析蓄能器對管路系統壓力沖擊的影響。他們利用鍵圖理論建立了蓄能器的動態數學模型,證明了蓄能器對壓力沖擊的抑制作用,針對蓄能器吸收壓力脈動的功用提出了有價值的理論。此方法還可推廣到其他含有蓄能器的液壓系統的動態分析中去。

      ③以現有蓄能器理論和液壓系統理論為基礎,結合不斷出現的新型設計和計算軟件為支撐軟件,開發用于蓄能器回路輔助設計和計算或測試的軟件。比如Par.ker Hannifin Corp推出的Sharp EL512計算器,可以幫助用戶進行蓄能器參數選擇。還有燕山大學的吳曉明等人在對蓄能器及其理論進行充分研究的基礎上,利用“嵌入式”專家系統理論,對蓄能器及其回路軟件進行智能化開發,得到的蓄能器及其回路輔助設計軟件,可以邦助系統設計人員簡便選擇合適的蓄能器。

      蓄能器是一種能把液壓儲存在耐壓容器里,待需要時又將其釋放出來的能量儲存裝置。蓄能器是液壓系統中的重要輔件,對保證系統正常運行、改善其動態品質、保持工作穩定性、延長工作壽命、降低噪聲等起著重要的作用。蓄能器給系統帶來的經濟、節能、安全、可靠、環保等效果非常明顯。在現代大型液壓系統,特別是具有間歇性工況要求的系統中尤其值得推廣使用。

      1.3  蓄能器的工作原理,液壓油是不可壓縮液體,因此利用液壓油是無法蓄積壓力能的,必須依靠其他介質來轉換、蓄積壓力能。例如,利用氣體(氮氣)的可壓縮性質研制的皮囊式充氣蓄能器就是一種蓄積液壓油的裝置。皮囊式蓄能器由油液部分和帶有氣密封件的氣體部分組成,位于皮囊周圍的油液與油液回路接通。當壓力升高時油液進入蓄能器,氣體被壓縮,系統管路壓力不再上升;當管路壓力下降時壓縮空氣膨脹,將油液壓入回路,從而減緩管路壓力的下降。

      蓄能器類型多樣、功用復雜,不同的液壓系統對蓄能器功用要求不同,只有清楚了解并掌握蓄能器的類型、功用,才能根據不同工況正確選擇蓄能器,使其充分發揮作用,達到改善系統性能的目的。

      1.4  蓄能器的類型,蓄能器按加載方式可分為彈簧式、重錘式和氣體式。彈簧式蓄能器如圖1(a)所示,它依靠壓縮彈簧把液壓系統中的過剩壓力能轉化為彈簧勢能存儲起來,需要時釋放出去。其結構簡單,成本較低。但是因為彈簧伸縮量有限,而縣彈簧的伸縮對壓力變化不敏感,消振功能差,所以只適合小容量、低壓系統(P≦1.0~1.2MPa),或者用作緩沖裝置。

      (a)彈簧式

      (b)重錘式圖1-1  彈簧式和重錘式蓄能器,重錘式蓄能器如圖1(b)所示,它通過提升加載在密封活塞上的質量塊把液壓系統中的壓力能轉化為重力勢能積蓄起來。其結構簡單、壓力穩定。缺點是安裝局限性大,只能垂直安裝;不易密封;質量塊慣性大,不靈敏。這類蓄能器僅供暫存能量用。這兩種蓄能器因為其局限性已經很少采用。但值得注意的是,有些研究部門從經濟角度考慮在這兩種蓄能器的結構上做一些改進,在一定程度上克服了其缺點。比如國內某廠采用改進彈簧式蓄能器的結構。如圖2所示,加大彈簧外徑(大于液壓腔直徑)、限定彈簧行程(將彈簧最大載荷限定在許用極限載荷以內)的方法提高了蓄能器的工作壓力和容量,降低了成本。

      圖2  外彈簧式蓄能器,氣體蓄能器的工作原理以波義爾波義爾定律(PVn=K=常數)為基礎,通過壓縮氣體完成能量轉化,使用時首先向蓄能器充入預定壓力的氣體。當系統壓力超過蓄能器內部壓力時,油液壓縮氣體,將油液中的壓力轉化為氣體內能;當系統壓力低于蓄能器內部壓力時,蓄能器中的油在高壓氣體的作用下流向外部系統,釋放能量。選擇適當的充氣壓力是這種蓄能器的關鍵。這類蓄能器按結構可分為管路消振器、氣液直接接觸式、活塞式、隔膜式、氣囊式等。

      皮囊式蓄能器由鑄造或鍛造而成的壓力罐、皮囊、氣體入口閥和油入口閥組成。皮囊材質按標準,通常采用丁腈橡膠(R)、丁基橡膠(IR)、氟化橡膠(FKM)、環氧乙烷-環氧化氯丙烷橡膠(CO)等材料。皮囊式蓄能器,囊式蓄能器由耐壓殼體、彈性氣囊、充氣閥、提升閥、油口等組成。這種蓄能器可做成各種規格,適用于各種大小型液壓系統;膠囊慣性小,反應靈敏,適合用作消除脈動;不易漏氣,沒有油氣混雜的可能;維護容易、附屬設備少、安裝容易、充氣方便,是目前使用最多的。

      管路消振器是直接安裝在高壓系統管路上的短管狀蓄能器,結構如所示。這種蓄能器響應性能良好,能很好地消除高壓高頻系統中的高頻振蕩,多應用在高壓消振系統中。

       消振器,氣液直接接觸式蓄能器充入惰性氣體。優點是容量大、反應靈敏,運動部分慣性小,沒有機械磨損。但是因為氣液直接接觸,尺寸小,充氣壓力有限;密封困難,氣液相混的可能性大。所以這種蓄能器氣體消耗量較大,元件易汽蝕,容積利用率低。附屬設備多,投資大?;钊叫钅芷骼没钊麑怏w和液體隔開,活塞和筒狀蓄能器內壁之間有密封,所以油不易氧化。這種蓄能器壽命長、重量輕、安裝容易、結構簡單、維護方便,但是反應靈敏性差,不適于低壓吸收脈動。

      隔膜式蓄能器是兩個半球形殼體扣在一起,兩個半球之間夾著一張橡膠薄膜,將油和氣分開。其重量和容積比最小,反應靈敏,低壓消除脈動效果顯著。隔膜式蓄能器橡膠薄膜面積較小,氣體膨脹受到限制,所以充氣壓力有限,容量小。

      1.5蓄能器的功用,蓄能器的功能主要分為存儲能量、吸收液壓沖擊、消除脈動和回收能量四大類。

      第一類:存儲能量。這一類功用在實際使用中又可細分為:①作輔助動力源,減小裝機容量;②補償泄漏;③作熱膨脹補償;④作緊急動力源;⑤構成恒壓油源。以上五種功能原理基本相同,都主要應用蓄能器能夠較大量存儲能量的功能。其主要區別是參數選擇不同,采用不同的參數選擇公式就可以實現所需功能,滿足所需要求。

      第二類:吸收液壓沖擊。換向閥突然換向、執行元件運動的突然停止都會在液壓系統中產生壓力沖擊,使系統壓力在短時間內快速升高,造成儀表、元件和密封裝置的損壞,并產生振動和噪聲。為保證吸收效果,蓄能器應設置在沖擊點附近,所以蓄能器一般裝設在控制閥或液壓缸等沖擊源之前,可以很好地吸收和緩沖液壓沖擊。

      第三類:消除脈動、降低噪聲。對于采用柱塞泵且其柱塞數較少的液壓系統,泵流量周期變化使系統產生振動。裝設蓄能器,可以大量吸收脈動壓力和流量中的能量,在流量脈動的一個周期內。瞬時流量高于平均流量的部分油液被蓄能器吸收,低于平均流量部分由蓄能器補充,這就吸收了脈動中的能量,降低了脈動,減小了對敏感儀器和設備的損壞程茺。

      第四類:回收能量。用蓄能器回收能量是目前研究較多的一個領域。能量回收可以提高能量利用率,是節能的一個重要途徑。蓄能器因為可以暫存能量,所以可以用來回收多種功能、位置勢能。這方面的主要研究有:①回收車輛制動能量;②回收工程機械動臂機構位能;③回收液壓挖掘機轉臺制動能量;④回收石油修井機及鉆機管下落重力勢能;⑤回收電梯下行重力勢能。上海公新機械有限公司-張總-021-57958728,18964778658,歡迎來電咨詢。


        


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