آکومولاتور های هیدرولیکی

آکومولاتور های هیدرولیکی

در سیستم‌های پنوماتیکی از سیالی که برای انتقال انرژی استفاده می‌شود به دلیل اینکه دارای تراکم‌پذیری بالایی می‌باشد مستقیماً برای ذخیره انرژی نیز استفاده می‌شود.

مخازن هوای فشرده معمولاً به همین منظور در سیستم‌های پنوماتیکی مورداستفاده قرار می‌گیرند. اما در سیستم‌های هیدرولیکی سیالی که برای انتقال انرژی مورداستفاده قرار می‌گیرد دارای خاصیت تراکم‌پذیری بسیار پایینی می‌باشد.

معمولاً روغن هیدرولیک دارای مدول بالک 1GPa تا 2GPa می باشد بنابراین، این روغن‌ها در ذخیره انرژی بسیار ضعیف هستند. به‌عنوان‌مثال 1لیتر روغن در فشار 15GPa حدود 80J انرژی ذخیره می‌کند درحالی‌که 1 لیتر هوای فشرده در همان فشار حدود 15KJ انرژی ذخیره می‌کند. بنابراین جهت ذخیره کردن انرژی در مدارهای هیدرولیکی و هیدرولیک نباز به وسایلی به نام آکومولاتور های هیدرولیکی می‌باشد.

طبقه‌بندی و عملکرد آکومولاتور

اکومولاتورها به سه دسته اصلی : وزنی ، فنری و گازی تقسیم میشوند.

آکومولاتور های وزنی

آکومولاتور های وزنی انرژی را با توجه به وزن بیستون و بار به شکل انرژی پتانسیل ذخیره می‌کنند. این نوع آکومولاتور ها فشار روغن که به محفظه پایینی اعمال می‌شود و منجر به جابجایی بیستون و بار می‌شود، شارژ می‌شود. نوسان فشار ناشی از جای‌جایی پیستون در این آکومولاتور ناچیز است بنابراین روغن خروجی دارای فشار ثابتی میباشد.

آکومولاتور فنری

در آکومولاتور فنری انرژی همانند انرژی الاستیک فنر ، ذخیره می‌شود. درواقع فنر به‌وسیله پمپاژ شدن روغن به‌طرف آکومولاتور فشرده می‌شود. این نوع اکومولاتورها روغن را در فشارهای مختلف تحویل می‌دهد. فشار روغن خروجی با توجه به کاهش نیروی فنر کاهش می‌یابد. فشار خروجی همچنین با حجم روغن موجود در محفظه آکومولاتور متناسب است. فشار روغن در آکومولاتور فنری از رابطه زیر به دست می‌آید:

P= K ( X₀/A + V/A² )

در این رابطه :

A = مساحت پیستون – m²

k = سختی فنر – N/m

P = فشار – P_a

V = حجم روغن در آکومولاتور – m³

X₀ = فشردگی اولیه فنر – m

آکومولاتور های گازی

آکومولاتورهای وزنی و فنری در صنعت خیلی مورداستفاده قرار نمی‌گیرند. از دلایل این مسئله می‌توان به‌اندازه بزرگ و محدودیت‌های کاری اشاره کرد.پراستفاده‌ترین آکومولاتورهایی که مورداستفاده قرار می‌گیرند، آکومولاتورهایی گازی هستند. در این آکومولاتورها روغن تحت‌فشار گاز که معمولا نیتروژن می‌باشد ذخیره می‌شود . اگرچه از هوا هم می‌توان به‌عنوان یک گاز شارژ کننده در روغن‌های ضد آتش‌زا استفاده کرد. آکومولاتور های گازی با توجه به مسائل جداسازی گاز و روغن به 4 دسته تقسیم می‌شوند :

نوع پیستونی ، نوع کیسه‌ای ، نوع دیافراگمی و آکومولاتور های بدون جداکننده گاز و روغن.

آکومولاتور های گازی با قطعه جدا کننده شامل یک بدنه فلزی متشکل از دو محفظه روغن و گاز می‌باشند. محفظه گاز از طریق یک شیر یک‌طرفه به‌وسیله گاز نیتروژن فشرده‌شده شارژ اولیه می‌شود. فرایند شارژ شدن هنگامی‌که آکومولاتور کاملاً خالی از روغن می‌باشد صورت می‌گیرد. محفظه‌های گاز و روغن به‌طور کامل از یکدیگر مجزا شده‌اند. در حین کار ، روغن وارد محفظه روغن آکومولاتور می‌شود. هنگامی‌که فشار روغن بیشتر از فشار گاز شارژ شده شود ، روغن به درون آکومولاتور را پیدا می‌کند و به‌این‌ترتیب حجم گاز کاهش می‌یابد و فشار آن افزایش می‌یابد. درنهایت هنگامی‌که فشار روغن و فشار گاز مساوی هم شدند سیستم به تعادل حالت پایدار می‌رسد درنتیجه روغن تحت گاز فشرده‌شده در فشار بالا ذخیره می‌شود.

اصطلاحات زیر در آکومولاتور ها استفاده میشود:

P₀ = فشار شارژ گاز اولیه آکومولاتور – Pa

P₁ = کمترین فشار سیستم – Pa

P₂ = بیشترین فشار سیستم – Pa

V₀ = اندازه آکومولاتور ، حجم گاز شارژ شده در فشار P0 – m³

V₁ = حجم گاز در فشار P₁ _– m³

V₂ = حجم گاز در فشار P₂_– m³

در طی فرآیند فشرده شدن گاز رابطه زیر برقرار میباشد:

P₀ V₀ⁿ = P₁V₁ⁿ= P₂V₂ⁿ = ثابت

در این رابطه مقدار n از 1.4 تا 1 متغیر است. در یک فرایند هم‌دما n = 1 مساوی یک می‌باشد .

برای فرایند پلی تروپیک 1 < n < 1.4 می‌باشد و برای یک فرایند ادیاباتیک n = 1.4 می باشد.

به یاد داشته باشید فشار را در این رابطه همواره به‌صورت مطلق در نظر بگیرید. اگر فرایند فشرده‌سازی آن‌قدر آهسته باشد که دمای گاز ثابت نگه‌داشته شود، فرایند از نوع هم‌دما می‌باشد و فشار گاز از طریق رابطه زیر مشخص می‌شود:

P₀ V₀ = P₁V₁ = P₂V₂ = ثابت

ساختار و عملکرد آکومولاتور های گازی

آکومولاتور پیستونی

آکومولاتور پیستونی مطابق شکل شامل یک بدنه استوانه‌ای شکل می‌باشد که به‌وسیله یک پیستون با آب‌بندی کامل، دو محفظه گاز و روغن از هم جداشده‌اند.

آکومولاتور پیستونی

این نوع آکومولاتور ها دارای معایب زیر می‌باشند:

جرم پیستون و آب‌بندها پاسخ زمانی آکومولاتور را کاهش می‌دهد.

آب‌بندهای پیستون تحت تأثیر سایش و نشتی گاز فشرده‌شده قرار می‌گیرند.

بنابراین در آکومولاتور های پیستونی لازم است فشار گاز به‌صورت متناوب کنترل شود.

آکومولاتور کیسه‌ای

در این آکومولاتور ها یک کیسه کار جداسازی روغن و گاز فشرده‌شده را انجام می‌دهد. کیسه لاستیکی به‌وسیله مجموعه شیر شارژ گاز در داخل بدنه فولادی محکم شده است.

آکومولاتور کیسه‌ای

این کیسه می‌تواند از طریق دریچه روغن آکومولاتور برداشته و تعویض شود. در ابتدا کیسه به‌وسیله گاز فشرده‌شده ، شارژ اولیه می‌شود. کیسه تا زمانی که با دیواره‌های بدنه برخورد کند ، کشیده می‌شوند.

جنس کیسه در برابر تنش‌های فشاری بالا مقاومت می‌کند اما مقاومت ان در برابر تنش‌های کششی و برشی بسیار پایین می‌باشد. بنابراین کیسه از طریق یکی از دو روش زیر که در مجرای روغن اعمال می‌شود در برابر خرابی ، محافظت می‌شود:

قرار دادن یک صفحه مشبک نیم کروی با سوراخ‌های ریز در مجرای روغن که اجازه می‌دهد روغن به‌راحتی از آن عبور کند.

قطر سوراخ‌ها انقدر کوچک هستند که باعث می‌شوند تنش برشی اعمالی به دیواره‌های کیسه کمتر از حد مجاز می‌باشد.

استفاده از یک شیر محافظ قارچی شکل که کیسه پس از شارژ اولیه بر روی آن می‌نشیند. هنگامی‌که پمپ، روغن را با فشار بالاتر از فشار شارژ اولیه به‌طرف آکومولاتور می‌فرستد ، روغن وارد آکومولاتور می‌شود و گاز را فشرده‌تر می‌کند و حجم آن را کاهش می‌دهد.

آکومولاتور کیسه‌ای

با رعایت موارد زیر می‌توان از خرابی کیسه آکومولاتور جلوگیری کرد.

حداقل فشار عملکرد بایستی از فشار شارژ اولیه بزرگ‌تر باشد. به‌این‌ترتیب کیسه آکومولاتور در حین عملکرد عادی آکومولاتور با قطعه محافظ کیسه در تماس نخواهد بود.

از بیش‌ازحد خارج شدن شکل طبیعی کیسه آکومولاتور بایستی جلوگیری شود. در همین راستا ، حداکثر نسبت فشردگی گاز لازم است در محدوده P₂ / P₁< 4 باشد.

همچنین اگر حداکثر فشار عملکرد P₂ کوچک‌تر یا مساوی سه برابر حداقل فشار عملکرد P₁ باشد P₂≤ 3P₁ از انبساط و انقباض بیش‌ازحد کیسه جلوگیری می‌شود.

اندازه آکومولاتور درواقع حجم گاز شارژ کننده آکومولاتور در فشار شارژ می‌باشد. دبی روغن آکومولاتور با توجه به شرایط فشار و مقاومت سیستم مشخص می‌شود. اگر مقاومت سیستم پایین باشد و فشار آکومولاتور بالا باشد، دبی روغن می‌تواند بالا باشد.

اگرچه با توجه به‌اندازه آکومولاتور ، حداکثر دبی روغن آکومولاتور به جهت افزایش طول دوره سرویس کیسه، محدود می‌شود.

یک آکومولاتور با اندازه یک لیتری می‌تواند حداکثر 240 لیتر روغن بر دقیقه دبی روغن را از خود عبور دهد. درحالی‌که یک آکومولاتور 50 لیتری دارای حداکثر دبی روغن 900 لیتر بر دقیقه می باشد.

آکومولاتور دیافراگمی

در این آکومولاتورها یک دیافراگم بین دیواره‌های بدنه آکومولاتور قرارگرفته است و کار جداسازی محفظه گاز و روغن را انجام می‌دهد. این دیافراگم یا به‌صورت جوشی ( غیرقابل تعویض ) و یا ب صورت پیچی ( قابل تعویض ) به بدنه آکومولاتور وصل شده است. یک صفحه دکمه‌ای شکل در زیر دیافراگم به‌صورت ثابت وصل شده است. این صفحه دکمه‌ای شکل از خرابی دیافراگم در حالات مختلف عملکرد آکومولاتور جلوگیری می‌کند. عملکرد این نوع آکومولاتور در شکل به‌صورت کامل توضیح داده‌شده است.