气囊式蓄能器及其常见故障

引 言

气囊式蓄能器提供了一种改善液压系统性能的手段，可以用于储存压力能，吸收液压冲击，舒缓液压泵的脉动和流量的波动。气囊式蓄能器具有可靠的气体和流体隔离性能，从而确保其具有可靠的性能，最高的效率，而且使用寿命长，在液压系统中得到广泛的应用。它常被用于间歇动作，且工作时间短，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，以及作为提供应急能源等场合。

1 特性与结构

气囊式蓄能器的典型特征是在钢壳内有一个非折叠的、柔性的橡胶气囊。气囊的开口端连接在钢壳充气侧的气阀上。提升阀在弹簧的作用下保持常开状态，用以调节通过充油口的油液流量。气囊式蓄能器的顶部或底部组件是可维修的，从而可以提供最佳的灵活性。图1为气囊式蓄能器结构示意图。

在工业应用中，广泛使用三种类型的气-液蓄能器：活塞式，气囊式和膜片式蓄能器。每种类型的蓄能器都有其自身的优缺点。对于大多数的应用场合，活塞式蓄能器由于尺寸范围更宽，因此具有更高的效率和更大的灵活性。气囊式/膜片式蓄能器通常更适用于要求工作频率快、油液污染严重以及响应速度快的应用场合。这两种蓄能器具有极佳的气/液分隔能力。

气囊式蓄能器优点：a）.补充油泵流量；b）.提供应急能源；c提高系统效率；d）.补偿泄漏；e）.吸收液压冲击；f）.很好的抗污染能力；g）.通用性好，安全，但不能在受压状态下拆卸。缺点：a）.气囊破裂易导致流体系统产生气穴、气爆；b）.压缩极限（有效容积）小，一般不超过最大容积的20%。

2 工作原理和安装方式

气囊式蓄能器的的工作原理，如图2所示。

阶段（A）：蓄能器是空的，其充气侧与充油侧均没有压力。

阶段（B）：蓄能器充气到预定压力。

阶段（C）：液压系统压力逐渐升高。当系统压力大于蓄能器的预定压力时，液压油进入蓄能器。

阶段（D）：液压系统压力达到最大值。此时，蓄能器充满油液。达到其设计容量。系统中的溢流阀防止系统压力继续升高。

阶段（E）：系统压力开始下降。在预充气压力的作用下，迫使蓄能器内的油液流入系统。

阶段（F）：液压系统压力处于最小值。蓄能器内的油液全部流回系统。

无论哪种蓄能器，必须是垂直安装，即充油口朝下。气囊的受损范围则取决于流体的污染度，工作周期及其压缩比（即：系统最大压力与系统最小压力之间的比值）。在极端的情况下，部分流体可能与充油口隔断（如图3所示），从而使输出容积减小，或者气囊变长，迫使提升阀过早关闭。

3 常见故障

3.1 预充气时气囊失效

气囊式蓄能器的预充气过程是，在允许油液进入蓄能器充油侧之前，先在蓄能器的充气侧精确地充入干燥的惰性气体，如氮气。非常重要的是，将蓄能器预充气至指定的压力。预充气压力决定了当系统压力达到最小值时，残留在蓄能器中的油液的体积。典型地，在储能应用系统中，气囊式蓄能器的预充气压力等于系统工作温度下系统最小压力的90%，在针对具体应用选择蓄能器类型时，能否正确地对蓄能器进行预充气，并保持该预充气压力是一个非常重要的因素。

在预充气期间，气囊式蓄能器容易受到损坏。在充气和投入使用前，钢瓶内壁应该用系统油液进行润滑。这些油液起到缓冲和润滑的作用，在气囊膨胀时保护气囊。预充气时，在压力首次达到5MPa之前，应该缓慢地充入氮气。否则，气囊会立即失效：高压氮气迅速膨胀接着迅速冷却，会在折叠的气囊底部形成一条凹槽。接着，冷脆的橡胶由于迅速膨胀而不可避免地出现破裂，如图4所示。而且，气囊在提升阀的压迫下被切破，如图5所示。在预充气期间，尤其应该注意工作温度。因为，随着温度的升高，压力也会相应地升高，甚至超过允许的预充气压力值。

3.2 预充气压力过高时蓄能器失效

如果预充气压力过高，或者系统压力下降而未相应地降低预充气压力，则可能导致蓄能器无法正常工作，甚至被破坏。

当预充气压力过高时，气囊式蓄能器则在阶段（E）和（B）之间循环工作，气囊可能会补夹在提升阀组件中，从而导致提升阀弹簧组件出现疲劳失效；或者，当提升阀被关闭时，如果气囊被压在提升阀下面，则会导致气囊被夹破，如图5所示。预充气压力过高是导致气囊失效的最常见的原因。

3.3 预充气压力过低时

如果预充气压力过低，或者系统压力升高而未相应地增大预充气压力，也可能导致蓄能器无法正常工作，甚至被破坏。

对于气囊式蓄能器，如果预充气压力过低，或者没有预先充气，则会迅速地导致严重的后果。气囊被压入钢瓶顶部，挤入充气阀阀杆而被刺破，如图6所示。

这种情况称为“拔出（pick out）”。一般，只要一次工作循环就足以破坏气囊。

3.4 作为应急能源应用过程中失效

在实际应用中，作为应急能源的蓄能器，对于一些排放流量、输出压力或是最低工作压力无法控制的液压系统，常出现蓄能器工作过程中工作压力低于蓄能器预充压力，蓄能器内油液排空，蓄能器气囊反复接触提升阀，如果油液排放过快，可能出现提升阀夹住气囊，导致气囊损坏失效，如图7所示。

4 故障预防与应用

4.1 蓄能器的故障预防

蓄能器的故障通常定义为：在指定的系统压力范围内工作时，无法接受和排出指定容积的油液。通常，故障的来源是不希望的预充气压力损失或增大。需要重点强调的是，正确的预充气压力是延长蓄能器使用寿命的最重要因素。如果忽视了维持预充气压力和溢流阀设定压力的重要性，如果在调整系统压力时对预充气压力不作相应的调整，则蓄能器的使用寿命将大大缩短。

如果气囊破裂，则气囊式蓄能器将立即失效，如图8所示。由于完好的气囊基本不会引起气体或油液的渗漏，因此无法预测气囊的破裂，在出现故障前，也没有办法来测量气体或油液是否经由气囊泄漏。

4.2 蓄能器的应用

作为应急能源的蓄能器，对于一些排放流量、输出压力或是最低工作压力无法控制的液压系统，为保证蓄能器的正常工作，采用了下述几种方案。

图9(A)中，液压系统对压力变化、蓄能器油液排放流量要求不高，只在蓄能器的出油口加一个单向节流阀，简单控制蓄能器在高压时的排放速度。不足是高压对液压系统有一定的冲击，随着能量的释放，蓄能器压力会降低，因阀和管路在不同压力下过流量不同，导致液压驱动的执行机构速度不稳。

图9(B)中，在蓄能器的油口加减压阀，控制了蓄能器高压时出口压力，克服了因蓄能器的投入工作对整个液压系统的影响，如果液压系统执行机构负载变化较大，蓄能器存在着排空现象。

图9(C)中，在蓄能器的油口加顺序阀，对蓄能器最低工作压力可以起到保护，达到设定的压力后顺序阀关闭，保证蓄能器的最低工作压力不受负载的影响。

图10中，在蓄能器的进油口加控制阀组，通过液压阀来实现对蓄能器的控制。电磁换向阀打开液控单向阀，控制蓄能器的工作，通过压力继电器检测蓄能器压力，在最低工作压力时，关闭液控单向阀或启动充油泵装置，给蓄能器充油达到设定值，从保证气囊式蓄能器内的最低工作压力，从而避免因油液排空使气囊与提升阀接触。

5 结语

合理的设计，正确选择蓄能器，正确的安装和维护，可以保证蓄能器无故障地使用若干年。清洁的系统油液和精确的预充气压力，可以预防蓄能器的绝大部分故障，并保证整个液压系统具有较长的使用寿命和较高的工作效率。