1 引言
在电磁阀试验台中需要进行电磁阀的各项性能测试试验包括动作试验、密封试验、泄漏试验、响应时间试验和寿命试验等。不同的测试试验对电磁阀试验台液压系统的要求不同,如动作试验、响应时间试验和寿命试验需要频繁开启和关闭阀门或启停泵,密封试验或泄漏试验需要维持系统压力的稳定。如果频繁开启和关闭阀门会使管路产生不稳定流动而造成压力冲击和脉动,若压力冲击过高会造成系统中仪表、元件和密封装置的损坏,并产生振动和噪声。因此,在电磁阀试验台中使用蓄能器组可吸收液流振动、增加系统工作的稳定性。又如使用蓄能器组可补偿泄漏或充当应急能源使系统在一段时间内维持恒定的工作压力,也可避免停电或系统发生故障时动力源突然中断所造成的机件损坏。
蓄能器通常有弹簧式、活塞式、皮囊式等几种类型。由于电磁阀试验台液压系统的工况较为复杂,且考虑到所使用的蓄能器应具有易于维护、寿命长和动作灵敏等特点该试验台选用皮囊式蓄能器组。皮囊式蓄能器有以下优点:首先它具有大小不同的规格因而适用于各类液压系统;其次它的惯性小、反应灵敏和不易漏气因而没有油气混杂的可能;再者它易于维护、附属设备少、安装容易和充气方便,所以皮囊式蓄能器是目前使用和研究最多的蓄能器。本文将以皮囊式蓄能器组为研究对象分析其在电磁阀试验台中的应用。
2 皮囊式蓄能器的结构和工作原理
皮囊式蓄能器的结构主要由金属壳体、皮囊和充气阀等部件构成,如图1所示。它的壳体用无缝钢管制作,其内壁经加工后,两端收口成半球形状。其内装有一个用丁腈橡胶与充气阀座一起压制而成的封闭的梨形皮囊,形成一个气密性腔室,皮囊靠压紧螺母固定于壳体上端。充气阀充气后用带有密闭圈的外罩把其封住。壳体下端的进油阀包括一个弹簧加载的提升件,使油可以出入壳体。当管路内压力升高时液体就进入蓄能器,压缩皮囊使其体积减少,使管路压力不再上升;若管路系统内压力降低,皮囊膨胀就将腔室内的液体向外排出,从而减缓管路压力下降。
皮囊式蓄能器按气体定律的原理工作,其气体的
压力与体积之间的基本关系由下式表达:
式中:V1和V0分别为气体在最高和最低压力下的体积;n为指数其值由气体工作条件决定,当蓄能器用来补偿泄漏、保持压力时,它释放能量的速度是缓慢的,可以认为气体在等温条件下工作,n=1;当蓄能器用来大量提供油液时,它释放能量的速度是很快的,可以认为气体在绝热条件下工作,n=1. 4。如能使气囊工作时在容腔1/3至2/3的区段内变化就可使该类蓄能器更加经久耐用。
3 皮囊式蓄能器组的选择方法
鉴于电磁阀试验台需要完成不同型号和尺寸系列电磁阀的多项性能测试工作,该试验台间歇动作且最低工作压力和最高工作压力相差很大,故对蓄能器组的详细要求有如下三方面:
(1)吸收液压冲击。电磁阀的快速开启与关闭会在液压系统中产生压力冲击,这种压力冲击会引起系统压力的显著升高,造成系统中仪表、元件和密封装置的损坏,并产生振动和噪声。因此在冲击源之前安装设蓄能器,就可以吸收和缓冲这种液压冲击;
(2)补偿泄漏。当进行需要液压系统保压的电磁阀密封试验和泄漏试验时,若频繁地启动泵来补偿内部泄漏是很不经济的,故可用蓄能器补偿内部泄漏来保持所需的压力而使泵卸载,这样可以延长泵的使用寿命并减少能耗;
(3)消除脉动降低噪声。电磁阀试验台液压系统中采用柱塞泵且其柱塞数较少,系统的压力、流量等参数脉动很大,这将会产生振动和噪声。若在系统中装设蓄能器,可显著地降低脉动,从而使对振动敏感的仪表及阀的损坏事故大为减少,同时可以显著地降低噪声。
电磁阀试验台在选择蓄能器时应考虑到蓄能器的最高工作压力最好不要超过最低工作压力的4倍,否则会因为胶囊的迅速压缩使得胶囊内气体温度升高过快,从而使胶囊变形,导致胶囊寿命的缩短。因此,如果系统要求的最低压力及最高压力相差很大,就要根据需要,选择多只不同型号的蓄能器。在蓄能器的充气压力p0选择上应使p0接近允许使用的最低工作压力p1,同时使之释放能量后仍有余量液体,但余量又不能过大,避免浪费有效容积,为此一般取p0=(0.8~0.9)p1,但无论如何p0不应小于0.25p2,以保证当系统达到最高压力p1时,气囊收缩后的体积仍大于充气压力下体积的1/4,其意义在于防止气囊变形太大,损坏气囊,因此,蓄能器通常按
充气。另外,蓄能器工作循环在3 min以上时,按等温条件计算,其余则按绝热条件计算。
基于以上原则,在电磁阀试验台中设置三只蓄能器组成皮囊式蓄能器组以满足系统要求的最低压力及最高压力相差很大的工况条件。三只蓄能器的工作压力范围分别为0. 27~0. 8 MPa、0. 9~2. 7 MPa和2. 7~4. 4MPa。在充气压力的选择上以工作压力为2. 7~4. 40MPa的蓄能器为例,其充气压力p0应满足0. 9×2. 7MPa≥p0≥0. 25×4. 4 MPa,故选择该蓄能器的充气压力p0≈2. 3MPa。
4 仿真研究
分析蓄能器组在整个系统中的作用可借助液压仿真软件AMESim得到不同的仿真曲线。如图2所示为泵启动阶段的仿真,曲线1为系统安装蓄能器组时的压力曲线,曲线2为系统不加蓄能器组时的压力曲线,通过比较可以看出,当系统安装蓄能器时压力缓慢上升,不会产生液压冲击,减少了对元件的损坏。图3所示为在泵关闭、系统发生了泄漏情况下,蓄能器组会起到维持系统压力和补偿泄漏的作用。如图中曲线1为系统中安装蓄能器组时系统的压力随时间变化的情况,曲线2为系统中未安装蓄能器组时系统的压力随时间变化的情况。从图中可以看出曲线2的压力变化很大,在2 s之前它的冲击很大,在2 s之后,由于系统有泄漏压力迅速下降,将无法继续进行实验,而安装蓄能器组的系统中的压力不但冲击小,而且在系统发生泄漏的情况下起到了保压的作用,这在进行电磁阀的密封试验和泄漏等试验中是非常重要的。
5 结论
皮囊式蓄能器与其它同类设备相比,其结构简单、性能可靠、投资少、能耗低和检查维修方便。皮囊式蓄能器组对电磁阀试验台的液压冲击和脉动有明显的吸收作用,同时使用蓄能器组可补偿泄漏或充当应急能源使系统维持恒定的压力,其对于改善系统性能和维护系统寿命都有很重要的作用。因此,蓄能器组在电磁阀试验台中的应用相对于其它工况条件复杂的液压系统也有一定的借鉴意义。
