CN102257280B - 蓄能器隔膜单元及其制造方法以及包括该蓄能器隔膜单元的钻岩机 - Google Patents

蓄能器隔膜单元及其制造方法以及包括该蓄能器隔膜单元的钻岩机 Download PDF

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Abstract

一种蓄能器隔膜单元(2)，其包含在用于在压力下储存液压能的蓄能器(1)中的蓄能器腔(6)内。蓄能器隔膜单元包括隔膜元件(3)，隔膜元件(3)在其外周缘密封地联结并限定内部隔膜体积(V)，内部隔膜体积(V)根据蓄能器隔膜单元的外部的压力改变。本发明还涉及蓄能器、方法和钻岩机。

Description

蓄能器隔膜单元及其制造方法以及包括该蓄能器隔膜单元的钻岩机
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分所述的蓄能器隔膜单元。本发明还涉及在压力下通过液压介质储存能量的蓄能器、用于制造蓄能器隔膜单元的方法和钻岩机。
背景技术
由GB 2 019 939 A预先已知一种压力容器，该压力容器用于例如阻尼压力脉冲或用于在液压系统中储存能量。在高压下充满气体的封闭壳体内部，定位有多个隔膜单元，每个隔膜单元包括两个圆形金属隔膜，这两个金属隔膜在它们的外周缘处焊接在一起以形成腔。该腔又连接到用于压力介质的供给管道。
如果液压系统中的流体压力超过了压力容器中的气体压力，则压力介质被压入腔内，隔膜由此克服气压的作用而膨胀。如果液压系统中的液体压力降到气体压力以下，隔膜被压在一起，使得来自腔的流体被压回到液压系统中。
GB 1 108 551涉及用于液压液体的压力蓄能器，其中，包含气体的蓄能器的一部分通过限制隔膜偏移的穿孔挡板壁分隔。
本领域的已知装置在苛刻的条件下的长期使用过程中是不可靠的，这是因为迄今使用的蓄能器装置有在高度变化的压力下发生故障的风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种如最初提到的蓄能器隔膜单元，该蓄能器隔膜单元相对于背景技术在操作安全性和制造友好性方面得到了改进。
本发明的目的还在于提供一种用于制造蓄能器隔膜单元的方法、蓄能器以及钻岩机，其中，至少减少了背景技术的问题。
这些目的由具有独立权利要求的特征的上述蓄能器隔膜单元、方法、蓄能器和钻岩机来实现。
由此，对于创新的蓄能器隔膜单元，能够实现的是，以液压介质的过压加压到蓄能器隔膜单元的外部，趋于通过单元的弹性变形展平单元，使得蓄能器隔膜单元响应于压力的增加从凸起状态逐渐变为平坦状态。
这一方面产生的优点在于：隔膜元件材料的弹性特性可以以非常有利的方式得到利用，这是因为储存的能量可以被基本上无损耗地接收，由此，即避免了在基本上通过压缩和膨胀气体体积作相应功时生成热量。因此，根据本发明，在给蓄能器隔膜单元的外部加压以及将用于实现该弹性变形所需的功转化为储存在隔膜元件材料本身中的弹性能期间，隔膜元件本身的材料的弹性变形引起创新性的能量储存。在减小对蓄能器隔膜单元的外部的加压期间，储存的弹性能将会以液压能的形式恢复。
本发明相对于背景技术的较大优点是，当以一定压力水平压缩隔膜单元时，进一步增加的压力不会引起对蓄能器隔膜单元的任何破坏，这是因为隔膜单元已经处于稳定的最终状态(基本平坦)。这导致根据本发明的蓄能器可被制成对载荷具有很好的耐受性，并且可预期根据本发明的装置具有较长的工作寿命。此外，传统的蓄能器必须加载和再加载，然而，根据本发明的蓄能器装置则可免维护。
应当指出的是，首先由于蓄能器隔膜元件的形状、大小以及隔膜单元的厚度和材料特性，并且在某种程度上也由于气体的可能含量或含量短缺，因此蓄能器隔膜单元可被调整，使得该单元在工作点和操作范围方面具有理想特性。此处，工作点指的是当单元开始储存能量时的压力点或压力值，单元以上述压力值之间的操作范围工作。
隔膜单元由刚性、但可弹性变形的材料制成。此外，隔膜元件由可弹性变形的材料形成，这样，通过以蓄能器隔膜单元的增大的液压压力加压，隔膜单元是可弹性变形，由此，液压能可作为弹性变形功储存在隔膜元件中。
因此，隔膜元件吸收能量并由此用作弹簧的形式，隔膜元件在周围压力增大期间向内弹，并在周围压力减小时以基本可逆的过程向外弹。
特别地，蓄能器单元在处于不受外部压力的状态时形成凸体。
适当地，蓄能器隔膜单元在非受压状态下是透镜形和圆形，并且优选地，蓄能器隔膜单元限制封闭的隔膜体积。然而，不排除封闭的隔膜单元通过管道与蓄能器外部的压力源连通，或者甚至与大气连通。此外，优选地，每个蓄能器隔膜单元由两个相同形状的隔膜元件形成，由此蓄能器隔膜单元具有对称面，其中，在隔膜单元联结在一起的区域中，隔膜单元优选地相对于对称面相切地邻接。
根据本发明，为了获得所产生的蓄能器的适当的理想特性，隔膜单元包括下组中的任意一种：压力下的气体、大气压的气体、基本上没有气体、真空。
为了获得对蓄能器隔膜单元所期望的特性，根据本发明的隔膜元件由弹性模量在大约70与2000GPa之间的材料制成。适当地，可以选取下组中的任一种或多种材料：钢、弹簧钢、铝、铝合金、钛、钛合金、合成材料、聚合材料、纤维增强(优选碳纤维增强)聚合材料。
通过使隔膜单元中心具有比外周缘更大的厚度，提高了展平之后单元抵抗不正确弯曲的安全性。
适当地，隔膜元件具有隔膜单元直径的大约1％与15％之间的曲率，其中，优选隔膜单元直径的大约5％与13％之间的曲率。
隔膜单元优选地通过下组中的任意一种联结在一起：焊接、软焊、用过渡封接夹紧、胶粘。
当隔膜单元通过焊接联结在一起时，优选围绕蓄能器隔膜单元施加径向向外导向的焊缝，以便联结隔膜单元。
用于在压力下通过液压介质储存能量的创新蓄能器，包括具有用于所述液压介质的密封连接机构的壳体。优选地，提供用于所述至少一个蓄能器隔膜单元的定位装置，该定位装置包括具有轴向方向和径向方向的夹持环，夹持环用于将相应的蓄能器隔膜单元与壳体的壁间隔开，并且必要时与侧向布置的隔膜单元间隔开。所述夹持环优选地具有轴向导向的凹部，上述凹部用于与每个蓄能器隔膜单元的外周缘区域协作。此外，所述夹持环优选地具有用于液压介质的至少一个径向通道。优选地，在将蓄能器隔膜单元压合在一起期间，夹持环能够径向膨胀。
在本发明的特定方面中，在同一个蓄能器中包括有多个蓄能器隔膜单元，多个蓄能器隔膜单元具有不同工作点(P1、P2…Pn)和操作范围(ΔP1、ΔP2…ΔPn)，其中，n是大于2的整数，使得通过同一个蓄能器能够实现多个工作点和操作范围。
通过创新的方法实现相应的优点。在优选的创新方面，施加围绕蓄能器部件单元并联结两个隔膜元件的径向向外导向的焊缝，在非受压状态下弯曲的隔膜元件被设置成用于形成透镜形状，隔膜元件通过压力装置一起压到基本上平坦的状态，在此压缩状态下将隔膜元件联结在一起。当压力装置基本上停止工作并由此使隔膜单元呈现其弯曲的形状时，将在形成的隔膜体积内实现近真空。
优选地，相同形状的隔膜单元被联结在一起，其中，隔膜单元在其联结的区域与对称面相切地邻接。根据需要，隔膜体积(V)供给下组中的任意一种：压力下的气体、大气压下的气体、真空。
从参照附图对实施例的以下说明中将更清楚地理解本发明的进一步的特征和优点。
附图说明
图1示出根据本发明的蓄能器的轴向截面；
图2a和2b分别以平面视图和轴向截面示意性地示出根据本发明的蓄能器隔膜单元；
图3示意性地示出用于加工岩石并装备有根据本发明的蓄能器的机器；
图4示意性地示出用于制造根据本发明的蓄能器隔膜单元的方法的顺序；
图5a和5b分别以平面视图和轴向截面示意性地示出根据本发明的另一实施例的蓄能器隔膜单元；
图6示出根据本发明的另一实施例的蓄能器的轴向截面，以及
图7a、7b和7c以轴向局部截面示意性地示出根据本发明可选择地构造的蓄能器隔膜单元。
具体实施方式
不同实施例中的相同和相似部件可用相同的附图标记表示。
图1示出的蓄能器包括壳体，壳体由主体部分和密封盖组成，主体部分和密封盖一起围封密封的蓄能器腔6，蓄能器腔6通过用于液压介质的连接机构10与外部液压回路11密封地连通。优选地，外部液压回路可包括在钻岩机的液压系统中。
在蓄能器腔6中包括形式为蓄能器隔膜单元2的两个反压单元，每个蓄能器隔膜单元2由在非加压状态下呈拱形的两个隔膜元件3构成，如图所示。示出的隔膜元件3是相同的，并通过对称面4(图中仅示出一个)联结，以形成基本上为透镜形的蓄能器隔膜单元2。隔膜元件3和蓄能器隔膜单元2围绕对称轴线A是圆形，并设置有外周缘区域，其中，隔膜元件3彼此基本相切并与对称面4基本相切地设置。焊缝5被定位在外周最外部并径向向外导向，焊缝5将两个隔膜元件3在其外周最外部密封地联结，以形成具有相对于周围密封地限定的隔膜体积V的单元。
蓄能器隔膜单元2通过由多个夹持环7组成的定位装置的布置定位并设置在蓄能器腔3内，夹持环7的尺寸设定为以便具有部分地容置相应的蓄能器隔膜单元2的边缘部的相应的凹部8。夹持环7优选地由合成材料制成，该合成材料相对于在蓄能器腔6内的通常温度下引入蓄能器腔内部的液压介质是惰性的。
夹持环7还具有允许液压介质在蓄能器隔膜单元2的全部外表面上自由流动的径向通道9，其中，蓄能器隔膜单元2定位并紧固在蓄能器腔6的内部。
因此，根据本发明，用于液压介质的连接机构10与蓄能器腔6内部的空间连通，该空间位于每个蓄能器隔膜单元的隔膜体积的外部。
图2a和2b示出蓄能器隔膜单元，图2b为截面图。图2a和图2b所示的单元2示出具有曲率，其中，隔膜元件3的中心区域22弯曲成具有径向曲率R1，对于具有直径Φ为120mm的单元，径向曲率R1，例如可为200mm。在示出的单元中，隔膜元件由薄弹簧钢制成并拱起大约5mm的高度h。12表示外周缘部，隔膜单元在外周缘部相互联结在一起。R2表示该区域的曲率半径。
在本发明的变体中，为了防止单元在完全压缩后呈现不正确的曲率，并且为了使单元在隔膜元件中的一个在第二隔膜元件中弯曲的非理想位置中调整，可采取额外的措施，以便产生理想的单元。在这种情形下，隔膜元件可在中心区域具有稍微更大的厚度，该稍微更大的厚度增加了对压缩后的不正确弯曲的抗性。可替代地，在隔膜元件的彼此相对的侧面上可布置小距离突起。
通过根据本发明的蓄能器隔膜单元可获得若干优势，其中可以提及的是，可以以有利的方式利用材料的弹性性能。这是因为在材料的弹性做功期间热量的产生非常低，其中，将会产生几乎绝热的过程，即分别在单元的压缩和膨胀期间没有热量产生。这对于钢并且尤其是弹簧钢是特别正确的，所述材料具有低磁滞性，并且对于本发明是优选的。
在压缩蓄能器单元2期间，在隔膜体积V基本上没有待压缩气体的情形下，这一现象最明显。
在任何情形下，弹性压缩此隔膜元件所需的功将明显地大于可能来自包含在隔膜体积V内部的气体的阻力。
然而，不排除隔膜体积V具有气体含量，以及甚至超出大气压的相当大的过压。在该情形下，压缩功一方面将取决于隔膜材料的形状，比如尺寸、厚度、拱顶高度等，以及材料的弹性模量；另一方面取决于在压缩单元期间待压缩气体的量。同样，对于隔膜体积内部的相当量的气体，热显影因此在许多应用中一般是完全可接收的，并且生成的热量被容易地转移和冷却。
在图3中示意性地示出具有活塞17的冲击机13，该冲击机13可以是无阀冲击机，并将其入口连接到液压介质的压力源P，将其排出口连接到容器T。与冲击机13连接的还有低压蓄能器14和两个高压蓄能器15。供给蓄能器用26表示。钻钢形式的工具用27表示。根据本发明的蓄能器特别适于作为低压蓄能器14应用。
本发明供给的液压系统的压力特性可以改变。由此，根据特定应用中的一般需求选择低压蓄能器的工作点P1和操作范围ΔP1以及高压蓄能器的工作点P2和操作范围ΔP2。
可能地，仅一个蓄能器，例如低压蓄能器，是根据本发明的蓄能器，而另外的蓄能器可以是其它的类型。应当理解的是，属于相应的蓄能器的蓄能器隔膜单元不受P1和P2水平以下的压力的影响，并且实际的蓄能器功在区间ΔP1和ΔP2内。
通过相应的单元的形状、隔膜元件的厚度和材料的特性，并且还通过气体的可能的含量或没有气体含量，适应蓄能器，使得单元被给予关于工作点P1和P2以及操作范围ΔP1和ΔP2的理想特性。由此，当压力水平相对较低时，在机器的冲击装置的返回阶段期间，低压蓄能器14可输送液压流体；当压力水平相对较高时，在机器的冲击装置的向前阶段期间，高压蓄能器15输送液压流体。
图4示意性地示出用于制造根据本发明的蓄能器隔膜单元的过程，其中：
位置16表示工序的开始。
位置17表示提供在未受影响状态下拱起的两个钢隔膜元件，并且将其组装形成透镜形状。
位置18表示致动压力装置，其中，平面压板具有对应于隔膜元件直径的尺寸，用于将隔膜元件一起压到基本上平坦的状态，这样，两个隔膜元件的装配的边缘区域在这些压板的外部都是径向可接近的。
位置19表示在边缘区域将隔膜元件焊接在一起，因此形成径向向外导向、包围蓄能器隔膜单元并密封蓄能器隔膜单元的焊缝。位置20表示从压力装置释放单元，由此，单元将显现透镜形状，封闭的隔膜体积V内将基本上没有气体(真空)或至少将包含低压气体，并由此将形成的单元定位在蓄能器内部。
位置21表示工序的完成。
图5a和5b示出根据本发明的实施例的蓄能器隔膜单元，其中，如图所示，蓄能器隔膜单元2由在非加压状态下拱起的两个隔膜元件3和一个支承盘30组成。隔膜元件3以相同的形状示出，每个隔膜元件3密封地紧固到支承盘30的相应侧上，以形成蓄能器隔膜单元2。隔膜元件3和蓄能器隔膜单元2围绕对称轴线A为圆形，并具有外周缘区域，在外周缘区域中，隔膜元件3相对于支承盘基本上相切地设置。焊缝5′和5″分别外周最向外并径向向外导向地定位，焊缝5′和5″在两个隔膜元件3的外周最向外地密封联结两个隔膜元件3与支承盘30，形成具有相对于周围密封地限定的隔膜体积V的单元。
31表示(中心地)通过支承盘30的通路，以便允许支承盘的两侧与整个隔膜体积V的各半体积之间气体连通。32表示可用于使隔膜体积V与蓄能器本身外部的周围连通、与大气、气体源或类似位置连通的通路。
图6以轴向截面示出根据本发明的另一实施例的蓄能器1。借助于具有由多个夹持环7构成的定位装置的布置，两个蓄能器隔膜单元2定位并设置在蓄能器腔6内，其中，夹持环7的尺寸设定成使得夹持环7以相应的凹部8部分地容置相应隔膜元件3的边缘区域。夹持环7由在蓄能器腔6内的通常温度下对蓄能器腔内部的液压介质成惰性的材料制成。
夹持环7还具有允许液压介质在蓄能器隔膜单元2外部自由流动的径向通道9，蓄能器隔膜单元2定位并紧固在蓄能器腔6内部。
在该实施例中，隔膜单元在其初始位置是平坦的，因此，由通过相应的支承环33隔开的隔膜元件形成基本上是盘形的隔膜体积V。在此情形下，通过“用中间密封件夹持”实现密封，即通过螺钉36夹持蓄能器壳体，从而夹持轴向导向的密封环35，以便获得相对于蓄能器腔6的其余部分的密封隔膜体积V。
32和34表示通路系统，该通路系统可用于使隔膜体积V与周围连通，与大气、气体源及类似位置连通。安装密封环38，以将通路系统32、34相对于蓄能器腔的其余部分密封。
在使用根据图6的蓄能器期间，蓄能器腔6内压力的增加将引起隔膜元件的压入或向内弯曲，使得体积V减小，由此液压能作为弹性变形能储存在隔膜元件中。当释放压力时，通过隔膜元件从平坦状态弹回原状，液压能得到恢复。
根据本发明，用于液压介质的连接机构(未示出)由此与蓄能器腔6内的空间连通，该空间位于用于每个蓄能器隔膜单元的隔膜体积的外部。
图7a示出具有两个隔膜元件的蓄能器隔膜单元2的一部分，其中，一个隔膜元件39由单一材料组成，第二隔膜元件包括彼此紧密联结的两个材料层40和41。隔膜元件通过例如为焊缝42形式的接合点联结，相对于图2a中的方案，上述接合点定位在蓄能器隔膜单元2更靠近中心的部分。
图7b示出蓄能器隔膜单元2的一部分，蓄能器隔膜单元2具有相同材料、厚度等或具有不同材料的两个隔膜元件3。在此情形下，隔膜元件同样通过比如焊缝42形式的接合点联结，相对于图2a中的方案，上述接合点定位在蓄能器隔膜单元2的更靠近中心的部分。该方案的一个不同点在于设置有外周缘环形支承元件43，在外周缘环形支承元件43的径向向内的表面处，隔膜元件3通过比如焊接与其径向向外面对的边缘联结。
图7c示出具有由两种不同材料制成的两个隔膜元件45和46的蓄能器隔膜单元2的一部分。在此情形下，隔膜元件3通过根据图2a公开的接合点彼此联结。
通过改变根据参照图7a-c和所附文字以上表示的隔膜元件的材料，蓄能器隔膜单元的特性依照需求可在一定程度上加以改变。对于蓄能器的尺寸也必须进行这种改变。
本发明可以在权利要求范围内改变。隔膜元件可以以不同于所述方式的其他方式密封地联结在一起以形成蓄能器隔膜单元，根据本发明的蓄能器可根据应用包括一个或更多个蓄能器隔膜单元。根据本发明，在同一个蓄能器内部也可能包括具有不同工作点P1、P2…Pn和操作范围ΔP1、ΔP2…ΔPn的蓄能器隔膜单元，使得可通过同一个蓄能器实现多个工作点和操作范围。
根据本发明的蓄能器可在高压下工作并耐受高压，并且甚至在压力超过250bar以及还在频率超过100Hz下不出现任何问题。由于该原因，蓄能器特别地但不是唯一地适合作为低压蓄能器应用，另外还适合周期性地以高压工作。
其中，“非加压状态”是指隔膜元件不受高压影响的状态。当然，图1-7示出的隔膜元件在一些加压状态下也是拱起的。其中，“拱起”在上文中是指“h”和“Φ”(如图2a所示)的关系，其中，Φ是隔膜元件彼此分离处的点之间的直径。
根据本发明的蓄能器的尺寸可依照需要和期望做出改变。隔膜元件的曲率和厚度也可依照提出的需求而做出改变。

Claims (16)

1.一种蓄能器隔膜单元(2)，所述蓄能器隔膜单元(2)包括在蓄能器(1)中的蓄能器腔(6)内，所述蓄能器(1)用于在压力下储存液压能，
其中，所述蓄能器隔膜单元包括隔膜元件(3)，所述隔膜元件(3)在它们的外周缘处密封地联结并限定内部隔膜体积(V)，所述内部隔膜体积(V)根据所述蓄能器隔膜单元外部的压力改变，以及
其特征在于，
所述蓄能器隔膜元件由至少一种材料形成，所述材料布置为使得所述隔膜元件在以所述蓄能器隔膜元件的增大的液压力加压期间能够弹性地变形，其中，液压能作为弹性变形能储存在所述隔膜元件的隔膜材料本身中。
2.根据权利要求1所述的蓄能器隔膜单元，其特征在于，
所述隔膜元件由刚性、但能够弹性变形的材料制成。
3.根据权利要求1所述的蓄能器隔膜单元，其特征在于，
所述蓄能器隔膜单元在非加压状态下形成凸体。
4.根据权利要求3所述的蓄能器隔膜单元，其特征在于，
所述隔膜元件具有拱起形状，使得所述蓄能器隔膜单元(2)在非加压状态下为透镜形状。
5.一种用于在压力下储存液压介质的蓄能器(1)，所述蓄能器(1)包括具有用于所述液压介质的密封连接机构(10)的壳体，其特征在于，在所述壳体内部包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的蓄能器隔膜单元(2)，并且，用于液压介质的所述连接机构与所述壳体内部的蓄能器腔(6)中的空间连通，所述空间在至少一个蓄能器隔膜单元(2)中的每一个的隔膜体积(V)的外部。
6.根据权利要求5所述的蓄能器，其特征在于，所述蓄能器设置有用于所述至少一个蓄能器隔膜单元(2)的定位装置(7)。
7.根据权利要求6所述的蓄能器，其特征在于，所述定位装置包括具有轴向方向和径向方向的夹持环(7)，所述夹持环(7)用于相对于所述壳体、以及在必要时相对于侧向定位的蓄能器隔膜单元保持相应的蓄能器隔膜单元(2)。
8.根据权利要求7所述的蓄能器，其特征在于，所述夹持环(7)设置有轴向导向的凹部(8)，所述凹部(8)用于与每个蓄能器隔膜单元(2)的外周缘区域协作。
9.根据权利要求7或8所述的蓄能器，其特征在于，所述夹持环(7)设置有用于液压介质的至少一个径向通道(9)。
10.根据权利要求5或6所述的蓄能器，其特征在于，在同一个蓄能器(1)内部布置有具有不同工作点(P1、P2...Pn)和操作范围(ΔP1、ΔP2...ΔPn)的多个蓄能器隔膜单元(2)，使得通过同一个蓄能器(1)实现多个工作点和操作范围，所述工作点是当所述隔膜单元开始储存能量时的压力值，所述操作范围是处于所述隔膜单元工作时的压力值之间的范围。
11.根据权利要求5或6所述的蓄能器，其特征在于，所述蓄能器隔膜单元(2)限定与所述蓄能器的外部连通的隔膜体积。
12.一种用于制造蓄能器隔膜单元(2)的方法，所述蓄能器隔膜单元(2)用于定位在蓄能器(1)中的蓄能器腔(6)的内部，所述蓄能器(1)用于在压力下通过液压介质储存能量，其中，所述蓄能器隔膜单元(2)包括隔膜元件(3)，所述隔膜元件(3)在它们的外周缘处联结在一起并限定根据周围压力改变的隔膜体积(V)，
其中，所述隔膜元件(3)联结在一起以形成蓄能器隔膜单元(2)，所述蓄能器隔膜单元在非加压状态下是凸形的，其中，所述蓄能器隔膜元件(3)由至少一种材料形成，所述材料布置为使得所述隔膜元件(3)在以所述蓄能器隔膜元件(3)的增大的液压力加压期间能够弹性地变形，其中，所述隔膜元件(3)的隔膜材料被选择为使得液压能作为弹性变形能储存在所述隔膜材料本身中。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述隔膜元件(3)通过下组中的任一种联结在一起：焊接、软焊、用过渡封接夹紧、胶粘。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述隔膜元件通过焊接联结在一起，
其特征在于，环绕所述蓄能器隔膜元件(2)施加径向向外导向的焊缝(5)，用于联结所述隔膜元件。
15.根据权利要求12、13或14所述的方法，其特征在于，
在非加压状态下拱起的两个隔膜元件被定位以形成透镜形状，
通过压力装置将所述隔膜元件压缩到基本上平坦的状态，以及
在此压合状态下将所述隔膜元件联结在一起。
16.一种钻岩机，包括至少一个根据权利要求5-8中任一项所述的蓄能器。
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