CN110374942A - 一种大容量皮囊式恒压蓄能器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大容量皮囊式恒压蓄能器及其应用，包括壳体及置于壳体内的皮囊、变面积活塞、浮动活塞、活塞、法兰；其中，浮动活塞套在变面积活塞的活塞杆上，变面积活塞的活塞杆底端与活塞连接，且变面积活塞与活塞的中轴线上开设有通孔，通孔与皮囊之间连接有充气阀，通孔底部连接有盖板，活塞上设置有单向阀Ⅰ和单向阀Ⅱ，法兰与壳体底部内壁连接。本发明新型大容量皮囊式恒压蓄能器具有不易泄漏、寿命长，惯性小、反应灵敏，适用容积范围大等优点，可广泛适用于各类液压系统。

Description

一种大容量皮囊式恒压蓄能器及其应用

技术领域

本发明涉及一种大容量皮囊式恒压蓄能器及其应用，特别涉及一种大容量皮囊恒压液压蓄能器，适用于各类机械的液压系统，属于蓄能器技术领域。

背景技术

随着工程机械液压系统的不断发展，液压系统中的冲击、压力脉动等问题越来越严重，同时，出于环保和节能要求，对液压系统也提出了能量回收的要求。为了适应液压系统的发展，各种类型的蓄能器的应用越来越广泛，蓄能器已经成为液压系统中十分重要的能量储存元件，在吸收压力脉动、能量回收等方面起着重要的作用。

目前，除重力加载式蓄能器外，现有的蓄能器在向外释放液压能时，大都压力不断下降，从而又会在管路中产生压力和流量脉动；在蓄能器内部压力降低到系统压力之后，蓄能器就无法向外继续输出油液，其有效容积不高，即存在“死容积”问题。

液压蓄能器是液压系统中非常常见的一种装置，有储存压力能、消除压力脉动、降低噪声、吸收液压冲击、补偿泄露、作辅助(或紧急)动力源等作用。现有的液压蓄能器大多无法实现输出恒压油液，如果蓄能器输出恒压油液，就可以减少液压蓄能器释放能量时对液压管路及各种附件的液压冲击，降低回路中的冲击振动和噪声，延长相关部件寿命，也可以一定程度上简化液压管路。

为了解决蓄能器输出压力不断降低的问题，美国范德比尔特大学的爱立克巴斯教授提出了恒压蓄能器的新概念。上海大学张国贤教授也曾对其进行研究，表明该结构改变了传统蓄能器排油过程中压力不断降低的问题，并且提高了容积能量密度。

但目前的各恒压蓄能器(系统)方案仍存在以下问题：(1)隔膜式恒压蓄能器只能略微减小“死容积”问题；(2)隔膜式恒压蓄能器采用隔膜式结构，容积太小，无法适用于流量较大的工程机械；(3)重力加载式蓄能器体积庞大，反应迟钝，目前应用较少；(4)恒压蓄能器系统组成元件多，结构较为复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种大容量皮囊式恒压蓄能器，该蓄能器采用大容量皮囊，能够实现液压系统工作过程中的蓄能及恒压缓冲，可适应工程机械大容量的要求。

本发明还提供了上述一种大容量皮囊式恒压蓄能器的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种大容量皮囊式恒压蓄能器，包括壳体及置于壳体内的皮囊、变面积活塞、浮动活塞、活塞、法兰；其中，浮动活塞套在变面积活塞的活塞杆上，变面积活塞的活塞杆底端与活塞连接，且变面积活塞与活塞的中轴线上开设有通孔，通孔与皮囊之间连接有充气阀，通孔底部连接有盖板，活塞上设置有单向阀Ⅰ和单向阀Ⅱ，法兰与壳体底部内壁连接。

优选的，所述变面积活塞为弧形结构。此设计的好处是，变面积活塞设计成弧形形状，在挤压皮囊过程中，弧形结构更容易与皮囊贴合，避免尖锐的棱角刺破皮囊。

优选的，所述变面积活塞的活塞杆底端与活塞螺纹连接。

优选的，所述活塞表面开设有多圈凹槽，凹槽内放置有O型密封圈。此设计的好处是，活塞套装上O型密封圈，能起到密封作用，防止油液泄漏。

优选的，所述充气阀与通孔螺纹连接。

优选的，所述盖板上设置有螺纹柱，螺纹柱插入通孔底部与通孔螺纹连接。

优选的，所述盖板与活塞之间设置有海绵垫片。

优选的，所述盖板上设置有一小孔。此设计的好处是，在拆下变面积活塞时可以用钩子钩住小孔，便于将变面积活塞拉出。

优选的，所述法兰与壳体内壁螺纹连接，并通过紧定螺钉固定。

优选的，所述活塞上设置两个单向阀Ⅰ和两个单向阀Ⅱ，两个单向阀Ⅰ和两个单向阀Ⅱ间隔均布设置在同一圆周上，且单向阀Ⅰ和单向阀Ⅱ的开启方向相反。

一种大容量皮囊式恒压蓄能器的工作方法，包括以下步骤：

当蓄能器储存能量时，液压油一侧为高压，高压油液推动变面积活塞运动，变面积活塞挤压皮囊，皮囊内的气体被压缩而压强增大，在压缩过程中变面积活塞有效受力面积逐渐减小；在此动作过程中，单向阀Ⅰ开启，单向阀Ⅱ关闭，油液通过单向阀Ⅰ进入浮动活塞腔，在增大蓄能器容量的同时降低皮囊被压缩速度，减少发热；

当蓄能器释放能量时，变面积活塞传递压力，推动液压油输出，在皮囊中的气体膨胀时，气体压力逐渐减小而变面积活塞有效受力面积逐渐增大；在此动作过程中，单向阀Ⅰ关闭，当浮动活塞腔油液压力大于活塞腔油液压力设定值时，单向阀Ⅱ才开启，油液通过单向阀Ⅱ向活塞腔输出，降低蓄能器释放能量时的压力脉动，维持恒压效果。

本发明的有益效果在于：

1)本发明采用皮囊式结构，容量比隔膜式恒压蓄能器大，可根据液压系统大小选择皮囊规格以及充气压力等参数，能适应大中小型液压系统；采用皮囊式结构，与重力加载式蓄能器相比反应更加灵敏；采用皮囊式结构，且所用皮囊下部(即与充气阀相连接处)为平面状结构，以保证皮囊形变符合设计要求。

2)本发明中的杯状变面积活塞使用硬质铝合金材料制造，满足强度要求的前提下尽量减轻重量，从而保证蓄能器有较高的灵敏度；采用杯状变面积活塞，释放能量时随着皮囊膨胀、气体压强减小而活塞有效面积增大，能保证输出液压油压力基本恒定，降低蓄能器输出油液时压力脉动，使得系统压力波动小；杯状变面积活塞上部与皮囊接触部分采用弧形结构，各棱角处均倒圆角，减小应力集中，使皮囊变形较为缓和，降低对皮囊材料的要求；针对具体系统合理设计可以使得“死容积”很小，甚至减小到零。

3)本发明中活塞上布置有两组单向阀式油孔，每组两个，一方面有效利用了蓄能器内空间，增大蓄能器储油量；另一方面起缓冲作用，平衡变面积活塞腔和浮动活塞腔的油液压力，使得蓄能器在储存、释放能量过程中皮囊内压力变化不至于太快，一定程度上延长皮囊寿命，使释放能量过程中油压更加稳定；皮囊与液压油不直接接触，一定程度上延长了皮囊的寿命；即使皮囊破裂也有浮动活塞起密封作用，隔开气腔与液腔，保证了在蓄能器使用过程中不会有气体进入油液之中，从而避免造成冲击震动和气穴等问题。

4)本发明中的皮囊充气阀与变面积活塞以螺纹相连；壳体采用整体式结构便于密封，端部法兰易于拆装、检修、充气。

附图说明

图1为本发明蓄能器的结构示意图；

图2为本发明蓄能器充、放能过程状态示意图；

图3为液压挖掘机动臂能量回收系统原理图；

图4a为浮动活塞的主视图；

图4b为浮动活塞A-A方向的剖面图；

图4c为浮动活塞的俯视图；

图5a为变面积活塞的主视图；

图5b为变面积活塞B-B方向的剖面图；

图5c为变面积活塞的俯视图；

图6a为盖板的的主视图；

图6b为盖板的左视图；

图7a为单向阀Ⅰ的结构示意图；

图7b为单向阀Ⅱ的结构示意图；

图7c为单向阀Ⅱ中阀芯的三维示意图；

其中：1-壳体，2-皮囊，3-充气阀，4-变面积活塞，5-浮动活塞，6-单向阀Ⅰ，7-单向阀Ⅱ，8-活塞，9-垫片，10-盖板，11-法兰，12-紧定螺钉，14-动臂油缸，15-换向阀，16-蓄能器溢流阀，17-截止阀，18-三位四通电磁换向阀，19-溢流阀，20-液压泵，21-单向阀，22-油箱，A-气腔，B-变面积活塞腔，C-浮动活塞腔，D-活塞腔。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种大容量皮囊式恒压蓄能器，包括壳体1及置于壳体1内的皮囊2、变面积活塞4、浮动活塞5、活塞8、法兰11；其中，浮动活塞5套在变面积活塞4的活塞杆上，变面积活塞4的活塞杆底端与活塞8连接，且变面积活塞4与活塞8的中轴线上开设有通孔，通孔与皮囊2之间连接有充气阀3，充气阀3与通孔螺纹连接，通孔底部连接有盖板10，活塞8上设置有单向阀Ⅰ6和单向阀Ⅱ7，法兰11与壳体1底部内壁连接。

具体而言，变面积活塞4为弧形结构，变面积活塞4下面连着活塞杆，整个变面积活塞外形如同杯状。将变面积活塞4设计成弧形形状，在挤压皮囊2过程中，弧形结构更容易与皮囊贴合，避免尖锐的棱角刺破皮囊，同时可减小应力集中，使皮囊形变较为缓和，降低对皮囊材料的要求。

变面积活塞4的活塞杆底端与活塞8螺纹连接。浮动活塞5套在变面积活塞4的活塞杆上，浮动活塞5与活塞杆、壳体1内壁具有较高的密封性，可有效隔绝气体和油液，避免相互串流。活塞8表面开设有多圈凹槽，凹槽内放置有O型密封圈，起到密封作用，防止油液泄漏。

通孔内加工有两段螺纹，上端螺纹与皮囊2连接，下端螺纹与盖板10连接，盖板10上设置有螺纹柱，螺纹柱插入通孔底部与通孔螺纹连接。盖板10与活塞8之间设置有海绵垫片9，起到密封作用。盖板10中心设有一小孔，用来拆卸变面积活塞时方便。

通孔内布置有充气阀3，用来给皮囊2充气。如皮囊内气体泄漏，需要将与法兰11连接的液压接头拆下，充气或更换皮囊2。当需要充气时，拆下液压接头，旋下盖板10，取下海绵垫片9，充气装置与充气阀3配合完成充气。

法兰11与壳体1内壁螺纹连接，并通过壳体上的紧定螺钉12固定。后续在应用到具体工作环境中时，通过法兰11连接液压接头。

活塞8上设置两个单向阀Ⅰ6和两个单向阀Ⅱ7，两个单向阀Ⅰ6和两个单向阀Ⅱ7间隔均布设置在同一圆周上，且单向阀Ⅰ6和单向阀Ⅱ7的开启方向相反。单向阀Ⅰ6和单向阀Ⅱ7的结构有所不同，单向阀Ⅰ6结构如图7a所示，阀体内通过弹簧顶住钢球进行封堵阀口，其开启压力较小，在进行蓄能时，高压油液很容易顶开钢球，从而很容易进入浮动活塞腔；而单向阀Ⅱ7结构如图7b、7c所示，阀体内通过弹簧顶住阀芯进行封堵阀口，其开启压力较大(可通过结构设计，使其具有一定的开启压力值)，在进行放能时，浮动活塞腔内的油液需要达到一定的压力值才能顶开单向阀Ⅱ7，油液才能从浮动活塞腔内输出。将单向阀Ⅰ6和单向阀Ⅱ7设计成不同的开启压力，使得浮动活塞腔中在蓄能时容易进油，而在释放能量时需要浮动活塞腔压力高于活塞腔一定值时才能输出油液，一定程度上维持恒压输出效果。

本发明新型大容量皮囊式恒压蓄能器具有不易泄漏、寿命长，惯性小、反应灵敏，适用容积范围大等优点，可广泛适用于各类液压系统。

实施例2：

如图3所示，一种如实施例1所述的大容量皮囊式恒压蓄能器的工作方法，以液压挖掘机动臂能量回收系统为例展示所述新型大容量皮囊式恒压蓄能器的应用。

该液压挖掘机动臂能量回收系统工作原理为：动臂下降时，动臂油缸无杆腔高压油液进入蓄能器并暂存，完成能量回收、储存过程；需要时，蓄能器中储存的油液以恒压方式向其他回路输出，完成所回收能量的再利用，如此往复循环，以达到节能目的，具体过程如下：

当动臂下降时，动臂油缸14无杆腔向蓄能器供油，蓄能器储存能量：高压油液推动变面积活塞4运动，进而挤压皮囊2，皮囊2内的气体被压缩而压强增大，在压缩过程中变面积活塞4有效受力面积逐渐减小；

当动臂上升时，蓄能器皮囊2中的气体膨胀，通过活塞传递压力，向系统输出液压油，辅助系统做功，减少了发动机和油泵的负荷，在节能同时使得整机使用寿命得以延长。

在储存能量过程中，浮动活塞腔可储存部分油液，增大了储油量，同时减少系统压力脉动时蓄能器皮囊的反复压缩、膨胀；在释放能量过程中，起稳压作用，进一步减小输出油液的压力脉动，更好的实现恒压输出的效果。

在皮囊2中的气体膨胀时，气体压力逐渐减小而变面积活塞4有效受力面积逐渐增大，通过科学设计变面积活塞使二者乘积不变，达到恒压力输出的目的；浮动活塞5起密封作用，使正常情况下皮囊2与液压油不接触，延长皮囊使用寿命。极端情况下皮囊破裂时，由于浮动活塞5的密封作用，气体和液体仍处于分离状态，保证液压系统中不会进入大量气体，使得蓄能器安全系数大大提高。

如图5a所示，在活塞面积、皮囊充气压力不变情况下，将杯状变面积活塞加大，可以使得排油更加充分，增大有效容积，很大程度上减小“死容积”。变面积活塞增大同时，皮囊需要增大，当变面积活塞最大横截面积较大时，为容纳变面积活塞以及皮囊形变，壳体上部直径需大于下部(即梨形外壳)，此时为防止活塞过度上移时密封失效，可以增加限位装置。

Claims (10)

1.一种大容量皮囊式恒压蓄能器，其特征在于，包括壳体及置于壳体内的皮囊、变面积活塞、浮动活塞、活塞、法兰；其中，浮动活塞套在变面积活塞的活塞杆上，变面积活塞的活塞杆底端与活塞连接，且变面积活塞与活塞的中轴线上开设有通孔，通孔与皮囊之间连接有充气阀，通孔底部连接有盖板，活塞上设置有单向阀Ⅰ和单向阀Ⅱ，法兰与壳体底部内壁连接。

2.如权利要求1所述的大容量皮囊式恒压蓄能器，其特征在于，所述变面积活塞为弧形结构。

3.如权利要求1所述的大容量皮囊式恒压蓄能器，其特征在于，所述变面积活塞的活塞杆底端与活塞螺纹连接。

4.如权利要求1所述的大容量皮囊式恒压蓄能器，其特征在于，所述活塞表面开设有多圈凹槽，凹槽内放置有O型密封圈。

5.如权利要求1所述的大容量皮囊式恒压蓄能器，其特征在于，所述充气阀与通孔螺纹连接。

6.如权利要求1所述的大容量皮囊式恒压蓄能器，其特征在于，所述盖板上设置有螺纹柱，螺纹柱插入通孔底部与通孔螺纹连接。

7.如权利要求1所述的大容量皮囊式恒压蓄能器，其特征在于，所述盖板与活塞之间设置有海绵垫片；所述盖板上设置有一小孔。

8.如权利要求1所述的大容量皮囊式恒压蓄能器，其特征在于，所述法兰与壳体内壁螺纹连接，并通过紧定螺钉固定。

9.如权利要求1所述的大容量皮囊式恒压蓄能器，其特征在于，所述活塞上设置两个单向阀Ⅰ和两个单向阀Ⅱ，两个单向阀Ⅰ和两个单向阀Ⅱ间隔均布设置在同一圆周上，且单向阀Ⅰ和单向阀Ⅱ的开启方向相反。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的大容量皮囊式恒压蓄能器的工作方法，包括以下步骤：

当蓄能器储存能量时，液压油一侧为高压，高压油液推动变面积活塞运动，变面积活塞挤压皮囊，皮囊内的气体被压缩而压强增大，在压缩过程中变面积活塞有效受力面积逐渐减小；在此动作过程中，单向阀Ⅰ开启，单向阀Ⅱ关闭，油液通过单向阀Ⅰ进入浮动活塞腔，在增大蓄能器容量的同时降低皮囊被压缩速度，减少发热；

当蓄能器释放能量时，变面积活塞传递压力，推动液压油输出，在皮囊中的气体膨胀时，气体压力逐渐减小而变面积活塞有效受力面积逐渐增大；在此动作过程中，单向阀Ⅰ关闭，当浮动活塞腔油液压力大于活塞腔油液压力设定值时，单向阀Ⅱ才开启，油液通过单向阀Ⅱ向活塞腔输出，降低蓄能器释放能量时的压力脉动，维持恒压效果。