Запас карман не тянет
Гидроаккумуляторы энергии гидромолотов

Сетевые гидроаккумуляторы применяются потому, что расход рабочей жидкости в рабочем цилиндре гидромолота неравномерен, так как скорость его поршня во время рабочего цикла меняется по величине и направлению, а подача насоса базовой машины (экскаватора) постоянна. Сетевые гидроаккумуляторы позволяют полнее использовать мощность насосной станции, повысить к.п.д., уменьшить «пики» давления. Они накапливают рабочую жидкость в те моменты рабочего цикла молота, когда скорость его поршня мала, и отдают энергию в рабочий цилиндр, когда скорость поршня становится больше, чем скорость V_У=Q/F, которую бы имел поршень при установившемся движении при данной подаче насоса Q, где F – активная площадь поршня. Сетевой аккумулятор напорной линии всегда присутствует в гидромолотах средних и больших типоразмеров. В гидромолотах легкой серии в последнее время специальный сетевой аккумулятор не устанавливают, так как его роль выполняют рукава напорной линии питания. Это оказалось возможным потому, что в легких гидромолотах в течение цикла надо запасти под рабочим давлением всего несколько кубических сантиметров рабочей жидкости. Например, без сетевых аккумуляторов производят гидромолоты Delta F4, F5, F7 и F10. Сетевые аккумуляторы сливной линии применялись в гидромолотах первых лет выпуска фирмы Krupp, а также в отечественных гидромолотах типа «Импульс». Сетевой аккумулятор сливной линии в общем полезен, так как в большинстве конструкций современных гидромолотов расход жидкости в сливной линии является неравномерным, а во время рабочего хода бойка слив отсутствует. Однако проще оказалось обеспечить достаточно большое проходное сечение сливной магистрали, чем устанавливать сливной аккумулятор.

Обычно сетевые гидроаккумуляторы гидромолотов выполнены в виде толстостенного сосуда с двумя полостями, разделенными эластичной резиновой диафрагмой. В одну из полостей под давлением (для напорной линии 4…6 МПа) закачивается азот, другая полость постоянно соединена с линией питания. Азот является упругим телом, которое сжимается под давлением жидкости на резиновую диафрагму и расширяется при снижении давления, вытесняя жидкость из аккумулятора в гидросистему.

Маневровый объем гидроаккумулятора должен быть достаточным для совершения одного цикла работы молота. При работе молота диафрагма совершает колебания с частотой его ударов. Корпусные детали аккумулятора гидромолота имеют достаточно большой диаметр при относительно малой высоте в отличие от аккумуляторов других машин, которые работают с низкой цикличностью. Такое исполнение обеспечивает меньший ход диафрагмы, меньшую ее деформацию в каждом цикле. По внешнему краю диафрагма имеет утолщение, которое защемляется в канавках корпусных деталей и обеспечивает герметичность. При разрядке аккумулятора в напорную линию гидромолота мгновенный расход может превышать подачу гидронасоса в несколько раз, поэтому выходное отверстие должно иметь большое проходное сечение. Чтобы при полной разрядке аккумулятора диафрагма не выдавливалась в отверстие для выхода масла, применяются в основном два технических решения. В первом в донышко диафрагмы вулканизируется металлическая пластина, диаметр которой больше диаметра выходного отверстия. Так, например, устроены аккумуляторы гидромолотов фирмы Krupp или отечественных молотов «Импульс». В другом техническом решении в днище корпуса аккумулятора сверлится множество отверстий диаметром не более 1,5 мм, сумма проходных сечений которых должна обеспечить достаточно низкую скорость течения масла при большом мгновенном расходе.

Поперечное сечение диафрагмы выбирается таким, чтобы ее образующая соответствовала образующей внутренней полости корпуса аккумулятора, когда последний заправлен азотом. Если это требование не соблюдается, в диафрагме возникают дополнительные напряжения растяжения или сжатия, что сокращает срок ее службы. При полном кинематически возможном ходе (до упора в крышку аккумулятора) диафрагма также должна прилегать к поверхности крышки без растяжения. Это необходимо для того, чтобы в случае полного выхода азота давление жидкости не разрушило диафрагму. Та часть диафрагмы, которая во время работы молота подвергается местным деформациям, должна быть достаточно тонкой (1,5…2,5 мм), но ее толщина должна быть одинаковой по окружностям, находящимся на равном удалении от центра. Диафрагменные гидропневматические аккумуляторы достаточно надежно обеспечивают герметичность пневматической полости, исключают контакт гидравлического масла с газом. Однако они имеют некоторые температурные ограничения применения. При температуре наружного воздуха ниже –25 ºС не разрешается запускать молот без предварительного разогрева масла гидросистемы до положительной температуры, чтобы не повредить диафрагму, которая при отрицательных температурах теряет эластичность.

Известны примеры исполнения аккумуляторов с диафрагмой трубчатой формы. На ее торцах есть утолщения, которые играют роль радиального уплотнения цилиндрических поверхностей. Во время работы молота средняя часть диафрагмы колеблется между внешней цилиндрической стенкой и внутренним стержнем, у которого края поперечного сечения имеют волнообразную форму. При этом длина окружности поперечного сечения диафрагмы в свободном состоянии должна быть равна длине волнообразной образующей внутренней стенки аккумулятора. Сжатый азот закачивается в полость между внешней стенкой и диафрагмой, а полость между диафрагмой и внутренней волнообразной стенкой соединена с рабочим цилиндром молота посредством множества отверстий малого диаметра в этой стенке. Такой аккумулятор формируется непосредственно вокруг рабочего цилиндра гидромолота, благодаря чему поперечные габариты ударного блока молота сокращаются, снижаются гидравлические сопротивления на пути рабочей жидкости между цилиндром и аккумулятором. В начале 1990-х годов на Ковровском экскаваторном заводе изготовили экспериментальный образец гидромолота с энергией удара 6 кДж с описанным выше гидропневматическим аккумулятором с диафрагмой, расположенной коаксиально с рабочим цилиндром. В этом молоте было смонтировано два одинаковых аккумулятора: один в качестве сетевого аккумулятора напорной линии, а второй вместо пневмокамеры над верхним торцом бойка (аккумулятор низкого давления). Испытания показали, что сетевой аккумулятор (высокого давления) работал без каких либо проблем, а в аккумуляторе низкого давления диафрагма быстро выходила из строя. Это можно объяснить тем, что в напорном аккумуляторе диафрагма при работе молота совершает колебания около какого-то среднего положения, не касаясь стенок, а в аккумуляторе низкого давления диафрагма в каждом цикле с некоторой скоростью ударяется о волнообразную стенку. Из-за проблем с финансированием дальнейшие работы с этим гидромолотом прекратили.

В большинстве конструкций современных гидромолотов над верхним торцом бойка есть так называемая пневмокамера, которая фактически представляет собой поршневой аккумулятор. Азот, заполняющий эту камеру, сжимается непосредственно бойком молота, аккумулируя энергию при холостом ходе, и расширяется при рабочем ходе, отдавая энергию бойку и разгоняя его в сторону инструмента до удара. В разных моделях гидромолотов доля энергии, запасаемой в пневмокамере, составляет от 10 до 90% от энергии удара, а остальная часть обеспечивается за счет подачи рабочей жидкости в рабочий цилиндр от насоса и из сетевого аккумулятора. В отечественной модели гидромолота МГ-300 вся энергия удара обеспечивается за счет энергии, запасаемой в пневмокамере, но в этом случае не используется мощность насоса во время рабочего хода бойка, на этой фазе рабочего цикла насос подает рабочую жидкость в сливную магистраль. Отсутствие сетевого аккумулятора упрощает конструкцию молота, правда, за счет некоторого уменьшения энергетических показателей.

Поршневые аккумуляторы по сравнению с диафрагменными имеют некоторые принципиальные недостатки. Так как поршень уплотняется контактными уплотнениями, которые не всегда обеспечивают абсолютную герметичность, возможна утечка сжатого азота из пневмокамеры, а также перенос в нее масла из камеры рабочего цилиндра. Поэтому проверку давления зарядки пневмокамеры надо делать гораздо чаще, чем давления зарядки диафрагменного гидроаккумулятора, хотя современные комбинированные уплотнения, состоящие из манжеты из композитного материала на основе фторопласта и резинового кольца круглого сечения, достаточно надежные. Кстати, в гидропневматические аккумуляторы любого типа в соответствии с европейскими нормами безопасности разрешается заправлять только азот, а ни в коем случае не сжатый воздух.

Зарядка гидропневматических аккумуляторов азотом производится из баллона со сжатым азотом через специальное зарядное устройство, которое присоединяют непосредственно к аккумулятору. Для этого в крышке аккумулятора предусматрен либо обратный клапан, который открывается зарядным устройством, либо присоединительное гнездо для шланга и запорная игла, которая открывается при зарядке и герметизирует газовую камеру аккумулятора по окончании зарядки. Давление зарядки контролируется манометром, установленным либо на зарядном устройстве, либо на баллоне со сжатым азотом. Аккумуляторы с запорной иглой представляются нам более надежными и удобными в эксплуатации при прочих равных условиях.

Известна также конструкция сетевого гидроаккумулятора, в которой в качестве упругого тела используется не газ, а сама рабочая жидкость – минеральное масло, сжимаемое под высоким давлением порядка 50…80 МПа. Схематично этот аккумулятор показан на рис. 5, а его основные детали – на рис. 6. Этот аккумулятор представляет собой поршневой мультипликатор давления. Поршневая полость аккумулятора постоянно соединена с напорной линией питания гидромолота, штоковая полость постоянно соединена с линией слива, а шток поршня аккумулятора входит в замкнутый объем жидкости. При этом в замкнутом объеме жидкости при работе молота развивается давление, превышающее рабочее давление, которое действует на поршень аккумулятора, во столько же раз, во сколько раз площадь поршня больше площади его штока. Соотношение площадей поршня и штока, объем жидкости, сжимаемой штоком, для данного типоразмера гидромолота с учетом объемного модуля упругости минерального масла, примерно равного 1700 МПа, выбираются таким образом, чтобы при взводе бойка над поршнем аккумулятора накапливался объем жидкости под рабочим давлением (14…16 МПа), достаточный для совершения одного цикла работы.

К достоинствам гидромолотов, снабженных гидроаккумулятором с жидкостной пружиной, т. е. использующих эффект сжимаемости минерального масла при больших давлениях, можно отнести следующее. Практически нет температурных ограничений использования. Нет никакой необходимости контроля давления зарядки и пополнения возможных утечек азота, так как последний не используется. Герметизация замкнутого объема жидкости обеспечивается за счет малого зазора в паре шток поршня–втулка (0,012…0,018 мм) с учетом его уменьшения вследствие действия давления жидкости внутри штока и повышения вязкости масла при высоких давлениях. Кроме того, в поршне аккумулятора предусмотрен обратный клапан для подпитки возможных утечек жидкости из гидропружины при выключении молота. Подпитка происходит вследствие действия механической пружины, установленной в штоке поршня аккумулятора. Такие гироаккумуляторы применяли в ранее выпускавшихся отечественных моделях гидромолотов: СП-62ХЛ с энергией удара 9 кДж и СО1-82 с энергией удара 1,8 кДж. На основе этих конструкций разработаны более современные модели Д450, Д600, а затем Д550 и Д800, которые успешно эксплуатируются в тяжелых условиях.