Hidraulički akumulator

Zašto pohranjivati ulje pod tlakom

Ulje je gotovo nestlačivo, pa se u njemu energija ne može pohraniti na način na koji se pohranjuje u spremniku stlačenog zraka. Posuda puna ulja pri 160 bar sadrži vrlo malo energije: čim se otvori ventil i istekne nekoliko kubičnih centimetara, tlak padne na nulu. Hidraulički akumulator taj problem rješava tako što uz ulje drži i stlačeni plin. Plin je stlačiv i djeluje kao opruga: kad crpka potiskuje ulje u akumulator, plin se sabija i tlak raste; kad sustav troši ulje, plin se širi i istiskuje ga natrag, a tlak polako pada.

Akumulator se u hidrauličkom sustavu koristi za četiri osnovne namjene:

• pomoćna energija za vršnu potrošnju — kad cilindar kratko treba više ulja nego što crpka daje (brzi prilaz alata), akumulator dodaje razliku, a između ciklusa crpka ga ponovno puni; tako se može ugraditi manja crpka i manji motor,
• kompenzacija curenja i toplinskog širenja — kad cilindar dugo drži silu uz isključenu crpku, akumulator nadoknađuje malo curenje kroz brtve i ventile i drži tlak,
• prigušenje tlačnih udara i pulsacija — akumulator blizu crpke ili brzog ventila prima kratkotrajne viškove ulja i izravnava tlak,
• sigurnosni (nužni) izvor energije — pri nestanku struje akumulator daje dovoljno ulja da se alat vrati u sigurni položaj, zatvori ventil ili zakoči stroj.

Na preši HP-1 akumulator s mjehom od 4 l s predtlakom dušika 90 bar može, primjerice, preuzeti držanje sile na kraju hoda: kad tlak dosegne 160 bar, crpka se rastereti u spremnik (razvodnikom ili tlačnom sklopkom), a akumulator održava tlak iznad 100 bar i nadoknađuje curenje. Time otpada većina topline koja bi nastala da crpka cijelo vrijeme potiskuje ulje kroz sigurnosni ventil (jedinica 5.6).

Plin i predtlak: kako akumulator radi

Svaki hidropneumatski akumulator ima dva prostora odvojena pomičnom pregradom: plinski prostor ispunjen dušikom i uljni prostor spojen sa sustavom. Prije ugradnje plinski prostor puni se dušikom na predtlak p0; tada je uljni prostor prazan, a plin zauzima cijeli nazivni volumen V0. Kad tlak u sustavu prijeđe p0, ulje počinje ulaziti u akumulator. Pri najnižem radnom tlaku p1 plin zauzima volumen V1, a pri najvišem radnom tlaku p2 volumen V2. Ulje koje akumulator može predati sustavu između p2 i p1 je korisni volumen ΔV = V1 − V2.

Za plin vrijedi zakon stanja idealnog plina, uz važnu napomenu: računa se s apsolutnim tlakovima. Tlakovi na manometru hidrauličkog sustava su pretlakovi, pa im se dodaje atmosferski tlak od približno 1 bar. Predtlak 90 bar u formuli je dakle 91 bar, a radni tlak 160 bar je 161 bar. Pri visokim tlakovima razlika se čini zanemarivom, ali pri predtlakovima od 10 do 20 bar pogreška bi bila velika.

Kakva je promjena stanja plina, ovisi o brzini punjenja i pražnjenja:

• izotermna promjena (p · V = konst.) — plin se puni ili prazni polagano, toplina nastala sabijanjem stigne prijeći na stijenke i ulje, pa temperatura plina ostaje ista. Vrijedi otprilike kad promjena traje više od 3 minute, npr. pri kompenzaciji curenja,
• adijabatska promjena (p · V^κ = konst., za dušik κ ≈ 1,4) — plin se puni ili prazni brzo, u nekoliko sekundi, i toplina ne stigne izaći. Pri brzom sabijanju plin se zagrijava, pri brzom širenju hladi, a korisni volumen je manji. Vrijedi otprilike kad promjena traje kraće od 1 minute, npr. pri brzom prilazu alata.

izotermno: V = V0 · p0 / p     adijabatski: V = V0 · (p0 / p)^(1/κ)     ΔV = V1 − V2

Stvarni pogon je obično između tih krajnosti, pa se za siguran proračun uzima nepovoljniji, adijabatski slučaj. Pri vrlo visokim tlakovima (iznad oko 200 bar) dušik odstupa od idealnog plina, pa proizvođači daju dijagrame ili računalne programe za točniji proračun.

Vrste akumulatora

Prema vrsti pregrade između plina i ulja razlikuju se tri izvedbe hidropneumatskih akumulatora. Postoje i akumulatori s utegom i s oprugom, ali oni se u suvremenim sustavima rijetko susreću, osim utežnih u velikim starijim prešama.

Akumulator s mjehom ima čeličnu bocu u kojoj je elastični mjeh od elastomera (npr. NBR za mineralna ulja). Dušik je unutar mjeha, ulje oko njega. Na uljnom priključku je tanjurasti ventil koji se zatvori kad se mjeh potpuno raširi, kako ga ne bi istisnuo kroz otvor i razrezao. Mjeh ima vrlo malu tromost, pa akumulator brzo reagira i dobar je za prigušenje udara i pulsacija, a i za pohranu energije. Najčešći su volumeni od 0,5 do 50 l. Omjer p2 : p0 ne bi trebao prelaziti oko 4 : 1, jer se mjeh inače prejako deformira. Ugrađuje se okomito, s plinskim ventilom prema gore.

Akumulator s membranom ima kuglasto ili cilindrično kućište u kojem je membrana od elastomera stegnuta po obodu. Izvodi se u zavarenoj (nerastavljivoj) ili vijčanoj izvedbi. Manji je, lakši i jeftiniji, obično od 0,1 do oko 4 l, dopušta veće omjere tlakova (do oko 8 : 1) i može se ugraditi u bilo kojem položaju. Tipična primjena su mobilni strojevi, kočni sustavi, prigušenje pulsacija i kompenzacija curenja u malim krugovima.

Klipni akumulator ima cijev u kojoj slobodni klip s brtvama odvaja plin od ulja. Gradi se za velike volumene (i nekoliko stotina litara, ili s dodatnim plinskim bocama) i velike protoke, a omjer tlakova gotovo nije ograničen. Zbog trenja brtvi i mase klipa sporije reagira, pa je manje prikladan za prigušenje brzih pulsacija. Položaj klipa može se mjeriti, što je korisno za nadzor. Ugrađuje se najčešće okomito, s plinskom stranom prema gore, da se nečistoće ne talože na brtvama.

Odabir predtlaka i radnog područja

Predtlak je najvažniji parametar akumulatora i određuje se prema namjeni. Za pohranu energije uzima se p0 ≈ 0,9 · p1, dakle nešto ispod najnižeg radnog tlaka. Tada pri p1 u akumulatoru ostaje mala zaliha ulja, pa se mjeh ili membrana nikad potpuno ne rašire i ne udaraju o tanjurasti ventil. Za HP-1 s p1 = 100 bar dobiva se p0 = 0,9 · 100 = 90 bar — upravo predtlak iz primjera.

Za prigušenje pulsacija uzima se predtlak oko 0,6 do 0,7 srednjeg radnog tlaka, a za prigušenje udara oko 0,6 do 0,9 radnog tlaka, ovisno o preporuci proizvođača. Kod akumulatora s mjehom treba paziti i na gornju granicu: p2 ne bi trebao biti veći od oko 4 · p0.

Predtlak se mora zadati uz temperaturu. Tlak zatvorenog plina raste s temperaturom (izohorna promjena, p / T = konst.). Akumulator napunjen na 90 bar pri 20 °C imat će pri 50 °C predtlak oko 99 bar. Zato se predtlak provjerava pri temperaturi pri kojoj je zadan ili se očitana vrijednost preračunava. Ako je predtlak prenizak, mjeh se pri p1 previše rastegne i brzo propada; ako je previsok, korisni volumen se smanjuje, a pri p0 > p1 akumulator u radnom području uopće ne predaje sve ulje koje bi mogao.

Sigurnost, ugradnja i ispitivanje

Akumulator je posuda pod tlakom s pohranjenom energijom i podliježe propisima o opremi pod tlakom. Na kućištu su trajno označeni najveći dopušteni tlak, volumen, vrsta plina, predtlak, godina izrade i oznaka sukladnosti. Pregledi i ispitivanja provode se u rokovima koje propisuju propisi i proizvođač.

Akumulator se u sustav ugrađuje uz sigurnosni i zaporni blok. U njemu su objedinjeni zaporni ventil kojim se akumulator odvaja od sustava, sigurnosni ventil koji štiti akumulator od tlaka većeg od dopuštenog, ispusni ventil (ručni ili elektromagnetski) kojim se ulje iz akumulatora ispušta u spremnik te priključak za manometar.

Za rad s akumulatorom vrijede ova pravila:

• akumulator se puni isključivo dušikom (N₂) čistoće najmanje 99,8 %; nikad kisikom ni zrakom — kisik pod tlakom u dodiru s uljem može se zapaliti ili eksplodirati (tzv. dizelski učinak),
• punjenje i provjera predtlaka obavljaju se uređajem za punjenje s manometrom i zapornim ventilom, preko reduktora na boci dušika; boca dušika se ne spaja izravno bez reduktora,
• prije svakog zahvata na sustavu ulje iz akumulatora mora se ispustiti u spremnik; akumulator zadržava tlak i kad je crpka isključena. Na strojevima s akumulatorom ugrađuje se ispusni ventil koji se automatski otvara pri isključivanju stroja,
• akumulator se ne zavaruje, ne buši i ne grije; plinska strana ne otvara se dok je u njoj tlak,
• akumulator se čvrsto pričvršćuje obujmicama, jer pri kidanju priključka djeluje kao projektil.

Provjera predtlaka radi se tako da se uljna strana potpuno rastereti (ispusni ventil otvoren, manometar na bloku pokazuje nulu), a zatim se na plinski ventil stavi uređaj za punjenje i očita tlak plina. Drugi način je praćenje manometra na uljnoj strani pri polaganom ispuštanju: tlak polako pada dok akumulator predaje ulje, a kad se akumulator isprazni, tlak naglo padne na nulu — vrijednost neposredno prije pada je predtlak. Predtlak se provjerava nakon puštanja u rad, nakon prvog tjedna rada, a zatim u redovitim razmacima, npr. svakih 3 do 6 mjeseci. Postupni pad predtlaka znak je propuštanja plinskog ventila ili oštećenja mjeha.

Primjer iz prakse: akumulator za brzi prilaz preše

Pretpostavimo da se na preši HP-1 želi ubrzati prilaz alata: klip treba u 1 s prijeći 200 mm. Za to je potrebno 20 cm · 50,27 cm² ≈ 1,01 l ulja u sekundi, odnosno oko 60 l/min, a crpka daje samo 22,0 l/min, tj. oko 0,37 l u sekundi. Razliku od oko 0,64 l mora dati akumulator.

Akumulator od 4 l s predtlakom 90 bar i radnim područjem od 100 do 160 bar pri brzom (adijabatskom) pražnjenju daje oko 1,05 l, dakle dovoljno, uz rezervu. Između dva ciklusa crpka mora vratiti 0,64 l u akumulator, za što joj treba oko 1,7 s. Da nema akumulatora, za isti brzi prilaz trebala bi crpka od oko 60 l/min i elektromotor gotovo tri puta veće snage. Upravo zato se akumulatori ugrađuju u prešama, strojevima za injekcijsko prešanje i sklopovima za stezanje: skup vršni protok daje akumulator, a crpka se dimenzionira prema srednjoj potrošnji.

Treba ipak paziti na dvije stvari. Prvo, dok akumulator predaje ulje, tlak pada sa 160 na 100 bar, pa se sila prešanja ne smije tražiti tijekom brzog prilaza — za prešanje se tlak ponovno podiže crpkom. Drugo, pri brzom sabijanju s 100 na 160 bar dušik se zagrije s 20 °C na oko 62 °C; toplina se zatim polako predaje stijenci, pa se tlak u zatvorenom akumulatoru nakon punjenja malo smanji.

Računski prikaz: korisni volumen akumulatora

Korisni volumen računa se iz nazivnog volumena V0, predtlaka p0 i radnih tlakova p1 i p2. Tlakovi se unose kao pretlakovi, a proračun ih pretvara u apsolutne dodavanjem 1 bar. Odaberite izotermnu ili adijabatsku promjenu i usporedite rezultate.

V1 = V0 · (p0 / p1)^(1/n)    V2 = V0 · (p0 / p2)^(1/n)    ΔV = V1 − V2    (n = 1 izotermno, n = κ = 1,4 adijabatski)

Za akumulator HP-1 (V0 = 4 l, p0 = 90 bar, p1 = 100 bar, p2 = 160 bar) izotermno se dobiva V1 = 3,60 l, V2 = 2,26 l i korisni volumen 1,34 l, što je 33,6 % nazivnog volumena. Adijabatski je V1 = 3,71 l, V2 = 2,66 l, a korisni volumen samo 1,05 l (26,3 %). Tim bi uljem klip Ø80 mm prešao oko 267 mm polagano, odnosno oko 209 mm pri brzom pražnjenju. Vidi se da je korisni volumen tek četvrtina do trećina nazivnog: akumulator od 4 l ne daje 4 l ulja. Ako bi se tražio korisni volumen od točno 1 l pri istim tlakovima, izotermno bi bio dovoljan akumulator od oko 3,0 l, a adijabatski tek od oko 3,8 l — pa je izbor od 4 l opravdan.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.