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蓄壓器對液壓系統壓力激增之影響

摘要"

液壓系統中因控制閥瞬間開啟或關閉、致動器瞬間停止或改變運動方向、或致動器外在負載急遽變化,而使液壓油快速開始或停止流動時,可能會於系統中造成壓力激增(壓力沖擊)現象,壓力激增若無法經由適當過程降低或被吸收,可能會導致嚴重之管路洩漏、元件損壞、功能喪失、壽命降低、操作異常、回彈、振動等不利影響,並伴隨著相當程度之噪音,因此,部分系統於適當位置裝設蓄壓器以抑制壓力激增發生,本文以理論方式說明利用蓄壓器抑制壓力激增之基本原理,以及利用液壓模擬分析軟體HyPneu,探討蓄壓器對抑制壓力激增之效果,並探討各不同設計參數對系統動態反應之影響。

關鍵詞:液壓系統、壓力激增、蓄壓器、模擬分析

前言

液壓系統中之壓力激增起源於液壓油急遽之流速改變,由於液壓油具有極高之體積模數,當液壓油流速瞬間改變,液壓油流動時之動能造成液壓油體積之改變,因而導致液壓系統中產生壓力激增現象,當液壓油體積被壓縮0.5%,其壓力可能會產生1000psi之增量,一旦發生壓力激增現象,其壓力峰值可能會高於正常操作壓力數倍以上,由於壓力激增平均之持續時間僅約25ms,一般壓力錶無法快速反應正確顯示,通常需使用壓力感測器以記錄壓力峰值。壓力激增之特徵取決於工作狀態變化之速率,當轉換時間小於壓力波於管路內往返時間ts(ts=2L/vb, L為管道之長度,vb為壓力波傳遞速度)時,則於系統中形成完全衝壓現象,壓力波持續於管內震盪直至能量完全消散;反之,則可能僅產生一次壓力激增,並無後續持續之壓力震盪,當液壓油流速變化越急遽(如閥門關閉之速度越快),則造成之壓力激增越劇烈。
由於蓄壓器具有極佳之阻尼特性,並能於寬廣頻率範圍內有效降低震波及脈動,故其經常用於液壓系統中吸收壓力激增,以降低壓力波之峰值,過去已有許多研究探討如何利用系統設計或元件特性抑制壓力激增現象[1-7],但由於系統之用途、功能、及操作條件不同而未有一致之結果,且一旦操作條件改變,則無法達成預期理想之抑制壓力激增效果;本文利用流體動力系統分析軟體HyPneu進行模擬分析,鑒別蓄壓器重要設計參數對抑制壓力激增之效果,並探討各不同設計參數對系統動態反應之影響。

理論分析

蓄壓器於液壓系統中具有許多不同應用場合,為因應不同用途,蓄壓器必須依系統操作條件決定蓄壓器之最大容許工作壓力、蓄壓器容積、及氮氣預充壓力等設計參數,以下僅就蓄壓器應用於抑制系統壓力激增時之簡要說明。決定適當蓄壓器參數時,必須至少考慮三種不同操作狀態,(1)預充狀態:於使用前,蓄壓器氣囊內充填壓縮氣體(一般為氮氣),該充填壓力稱之為預充壓力(P1),該時氣囊之體積(V1)與蓄壓器結構容積相同。(2)最高操作壓力狀態:當系統之液壓油充填入蓄壓器,氣囊內之氣體受壓縮而使氣囊體積變小,當系統壓力達到系統最高操作壓力P3時,氣囊之體積為最小值V3。(3)最低操作壓力狀態:當系統操作壓力降低,蓄壓器內之液壓油供給系統,氣囊體積增大同時氣體壓力降低,當壓力降為系統最低操作壓力P2時,氣囊之體積為V2。
上述三種狀態如圖1所示,P、T、V分別代表絕對壓力、絕對溫度、及氣囊體積,下標1、2、3分別代表預充、最低操作壓力、及最高操作壓力之操作狀態,由於在以上三個狀態中,氣囊內氣體之質量維持固定,氣體之特性變化受到不同之壓縮及膨脹過程而改變,壓縮及膨脹過程取決於液壓油充填及排放之速度,氣體可能依等溫、絕熱、或多變過程進行壓縮或膨脹;因本文係探討蓄壓器應用於抑制系統壓力激增,系統反應時間極短,液壓油快速充填或排出蓄壓器,蓄壓器內氣體未能於此短暫時間內即時與周圍環境進行熱交換,故假設氣體依絕熱過程進行壓縮或膨脹。
一般利用蓄壓器之有效吐出量以決定蓄壓器之容積、利用最大有效儲存能量或最大比例之儲存能量使用係數決定蓄壓器之預充壓力,但應用於抑制壓力激增時,蓄壓器主要做為阻尼器使用,並非用以儲存能量,因此蓄壓器容積之決定並非依儲存能量為考量;為抑制壓力激增,蓄壓器必須可有效將流體運動所具有之動能KE轉換為蓄壓器內氣體壓縮之位能PE;...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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