Acumulator hidraulic

Un acumulator hidraulic este un recipient sub presiune din sistemele hidraulice care stochează fluidul hidraulic sub presiune și îl eliberează atunci când este necesar. Acesta utilizează un gaz compresibil, un arc sau o greutate ca mediu de stocare a energiei pentru a compensa fluctuațiile de presiune, a acumula energie sau a asigura funcțiile de urgență. În sistemele hidraulice industriale, acesta este una dintre componentele funcționale cheie.

Noțiuni de bază și funcționarea acumulatorilor hidraulici

Acumulatorii hidraulici servesc ca dispozitive de stocare a energiei și tampoane de presiune în sistemele hidraulice. Aceștia absorb debitul în exces atunci când presiunea sistemului crește și eliberează fluidul stocat atunci când presiunea scade. Acest principiu face posibilă acoperirea vârfurilor de putere pe termen scurt fără a fi necesară supradimensionarea pompei.

Proiectare și principiu de funcționare

Proiectarea de bază a unui acumulator hidraulic constă într-un rezervor rezistent la presiune, împărțit în două camere: o cameră de gaz și o cameră de fluid. Un separator — care, în funcție de proiectare, poate fi o membrană, un diafragmă sau un piston — asigură că gazul și fluidul hidraulic nu se amestecă. Azotul este utilizat de obicei ca gaz, deoarece este inert din punct de vedere chimic și nu prezintă risc de oxidare.

În timpul fazei de încărcare, creșterea presiunii din sistem forțează uleiul hidraulic să intre în camera de fluid. Elementul de separare se retrage, gazul se comprimă, iar energia stocată devine disponibilă sub formă de energie potențială de presiune. În timpul fazei de descărcare, gazul se dilată din nou, împingând uleiul înapoi în conductă și menținând astfel presiunea sistemului chiar și atunci când pompa nu furnizează niciun debit.

Principii termodinamice

Compresia și expansiunea gazului respectă legile termodinamicii. În timpul proceselor lente de încărcare și descărcare, schimbarea de stare este aproximativ izotermică, ceea ce înseamnă că temperatura rămâne în mare parte constantă. În timpul proceselor rapide, predomină comportamentul adiabatic, determinând încălzirea sau răcirea gazului. Aceste diferențe afectează volumul real de ulei utilizabil și trebuie luate în considerare în timpul proiectării.

Tipuri de acumulatori hidraulici

Alegerea modelului depinde de presiunea de funcționare, de cerințele de volum, de frecvența ciclurilor și de cerințele specifice ale aplicației. În practică s-au impus cinci modele.

Acumulatoare cu membrană

Într-un acumulator cu membrană, o membrană elastică din cauciuc acționează ca separator între gaz și lichid. Membrana este preumplută cu azot și este comprimată de presiunea uleiului în timpul procesului de încărcare. Acumulatorii cu membrană se caracterizează prin timpi de răspuns rapizi și întreținere redusă. Acestea acoperă volume cuprinse între aproximativ 0, 2 și 50 de litri și sunt potrivite pentru presiuni de funcționare de până la 330 bar. Aplicațiile tipice includ sistemele hidraulice mobile, presele și aplicațiile cu funcționare intermitentă. Membrana este supusă îmbătrânirii și trebuie înlocuită după aproximativ cinci până la zece ani.

Acumulatoare cu diafragmă

Acumulatorii cu diafragmă utilizează o diafragmă flexibilă ca element de separare, care este fixată de marginea carcasei. Aceștia sunt deosebit de compacti și rentabili, dar acoperă, în general, volume mai mici, de până la aproximativ 3, 5 litri. Sunt posibile presiuni de funcționare de până la 350 bar. Presiunea de preîncărcare cu gaz nu trebuie să depășească 130 bar, deoarece, în caz contrar, diafragma va fi suprasolicitată mecanic. Acumulatorii cu diafragmă sunt folosiți frecvent în sistemele hidraulice staționare pentru amortizarea pulsațiilor și a vibrațiilor.

Acumulatoare cu piston

Acumulatorii cu piston separă gazul de fluid folosind un piston care se mișcă liber. Această construcție poate rezista la cele mai mari presiuni de funcționare, care pot ajunge până la 700 bar, și oferă un control precis al volumului. Acumulatorii cu piston sunt durabili și potriviți pentru un număr mare de cicluri, cum ar fi cele întâlnite în hidraulica industrială sau în aplicațiile offshore. Dezavantajele includ costurile mai ridicate și etanșarea mai complexă a pistonului, care necesită întreținere regulată.

Acumulatoare cu arc

Acumulatorii cu arc utilizează un arc mecanic în locul gazului pentru a stoca energie. Aceștia nu necesită o încărcare cu gaz, ceea ce îi face potriviți pentru aplicații în care trebuie prevenite scurgerile sau permeabilitatea gazului, cum ar fi în industria alimentară. Utilizarea lor este limitată la presiuni scăzute și volume mici, deoarece curba caracteristică a arcului impune limite fizice.

Acumulatoare cu greutate

Acumulatorii cu greutate ridică o masă pentru a stoca energie. Avantajul lor constă în presiunea aproape constantă pe parcursul întregului proces de descărcare, deoarece forța gravitațională acționează independent de înălțimea cursei. Datorită dimensiunilor și greutății lor, aceștia sunt utilizați aproape exclusiv în sisteme staționare de mari dimensiuni și joacă un rol minor în hidraulica modernă.

Comparație între tipurile de construcție

Aplicații ale acumulatorilor hidraulici

Acumulatorii hidraulici îndeplinesc mai multe funcții în sistemele hidraulice; deși aceste funcții se pot suprapune într-o anumită măsură, fiecare impune cerințe diferite asupra proiectării.

Amortizarea pulsațiilor și absorbția vârfurilor de presiune

Pompele cu piston generează debite pulsatorii care duc la fluctuații de presiune și solicitări mecanice în sistem. Un acumulator hidraulic instalat în apropierea pompei atenuează aceste pulsații și protejează conductele, supapele și racordurile împotriva oboselii materialului. Pentru această aplicație, sunt adesea suficiente volume mici ale rezervorului, de la 0, 5 la 5 litri. Creșterile bruște de presiune, precum cele cauzate de închiderea rapidă a supapelor, sunt, de asemenea, amortizate de rezervor, prevenind astfel deteriorarea sistemului.

Stocarea energiei și compensarea debitului

În mașinile cu moduri de funcționare ciclice, cum ar fi presele sau mașinile de turnare prin injecție, apar vârfuri de putere pe termen scurt care determină ca cerința de debit să depășească cu mult capacitatea medie de debit a pompei. Un acumulator hidraulic acoperă aceste vârfuri, astfel încât pompa trebuie dimensionată doar pentru cererea medie. Acest lucru reduce puterea instalată, scade consumul de energie și minimizează generarea de căldură în sistem.

Alimentare cu energie de urgență și acționare de urgență

În cazul în care pompa se defectează — de exemplu, din cauza unei întreruperi de curent sau a unei avarii a echipamentului — multe sisteme necesită activarea unei funcții de siguranță: o macara trebuie coborâtă, un ambreiaj decuplat sau o supapă mutată în poziția de siguranță. Un acumulator hidraulic stochează energia de presiune necesară și permite funcționarea de urgență chiar și fără ca pompa să funcționeze. Proiectarea se bazează pe cerințele de volum ale funcției de urgență și pe căderea de presiune admisibilă în timpul descărcării.

Compensarea scurgerilor și menținerea presiunii

Pe parcursul unor perioade îndelungate de inactivitate, sistemele hidraulice pierd presiune din cauza scurgerilor interne. Un acumulator hidraulic compensează aceste pierderi și menține presiunea în anumite circuite fără a fi necesar ca pompa să refacă continuu presiunea. Acest lucru economisește energie și reduce uzura pompei.

Parametri de proiectare și funcționare

Proiectarea unui acumulator hidraulic depinde de mai mulți parametri care, în combinație, determină volumul de ulei utilizabil și profilul de presiune.

Presiunea de preîncărcare cu gaz și raporturile de presiune

Presiunea de preîncărcare cu gaz — adică presiunea azotului atunci când acumulatorul este descărcat — este un parametru cheie de proiectare. Aceasta trebuie să fie mai mică decât presiunea minimă de funcționare; în caz contrar, acumulatorul nu poate accepta ulei. Raportul dintre presiunea maximă de funcționare și presiunea de preîncărcare afectează eficiența acumulatorului. În cazul acumulatorilor cu membrană, acest raport nu trebuie să depășească 4: 1, pentru a proteja membrana împotriva suprasolicitării mecanice. Acumulatorii cu diafragmă pot suporta rapoarte de până la aproximativ 8: 1, în timp ce acumulatorii cu piston permit rapoarte de presiune chiar mai mari.

Temperatura și compatibilitatea cu fluidul

Intervalul de temperatură admisibil pentru acumulatorii hidraulici se situează de obicei între -20 și +80 de grade Celsius, dar poate fi extins la -50 până la +130 de grade Celsius cu ajutorul unor materiale speciale de etanșare. Temperatura influențează presiunea gazului: pe măsură ce temperatura crește, presiunea de preîncărcare crește; pe măsură ce temperatura scade, aceasta scade. Proiectanții trebuie să țină cont de acest efect în faza de proiectare, în special pentru aplicațiile în aer liber sau cele din medii de proces încălzite. Compatibilitatea cu fluidul utilizat — cum ar fi uleiul HLP, fluidul HFC sau fluidul HFD — trebuie confirmată de către producător.

Standarde și cerințe de testare

Acumulatorii hidraulici sunt recipiente sub presiune și, prin urmare, sunt supuși unor cerințe legale stricte atât în ceea ce privește proiectarea, cât și funcționarea lor.

DIN EN 14359 și Directiva privind echipamentele sub presiune

Standardul DIN EN 14359 reglementează proiectarea, testarea și dimensionarea acumulatorilor hidraulici. Acesta definește cerințele pentru echipamentele de siguranță, cum ar fi discurile de rupere și supapele de siguranță, precum și pentru instrucțiunile de utilizare. Directiva europeană privind echipamentele sub presiune 2014/68/UE clasifică acumulatorii hidraulici în categoriile I–IV, în funcție de volum și de presiunea de funcționare. Acumulatorii din categoria II și superioară necesită o evaluare a conformității efectuată de un organism notificat și poartă marcajul CE. Acumulatorii din categoria I care sunt instalați permanent într-o mașină nu intră în domeniul de aplicare al directivei.

Ordonanța privind siguranța operațională și reglementările DGUV

În Germania, Regulamentul privind siguranța industrială (BetrSichV) impune operatorilor să supună acumulatorii hidraulici unor inspecții periodice. Norma DGUV 113-020 specifică cerințele pentru sistemele hidraulice. Acumulatorii cu un volum de gaz mai mare de 10 litri sunt considerați sisteme care necesită monitorizare și trebuie inspectați de un organism de inspecție autorizat, precum TÜV sau DEKRA. Pentru acumulatorii cu un volum de gaz cuprins între 1 și 10 litri, este suficientă inspecția efectuată de o persoană calificată.

Intervale de inspecție

Intervalele de inspecție sunt specificate în BetrSichV. Inspecția internă trebuie efectuată cel puțin o dată la cinci ani și include verificarea coroziunii, fisurilor și deformărilor folosind metode de testare cu penetrant colorat, particule magnetice sau ultrasunete. Proba de presiune trebuie efectuată cel puțin o dată la zece ani, în timpul căreia rezervorul de stocare este presurizat la 1, 3 până la 1, 4 ori presiunea de funcționare admisibilă. În anumite condiții, acest interval poate fi prelungit la 15 ani. Metodele alternative, precum metoda ID-E, permit efectuarea inspecțiilor fără demontare și fără întreruperea funcționării sistemului.

Întreținere și service

Fiabilitatea unui acumulator hidraulic depinde în mare măsură de întreținerea regulată. Neglijarea acestui aspect poate duce la o pierdere treptată a performanței sau, în cel mai rău caz, la o defecțiune bruscă.

Pierderea de gaz și permeația

Fiecare acumulator hidraulic umplut cu gaz pierde o parte din conținutul său de gaz în timp din cauza permeației — adică a difuziei moleculelor de gaz prin elementul de separare. Acest efect este mai pronunțat la acumulatorii cu membrană și cu diafragmă decât la acumulatorii cu piston, care au garnituri metalice. O scădere a presiunii de preîncărcare reduce volumul de ulei utilizabil și afectează caracteristicile de răspuns. Prin urmare, se recomandă verificarea periodică a presiunii gazului – aproximativ o dată la șase luni. Dacă presiunea de preîncărcare scade, acumulatorul trebuie reumplut cu azot. Utilizarea oxigenului sau a aerului comprimat este strict interzisă.

Semne de uzură

În cazul acumulatorilor cu membrană, uzura este indicată de obicei de o membrană fragilă sau crăpată. Diafragmele se pot rupe din cauza suprapresiunii sau a raporturilor de presiune excesive. În cazul acumulatorilor cu piston, garniturile și canalul de alunecare al pistonului sunt punctele critice de uzură. Zgârieturile sau coroziunea punctiformă pe canalul de alunecare al pistonului duc la scurgeri și la o frecare crescută. Analiza periodică a uleiului oferă indicii privind uzura crescută în interiorul acumulatorului, cum ar fi concentrații ridicate de particule sau bule de gaz în fluid.

Documentație și evaluarea riscurilor

Ca parte a unei evaluări a riscurilor, operatorul trebuie să specifice tipul, domeniul de aplicare și intervalele inspecțiilor. Intervalele maxime admise de inspecție specificate în BetrSichV nu trebuie depășite. Toate rezultatele testelor trebuie documentate în scris. Dacă se identifică defecte legate de siguranță, acumulatorul hidraulic nu trebuie pus în funcțiune până la remedierea defectului. Autoritatea de reglementare poate aplica amenzi în cazul depășirii intervalelor de inspecție.

Tendințe de dezvoltare

Evoluțiile în domeniul acumulatorilor hidraulici se îndreaptă către o eficiență mai mare, designuri mai compacte și o monitorizare mai inteligentă. Senzorii care măsoară presiunea gazului, temperatura uleiului și nivelul de umplere direct la acumulator sunt integrați din ce în ce mai mult în sistemele moderne și conectați la sisteme de control de nivel superior. Acest lucru permite o întreținere bazată pe starea echipamentului, în locul unor intervale de inspecție rigide. În același timp, noile materiale de etanșare și acoperiri extind limitele de funcționare pentru temperaturi ridicate și fluide agresive. În domeniul hidraulicii mobile, recuperarea energiei capătă o importanță tot mai mare: acumulatorii hidraulici stochează energia de frânare și o pun la dispoziție pentru următoarea accelerație, ceea ce reduce consumul de combustibil și emisiile de CO₂.