标题：活塞式蓄能器
历史与现状
17世纪和18世纪是液压理论发展的鼎盛时期。形成并成熟于这段时期的流体静压传递理论、现代流体动力润滑理论、流体动力学等理论，基本上奠定了现代液压理论的基础。而因为实际应用的要求，也出现一些简单的蓄能器，比如用装满水的容器作质量块的重锤式蓄能器。
第二次世界大战后期，液压机械受到青睐，液压伺服传动在军事武器制造业的应用使液压传动和控制技术得以发展，液压控制技术、材料密封润滑技术和自动控制技术的进步也为液压控制理论的发展奠定了理论基础。战后由于军事需要而发展起来的技术逐步转向工业民用领域，并开始蓬勃发展。也就是从这一时期开始，针对成熟液压控制理论和实用技术的蓄能器理论研究逐步受到重视。出现了一些具有通用性的蓄能器，比如弹簧式蓄能器、更加成熟的重锤式蓄能器和一些简单的气体蓄能器。
从20世纪70年代开始，研究人员开始重视蓄能器基本理论（诸如参数选择公式和频率计算公式等）的研究，并不断使其发展和完善。70年代末期，汽车节能技术的发展推动了蓄能器和蓄能器节能技术的研究，利用蓄能器在液压系统中节能的功用开始引起重视。80年代，蓄能器的结构、种类、形式及功用开始多样化，研制各种类型的蓄能器成为主要研究内容。90年代，新型计算机软、硬件和控制技术的发展为液压系统和智能型液压元件的研究提供了先进的研究工具和研究手段，这为蓄能器的研究提出新的要求。
液压理论及技术的发展离不开新型液压元件的研制和开发。目前，国内外针对蓄能器的研究工作大致有以下几个方面。
①适应新型液压系统研究的发展，技术应用方面的研究开展较多。因为随着液压系统向高压、高速、高精度方向发展，很多特殊系统不断出现，这些系统对某个方面的要求一般很高，单纯依靠改进其他元件不能达到目的，所以需要研制特殊蓄能器作为手段。比如针对吸收脉动，目本的Shini-chi YOKOTA研制了一种新型有源蓄能器，由多级式的PED（Piezo-Electric Device）装置驱动，可有效消除由液压元件引起的高频脉动（500～1000Hz）。又如西安交大的邢科礼等人研制的一种串联囊式蓄能器，对频率为112～288Hz的脉动有良好的吸收效果，而且与常规蓄能器相比，它的衰减频宽更宽。
②将已有的蓄能器理论和新的分析手段、控制理论等结合起来，在理论上进行创新，即以现有理论为基础，采用较先进的研究手段和方法得出更有价值的理论成果。比如，哈工大的陈照第等人运用键图理论分析蓄能器对管路系统压力冲击的影响。他们利用键图理论建立了蓄能器的动态数学模型，证明了蓄能器对压力冲击的抑制作用，针对蓄能器吸收压力脉动的功用提出了有价值的理论。此方法还可推广到其他含有蓄能器的液压系统的动态分析中去。
③以现有蓄能器理论和液压系统理论为基础，结合不断出现的新型设计和计算软件为支撑软件，开发用于蓄能器回路辅助设计和计算或测试的软件。比如Par.ker Hannifin Corp推出的Sharp EL512计算器，可以帮助用户进行蓄能器参数选择。还有燕山大学的吴晓明等人在对蓄能器及其理论进行充分研究的基础上，利用“嵌入式”专家系统理论，对蓄能器及其回路软件进行智能化开发，得到的蓄能器及其回路辅助设计软件，可以邦助系统设计人员简便选择合适的蓄能器。目前对蓄能器的特征测试还缺乏十分有效有方法，直接导致蓄能器的参数不完善，动态特性不明确，对蓄能器的最佳工作区域等属性认识也比较模糊，这给蓄能器的选型带来很大的困难，也间接导致了选型的误差；另外选型系统不能根据液压回路的动态特性来精确确定它，如充氮压力等，也就是说在根本上还没有解决蓄能器参数与应用环境的匹配问题。开发蓄能器动态性能测试技术具有重大实用价值。将虚拟仪器技术应用在蓄能器的测试当中，充分发挥虚拟仪器技术在检测中的简便、快速、高效、准确的特点，准确地测试出蓄能器性能动态参数，使系统适用于蓄能器的性能特点和使用要求。通过对蓄能器的在线、模拟测试可得出不同规格蓄能器的性能曲线。
随着液压系统的发展，系统要求越来越高，现有蓄能器的基础理论和蓄能器结构已经不能满足液压系统和液压元件研究的发展。其主要原因是现有蓄能器基本理论大部分是建立在20世纪70～80年代，而且是通过经验总结得到的，所以这些理论很多是经验化的，既不标准也不统一，对系统设计只能起到初步的指导作用，实际的使用还要依靠工作人员不断调试选择。而且现有蓄能器的结构决定了在其安装到系统上之后就不能根据系统要求随动地改变自身参数以满足系统的不同需要。这给液压系统的研究和液压系统在工程实践中的应用带来了障碍。
未来研究方向
在总结分析国内外同行的蓄能器研究成果的同时，结合自己的理论研究和实践经验，预测今后蓄能器研究的主要发展方向如下。
①出于满足技术应用的目的，结构改进方面的研究将继续发展。主要包括以下两个方面：a.以皮囊式气体蓄能器为研究对象，按照实际系统的需要做相应改进，以保证能够最大程度上改善系统性能；b.以弹簧式或者重锤式蓄能器为对象，在满足系统要求的前提下，从经济效益的角度对其进行改进。结构改进方面的研究既能满足某些特殊系统的需要，又不需要做太多的工作，所以将继续受到工程技术研究者的重视。
②随着工程实际对液压系统性能要求的提高，针对蓄能器吸收液压冲击、消除高频脉动和回收能量的研究成为重点，继续深入。主要工作包括：a.随着大型液压系统的出现，研制相应的大规格或者带有附属设备的蓄能器吸收液压冲击；b.随着高频振荡系统的出现，研制能够吸收高频振荡波的蓄能器以减少高频振荡对系统的危害；c.随着绿色节能概念在实际应用中备受重视，针对不同系统继续研究蓄能器节能技术。
③有关蓄能器的基李理论研究将受到重视。现有的蓄能器基本理论已经过于陈旧，所以完善蓄能器的基本理论，尤其是总结出准确全面的蓄能器公式是当务之急。这是一项开创性的工作。
④智能化蓄能器的研究将逐步开展。新型液压元件的研制和使用使液压系统具有高压、高速、高精度等优点，单纯在沿袭现有蓄能器结构基础上对蓄能器做简单改进将不能满足要求。而且由于系统工况变化的不确定性和本身复杂的非线性，无法将蓄能器的功用严格地分割开来。这就要求在系统工作过程中，能够实时地调整蓄能器各项参数，发挥其不同功用来满足系统的需要。所以，需要研制出一种能够实时监控系统参数变化、实时处理、实时发出指令调整蓄能器各项参数的蓄能器，以满足这些复杂系统的要求。
⑤在使用维修方面，新的理论与方法将逐步应用于蓄能器的诊断、监测与维修。蓄能器及液压系统是结构复杂的机、电、液综合系统，具有机液耦合、时变性和非线性等特性。故障的发生具有一定的随机性。故障的多样性、因果关系的复杂性、故障诊断对领域专家经验的依赖性等是液压故障的重要特点，智能诊断系统日益显示出它的重要性和不可替代性。随着现代化大生产的不断发展和科学技术的不断进步，机械设备正朝着大型、高速、精密、连续运转以及结构复杂的方向发展。对蓄能器及液压设备进行在线监测是保障其安全、稳定、长周期、满负荷、高性能、高精度、低成本运行的重要措施。智能维护系统（Intelligent Maintenance System，IMS）提供给蓄能器制造公司智能性的工具，通过因特网或者无线通信系统来监控它们的蓄能器运行状况。IMS里面最重要的功能是预诊断能力，通过对蓄能器性能退化进行评估，对产品给出较合理的预反应式的维护，从而减少蓄能器的损坏与停工时间，消去不必要的周期性维护活动。
特点
气液直接接触式蓄能器充入惰性气体。优点是容量大、反应灵敏，运动部分惯性小，没有机械磨损。但是因为气液直接接触，尺寸小，充气压力有限；密封困难，气液相混的可能性大。所以这种蓄能器气体消耗量较大，元件易汽蚀，容积利用率低。附属设备多，投资大。
活塞式蓄能器利用活塞将气体和液体隔开，活塞和筒状蓄能器内壁之间有密封，所以油不易氧化。这种蓄能器寿命长、重量轻、安装容易、结构简单、维护方便，但是反应灵敏性差，不适于低压吸收脉动。
隔膜式蓄能器是两个半球形壳体扣在一起，两个半球之间夹着一张橡胶薄膜，将油和气分开。其重量和容积比最小，反应灵敏，低压消除脉动效果显著。隔膜式蓄能器橡胶薄膜面积较小，气体膨胀受到限制，所以充气压力有限，容量小。
功用
蓄能器的功能主要分为存储能量、吸收液压冲击、消除脉动和回收能量四大类。
第一类：存储能量这一类功用在实际使用中又可细分为：①作辅助动力源，减小装机容量；②补偿泄漏；③作热膨胀补偿；④作紧急动力源；⑤构成恒压油源。
以上五种功能原理基本相同，都主要应用蓄能器能够较大量存储能量的功能。其主要区别是参数选择不同，采用不同的参数选择公式就可以实现所需功能，满足所需要求。
第二类：吸收液压冲击换向阀突然换向、执行元件运动的突然停止都会在液压系统中产生压力冲击，使系统压力在短时间内快速升高，造成仪表、元件和密封装置的损坏，并产生振动和噪声。为保证吸收效果，蓄能器应设置在冲击点附近，所以蓄能器一般装设在控制阀或液压缸等冲击源之前，可以很好地吸收和缓冲液压冲击。
第三类：消除脉动、降低噪声对于采用柱塞泵且其柱塞数较少的液压系统，泵流量周期变化使系统产生振动。装设蓄能器，可以大量吸收脉动压力和流量中的能量，在流量脉动的一个周期内。瞬时流量高于平均流量的部分油液被蓄能器吸收，低于平均流量部分由蓄能器补充，这就吸收了脉动中的能量，降低了脉动，减小了对敏感仪器和设备的损坏程茺。
第四类：回收能量用蓄能器回收能量是目前研究较多的一个领域。能量回收可以提高能量利用率，是节能的一个重要途径。蓄能器因为可以暂存能量，所以可以用来回收多种功能、位置势能。这方面的主要研究有：①回收车辆制动能量；②回收工程机械动臂机构位能；③回收液压挖掘机转台制动能量；④回收石油修井机及钻机管下落重力势能；⑤回收电梯下行重力势能。
计算
1.  状态参数的定义P0=预充压力 
P1=最低工作压力
P2=最高工作压力
V0=有效气体容量
V1=在P1时的气体容量
V2=在P2时的气体容量
t0=预充气体温度
tmin=最低工作温度
tmax=最高工作温度 
①皮囊内预先充有氮气，油阀是关闭的，以防止皮囊脱离。
②达到最低工作压力时皮囊和单向阀之间应保留少量油液（约为蓄能器公称容量的10%），以便皮囊不在每次膨胀过程中撞击阀，因为这样会引起皮囊损坏。
③蓄能器处于最高工作压力。最低工作压力和最高工作压力时的容量变化量相当于有效的油液量。
V=V1-V2预充压力的选择贺德克公司的皮囊式蓄能器允许容量利用率为实际气体容量的75%。因此预充氮气压力和最高工作压力间的比例限于1：4，另外预充压力不得超过最低系统压力的90%。遵照这种规定可保证较长的皮囊使用寿命。
其它压缩比可采用特别的措施达到。为了充分地利用蓄能器的容量，建议使用下列数值：
蓄能：
P0，tmax=0.9×P1
吸收冲击：
P0，tmax=0.6÷0.9×Pm（Pm=在自由通流时的平均工作压力）
吸收脉动：
P0，tmax=0.6×Pm（Pm=平均工作压力）
或P0，tmax=0.8×P1（在多种工作压力时）2  预充压力的极限值P0≤0.9×P1
允许的压缩比为
P2：P0≤4：1
此外，贺德克公司低压蓄能器还需注意：
SB35型：P0max=20 bar
SB35H型：P0max=10 bar
2.2  对温度影响的考虑：
为了即使在相当高的工作温度下仍保持所推荐的预充压力，冷态蓄能器的充气和检验P0charge须作如下选择：
P0，to= P0，tmax× 
t0=预充气体温度（℃）
tmax=最高工作温度（℃）
为了在计算蓄能器时考虑温度影响，在tmin最低工作温度时的P0须做如下选择：
P0，tmin= P0，tmax×3 蓄能器计算公式一个蓄能器内的压缩和膨胀过程应遵循气体状态多变的规律。
理想的气体为：
P0×V0= P1×V1= P2×V2，
其中要考虑多变指数“n”对气体特性随时间的影响。
缓慢的膨胀和压缩过程的状态变化接近于等温，多变指数可为n=1，而快速的膨胀和压缩过程发生绝热的状态变化，多变指数n=k=1.4(适合于双原子气体的氮气)。
对于200bar以上的压力，实际气体特性与理想的气体特性有着明显的差别，因而减小了有效容量△V，在这种情况下要进行修正，修正时要考虑改变K值，采用下列公式可对各种不同的用途所需的气体容量V0进行计算，式中约10bar以下的压力始终用作绝对压力。
计算公式：
多变： 
等温：（ n=1） 
绝热（ n=k=1.4） 
考虑到实际气体特性的修正因数2在等温状态变化时：
等温或等温
在绝热状态变化时：
绝热或绝热
验证补偿氮气的蓄能器的有效容量：
×V0（蓄能器）
⑴估计蓄能器规格和选择预充压力可按照第3.2和3.2.1节的要求进行。在考虑其它条件时要进行精确计算，可以向我们提出咨询，我们公司拥有相关的计算程序。
⑵修正因数可根据压缩比P2/P1和等温与绝热状态变化的最大工作压力参数直接取自下图。
4  氮气瓶的并联当最低和最高工作压力间的压差较小时，蓄能器内存有的氮气量只有少量可被压缩。有用于蓄能的那部分容量相当小。计算所谓并联型蓄能器原则上与单只蓄能器完全一样，其中V0表示蓄能器和氮气瓶的总容量。
补偿氮气型皮囊式蓄能器只许75%充有油液，以免皮囊产生大的收缩，预充压力可选择高于最低工作压力的0.9倍，这样卸荷至最低压力P1时，蓄能器内保留约10%容量的剩余油量△VR。计算重复进行，每经过一步计算必须检查，在等温充气时，从预充压力到工作压力的有效蓄能器容量是否足以吸收油量。
5 计算实例一台注塑机内应在每2.5秒内需有5升油供使用。最高工作压力为200bar，最低工作压力不得低于100 bar，充气时间为8秒，给出的工作温度为25~45℃。
已知：最高工作压力P2=201 bar    最低工作压力P1=101bar
有效容量△V=5L       最高工作温度tmax=45℃          最低工作温度tmin =25℃  
求：1. 在考虑到实际的气体特性的情况下所需的气体容量。
2. 在20℃时的预充压力P0
3. 蓄能器型号
解：因这是一种快速过程，所以气体的状态变化可视为绝热的变
化。
1. 确定所需的气体容量：
（a）在tmax时的预充压力：P0，tmax=0.9×P1 =0.9×101≈91 bar
（b）在tmin时的预充压力：P0，tmin= P0，tmax× =91bar× 
（c）理想的气体容量：
(d) 图3.3.2中的修正因素P2/P1 Ca=1.16
(e) 实际气体容量：V0实际= Ca×V0理想= 1.16×14.53L=16.85L
2. 确定在20℃时的预充压力P0
主要组成部件：
活塞、缸筒、端盖（油口端与氮气端）活塞  活塞活塞的封闭端面承受工作流体的压力，并与缸盖、缸壁构成燃烧室或压缩容积。活塞上装有活塞环或胶质密封圈以防止流体泄漏。活塞可用铸铁、锻钢、铸钢或铝合金等材料制造。在内燃机中，为了减小活塞的质量和惯性力。端盖油缸缸盖体的里端内腔依次设有挡环、挡污环、密封圈、轴套和挡圈；油缸缸盖体的外端外面设有O型圈；油缸缸盖体的一侧设有油路接口；其要点在于所述密封圈和轴套之间设有缓冲密封圈，挡圈的外侧设有与油道接口连通的缓冲腔，在油缸缸盖体的另一侧设有与缓冲腔连通的节流阀连接孔，节流阀连接孔里端设有缓冲油路。本实用新型解决了现有技术存在液压油流失及密封圈使用寿命短的技术问题，从而提高了油缸活塞的使用寿命。