آکومولاتور چیست؟ | انواع آکومولاتور ، طرز کار، وظیفه و کاربردها

«آکومولاتورها» (Accumulators) به طور معمول در سیستم‌های هیدرولیکی برای ذخیره انرژی و کاهش ارتعاش سیستم نصب می‌شوند. یک سیستم هیدرولیکی در صورت استفاده از آکومولاتور می‌تواند از پمپ کوچک‌تری استفاده کند چرا که آکومولاتور انرژی پمپ را در مدت زمان عدم استفاده (کاهش بار)، ذخیره می‌کند. این انرژی ذخیره شده را می‌توان به سرعت مورد استفاده قرار داد. در حقیقت، زمانی که به این انرژی نیاز باشد، با سرعت بیشتری نسبت به بکارگیری پمپ به تنهایی، می‌توان از آن بهره گرفت. در این مطلب به طور اجمالی مروری بر انواع آکومولاتر و طرز کار آن‌ها خواهیم داشت.

انواع آکومولاتور

همانطور که گفته شد، از آکومولاتورها جهت ذخیره انرژی استفاده می‌شود. علاوه بر این، بمنظور کاهش ضربه در پمپ‌های دوار و پیستون‌ها از آن بهره می‌گیرند. در مدارهای هیدرولیکی، وجود آکومولاتور سبب کاهش ضربه ناشی از عمل سریع استارت در سیلندرهای قدرت خواهد بود. آکومولاتورها را می‌توان در ۳ دسته عمده قرار داد. که از میان آن‌ها، آکومولاتورهای گازی، انواع دیگری را نیز شامل می‌شوند که در ادامه به طور جداگانه به هریک از آن‌ها پرداخته می‌شود.

• آکومولاتور گازی
• آکومولاتور وزنه‌ای
• آکومولاتور فنری

فیلم آموزش هیدرولیک صنعتی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

انواع آکومولاتورهای گازی

از بین آکومولاتورهای بالا، آکومولاتورهای گازی به چهار نوع تقسیم می‌شوند که در زیر آورده شده‌اند.

• «بدون جداکننده» (non-separator Type)
• «حبابی» (Bladder) یا بالنی
• دیافراگمی
• پیستونی

این که از کدم نوع دستگاه‌های بالا استفاده شود به فشار و حجم مورد نیاز سیستم بستگی دارد. نمونه‌های حبابی و دیافراگمی در فشار‌های متوسط و حجمی بین 0/5 تا 500 لیتر مورد استفاده قرار می‌گیرند اما زمان پاسخ‌دهی آن‌ها کوتاه است. در طرف دیگر،‌ انواع پیستونی در حجم‌ها (بیش از ۵۰۰ لیتر) و فشارهای کاربرد دارند اما زمان پاسخ‌دهی آن‌ها به دلیل جرم زیاد پیستون، طولانی است.

آکومولاتور وزنه ای

تمامی آکومولاتورهای گازی، به هنگام تخلیه سیال، افت فشار پیدا می‌کنند چراکه تراکم گاز نیتروژن توسط سیال انجام می‌گیرد. آکومولاتورهای وزنه‌ای تنها وقتی فشار از دست می‌دهند که رام دستگاه (تلمبه) به پایین‌ترین نقطه برسد. در نتیجه، در بیشینه فشار سیستم، از ۱۰۰ درصد سیال استفاده می‌شود. مهم‌ترین ضعف آکومولاتورهای وزنه‌ای، اندازه فیزیکی آن‌ها است زیرا فضای زیادی اشغال می‌کنند.

عملکرد این دستگاه‌ها در سیستم‌های هیدرولیک مرکزی بسیار مناسب است زیرا فضایی جداگانه برای آن‌ها در نظر گرفته ‌می‌شود اما امروزه به ندرت از سیستم‌های هیدرولیک مرکزی استفاده می‌شود.

آکومولاتور فنری

آکومولاتور فنری مشابه با آکومولاتور گازی است با این تفاوت که یک فنر (به جای گاز) پیستون را حرکت می‌دهد. از نقاط قوت این نوع از آکومولاتورها می‌توان به عدم وجود نشتی گاز اشاره کرد اما نمی‌توان از آن در حجم‌ها و فشارهای بالا استفاده کرد.

در تصویر زیر، انواع آکومولاتور و نحوه نمایش آن‌ها در نقشه‌های صنعتی را مشاهده می‌کنید.

وظیفه آکومولاتور و کاربردهای آن

در ابتدای متن، توضیح مختصری در خصوص کاربرد آکومولاتورها داده شد. در ادامه، توضیحات کامل‌تری را در خصوص وظیفه آکومولاتور مطرح می‌کنیم.

ذخیره انرژی

آکومولاتورهای هیدرونیوماتیک از یک گاز به همراه سیال هیدرولیکی استفاده می‌کنند. این سیال توانایی ذخیره انرژی پایینی دارد. حجم سیالات معمول هیدرولیکی را تحت فشاری در حدود $$5000 psi$$ تنها می‌توان در حدود 1/7 درصد کاهش داد. بنابراین، زمانی که تنها ۲ درصد از کل حجم، آزاد شود، فشار باقی‌مانده در کل سیستم به صفر می‌رسد.

در طرف دیگر، گاز، یعنی بخش همراه سیال هیدرولیک در آکومولاتور را به کمک فشارهای بالا، می‌توان فشرده کرد. در اثر این تراکم، انرژی پتانسیلی ذخیره می‌شود که در مواقع لزوم، قابلیت آزادسازی دارد. در آکومولاتورهای پیستونی، انرژی گاز متراکم بر پیستون، نیرو وارد می‌کند و به این ترتیب، نیروی وارد شده به پیستون و اعمال آن به سیال هیدرولیکی سبب انتقال سیال به سیستم در محل مورد نظر برای انجام کار خواهد شد.

جذب پالس

پمپ‌ها نیروی مورد نیاز برای استفاده از سیستم هیدرولیکی را فراهم می‌کنند. بسیاری از پمپ‌ها این نیرو را به کمک جریان ضربه‌ای (پالسی) به تولید می‌رسانند. پمپ‌های پیستونی که به جهت توانایی تحمل فشار بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند، به دلیل ضربه‌های تولیدی، صدمات زیان‌باری به سیستم‌های فشار بالا وارد می‌کنند. اگر آکومولاتور در جای مناسبی از سیستم قرار بگیرد، به شکل مناسبی این تغییرات فشار و ضربات را کاهش می‌دهد.

کاهش شوک

در بسیاری از دستگاه‌های هیدرولیکی، یکی از عضوهای سیستم ممکن است به طور ناگهانی متوقف شود که در اثر این اتفاق، موج فشاری در داخل سیستم ایجاد می‌شود. این موج کوبشی حاصل، فشار حداکثری (پیک) تولید می‌کند که به مراتب از فشار کاری دستگاه بیشتر است و سبب ایجاد نویز یا توقف کامل سیستم می‌شود. بهره‌گیری از آکومولاتور در این سیستم‌ها به خوبی شوک ایجاد شده را به حداقل می‌رساند.

از نمونه‌های کاربرد آکومولاتور می‌توان به بیل مکانیکی (لودر) اشاره کرد. بدون آکومولاتور، وزن بیل (در حدود ۲ تن)، می‌تواند چرخ‌های عقب بیل مکانیکی را به طور کامل به هوا بلند کند و سبب بروز مشکل در اکسل و شاسی لودر و همچنین آسیب به راننده ‌شود. با بکارگیری صحیح آکومولاتور در سیستم هیدرولیکی بیل مکانیکی می‌توان از بروز چنین مشکلی جلوگیری کرد.

بهبود جریان پمپ

یک آکومولاتور با توانایی ذخیره انرژی می‌تواند در تکمیل نیروی پمپ هیدرولیکی شرکت داشته باشد. پمپ، در زمان‌هایی که باری را متحمل نمی‌شود، انرژی پتانسیلی درون آکومولاتور ذخیره می‌کند. آکومولاتور نیز زمانیکه به این انرژی ذخیره شده احتیاج باشد، آن‌را به طور مجدد به سیستم منتقل می‌کند. این اتفاق سبب استفاده از پمپ‌های کوچک‌تر در سیستم‌های هیدرولیکی و به دنبال آن، کاهش هزینه‌ها خواهد شد.

تثبیت فشار

هنگامی که کاهش یا افزایش دما در سیستم هیدرولیکی داشته باشیم، این تغییرات، با تغییرات فشار همراه هستند. علاوه بر این، در اثر نشتی سیال هیدرولیکی نیز افت فشار بوجود می‌آید. آکومولاتورها با دریافت یا آزادسازی مقادیر کمی از سیال هیدرولیکی، بر این تغییرات فشار غلبه می‌کنند. به عبارت دیگر، در صورت خرابی یا توقف منبع اصلی، آکومولاتورها به عنوان منبعی کمکی عمل تثبیت فشار را انجام می‌دهند.

توزیع سیالات

از آکومولاتورها همچنین می‌توان جهت توزیع مقدار کمی از سیالات، همچون روغن در سیستم استفاده کرد.

مثال کاربرد آکومولاتور در یک سیستم هیدرولیکی

از جمله کاربردهای آکومولاتورها می‌توان به دستگاه پرس هیدرولیکی اشاره کرد. برای پرس کردن یک وسیله به نیرو و فشار بسیار زیادی نیاز داریم. اما این نیروی زیاد باید با سرعتی آهسته اعمال شود که یعنی به پمپی با فشار بالا و دبی جریان پایین نیاز داریم. در حالت برگشت نیز پیستون به نیروی زیادی نیاز ندارد اما این برگشت باید به سرعت انجام بگیرد که این بار، به پمپی با فشار پایین و دبی جریان بالا نیاز داریم. برای اینکه هر دو عمل به خوبی انجام بگیرند، باید از پمپ گران‌قیمت استفاده شود.

اما به جای این کار از آکومولاتور هیدرولیک بهره می‌گیرند. در چنین شرایطی، از یک پمپ فشار بالا با دبی جریان پایین به همراه یک آکومولاتور بهره می‌گیرند. همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، آکومولاتور بین پمپ و شیر کنترل قرار می‌گیرد. دبی جریان پمپ برای پرس با سرعت آهسته مناسب است. فشار بالا در طول جریان پرس سبب فشرده کردن گاز در آکومولاتور می‌شود.

به هنگام برگشت پیستون، کاهش فشار خواهیم داشت و گاز موجود در آکومولاتور با بیرون راندن سیال وارد شده، دبی جریان را افزایش می‌دهد و در نتیجه، پیستون دستگاه پرس با سرعت بیشتری بازگشت می‌کند.

مثال کاربرد آکومولاتور در سیستم فنربندی خودروها

در سیستم فنربندی خودروها و برای کاهش فشارهای وارده و نواسانات جاده می‌توان از آکومولاتور بهره گرفت. نمونه‌ای از آکومولاتورهای هیدرونیوماتیک (هیدروپنوماتیک) در تصویر زیر نشان داده شده است. این دستگاه شامل یک سیلندر هیدرولیک و آکومولاتور گازی است. اگر دست‌اندازهای جاده، لاستیک خودرو را به طرف بالا فشار دهند، فشار مایع هیدرولیک به سرعت افزایش می‌یابد.

در ادامه، سیال به آکومولاتور وارد و سبب تراکم گاز موجود در آن می‌شود. در نتیجه این اتفاق، گاز همچون یک فنر عمل می‌کند و فشار وارده، جذب و در شکلی کاهش‌یافته به خودرو وارد خواهد شد.

طرز کار آکومولاتور

در ادامه مطلب، طرز کار هریک از آکومولاتورها را شرح می‌دهیم.

فیلم آموزش مکاترونیک کاربردی 2 – جامع و با نکات مهم در فرادرس

کلیک کنید

نحوه عملکرد آکومولاتور گازی

یک آکومولاتور گازی به کمک گازی نجیب و غیرسمی همچون نیتروژن شارژ می‌شود. زمانی که فشار هیدرولیک سیستم، بیشتر از فشار شارژ آکومولاتر شود، گاز شروع به فشرده شدن می‌کند. در ادامه، روغن هیدرولیک در مخزن آکومولاتور جریان می‌یابد. گاز و روغن به کمک یک مانع (غشا) از یکدیگر جدا شده‌اند و این اتفاق، تا زمان توازن فشار هیدرولیک با فشار گاز ادامه می‌یابد.

در این حالت، انرژی جنبشی هیدرولیک، به صورت انرژی پتانسیل در گاز ذخیره می‌شود. زمانیکه فشار در مدار هیدرولیکی کاهش یابد، اتفاق قبل رخ می‌دهد و گاز به طور مجدد منبسط می‌شود.

حال، این انرژی ذخیره شده صرف انجام کار (و حرکت) در سیستم خواهد شد به گونه‌ای که سیال هیدرولیک به سیستم بازمی‌گردد و این فرآیند تا زمان افت فشار گاز به فشار اصلی یا فشار هیدرولیک (هرکدام که بیشتر باشد) ادامه می‌یابد. در حقیقت، شارژ و دشارژ آکومولاتور به سرعت و همزمان با تغییر فشار سیستم صورت می‌گیرد.

نحوه عملکرد آکومولاتور فنری

در آکومولاتور فنری، یک فنر در طول محفظه به همراه یک پیستون وجود دارد. این نوع از آکومولاتورها را می‌توان در هر موقعیتی نصب کرد اما تنظیم نیروی فنر، امری دشوار است. فنرها فشار مورد نیاز پیستون برای پمپ کردن سیال به بیرون را فراهم می‌کنند. میزان پمپ نیز به نرخ تراکم فنر بستگی دارد. از نقاط قوت این آکومولاتورها باید به اندازه کوچک، وزن کم و سادگی نصب اشاره کرد که همگی موجب کاهش هزینه‌ها می‌شوند.

نحوه عملکرد آکومولاتور وزنه ای

در گذشته از این نوع آکومولاتورها بیشتر استفاده می‌شد اما این دستگا‌ه‌ها وزن بالایی دارند و بیشتر در دستگاه‌های پرس بکار می‌روند چراکه دستگاه‌های پرس به فشار ثابت نیاز دارند و این فشار توسط آکومولاتورهای وزنه‌ای تامین می‌شود.

راهنمای بکارگیری آکومولاتورها

در برخی موارد می‌توان از هر نوع آکومولاتوری استفاده و نتایج قابل قبولی کسب کرد اما مواردی وجود دارند که یک نوع نسبت به بقیه، عملکرد بهتری دارد. به طور مثال، مقدار فشار شارژ در آکومولاتورهای حبابی و دیافراگمی از جمله عواملی هستند که باید در استفاده، مد نظر قرار بگیرند.

فیلم آموزش اتوماسیون استودیو Automation Studio برای شبیه سازی سیستم های کنترل صنعتی در فرادرس

کلیک کنید

زمانی که بخواهیم فشارهای زیاد خروجی پمپ پیستونی را کاهش دهیم، آکومولاتورهای حبابی و دیافراگمی بسیار مناسب هستند. آکومولاتور پیستونی نمی‌تواند پاسخ سریعی داشته باشد و یک رفت و برگشت پیستون صدمات زیادی به آب‌بندی‌ها و محفظه پیستون وارد می‌کند. شرکت‌های معتبر سازنده آکومولاتورها، عوامل مهم در هنگام انتخاب یک آکومولاتور را برای سه دسته حبابی، دیافراگمی و پیستونی ذکر کرده‌اند که در زیر به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

• کاربرد (ذخیره انرژی، کاهش ضربات)
• بیشینه و کمینه فشار سیستم
• حجم سیال مورد نیاز سیستم
• دبی جریان
• نسبت فشار (فشار شارژ / بیشینه فشار)
• فضای نصب و محل قرار گیری

فشار در آکومولاتورها

همانطور که پیش‌تر ذکر شد، زمانی که فشار سیستم افزایش پیدا کند، آکومولاتور شارژ می‌شود که در نتیجه آن، سیال به درون آکومولاتور وارد و سبب تراکم گاز نیتروژن خواهد شد. همچنین با کاهش فشار، این دستگاه دشارژ می‌شود که این کار به انبساط گاز نیتروژن و خروج سیال از آکومولاتور کمک می‌کند.

به طور معمول، آکومولاتورهای گازی را تا ۹۰ درصد حداقل فشار کاری سیستم شارژ می‌کنند. این کار سبب می‌شود تا پیستون یا حباب، تمامی سیال را در هر چرخه تخلیه نکند. اگر تمامی سیال تخلیه شود سبب گیر افتادن بالن در سوپاپ و تغییر شکل پیستون خواهد شد. در برخی موارد، این مقدارِ ۹۰ درصد ممکن است میزان کمی باشد چراکه حداقل فشار سیستم در چنین شرایطی پایین است.

زمانی که کمینه فشار سیستم، پایین باشد بهتر است از آکومولاتورهای پیستونی استفاده کرد چراکه پیستون بدون وارد کردن آسیب می‌تواند درون محفظه حرکت داشته باشد.

زمانیکه فشار شارژ، کمتر از ۲۵ درصد بیشینه فشار سیستم باشد نباید از آکومولاتورهای حبابی استفاده کرد. در حقیقت، طراحی و ساختار فیزیکی آکومولاتورهای حبابی و دیافراگمی به گونه‌ای است که بهره‌گیری از ‌آن‌ها با بیشترین نسبت فشار را ناممکن می‌سازد.

نکات ایمنی در خصوص آکومولاتورها

در ادامه، برخی نکات ایمنی مهم را در خصوص بکارگیری و نصب آکومولاتورها به صورت فهرست‌وار بیان می‌کنیم.

• در زمان اتمام کار دستگاه حتما اقداماتی برای تخلیه آکومولاتورها انجام شود. هیچ‌گاه با مدار هیدرولیکی کار نکنید که آکومولاتور آن تخلیه نشده باشد چراکه انرژی ذخیره شده در آکومولاتورها می‌تواند به دستگاه صدمه وارد کند.
• اطمینان حاصل کنید که جریان آکومولاتور در دبی مشخصی در طول کار و پایان آن محدود شده باشد تا از آسیب به دستگاه یا لوله‌ها جلوگیری شود. به عبارت دیگر، آکومولاتورها به میزان بیشینه مسیر خروجی می‌توانند سیال را تخلیه کنند که چنین جریانی، مدت زمان کوتاهی انجام می‌شود و آسیبی ناگهانی ایجاد می‌کند.
• همواره به کمک شیر یک‌طرفه، پمپ را از آکومولاتور جدا کنید تا سیال به درون پمپ، برگشت نداشته باشد. بدون شیر یک‌طرفه، جریان برگشتی آکومولاتور،‌ جهت حرکت پمپ را تغییر می‌دهد یا حتی سرعت آن‌را زیاد می‌کند و سبب آسیب به دستگاه خواهد شد.
• فشار آکومولاتور را به هنگام نصب و در هفته اول نصب، هر روز کنترل کنید. اگر افت فشار محسوسی در هفته اول مشاهده نشد، فشار را در دفعات بعد به صورت هفتگی اندازه‌گیری کنید. در ادامه نیز اگر مشکلی وجود نداشت، هر ۳-۶ ماه این فشار را بررسی کنید. هر زمان که فشار شارژ آکومولاتور به کمتر از میزان نامی خود برسد، حجم سیال و به دنبال آن، سرعت هر چرخه کاهش پیدا می‌کند.