專利名稱：具有柔性多孔填充物的液壓氣動蓄能器的制作方法
具有柔性多孔填充物的液壓氣動蓄能器本發明涉及機械工程并且能夠被用于具有高水平的液流和壓力脈動的液壓系統中的液力恢復，所述液壓系統包括液壓混合動力汽車中的壓力共軌系統，特別是那些使用自由活塞式發動機的液壓混合動力汽車，并能夠用于具有高的液流上升速率和液壓沖擊的系統中的液力恢復，例如在模制以及壓力鍛造設備中。
背景技術：
液壓氣動蓄能器(以下稱為蓄能器)包括殼體，該殼體包括容積可變的氣體貯存器和容積可變的液體貯存器，該氣體貯存器通過氣口填充有加壓氣體，并且液體貯存器通過液口填充有液體。這些氣體貯存器和液體貯存器通過能相對于殼體運動的分離器分開。 蓄能器通常充有初始壓力高達幾兆帕到幾十兆帕的氮氣。對于液力恢復而言，蓄能器既與活塞形式的固體分離器一起使用，也與例如呈彈性聚合膜或者袋的形式[1]以及呈金屬波紋管的形式[2]的彈性分離器一起使用。具有輕質聚合物分離器的蓄能器在液壓系統中很好地平穩脈動。然而，由于聚合物分離器的滲透性，它們需要更加頻繁地再充氣。在蓄能器的高的液流上升速率下(例如，在液壓系統中的急劇壓降的情況下)，分離器的強烈猛拉可能導致聚合物分離器的毀壞。活塞式蓄能器將氣體保持得更好并且能抵抗高的液流上升速率。然而，在液壓系統中存在強烈脈動的情況下，活塞運動的振動模式加劇了活塞密封的磨損。在HydroTrole公司的PistoFram蓄能器中，活塞包含被彈性膜分成氣體部分和液體部分的腔體，該氣體部分和液體部分分別與蓄能器的氣體貯存器和液體貯存器連接。在高頻率脈動時，不是活塞而是振動的輕質膜保持著活塞的密封。蓄能器通常包含一個容積可變的氣體貯存器和一個容積可變的液體貯存器，其中在氣體貯存器和液體貯存器中具有相等的氣體壓力和流體壓力。蓄能器[4]包含一個容積可變的氣體貯存器和幾個容積可變的液體貯存器。它們的連通改變氣體貯存器中的氣體壓力和液壓系統中的液體壓力之間的比率。對于液力恢復而言，蓄能器預先通過氣口充有工作氣體，并且通過液口連接到液壓系統。當能量從液壓系統傳送到蓄能器時，液體被從液壓系統泵送到蓄能器，以使分離器運動并且壓縮氣體貯存器中的工作氣體，同時工作氣體的壓力和溫度均增加。當能量從蓄能器返回到液壓系統時，被壓縮的氣體膨脹以使分離器運動，使得液體貯存器的容積減小， 并且迫使液體流出液體貯存器進入到液壓系統中。氣體的壓力和溫度下降。由于氣體貯存器壁之間的距離非常大(幾十甚至上百毫米)，由氣體熱傳導性而引起的氣體和壁之間的熱交換微乎其微。因此，氣體壓縮和膨脹過程基本上是非等溫的，在氣體貯存器中具有大的溫度梯度。當氣體壓力上升2-4倍時，氣體溫度上升達幾十甚至上百度，并且在氣體貯存器中出現對流。這使向氣體貯存器壁的熱傳導增加幾十甚至上百倍。 在壓縮期間加熱的氣體冷卻下來。這導致氣體壓力減小以及儲存的能量的損失，這在儲存的能量被保持在蓄能器中時尤其顯著。由于大的溫差，熱傳導是不可逆的，即在膨脹期間由被壓縮的氣體給予蓄能器的壁的大部分熱量不能返回到氣體。因此，液壓系統在氣體膨脹期間收回的液力比在氣體壓縮期間所接收的液力少得多。為在[4]、[5]、[6]、[7]中減小熱損失，建議在氣體貯存器中放置可壓縮的再生器 (泡沫彈性體)和絕熱器，該再生器執行熱再生器的功能。在根據被申請人用作蓄能器的原型的[7]的蓄能器中，蓄能器包括殼體，在該殼體中液口和氣口分別與容積可變的液體貯存器和氣體貯存器連接，該容積可變的液體貯存器和氣體貯存器通過可相對于殼體運動的分離器分開。容積可變的氣體貯存器包含呈開孔彈性體泡沫形式的柔性多孔填充物，該柔性多孔填充物填充氣體貯存器以便當液體被泵送到蓄能器中時，使氣體貯存器容積減小的分離器運動壓縮填充物，并且當液體被轉移出蓄能器時，填充物由于其固有的彈性而膨脹。 當被壓縮時，填充物從氣體帶走一些熱量從而降低其升溫，并且當膨脹時，填充物將熱量返回到氣體從而減少其冷卻。在氣體與填充物之間的熱交換期間，填充物孔的小尺寸(大約 Imm)使溫度梯度減小數百倍，并且在氣體壓縮和膨脹期間顯著地提高熱交換的可逆性。填充物的多孔結構防止氣體與氣體貯存器壁的對流熱交換，由此使向氣體貯存器壁的熱傳導以及相應的能量損失減少許多倍。因此，實際上在壓縮期間由氣體給予填充物的所有熱量在膨脹期間均返回到氣體，恢復效率顯著增加[5]、W]。泡沫熱容量能夠以泡沫浸有的蠟的比熔解熱(Tmelt = 30-400C )為代價而增加 [5]0上述解決方案的一個弊端就是，在連續工作的情況下泡沫彈性體的疲勞劣化，導致其彈性特性的劣化以及殘余變形的發展。結果，填充物喪失了其再成形并且填充氣體貯存器的整個容積的能力，恢復效率降低。在試驗[8]中，在已運轉36000次GOO個小時) 慢(0. 025Hz)壓縮和膨脹循環的活塞式蓄能器中，可觀察到累積的殘余變形達到填充物初始容積的四分之一并且液力損失逐漸增加。在使用強烈間歇的自由活塞式發動機[10]和相控液壓變速器[11]的液壓混合動力汽車[9]中，以及在具有壓力共軌的液壓系統中，由于高頻脈動而使分離器以特別強烈的頻繁猛拉不均勻地運動，所以在實際的液壓系統中泡沫劣化顯著地加強。由于這種猛拉分離器的振動沖擊，填充物的鄰近分離器的邊界層受到最高的載荷而毀壞。對于從分離器將要傳送到填充物的全部質量的加速度而言，填充物的彈性不足。如果分離器振動的振幅與小孔的尺寸相當，則邊界層被壓碎而破壞，之后是下一層的毀壞。在泡沫的邊界層上的類似的毀壞性沖擊是由液壓沖擊造成的。在增加的溫度下使用，典型的移動應用也加速了泡沫劣化的進程。此外，在工作氣體的充氣和排氣期間，在上述蓄能器中可靠性得不到保證。現有泡沫的解理應力很小，大約是0. 1至IMPa。在快速充氣和排氣的過程中，在泡沫中可能出現相當大的局部壓降，特別是在氣流密度最高的氣口附近。這將造成泡沫毀壞。在充氣期間，泡沫能夠被損壞并且在氣口附近能夠形成腔體。在排氣期間，泡沫能夠被流入氣口的氣體拖拽，這既造成了泡沫損失和腔體的形成也造成了氣口的單向閥和減壓閥的失效。由于上述弊端，在可靠且耐用的蓄能器的工業生產中，一直未能實現通過以泡沫填充氣體貯存器來提高恢復效率，這早在1973年就已經被提出[5]。
發明內容
本發明的目的是防止在液力恢復的多個周期期間柔性多孔填充物的殘余變形的發展，并且消除填充物材料劣化對恢復效率的影響，防止在分離器帶有強烈猛拉的不均勻運動的情況下填充物的毀壞，防止在工作氣體充氣和排氣期間填充物材料毀壞和損失以及蓄能器氣口的損壞，并在升高的環境溫度下延長工作壽命，因此制造出一種持久且可靠的用于高效液力恢復的液壓氣動貯存器。為了實現這個目標，提出了一種液壓氣動蓄能器(以下稱為蓄能器)，該蓄能器包括殼體，所述殼體包括與液口相連接的容積可變的液體貯存器和與氣口相連接的容積可變的氣體貯存器。這些氣體和液體貯存器通過能相對于殼體運動的分離器分開。所述氣體貯存器包括填充該氣體貯存器的柔性多孔填充物(以下稱為填充物)，從而分離器使氣體貯存器容積減小的運動壓縮該填充物。通過將填充物與氣體貯存器的內壁相連接，當分離器移動而增加氣體貯存器的容積時填充物能夠伸展，實現了防止填充物的殘余變形的發展和消除填充物材料劣化對能量恢復效率的影響的目標。這樣，在壓縮以后，填充物被迫通過利用被壓縮的氣體在膨脹期間移動分離器的彈性來再成形，所述分離器拉動附接到該分離器上的所述填充物并且使該填充物伸展。為了防止造成鄰近分離器的填充物的邊界層的疲勞失效和破裂，并且由此實現在所述分離器帶有強烈猛拉的不均勻運動的情況下防止填充物毀壞的目標，所述蓄能器包括保護填充物邊界層以防破裂的裝置(以下稱為保護裝置)，該裝置在所述分離器猛拉的情況下能夠減小所述填充物邊界層的局部變形。優選的是將這些保護裝置實施為，能夠在分離器的最大猛拉下將填充物延伸的局部變形減小到處于可逆變形的預定極限以內的值。可逆變形的預定極限取決于填充物的多孔材料的選擇，并且取決于這種材料與氣體貯存器的最大容積對應的在先變形。填充物優選地由具有開孔的泡沫彈性體制成，例如泡沫聚氨酯或泡沫乳膠。在優選從耐用性觀點出發的實施方式中，填充物以這種方式制造在氣體貯存器的最大容積下，填充物的多孔材料應該沿著分離器運動的方向被壓縮到低于5的預定預壓縮程度。在這種情況下，可逆延伸變形的極限被預設為這樣的相對延長，在該相對延長下， 能夠恢復未變形的多孔材料的小孔的初始尺寸。分離器猛拉力以分離器的加速運動的動力學為特征，并且確定了當填充物被分離器拖拽成加速運動時鄰近分離器的填充物邊界層上的載荷。分離器加速度越高并且分離器以該加速度運動的振幅越大，猛拉力就越大。分離器的最大猛拉力可以通過操作條件來限制，例如通過液壓系統中的脈動的頻率和振幅來限制。對于優選廣泛應用的蓄能器的實施方式而言，分離器的最大猛拉力對應于蓄能器的最大可能液流上升速率，該最大可能液流上升速率是在液壓系統中在從最大值到大氣壓力的瞬時壓降時的液流上升速率。本發明提供了保護裝置的氣動或彈性實施方式及其結合。在氣動實施方式中，保護裝置包括至少一個氣動屏障，該氣動屏障被制成為在分離器附近、在超過填充物邊界層的小孔的平均尺寸的選定距離處橫交于分離器猛拉的方向，并且沿著分離器運動方向的選定氣體滲透率小于填充物的多孔材料的平均氣體滲透率。所述氣動屏障防止被該氣動屏障分開的層之間的壓力平衡；屏障的氣體滲透性越低，并且這些層的膨脹或壓縮速度之間的差值越大，則所述屏障的作用就越強。隨著分離器猛拉變得更強，在氣動屏障處漸增的壓降提供了屏障和鄰近的填充物層的更大加速度，由此使鄰近分離器的填充物邊界層上的載荷減輕并且使該填充物邊界層的局部變形減小。所提出的是獨立式實施方式的氣動屏障，該氣動屏障呈具有孔的膜的形式。所提出的還有分布式實施方式的氣動屏障，該分布式實施方式的氣動屏障被制成為一組連接小孔的低滲透性的導管。優選的是使所述填充物在該填充物的整個體積內具有滲透性不均勻的導管，即在分離器附近具有降低的滲透率而在氣口附近具有增加的滲透率。在彈性實施方式中，保護裝置包括至少一個彈性元件，該彈性元件將分離器與填充物的內層相連接，這些內層遠離分離器達選定深度，該選定深度超過填充物邊界層的小孔的平均尺寸。所提出的是獨立實施方式的彈性元件，該彈性元件呈能彈性延伸的聚合物帶或者金屬彈簧的形式。在活塞式蓄能器中，這種彈性元件被固定到分離器和殼體二者上。所提出的還有彈性元件的分布式實施方式，該彈性元件在填充物的邊界層中的小孔之間呈加強網的形式，其中該加強網越靠近分離器該加強網的彈性越高。例如，通過降低孔隙率并且提高邊界層中的多孔材料的密度，或者通過在邊界層的小孔中注入更有彈性的聚合物材料，而使該網加強。防止在工作氣體排放時的填充物材料的損失和增加蓄能器的氣口的操作可靠性的任務是通過如下來實現的通過過濾器使氣口與填充物分離，該過濾器能夠將氣體傳送到氣口中并且不從蓄能器的氣體貯存器中將填充物材料傳送到氣口中例如使填充物呈膜的形式，并且使該填充物的小孔的平均尺寸不超過填充物的小孔之間的網的平均厚度，并且使膜孔之間的平均距離小于填充物小孔之間的導管的平均橫截面尺寸，而使氣口與填充物分開。防止在充氣與排氣期間填充物材料損壞和損失的目標是通過如下來實現的氣口包括限流器，該限流器能夠限制流過氣口的氣體，從而在打開氣口的情況下壓降超過填充物的不同區域之間的最大壓差，優選為10倍以上。所提出的既有獨立實施方式也有整體實施方式，在獨立實施方式中，獨立的限流器的形式為通過來自填充物的過濾器而被分開的節流閥，在整體實施方式中，過濾器如上所述能夠限制氣流，例如該過濾器的形式為具有增加的氣動阻力的三維固體多孔結構。在優選從充氣和排氣速度的角度出發的蓄能器實施方式中，氣口附近的填充物被制成為具有超過填充物的多孔材料的平均滲透率的增大的氣體滲透率，該增大的氣體滲透率補償了在充氣和排氣期間在氣口附近增大的氣流密度，并且降低了填充物中的壓降。所提出的既有在填充物中具有獨立排放導管的填充物實施方式，也有分布式實施方式，在該分布式實施方式中，氣口附近的填充物由在小孔之間具有增大截面的導管的多孔材料制成。所提出的還有在氣口附近具有增大的彈性的填充物實施方式，例如，在此區域中的填充物由更致密但具有增大的小孔尺寸和在小孔之間的導管截面的多孔材料制成。為了延長由泡沫彈性體制成的填充物在增加的環境溫度下的使用壽命，提出如下實施方式，其中該填充物包括在最大環境溫度與使用該填充物的最大許可溫度之間的溫度范圍內發生相變的材料。例如，填充物浸透有熔化溫度在80°C和120°C之間范圍內的碳氫化合物。在下面給出的實施例中描述了本發明的更多細節并且這些細節通過附圖示出，其中
圖1以扇形部的階梯剖示出具有呈活塞形式的分離器和氣動保護裝置的蓄能器；圖2以軸向截面示出具有呈囊狀物形式的彈性分離器以及氣動和彈性相結合的保護裝置的蓄能器；圖3以軸向截面和在垂直于旋轉軸線的平面中的截面示出具有呈膜形式的彈性分離器和彈性保護裝置的蓄能器；圖4以扇形部的階梯剖示出具有呈活塞形式的分離器以及氣動和彈性相結合的保護裝置的蓄能器。圖1至圖4的液壓氣動蓄能器包括殼體1，該殼體具有與液口 3連接的容積可變的液體貯存器2以及與氣口 5連接的容積可變的氣體貯存器4。這些容積可變的氣體和液體貯存器通過分離器6分開。氣體貯存器4包括填充氣體貯存器4的填充物7，從而分離器6 使氣體貯存器4的容積減小的運動壓縮填充物7。填充物7與氣體貯存器4的內壁連接即與殼體1連接，并且與分離器6連接，在分離器6使氣體貯存器4的容積增大的運動期間可能使填充物7伸展。在圖1和圖4中的活塞式蓄能器中，填充物粘接到安裝在分離器6上的緩沖插入件8上。在圖2的囊式蓄能器中以及在圖3的膜式蓄能器中，填充物直接粘接到彈性分離器6以及與該彈性分離器連接的彈性元件9上。在所有上述的蓄能器中，填充物7粘接到安裝在殼體1上的殼體插入件10上。為了液力恢復，通過氣口 5對蓄能器(圖1至圖4)進行預充氣，該蓄能器經由液口 3而與液壓系統連接。在能量從液壓系統傳送到蓄能器期間，液體通過蓄能器的液口 3被泵送到蓄能器的液體貯存器2中，分離器6被移動從而減小氣體貯存器4的容積并且使其中的氣壓和溫度增加。氣體將部分熱量給予填充物7，這使在壓縮時的氣體熱量減少；由于小孔的尺寸小，氣體與網(web)的氣體熱交換是可逆的，孔網與小孔中的氣體之間的溫差很小。在液力儲存于蓄能器中的儲存期間，減小的氣體升溫減少了由于熱傳導性而對殼體的壁的熱傳導，所以熱損失很小；并且由于多孔結構，在填充物中不會出現向殼體的壁的對流熱傳導。當能量從蓄能器返回到液壓系統時，被壓縮的氣體膨脹并且分離器6被移動，從而減小液體貯存器2的容積并迫使液體通過液口 3流出液體貯存器2進入到液壓系統中。 分離器6拖拽附接到該分離器上的填充物7，以確保該填充物的再成形并且用填充物的多孔材料完全填充膨脹的氣體貯存器。由于氣體和填充物7的孔網之間的距離保持很小，填充物有效地將接收到的熱量返回到氣體。因此，蓄能器將從液壓系統接收到的液體能量實際上沒有任何損失地返還到液壓系統中，同時通過利用壓縮氣體的彈性在壓縮氣體膨脹期間移動分離器6，而分離器6拉動附接到該分離器上的填充物7并且使填充物延伸以防止殘余變形的發展，促使了在每個恢復周期中填充物7的再成形，而不管材料的彈性特性和材料的劣化。為了防止促成鄰近分離器的填充物邊界層中的疲勞失效和破裂的過剩變形，并且由此解決在強烈猛拉分離器的不均勻運動期間防止填充物毀壞的問題，蓄能器包含保護裝置，該保護裝置能夠在分離器的猛拉時減小填充物邊界層的局部變形。本發明提供了保護裝置的氣動或者彈性實施方式以及它們的結合。圖1的蓄能器具有氣動保護裝置，圖3的蓄能器具有彈性保護裝置，而圖2和圖4的蓄能器具有氣動和彈性相結合的保護裝置。在圖1的活塞式蓄能器中的保護裝置包括呈膜11形式的氣動屏障，該氣動屏障具有橫交于分離器6的運動方向定位的孔12。圖2的囊式蓄能器包括氣動和彈性相結合的保護裝置。在分離器運動振幅小的區域(即，靠近氣口幻中，所述保護裝置是彈性元件9，這些彈性元件的厚度隨著穿入填充物材料中的深度而減小。彈性元件9由與分離器6自身相同的彈性聚合物材料形成在分離器 6上。在其它實施方式中，彈性元件可以被制成為小孔之間的網的形式，并且在分離器附近具有超過填充物小孔之間的網的平均彈性的增加的彈性。在這種情況下，通過減小多孔填充物的材料的孔隙率和增大密度，或者通過浸透有彈性膠，而使邊界層中的網的彈性增加。在分離器6運動的高振幅區域中，填充物7還設置有呈氣動屏障形式的氣動保護裝置，該氣動保護裝置被制成為一組膜11，該膜具有橫交于分離器6的運動方向而定位的孔12。圖1和圖2中的膜11距分離器6越遠，滲透率以及膜之間的距離越大。在圖1中， 填充物7的多孔材料的鄰近層被粘接到由聚合物薄膜制成的膜11。在圖2中，填充物7的多層多孔材料通過彈性膠被粘接在一起，從而在這些層之間形成彈性膜11。在圖1和圖2的蓄能器中，可以使氣動屏障分散，即作為連接填充物7的小孔的滲透率減小的一組導管。在這種情況下，優選的是使填充物7在其整個體積中具有滲透率不均勻的導管，即在分離器6附近滲透率減小并且在氣口 5附近滲透率增加。在圖3的膜式蓄能器中，保護裝置包括呈同心波紋管形式的由彈性聚合物材料制成的彈性元件9，使得隨著距分離器的距離增加，管壁的厚度減小同時折皺曲率增加， 這確保了彈性的平穩減小。填充物7被粘接到分離器6、彈性元件9以及安裝在殼體1上的殼體插入件10上，在該殼體插入件和殼體之間具有收集器接頭間隙(collector gap clearance)13。在圖4的活塞式蓄能器中，保護裝置包括一組彈性膜14，這些彈性膜具有橫交于分離器6的運動方向定位的孔15并且被結合到多層板簧16中，該多層板簧在一側附接到分離器6上并且在另一側經由殼體插入件10而附接到殼體1上。填充物7的多孔材料的鄰近層粘接到彈性膜14上。彈性膜14優選地由金屬制成，并且同時既是氣動屏障也是彈性元件。在氣口 5附近由于孔15的直徑和數量增加，彈性膜的氣體滲透率增加。當蓄能器作為具有高頻率脈動或者高流動增速以及高液壓沖擊的液壓系統的一部分而操作時，分離器6不均勻地運動，并且強烈的猛拉引起在鄰近分離器6的邊界層中填充物7局部延伸或壓縮變形。在蓄能器的高的液流上升速率下，例如由于液壓系統中的急劇壓降，分離器6拖拽著附接到該分離器上的填充物7以很大的加速度射向液口(在圖1 和圖4中的上方，在圖2和圖3中的上方和側面)。圖1、圖2、圖4的氣動保護裝置按如下工作。由于在上述各氣動保護裝置上的膜 11或14的高氣動阻力，在面對分離器6的一側出現負壓而在相反一側出現過壓。產生的壓降朝向分離器6推動各個膜11或14，并且膜拖拽填充物7的鄰近層，從而減小填充物邊界層上的載荷以及邊界層的局部伸展變形，從而使延伸向填充物的深度中分布。膜距分離器的距離越大，滲透率以及膜之間的距離越大，這確保了膜和填充物的多孔材料的連接層的加速度的平穩減小，從而確保了變形的均勻分布并且防止了在邊界層和填充物的體積二者中的過剩變形。以類似的方式，當分離器沿著相反方向猛拉時，壓降推動膜11或14遠離分離器6，這降低了邊界層中的局部壓縮變形。圖2至圖4的彈性保護裝置如下工作。當分離器以強烈的猛拉不均勻地運動時，蓄能器的彈性元件以加速運動拖拽填充物的多孔材料的鄰近層，該加速運動使加速度和相應的慣性載荷以及變形更深入地分布到填充物中，由此減小填充物的邊界層的局部變形。如圖2、圖3所示，隨著距分離器的距離增加，彈性元件9的彈性減小，或者如圖4所示，彈性元件以多層板簧16的形式與殼體連接，確保了填充物的多孔材料的連接層的加速度的平穩降低，這確保了變形的均勻分布并且防止了在邊界層和填充物的體積二者中的過剩變形。在上面給出的所有實施方式中，優選的是提供這樣的保護裝置，該保護裝置能夠在分離器的最大猛拉下將填充物延伸的局部變形減小到不超過可逆變形的預定極限的值。分離器6的最大猛拉力可以通過操作條件來限制。例如，如果蓄能器將被用在具有自由活塞式發動機的液壓混合動力汽車中，則發動機位移沖程的工作量和最大頻率確定了分離器運動的最大加速度和振幅以及分離器的最大猛拉力。當蓄能器以若干脈動源和載荷工作時，例如在壓力共軌中，最大猛拉力被確定為所有源和載荷的總和。對于通用的蓄能器，優選的是通過在液壓系統中在從最大壓力到大氣壓力的瞬時壓降時蓄能器的最大可能液流上升速率，確定分離器的加速運動的加速度和振幅以及分離器的最大猛拉力。首先，通過蓄能器的液口 3的液壓氣動特性，來確定蓄能器的最大液流上升速率。 在圖2和圖3的蓄能器中，液口 3包括限制液流及其上升速率的提升閥17，該提升閥降低了分離器的最大猛拉力。在圖3的膜式蓄能器中，使得具有提升閥17的液口 3具有允許僅僅實施彈性保護裝置的液流限制水平。可逆變形的預定極限取決于填充物的多孔材料的選擇以及這種材料的與氣體貯存器的最大容積對應的初始變形。優選的填充物由泡沫開孔彈性體例如泡沫聚氨酯或者泡沫乳膠制成，具有從十分之一毫米到幾毫米的小孔。從耐用性的觀點來說，填充物優選地被制成為，使得在氣體貯存器的最大容積下，填充物的多孔材料沿著分離器運動的方向以低于5的預定預壓縮程度被壓縮，同時可逆變形的極限被確定為相對延長，在該相對延長下，能夠恢復未變形的多孔材料的小孔的初始尺寸。例如，如果對于小孔尺寸為Imm的填充物的預壓縮程度選擇為等于 1. 8，充氣壓力為9MPa，則在IOMI^a的液壓系統的最小壓力下，小孔能夠延伸兩倍(從0. 5到 Imm)，并且在25MPa的壓力下，延伸高達5倍(從0. 2到Imm)。被壓縮的小孔延伸到不超過初始尺寸的尺寸防止了孔網出現不可逆的周期性延伸、變薄以及破裂。在填充物的多孔材料的已知密度和彈性的情況下，基于可逆變形的預定極限以及分離器的最大猛拉力，來分別選擇氣動屏障或彈性元件的數量、形狀和布置，以及它們各自的滲透率或彈性。分離器的猛拉越強，可逆變形的極限越低，需要的氣動屏障或彈性元件越多，它們之間的層厚度越小；前提是在分離器附近氣動屏障的滲透率更小，而彈性元件的彈性更高，并且彈性元件穿入填充物中的深度較大。由此，在分離器的任何猛拉下，都不會出現填充物的多孔材料的不可逆的局部伸展，這防止了填充物的毀壞。為了防止填充物材料在充氣與排氣時的損壞和損失，并且為了增加圖1至圖4中蓄能器中的氣口的操作可靠性，在殼體插入件10與氣口 5之間安裝了過濾器18。該過濾器由這樣一種多孔材料制成，該材料能夠傳送氣體并且捕獲填充物材料并且限制充氣和排氣時的氣流，從而在打開氣口時其壓降超過填充物不同區域之間的最大壓差的10倍以上。還可以提供具有獨立氣流限制器的實施方式，該氣流限制器呈通過過濾器與填充物分開的節流閥的形式，該過濾器能夠傳送氣體并且不將填充物材料從蓄能器的氣體貯存器傳送到氣口中，例如呈膜的形式，該膜的小孔的平均尺寸不超過填充物小孔之間的網的平均厚度，并且膜孔之間的平均距離小于填充物小孔之間的導管的平均橫截面尺寸。為了增加氣口 5附近的填充物7中的氣體滲透率，設有排放導管19，這些排放導管越深入填充物材料，它們的截面越小。通過殼體插入件10中的孔20，排放導管或者直接地或者經由收集器接頭間隙13而與過濾器18連通。在所有上述的蓄能器中，所提出的還有排放導管19的分布式實施方式，其中氣口 5附近的填充物7由多孔材料制成，并且孔之間的導管的截面增大。在所有提到的蓄能器中，優選的填充物在氣口 5附近具有較高的彈性，即其由更密集但小孔尺寸和小孔之間的導管截面增大的多孔材料制成。在充氣和放氣時對于氣流的限制減小了填充物的不同部分之間的總壓降，同時排放導管19與殼體插入件10中的孔20以及殼體插入件和殼體1之間的收集器接頭間隙 13 —起均勻地分布內部氣流以及相應的壓力梯度，以防止氣口附近的填充物多孔材料的毀壞。氣口附近的填充物材料的增加的彈性允許以高速排氣和充氣。在排氣期間，過濾器18 保持填充物的多孔材料，以防止其被拖拽到氣口中并且確保填充物的長的使用壽命以及氣口的可靠性。蓄能器可以具有附加的緊急釋放氣口。在這種情況下，該附加的氣口設置有與主氣口相同的防止填充物材料損壞和損失的裝置。在活塞式蓄能器中(圖1、圖4)，保護裝置還用來防止在蓄能器組裝期間以及在分離器6轉動時填充物7的扭曲，這在填充物運動期間是可能的。例如，通過使緩沖插入件8 或殼體插入件10分別能夠相對于分離器6或殼體1旋轉，防止了扭曲。活塞式蓄能器可以具有帶有腔室和膜的活塞，活塞中的膜將腔室分隔成液體部分和氣體部分，液體部分和氣體部分通過活塞中的窗口分別與液體貯存器和氣體貯存器連通。在這種實施方式中，填充物在活塞窗口附近具有較高的彈性和滲透率，這確保了在膜的波動下填充物材料的保留以及在腔室和氣體貯存器之間的良好氣體交換。為了延長在升高的環境溫度下的使用壽命，以上提到的任何蓄能器均優選地由這樣的填充物制成，該填充物包括在最大環境溫度與使用該填充物的最大許可溫度之間的溫度范圍內發生相變的材料。例如，填充物浸透有熔化溫度范圍在80°C和120°C之間的碳氫化合物。在高的環境溫度下，例如在40-60°C下，在壓縮期間氣體和填充物的溫度上升直到達到相變溫度。此后，熔化的碳氫化合物吸收大量的熱，以降低熱度并且防止對于填充物材料有害的溫度。由此，所提出的解決方案在具有引起分離器強烈猛拉的高的液流上升速率和液壓沖擊的液壓系統中在液壓氣動蓄能器的操作期間，防止絕熱填充物的多孔材料的毀壞和劣化；在工作氣體充氣與排氣時確保保護填充物材料不受毀壞和損失并且保護蓄能器的氣口不被損壞；結果所提出的蓄能器即使在升高的溫度下也具有高的效率、可靠性、和長的使用壽命。上述的實施方式是實現本發明的主要構思的實施例，還可構想未在此詳細描述的多個其它的實施方式，例如在一個殼體中包括一個容積可變的氣體貯存器和若干容積可變的液體貯存器的蓄能器的實施方式。引用文獻。1-L. S. Stolbov, AD. Petrova, 0V. Lozhkin. Fundamentals of hydraulics and hydraulic drive of machines (機器的水力學禾口液壓馬區動基石出)，Moscow, "Mashinostroenie", 1988, p. 172。2-美國專利 64057603-http://www. hydrotrole. co. uk/4-美國專利 59710275-0tis D. R. , "Thermal Losses in Gas-Charged Hydraulic Accumulators (充氣液壓蓄能器中的熱損失)，，，Proceedings of the Eighth Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (第八次學會間能量轉換工程會議的會議記錄)， Aug. 1973，pp. 198-2016-PourmovahedA. , S. A Baum, F. J. Fronczak, N. H Beachley "Experimental Evaluation of Hydraulic Accumulator Efficiency With and Without Elastomeric i^oam(利用和不利用泡沫膠的液壓蓄能器效率的實驗性評估)”，Proceedings of the Twenty-second Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (第二十二次學會間能量轉換工程會議的會議記錄)，Philadelphia, PA, Aug. 10-14，1987，paper 87-90907-美國專利 71080168-PourmovahedA. ,"Durability Testing of an Elastomeric Foam for Use in Hydraulic Accumulators (在液壓蓄能器中使用的泡沫膠的耐久性測試)”，Proceedings of the Twenty-third Intersociety Energy Conversion Engineering Conference (第二十三次學會間能量轉換工程會議的會議記錄)，Denver，CO，July 31-Aug. 5，1988. Volume 2(A89-1517604-44)9-Peter A. J. Achten, "Changing the Paradigm(改變范例)，，，Proceedings of the Tenth Scandinavian International Conference on Fluid Power (關于液體能量的第十次斯堪的納維亞國際會議)，May 21-23，2007，Tampere, Finland, Vol. 3，pp. 233-248ΙΟ-Peter A. J. Achten, Joop H. E. Somhorst, Robert Fvan Kuilenbrug, Johan P. J. van den Oever, Jeroen Potma “CPR for the hydraulic industry :The new design of the Innas Free Piston Engine (用于液壓工業的CPR :伊納斯自由活塞式發動機的新設計)，，，Hydraulikdagarna' 99, May 18-19, Linkoping University, SwedenIl-Peter A. J. Achten,"Dedicated Design of the Hydraulic Transformer (液壓轉換器的專門設計)"Proceedings of the IFK 3, Vol. 2, IFAS Aachen, pp. 233-248
權利要求
1.一種具有柔性多孔填充物的液壓氣動蓄能器，該液壓氣動蓄能器包括殼體，該殼體具有與液口連接的容積可變的液體貯存器和與氣口連接的容積可變的氣體貯存器，其中所述容積可變的氣體貯存器和所述容積可變的液體貯存器通過能夠相對于所述殼體運動的分離器而分開，并且所述氣體貯存器包括填充所述氣體貯存器的柔性多孔填充物，從而所述分離器的使所述氣體貯存器的容積減小的運動壓縮所述填充物，其特征在于，所述填充物與所述氣體貯存器的內壁連接，在所述分離器的使所述氣體貯存器的容積增加的運動下，所述填充物能夠伸展。
2.根據權利要求1所述的蓄能器，其中，所述填充物包括保護填充物邊界層以防破裂的裝置，該裝置在所述分離器猛拉的情況下能夠減小鄰近所述分離器的所述填充物邊界層的局部變形。
3.根據權利要求2所述的蓄能器，其中，保護所述填充物邊界層以防破裂的所述裝置被制成為能夠在所述分離器的最大猛拉下將所述填充物延伸的局部變形減小到不超過可逆變形的預定極限的值。
4.根據權利要求3所述的蓄能器，其中，所述填充物被制成為使得在所述氣體儲存器的最大容積下，所述填充物的所述多孔材料沿著所述分離器運動的方向被壓縮到優選低于 5的預定預壓縮程度，同時可逆延伸變形的極限被預定為這樣的相對延長，在該相對延長下，能夠恢復未變形的所述多孔材料的小孔的初始尺寸。
5.根據權利要求3所述的蓄能器，其中，所述分離器的所述最大猛拉力由所述液體貯存器的最大可能液流上升速率來確定，該最大可能液流上升速率是在與所述蓄能器連接的液壓系統中在從最大值到大氣壓力的瞬時壓降下會引起的液流上升速率。
6.根據權利要求2所述的蓄能器，其中，保護所述填充物邊界層以防破裂的所述裝置包括至少一個氣動屏障，所述氣動屏障被制成為在所述分離器附近、在超過所述邊界層的所述小孔的平均尺寸的選定距離處橫交于所述分離器猛拉的方向，并且沿著所述分離器運動方向的選定氣體滲透率小于所述填充物的所述多孔材料的平均氣體滲透率。
7.根據權利要求6所述的蓄能器，其中，所述氣動屏障制成為具有孔的膜的形式。
8.根據權利要求6所述的蓄能器，其中，所述氣動屏障被制成為一組連接所述小孔的導管，所述導管在所述分離器附近具有減小的滲透率。
9.根據權利要求2所述的蓄能器，其中，保護所述填充物邊界層以防破裂的所述裝置包括至少一個彈性元件，所述彈性元件將所述分離器與所述填充物的內層相連接，這些內層遠離所述分離器達選定深度，該選定深度超過所述填充物邊界層的所述小孔的平均尺寸。
10.根據權利要求9所述的蓄能器，其中，所述分離器和所述彈性元件由相同的彈性材料制成。
11.根據權利要求9所述的蓄能器，其中，所述分離器以活塞的形式制成，而所述彈性元件以與所述蓄能器的所述分離器和所述殼體相連接的金屬彈簧的形式制成。
12.根據權利要求9所述的蓄能器，其中，所述彈性元件被制成為在所述小孔之間的一組壁，所述壁在所述分離器附近具有增加的彈性，該增加的彈性超過在所述填充物小孔之間的壁的平均彈性。
13.根據權利要求1所述的蓄能器，其中，所述氣口通過過濾器而與所述填充物分開，該過濾器能夠將氣體從所述氣體貯存器傳送到所述氣口中并且捕獲填充物材料。
14.根據權利要求1所述的蓄能器，其中，所述氣口包括限流器，該限流器能夠限制通過所述氣口的氣流，使得在打開氣口時在所述限流器上的壓降超過所述填充物的不同空間之間的最大壓力差，優選超過10倍以上。
15.根據權利要求1所述的蓄能器，其中，在所述氣口附近的所述填充物被制成為具有增加的氣體滲透率，該增加的氣體滲透率超過所述填充物的所述多孔材料的平均滲透率。
16.根據權利要求1所述的蓄能器，其中，所述填充物被制成為在所述氣口附近具有增加的彈性。
17.根據權利要求1所述的蓄能器，其中，所述填充物包括在最大環境溫度與使用所述填充物的最大許可溫度之間的溫度范圍內發生相變的材料。
全文摘要
一種具有柔性多孔填充物的液壓氣動蓄能器，用于具有高水平脈動的液壓系統中的液力恢復，該液壓氣動蓄能器包括殼體，在該殼體處氣口和液口分別與容積可變的氣體貯存器和液體貯存器連接，該氣體貯存器和液體貯存器通過可動的分離器分開。柔性多孔填充物填充氣體貯存器，從而分離器使氣體貯存器容積減小的運動壓縮所述填充物。填充物與氣體貯存器的內壁連接，其中在分離器使氣體貯存器的容積增加的運動下，能夠使填充物伸展。蓄能器包括保護填充物邊界層以防破裂的保護裝置，該保護裝置在分離器猛拉的情況下能夠減小填充物邊界層的局部變形。防止了在多個恢復周期期間填充物的殘余變形的發展以及在分離器帶有強烈猛拉的不均勻運動下的毀壞。
文檔編號F15B1/24GK102197229SQ200880131648
公開日2011年9月21日 申請日期2008年11月27日 優先權日2008年9月1日
發明者亞歷山大·阿納托利耶維奇·斯特羅加諾夫 申請人:亞歷山大·阿納托利耶維奇·斯特羅加諾夫