高压开关蓄能器的研究与思考

作者：付航

关键词：高压开关蓄能器，

1、高压开关蓄能器的发展现状

    我国蓄能器产业发展较晚，国内产品生产及市场需求都明显落后于世界发达国家。近年来随着我国液压机械应用需求的增强，国内蓄能器市场得到了较快的发展，目前国内液压活塞式蓄能器产品市场上高端液压产品、高压、特高压蓄能器领域主要被美国、德国、法国及日本产品占领，在油田、矿山、冶金及电力领域应用的蓄能器，大部分是来自欧美、日本的高性能产品。在进口产品当中，以美国拓步蓄能器的进口量最大。

    高性能、高可靠性、长寿命高压活塞式蓄能器项目属于国家高新技术重点领域，对于本产业的技术发展国家提供了一系列的政策支持。目前国内生产活塞式蓄能器的厂家很多，但产品整体水平处于中低端，其工作压力不高、清洁度要求低、泄漏率大、只是定性检漏，造成高端产品不得不依赖国外进口。迫切需要研究开发高技术水平的高压活塞式蓄能器。

2、高压开关蓄能器的工作原理

    技术原理：以波义耳定律、流体力学为基础，通过压缩气体完成能量转换。用活塞将氮气和液压油隔开，利用气体的可压缩性，进行充液、排液来达到储存和释放液压能。使用时首先向蓄能器充入预定压力的气体。当系统压力超过蓄能器内部压力时，油液压缩气体，将油液中的压力能转化为气体内能；当系统内部压力需要的时候，活塞式蓄能器中的油介质在高压气体的作用下流向外部系统，释放能量。选择适当的预充气压力是这种蓄能器的关键。

    总体技术路线：产品立项—产品设计开发—制造过程开发—产品设计与制造过程评价—项目产业化推广。

    1. 产品立项：项目产品目前属于国内空白。我公司对高压开关用蓄能器项目的研发进行了充分的国产化技术可行性分析及充分的市场调研后，确定立项。

    2. 产品设计开发、制造过程开发：高压开关用活塞式蓄能器国产化产品设计制造，原则是参考平高电气股份公司在晋东南-南阳-荆门特高压示范工程已投入使用的进口储压器结构，结合公司已有的设计制造经验进行对比经验国产化设计制造。产品符合国家钢制压力容器、储压器、液压元件等相关标准，符合国外产品采购标准。

    在产品设计开发、制造过程开发中，首先进行高压开关用活塞式蓄能器国产化产品技术特性分析和制造过程特性分析，然后应用FMEA工具对产品设计和制造过程的潜在失效模式及后果进行分析，根据风险评价指数，确定耐高压结构安全、密封、多只蓄能器同步大流量为关键技术及要解决的关键问题，同时制定相应对措。设计和制造经过样件和小批两个PDCA循环，验证关键技术及解决的关键问题的措施，同时改善产品设计和制造过程。

3、高压开关蓄能器主要运用的技术

    1.组合式密封结构，保证产品达到和超过国外先进的低泄漏率指标。（属于学科分类：工程通用技术、代码41070，旁证材料：附件  ）

项目产品的耐高压（工作压力40MPa）、高速度（2.5m/s）、低泄漏（泄漏率＜1×10-4ml/s）指标是完成该项目创新难点。气体高压、高速、动密封是本项目的关键技术，设计合理的密封结构及选取适宜的密封材料是需要重点解决的问题。

    O形密封圈采用丁晴橡胶材料，保护挡圈、滑动密封圈采用改性聚四氟乙烯材料，其低摩擦阻力及寿命可达产品要求，使活塞在高压下运行时的摩擦系数极小且能保持高性能的密封，是解决高压动密封的关键。

   该结构技术已获实用新型专利，专利名称：《高压活塞式蓄能器》，专利号：ZL200720092504.6

    2.采用双环组合、油气隔离密封结构，内孔精密加工、零件及产品成组装配技术，达到了气体在高压、高速、动密封情况下的低泄漏目标。（属于学科分类：工程通用技术、代码41070，旁证材料：附件    ）

活塞式蓄能器的活塞与壳体内壁接触的圆周面上开设有两条并列的环形槽，各环形槽内均设置组合式密封装置，起到高压气体密封压力缓冲作用，使密封效果明显。

该结构技术已获实用新型专利，专利名称：《一种高压活塞式蓄能器》，专利号：ZL200720092505.0

    3.底盖采用环式无螺纹结构。（属于学科分类：机械设计、代码46020，旁证材料：附件    ）

缸体两端端堵常规采用螺纹连接。经爆破试验发现，薄弱环节往往是螺纹连接部位，且螺纹连接装配时旋入对密封件也是无益的，易产生泄漏。环键无螺纹底盖结构的爆破试验结果：压力达到183MPa时未产生塑性变形

    该技术已申请国家实用新型专利并受权，专利名称：《一种无螺纹耐压密封结构》，专利号:ZL201220139583.2

    4.高压开关用活塞式蓄能器充气端采用半球收口、调质无焊缝壳体形式，优化了蓄能器结构，减少了泄漏通道面积。（属于学科分类：机械设计、代码46020，旁证材料：附件        ）

减小蓄能器端部的泄漏通道面积，也是减少泄漏的途径之一。

    壳体在结构上采取半球旋压收口方法成型，既提高壳体的耐压性能，又减小了泄漏面积。

    该结构技术已获实用新型专利，专利名称：《一种高压活塞式蓄能器》，专利号：ZL200720092505.0

    5.运用活塞启动和运行阻力数字化检测技术，保证四蓄能器同步工作。（属于学科分类：机械制造自动化、代码46050，旁证材料：附件      ）

产品同步技术涵盖阀体的设计、盲孔深孔加工及孔底清根珩磨、机电一体化的参数在线检测技术、活塞的启动和运行阻力测试、预充气体压力控制及运行同步的检测、成组装配技术等。这些技术的应用保证了蓄能器四支并联筒体活塞在压力下能同步运行，使蓄能器四支并联筒体内被压缩的气体同步释放能量，为系统提供可靠、稳定的瞬间动力。

    该技术已申请国家实用新型专利并公告授权，专利名称：《液压多通道运行同步装置》，专利号：ZL201220145429.6

    6.缸体高压喷射清洗技术等使产品清洁度达到AIA/NAS1638 9级标准。（属于学科分类：机械制造工艺与设备、代码46025，旁证材料：附件     ）

    利用缸体高压喷射清洗装置，采用高油类介质清洗压力，大角度喷头同时喷射到缸体内直径方向切面，可使产品清洁度达到AIA/NAS1638 9级标准。

    该技术已获国家实用新型专利，专利名称：《高压活塞式蓄能器缸体喷射清洗装置》，专利号：ZL201220139687.3。

4、高压开关蓄能器的应用领域

   全世界油气田，关键设备上都采用高压开关蓄能器，因其有安全系数业最高，寿命性能稳定，耐恶劣工况。广泛应用与机械机床、车辆、航天航空、船舶航母、轮机、风电核电、化工、钢铁、石油、水处理等领域。

5、高压开关蓄能器的特性

  1.耐高压：壳体、活塞及底盖的耐高压结构、高密封结构；

  2.搞清洁度：高精度零件的加工工艺及高清洁度清洗工艺方法及设备；

  3.密封性：密封件选择和高压混合气体定量检漏技术；

  4.同步性：四支并联四通道同步运行；

  5.安全性：活塞启动运行阻力测试技术及设备的研发和耐压、气密试验技术、工装；

  6.寿命长：蓄能器综合功能例行试验及耐久试验技术及设备的研发；

7、行业竞争格局情况

    从行业的竞争格局来看，蓄能器行业以德国、美国、意大利和印度等国走在世界前列，依托高端的生产设备及先进的加工工艺，能够生产出大压力、高精度、高性能的产品。高端的产品结构具有更高的附加值，同时也占据着全球主要的高端应用市场，例如德国的Tobul公司、意大利Fox公司、印度的Olaer公司、德国Bosch公司等。

    同国外的先进技术水平相比，我国蓄能器行业仍处于一个相对落后的位置。国内大部分蓄能器生产企业主要从事普通低端蓄能器产品的生产，对大压力、高精度、高性能产品的研发、生产能力整体不足、产品技术含量及附加值低、工艺水平相对落后、应用领域对产品的性能要求较低。随着国民经济的发展，以及国家对高端装备制造业和重要基础零部件行业的大力支持，国内蓄能器行业也在开始逐步朝着“专、精、特”的方向发展。目前，国内还没有形成大型、高端、统领行业的蓄能器生产企业。

8、结语

   上述内容主要对高压开关蓄能器的工作原理和市场前景进行了分析和思考。