خواص مکانیکی و شیمیایی گاز نیتروژن در شارژ آکومولاتور
گاز نیتروژن با نماد شیمیایی N₂ یکی از پرکاربردترین گازها در سیستم های هیدرولیک و آکومولاتورهای صنعتی است. این گاز حدود 78 درصد از هوای اتمسفر را تشکیل می دهد و به دلیل ساختار مولکولی پایدار، غیر قابل اشتعال و کم واکنش بودن، گزینه ای ایمن برای ذخیره انرژی هیدرولیکی محسوب می شود. نیتروژن دارای وزن مولکولی 28.01 گرم بر مول، نقطه جوش حدود منفی 196 درجه سانتی گراد و ضریب انبساط حرارتی مناسب برای کار در محدوده دمایی گسترده است. این ویژگی ها باعث می شوند فشار گاز داخل آکومولاتور در شرایط کاری مختلف تغییرات کنترل شده ای داشته باشد.
از نظر مکانیکی، نیتروژن قابلیت فشرده سازی بالایی دارد و مانند یک فنر گازی عمل می کند. زمانی که روغن هیدرولیک وارد پوسته آکومولاتور می شود، حجم گاز کاهش یافته و فشار افزایش پیدا می کند. هنگام کاهش فشار مدار، گاز فشرده شده انرژی ذخیره شده را آزاد کرده و روغن را با فشار مناسب به سیستم باز می گرداند. این خاصیت ارتجاعی، عملکرد نرم تر شیرهای هیدرولیک، کاهش ضربه های فشار و جبران نوسانات جریان را امکان پذیر می کند.
نیتروژن برخلاف اکسیژن موجود در هوای فشرده، خاصیت اکسید کنندگی بسیار پایینی دارد. وجود اکسیژن در آکومولاتور می تواند باعث اکسید شدن روغن هیدرولیک، افزایش دمای کاری و تخریب سریع تر آب بندها شود. به همین دلیل استفاده از هوای معمولی برای شارژ آکومولاتورهای هیدرولیک از نظر ایمنی و عمر قطعات توصیه نمی شود.
مزایای استفاده از نیتروژن در Accumulator هیدرولیک
مهم ترین مزیت استفاده از گاز نیتروژن در آکومولاتور، افزایش ایمنی سیستم هیدرولیک است. نیتروژن یک گاز بی اثر محسوب می شود و در فشارهای بالا خطر انفجار یا واکنش شیمیایی با روغن هیدرولیک ندارد. آکومولاتورهای صنعتی معمولا با فشار اولیه گاز بین 50 تا 100 درصد فشار کاری سیستم شارژ می شوند. برای مثال، یک آکومولاتور مدار 250 بار ممکن است با فشار اولیه 80 تا 120 بار نیتروژن تنظیم شود.
استفاده از نیتروژن باعث افزایش پایداری عملکرد آکومولاتور در ماشین آلات سنگین مانند بیل مکانیکی، لودر، جرثقیل، لیفتراک و پرس های صنعتی می شود. این گاز قابلیت جذب شوک های هیدرولیکی، کاهش ضربه ناشی از توقف ناگهانی جریان و تامین جریان لحظه ای مورد نیاز عملگرها را دارد. در سیستم های هیدرولیک دقیق، کاهش نوسان فشار می تواند عمر پمپ، شیر کنترل و جک های هیدرولیکی را افزایش دهد.
یکی دیگر از مزایای نیتروژن، عدم ترکیب آن با روغن هیدرولیک است. در شرایط کاری دمای بالا، گازهای فعال مانند اکسیژن می توانند باعث ایجاد لجن، اسیدهای روغنی و کاهش کیفیت سیال شوند. نیتروژن این مشکلات را کاهش داده و باعث حفظ خواص روانکاری روغن در دوره های طولانی تر می شود. به همین دلیل اکثر سازندگان معتبر آکومولاتور مانند Parker، Hydac و Bosch Rexroth شارژ نیتروژن خشک را استاندارد اصلی محصولات خود قرار داده اند.
درصد حجم گاز به روغن در ساختار انواع آکومولاتور
نسبت حجم گاز نیتروژن به روغن هیدرولیک در آکومولاتور به نوع طراحی، فشار کاری و کاربرد سیستم بستگی دارد. در آکومولاتورهای کیسه ای یا Bladder Accumulator معمولا در حالت بدون فشار کاری، حدود 60 تا 70 درصد حجم مخزن با گاز نیتروژن پر می شود. بخش باقی مانده برای ورود روغن و تغییر حجم گاز در هنگام شارژ و دشارژ اختصاص دارد.
در آکومولاتورهای پیستونی یا Piston Accumulator نسبت حجم گاز و روغن انعطاف پذیرتر است. در کاربردهای ذخیره انرژی، حجم گاز ممکن است حدود 50 تا 80 درصد ظرفیت کل مخزن باشد. برای مثال، در یک آکومولاتور 10 لیتری، حجم موثر گاز می تواند بین 5 تا 8 لیتر تنظیم شود. این مقدار با توجه به فشار اولیه، فشار کاری و مقدار انرژی مورد نیاز تغییر می کند.
در آکومولاتورهای دیافراگمی یا Diaphragm Accumulator معمولا حجم گاز کمتر است و نسبت گاز به روغن حدود 40 تا 60 درصد ظرفیت کل مخزن در نظر گرفته می شود. این نوع آکومولاتورها بیشتر برای حذف ضربان فشار، سیستم های کوچک هیدرولیک و تجهیزات دقیق استفاده می شوند. تنظیم صحیح نسبت گاز و روغن تاثیر مستقیم بر سرعت واکنش، ظرفیت ذخیره انرژی و عمر دیافراگم یا بلادر دارد.
طول عمر گاز نیتروژن در آکومولاتور و عوامل کاهش فشار
گاز نیتروژن داخل آکومولاتور برخلاف روغن هیدرولیک مصرف نمی شود و از نظر شیمیایی پایدار است. در شرایط استاندارد، شارژ نیتروژن می تواند بین 2 تا 5 سال بدون نیاز به تعویض مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، کاهش تدریجی فشار گاز به دلیل نفوذ مولکولی از دیواره بلادر، دیافراگم یا آب بندهای پیستون اتفاق می افتد. میزان افت فشار معمولا سالانه حدود 5 تا 10 درصد فشار اولیه است.
بنا به اطلاعات تجربی گروه صنعتی هیدرولیک مارکت، عوامل مختلفی مانند دمای کاری بالا، کیفیت پایین آب بندها، آسیب دیدگی بلادر، لرزش شدید دستگاه و شارژ با گاز دارای رطوبت می توانند عمر موثر نیتروژن را کاهش دهند. در ماشین آلات سنگین که آکومولاتور در شرایط سخت کاری فعالیت می کند، بررسی فشار گاز معمولا هر 6 تا 12 ماه توصیه می شود. کاهش بیش از 10 تا 15 درصد فشار اولیه می تواند باعث افت عملکرد سیستم شود.
برای افزایش طول عمر شارژ نیتروژن باید از گاز نیتروژن خشک با خلوص حداقل 99.5 درصد استفاده شود. همچنین فرآیند شارژ باید با تجهیزات مخصوص آکومولاتور انجام شود تا از ورود رطوبت و آلودگی جلوگیری شود. تنظیم صحیح فشار اولیه نیتروژن، یکی از مهم ترین عوامل افزایش عمر آکومولاتور و کاهش هزینه های تعمیرات سیستم هیدرولیک است.
