工程设计论文：油箱冷却装置的设计

工程设计论文：油箱冷却装置的设计摘要油箱在液压系统中除了储油外，还起着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。油箱中安装有很多辅件，如冷却器、加热器、空气过滤器及液位计等。本文主要分析了油箱的设计要点；分析了油箱的容量计算；分析了冷却器的种类及特点，包括冷却器的种类与冷却器的选择及计算；分析了油的加热及加热器的发热能力；分析了过滤器的种类、用途及安装，包括过滤器的种类、过滤器的选择、对过滤器的要求；分析了蓄能器在系统中的应用，包括储蓄液压能用与缓和冲击及消除脉动用。关键词：油箱；冷却器；过滤器引言油箱可分为开式油箱和闭式油箱二种。开式油箱，箱中液面与大气相通，在油箱盖上装有空气过滤器。开式油箱结构简单，安装维护方便，液压系统普遍采用这种形式。闭式油箱一般用于压力油箱，内充一定压力的惰性气体，充气压力可达0.05MPa。如果按油箱的形状来分，还可分为矩形油箱和圆罐形油箱。矩形油箱制造容易，箱上易于安放液压器件，所以被广泛采用:圆罐形油箱强度高，重量轻，易于清扫，但制造较难，占地空间较大，在大型冶金设备中经常采用。1油箱的设计要点图1为油箱简图。设计油箱时应考虑如下几点。1)油箱必须有足够大的容积。一方面尽可能地满足散热的要求，另一方面在液压系统停止工作时应能容纳系统中的所有工作介质:而工作时又能保持适当的液位。2)吸油管及回油管应插入最低液面以下，以防止吸空和回油飞溅产生气泡。管口与箱底、箱壁距离一般不小于管径的3倍。吸油管可安装100 u m左右的网式或线隙式过滤器，安装位置要便于装卸和清洗过滤器。回油管口要斜切45角并面向箱壁，以防止回油冲击油箱底部的沉积物，同时也有利于散热。3)吸油管和回油管之间的距离要尽可能地远些，之间应设置隔板，以加大液流循环的途径，这样能提高散热、分离空气及沉淀杂质的效果。隔板高度为液面高度的2/33/4。1-液位计;2-吸油管:3-空气过滤器:4-回油管:5-侧板:6-入孔盖:7-放油塞;8-地脚:9-隔板;10-底板;11-吸油过滤器:12-盖板:4)为了保持油液清洁，油箱应有周边密封的盖板，盖板上装有空气过滤器，注油及通气一般都由一个空气过滤器来完成。为便于放油和清理，箱底要有一定的斜度，并在最低处设置放油阀。对于不易开盖的油箱，要设置清洗孔，以使于油箱内部的清理。5)油箱底部应距地面150m以上，以便于搬运、放油和散热。在油箱的适当位置要设吊耳，以便吊运，还要设置液位计，以监视液位。6)对油箱内表面的防腐处理要给予充分的注意。常用的方法有:酸洗后磷化。适用于所有介质，但受酸洗磷化槽限制，油箱不能太大。喷丸后直接涂防锈油。适用于一般矿物油和合成液压油，不适合含水液压液。因不受处理条件限制，大型油箱较多采用此方法。喷砂后热喷涂氧化铝。适用于除水-乙二醇外的所有介质。喷砂后进行喷塑。适用于所有介质。但受烘干设备限制，油箱不能过大。考虑油箱内表面的防腐处理时，不但要顾及与介质的相容性，还要考虑处理后的可加工性、制造到投入使用之间的时间间隔以及经济性，条件允许时采用不锈钢制油箱无疑是最理想的选择。2油箱的容量计算液压泵站的油箱公称容量系列(JB/T7938-1995)，见表1表1油箱容量JB/T7938-1995(L)4 6.3 10 25 40 63 100 160250 315 400 500 630 800 1000 12501600 2000 3150 4000 5000 6300油箱容量与系统的流量有关，一般容量可取最大流量的35倍。另外，油箱容量大小可从散热角度去设计。计算出系统发热量与散热量，再考虑冷却器散热后，从热平衡角度计算出油箱容量。不设冷却器、自然环境冷却时计算油箱容量的方法如下。1) 系统发热量计算在液压系统中，凡系统中的损失都变成热能散发出来。每-一个周期中，每一个工况其效率不同，因此损失也不同。一个周期发热的功率计算公式为2) 式中H-一个周期的平均发热功率(W);3) T-一个周期时间(s);Ni-第i个工况的输入功率(w);ni-第i个工况的效率:Ti-第i个工况持续时间(s)。2) 散热量计算当忽略系统中其他地方的散热，只考虑油箱散热时，显然系统的总发热功率H全部由油箱散热来考虑。这时油箱散热面积A的计算公式为式中A-油箱的散热面积(m2);H-油箱需要散热的热功率(N);t-油温(一般以55C考虑)与周围环境温度的温差(C);K-散热系数。与油箱周围通风条件的好坏而不同，通风很差时K=89;良好时X=1517.5;风扇强行冷却时K=2023;强迫水冷时K=1 10175.3)油箱容量的计算设油箱长、宽、高比值为a:b:c,则边长分别为Al、bl、cl、时(见图2)，1的计算公式为式中A-散热面积(m2)图2油箱容量计算图液压系统的工作温度般希望保持在3050的范围之内，最高不超过6s9C,最低不低于1sC,如果液压系统靠自然冷却仍不能使油温控制在上述范围内时，欢须安装冷却器;反之，如环境温度太低，无法使液压茶启动成正常运转时，就须安装加热。3冷却器的种类及特点3.1冷却器的种类表冷却器的种类及特点种类 特点 冷却效果水冷却式 水列管式:固定折板式，浮头式双重管式，U形管式，立式、卧式等 冷却水从管内流过，油从列管间流过，中间折板使油折流，并采用双程或四程流动方式，强化冷却效果 散热效果好，散热系列可达350-580W/(m2.C) 波纹板式:人字波纹式，斜式波纹式等 利用板式人字或斜波纹结构叠加排列形成的接触点，使液流在流速不高的情况下形成紊流，提高散热效果 散热效果好，散热系数可达230815W/(m2.C) 风冷却式 风冷式:间接式、固定式及冷浮动式或支撑式和悬挂式等 用风冷却油，结构简单、体积小、重量轻、热阻小、换热面积大、使用、安装方便 散热效高，油散热系数可达116175W/(m2.C)制冷式 机械制冷式:箱式、柜式 利用氟里昂制冷原理把液压油中的热量吸收、排出 冷却效果好，冷却温度控制较方便3.2冷却器的选择及计算在选择冷却器时应首先要求冷却器安全可靠、压力损失小、散热效率高、体积小、重量轻等。然后根据使用场合，作业环境情况选择冷却器类型如使用现场是否有冷却水源，液压站是否随行走机械-起运动，当存在以上情况时，应优先选择风冷式，而后是机械制冷式。(1) 水冷式冷却器的冷却面积计算式中A-冷却器的冷却面积(m2);Nh-液压系统发热量(W);Nhd-液压系统散热量(W)K-散热系数，见表55;Tgv-平均温差(C)。T、T2-进口和出口油温(C)t1、tz-进口和出口水温(C)。系统发热量和散热量的估算:Ng=Np(1-n)式中N-输入泵的功率(W);50%60%。nc-系统的总效率。合理、高效的系统为70%80%，一般系统仅达到50%60%。式中K:一油箱散热系统(W/m2.C)，取值范围见表2。表2油箱散热系数油箱散热情况 散熱系数K/W整体式油箱，通风差 1128单体式油箱，通风较好 2957上置式油箱，通风好 5874强制通风的油箱 142341A-油箱散热面积(m2):-油温与环境温度之差(C)冷却水用量Qs(单位:m2/s)的计算:式中C-油的比热容(J/kg.C)，一般C=2010J/kg.C;C-水的比热容(J/kg.C)，一般C=1J/kg.C;Y-油的密度(kg/m3)，一般Y=900kg/m3;r-水的密度(kg/m3)，一般r=1000kg/m3；Q-油液的流量(m2/s).(2)风冷式冷却器的面积计算式中N-液压系统发热量(W);Nhd-液压系统散热量(W);A-污垢系数，一般a=1.5;K-散热系数，见表55;T-平均温差(C),t1、t2-进口、出口空气温度(C):Qp-空气流量(m2/s):Yp-空气密度(kg/m2)，一般Yp=1.4kg/m2:D-空气比热容(J/(kg.C)，一般C=1005J/(kg.C):空气流量Q(单位:m2/s)4油的加热及加热器的发热能力液压系统中的油温，一般应控制在3050C范围内。最高不应高于70C,最低不应低于15C.油温过高，将使油液迅速老化变质，同时使油液的粘度降低，造成元件内泄漏量增加，系统效率降低:油温过低，使油液粘度过大，造成泵吸油困难。油温的过高或过低都会引发系统工作不正常，为保证油液能在正常的范围内工作，需对系统油液温度进行必要的控制即采用加热或冷却方式。油液的加热可采用电加热或蒸汽加热等方式，为避免油液过热变质，一般加热管表面温度不允许超过120C，电加热管表面功率密度不应超过3W/cm2。加热器的发热能力可按下式估算:式中N-加热器发热能力(W);C-油的比热，取C=16802094J/(kg.C);r-油的密度，取r=900kg/m3;V-油箱内油液体积(m2);OQ-油加热后温升(C):T-加热时间(s)。3.5.2电加热器的计算电加热器的功率:P=N/式中-热效率，取n=0.60.8.液压系统中装设电加热器后，可以较方便地实现液压系统油温的自动控制。过滤器的主要性能参数过滤器的主要性能参数1)过滤精度/m:是指过滤器滤除一定尺寸固体污染物的能力。是选取过滤器首先要考虑的一个重要参数。2)压力损失/MPa:工作介质流经过滤器时，主要是滤芯对介质流动造成阻力，使过滤器的油口两端产生一定的压差(压力降)，即压力损失。压力损失在系统设计中应加以考虑，如安装在压力管路上会造成压降，在回油管路上会造成背压。5过滤器的种类、用途及安装5.1过滤器的种类表3过滤器的种类、用途及安装种类 用途 安装位置(见图中标号)吸油过滤器 保护液压泵 3高压过滤器 保护泵下游元件不受污染 6回油过滤器 降低油液污染度 5离线过滤器 连续过滤保持清洁度 8泄油过滤器 防止污染物进入油箱 4安全过滤器 保护污染抵抗力低的元件 7通气过滤器 防止污染物随空气侵入 2注油过滤器 防止注油时侵入污染物 15.2过滤器的选择选择过滤器时应考虑如下几个方面:1)根据使用目的(用途)选择过滤器的种类，根据安装位置情况选择过滤器的安装形式。2)过滤器应具有足够大的通油能力，并且压力损失要小。3)过滤精度应满足液压系统或元件所需清洁度要求。4)滤芯使用的滤材应满足所使用工作介质的要求，并且有足够强度。5)过滤器的强度及压力损失是选择时需重点考虑的因素，安装过滤器后会对系统造成局部压降或产生背压。6)滤芯的更换及清洗应方便。7)应根据系统需要考虑选择合适的滤芯保护附件(如带旁通阀的定压开启装置及滤芯污染情况指示器或信号器等)。选过滤器的通油能力时，-般应大于实际通过流量的2倍以上。过滤器通油能力可按下式计算。式中Q-过滤器通油能力(m2/s);-液压油的动力粘度(Pa.s);A-有效过滤面积(m2);Op-压力差(Pa);K-滤芯通油能力系数，网式滤芯K=0.34;线隙式滤芯K=0.17;纸质滤芯K=0.006;烧结式滤芯式中D为粒子平均直径，单位为m，为滤芯的壁厚，单位为m.5.3对过滤器的要求液压油中往往含有颗粒状杂质，会造成液压元件相对运动表面的磨损、滑阀卡滞、节流孔口堵塞，使系统工作可靠性大为降低。在系统中安装-定精度的滤油器，是保证液压系统正常工作的必要手段。过滤器的过滤精度是指滤芯能够滤除的最小杂质颗粒的大小，以直径d作为公称尺寸表示，按精度可分为粗过滤器(d100)普通过滤器(d10)，精过滤器(d5),特精过滤器(dl)。一般对过滤器的基本要求是:(1)能满足液压系统对过滤精度要求，即能阻挡-定尺寸的杂质进入系统。(2)滤芯应有足够强度，不会因压力而损坏。(3)通流能力大，压力损失小。(4)易于清洗或更换滤芯。表4各种液压系统的过滤精度要求系统类别 润滑系统 传动系统 伺候系统工作压力（MPa） 02.5 14 14232 32 21精度d（m） 100 2550 25 10 5（1）泵入口的吸油粗滤器用来保护泵，使其不致吸入较大的机械杂质，根据泵的要求，可用粗的或普通精度的滤油器，为了不影响泵的吸油性能，防止发生气穴现象，滤油器的过滤能力应为泵流量的两倍以上，压力损失不得超过0.010.035MPa。(2)泵出口油路上的高压滤油器这种安装主要用来滤除进入液压系统的污染杂质，一般采用过滤精度1015m的滤油器。它应能承受油路上的工作压力和冲击压力，其压力降应小于0.35MPa，并应有安全阀或堵塞状态发讯装置，以防泵过载和滤芯损坏。6蓄能器在系统中的应用6.1储蓄液压能用(1)对于间歇负荷，能减少液压泵的传动功率。当液压缸需要较多油量时，蓄能器与液压泵同时供油:当液压缸不工作时，液压泵给蓄能器充油。达到一定压力后液压泵停止运转。(2)在瞬间提供大量压力油。(3)紧急操作:在液压装置发生故障和停电时，作为应急的动力源。(4)保持系统压力:补充液压系统的漏油，或用于液压泵长时期停止运转而要保持恒压的设备上。(5)驱动二次回路:机械在由于调整检修等原因而使主回路停止时，可以使用蓄能器的液压能来驱动二次回路。(6)稳定压力:在闭锁回路中，由于油温升高而使液体膨胀，产生高压可使用蓄能器吸收，对容积变化而使油量减少时，也能起补偿作用。6.2缓和冲击及消除脉动用（1）吸收液压泵的压力脉动。（2）缓和冲击:如缓和阀在迅速关闭和变换方向时所引起的水锤现象。注:1.缓和冲击的蓄能器，应选用惯性小的蓄能器，如气囊式蓄能器、弹簧式畜能器等。2.缓和冲击的蓄能器，一般尽可能安装在靠近发生冲击的地方，并垂直安装，油口向下。如实在受位置限制，垂直安装不可能时，再水平安装。3.在管路上安装蓄能器，必须用支板或支架将蓄能器固紧，以免发生事故。4.蓄能器应安装在远离热源地地方。变压器冷却器中油流方向为自上而下。就冷却效果而言，冷却装置挂的越高冷却效果越明显，而提高悬挂高度对变压器的内部结构会产生影响。现在行业悬挂冷却装置的方式，一般是在油箱箱壁开孔，焊接蝶阀管接头，通过蝶阀来连接冷却装置。而在箱壁开孔后，大容量大电压的变压器箱壁磁屏蔽将受到影响，现在一般采用内部磁屏蔽避开箱壁的开孔，防止影响变压器油流速度。变压器冷却装置连接新结构是在油箱上焊接S型弯管，将变压器冷却装置下管头引入到油箱处下部，避开油箱内部的磁屏蔽，改善此处的磁通分布，减少变压器油流入油箱内部对引线的冲击。变压器冷却装置连接新结构如图3所示。图3冷却装置连接新结构示意图油箱内部的磁屏蔽因管接头位置更改而没有受到破坏，保留了磁屏蔽的完整性。磁通就会沿着磁屏蔽形成环路，避免出现消耗或过热。结论油箱冷却装置的连接方式可以有效降低油箱内部磁屏蔽的磁通量，降低变压器的损耗，减少变压器油流对引线的冲击。此种变压器冷却装置连接新结构的优化应用填补了对变压器磁屏蔽影响研究的空白领域。参考文献1于镇法,王大勇,徐敬凯.变压器油箱冷却装置连接方式的优化设计J.大众用电,2019,34(05):30-31.2乐南更.采煤机冷却器装置优化设计J.煤矿机械,2019(9).3陈艳玺.煤矿井下液压钻机油箱和冷却器设计%Design of Hydraulic Drilling Tank and Cooler for Underground Coal MineJ.煤矿机械,2013,034(005):22-23.4权钰云.掘进机液压系统热平衡研究及冷却器设计J.机电产品开发与创新,2018,v.31；No.170(03):68-70+119.5鲁永观.主油箱冷却机(zj17-x1-x2)Main tank cooling machine(zj17-x1-x2):CN 2012.6朱亚军.久益LWS512采煤机液压油箱冷却系统改造J.陕西煤炭,2018,037(002):97-99.7罗诗伟.液压钻机冷却器选型设计J.地质装备,2017(3).8鲁永观.主油箱冷却机(zj17-x1-x2)The main fuel tank cooler(zj17-x1-x2):,2012.9侯森,杨焕丽.MG800/2040-WD采煤机油箱冷却系统改造J.中国新技术新产品,2010,000(007):138.10郭健,高治国.一种带冷却功能的采棉机液压油箱介绍J.企业技术开发:中旬刊,2014,033(010):P.70-70,99.