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1、工程設(shè)計(jì)論文：油箱冷卻裝置的設(shè)計(jì)摘要油箱在液壓系統(tǒng)中除了儲(chǔ)油外，還起著散熱、分離油液中的氣泡、沉淀雜質(zhì)等作用。油箱中安裝有很多輔件，如冷卻器、加熱器、空氣過濾器及液位計(jì)等。本文主要分析了油箱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)；分析了油箱的容量計(jì)算；分析了冷卻器的種類及特點(diǎn)，包括冷卻器的種類與冷卻器的選擇及計(jì)算；分析了油的加熱及加熱器的發(fā)熱能力；分析了過濾器的種類、用途及安裝，包括過濾器的種類、過濾器的選擇、對(duì)過濾器的要求；分析了蓄能器在系統(tǒng)中的應(yīng)用，包括儲(chǔ)蓄液壓能用與緩和沖擊及消除脈動(dòng)用。關(guān)鍵詞：油箱；冷卻器；過濾器引言油箱可分為開式油箱和閉式油箱二種。開式油箱，箱中液面與大氣相通，在油箱蓋上裝有空氣過濾器。開式油箱
2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，液壓系統(tǒng)普遍采用這種形式。閉式油箱一般用于壓力油箱，內(nèi)充一定壓力的惰性氣體，充氣壓力可達(dá)0.05MPa。如果按油箱的形狀來分，還可分為矩形油箱和圓罐形油箱。矩形油箱制造容易，箱上易于安放液壓器件，所以被廣泛采用:圓罐形油箱強(qiáng)度高，重量輕，易于清掃，但制造較難，占地空間較大，在大型冶金設(shè)備中經(jīng)常采用。1油箱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)圖1為油箱簡(jiǎn)圖。設(shè)計(jì)油箱時(shí)應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)。1)油箱必須有足夠大的容積。一方面盡可能地滿足散熱的要求，另一方面在液壓系統(tǒng)停止工作時(shí)應(yīng)能容納系統(tǒng)中的所有工作介質(zhì):而工作時(shí)又能保持適當(dāng)?shù)囊何弧?)吸油管及回油管應(yīng)插入最低液面以下，以防止吸空和回油飛濺產(chǎn)生氣泡。管口與
3、箱底、箱壁距離一般不小于管徑的3倍。吸油管可安裝100 u m左右的網(wǎng)式或線隙式過濾器，安裝位置要便于裝卸和清洗過濾器。回油管口要斜切45角并面向箱壁，以防止回油沖擊油箱底部的沉積物，同時(shí)也有利于散熱。3)吸油管和回油管之間的距離要盡可能地遠(yuǎn)些，之間應(yīng)設(shè)置隔板，以加大液流循環(huán)的途徑，這樣能提高散熱、分離空氣及沉淀雜質(zhì)的效果。隔板高度為液面高度的2/33/4。1-液位計(jì);2-吸油管:3-空氣過濾器:4-回油管:5-側(cè)板:6-入孔蓋:7-放油塞;8-地腳:9-隔板;10-底板;11-吸油過濾器:12-蓋板:4)為了保持油液清潔，油箱應(yīng)有周邊密封的蓋板，蓋板上裝有空氣過濾器，注油及通氣一般都由一個(gè)空
4、氣過濾器來完成。為便于放油和清理，箱底要有一定的斜度，并在最低處設(shè)置放油閥。對(duì)于不易開蓋的油箱，要設(shè)置清洗孔，以使于油箱內(nèi)部的清理。5)油箱底部應(yīng)距地面150m以上，以便于搬運(yùn)、放油和散熱。在油箱的適當(dāng)位置要設(shè)吊耳，以便吊運(yùn)，還要設(shè)置液位計(jì)，以監(jiān)視液位。6)對(duì)油箱內(nèi)表面的防腐處理要給予充分的注意。常用的方法有:酸洗后磷化。適用于所有介質(zhì)，但受酸洗磷化槽限制，油箱不能太大。噴丸后直接涂防銹油。適用于一般礦物油和合成液壓油，不適合含水液壓液。因不受處理?xiàng)l件限制，大型油箱較多采用此方法。噴砂后熱噴涂氧化鋁。適用于除水-乙二醇外的所有介質(zhì)。噴砂后進(jìn)行噴塑。適用于所有介質(zhì)。但受烘干設(shè)備限制，油箱不能過大
5、?？紤]油箱內(nèi)表面的防腐處理時(shí)，不但要顧及與介質(zhì)的相容性，還要考慮處理后的可加工性、制造到投入使用之間的時(shí)間間隔以及經(jīng)濟(jì)性，條件允許時(shí)采用不銹鋼制油箱無疑是最理想的選擇。2油箱的容量計(jì)算液壓泵站的油箱公稱容量系列(JB/T7938-1995)，見表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油箱容量與系統(tǒng)的流量有關(guān)，一般容量可取最大流量的35倍。另外，油箱容量大小可從散熱角度去設(shè)計(jì)。計(jì)算出系統(tǒng)發(fā)熱量與散熱量，再考慮冷卻器散
6、熱后，從熱平衡角度計(jì)算出油箱容量。不設(shè)冷卻器、自然環(huán)境冷卻時(shí)計(jì)算油箱容量的方法如下。1) 系統(tǒng)發(fā)熱量計(jì)算在液壓系統(tǒng)中，凡系統(tǒng)中的損失都變成熱能散發(fā)出來。每-一個(gè)周期中，每一個(gè)工況其效率不同，因此損失也不同。一個(gè)周期發(fā)熱的功率計(jì)算公式為2) 式中H-一個(gè)周期的平均發(fā)熱功率(W);3) T-一個(gè)周期時(shí)間(s);Ni-第i個(gè)工況的輸入功率(w);ni-第i個(gè)工況的效率:Ti-第i個(gè)工況持續(xù)時(shí)間(s)。2) 散熱量計(jì)算當(dāng)忽略系統(tǒng)中其他地方的散熱，只考慮油箱散熱時(shí)，顯然系統(tǒng)的總發(fā)熱功率H全部由油箱散熱來考慮。這時(shí)油箱散熱面積A的計(jì)算公式為式中A-油箱的散熱面積(m2);H-油箱需要散熱的熱功率(N);t
7、-油溫(一般以55C考慮)與周圍環(huán)境溫度的溫差(C);K-散熱系數(shù)。與油箱周圍通風(fēng)條件的好壞而不同，通風(fēng)很差時(shí)K=89;良好時(shí)X=1517.5;風(fēng)扇強(qiáng)行冷卻時(shí)K=2023;強(qiáng)迫水冷時(shí)K=1 10175.3)油箱容量的計(jì)算設(shè)油箱長、寬、高比值為a:b:c,則邊長分別為Al、bl、cl、時(shí)(見圖2)，1的計(jì)算公式為式中A-散熱面積(m2)圖2油箱容量計(jì)算圖液壓系統(tǒng)的工作溫度般希望保持在3050的范圍之內(nèi)，最高不超過6s9C,最低不低于1sC,如果液壓系統(tǒng)靠自然冷卻仍不能使油溫控制在上述范圍內(nèi)時(shí)，歡須安裝冷卻器;反之，如環(huán)境溫度太低，無法使液壓茶啟動(dòng)成正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就須安裝加熱。3冷卻器的種類及特點(diǎn)3
8、.1冷卻器的種類表冷卻器的種類及特點(diǎn)種類 特點(diǎn) 冷卻效果水冷卻式 水列管式:固定折板式，浮頭式雙重管式，U形管式，立式、臥式等 冷卻水從管內(nèi)流過，油從列管間流過，中間折板使油折流，并采用雙程或四程流動(dòng)方式，強(qiáng)化冷卻效果 散熱效果好，散熱系列可達(dá)350-580W/(m2.C) 波紋板式:人字波紋式，斜式波紋式等 利用板式人字或斜波紋結(jié)構(gòu)疊加排列形成的接觸點(diǎn)，使液流在流速不高的情況下形成紊流，提高散熱效果 散熱效果好，散熱系數(shù)可達(dá)230815W/(m2.C) 風(fēng)冷卻式 風(fēng)冷式:間接式、固定式及冷浮動(dòng)式或支撐式和懸掛式等 用風(fēng)冷卻油，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、熱阻小、換熱面積大、使用、安裝方便 散熱
9、效高，油散熱系數(shù)可達(dá)116175W/(m2.C)制冷式 機(jī)械制冷式:箱式、柜式 利用氟里昂制冷原理把液壓油中的熱量吸收、排出 冷卻效果好，冷卻溫度控制較方便3.2冷卻器的選擇及計(jì)算在選擇冷卻器時(shí)應(yīng)首先要求冷卻器安全可靠、壓力損失小、散熱效率高、體積小、重量輕等。然后根據(jù)使用場(chǎng)合，作業(yè)環(huán)境情況選擇冷卻器類型如使用現(xiàn)場(chǎng)是否有冷卻水源，液壓站是否隨行走機(jī)械-起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)存在以上情況時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇風(fēng)冷式，而后是機(jī)械制冷式。(1) 水冷式冷卻器的冷卻面積計(jì)算式中A-冷卻器的冷卻面積(m2);Nh-液壓系統(tǒng)發(fā)熱量(W);Nhd-液壓系統(tǒng)散熱量(W)K-散熱系數(shù)，見表55;Tgv-平均溫差(C)。T、T2-進(jìn)
10、口和出口油溫(C)t1、tz-進(jìn)口和出口水溫(C)。系統(tǒng)發(fā)熱量和散熱量的估算:Ng=Np(1-n)式中N-輸入泵的功率(W);50%60%。nc-系統(tǒng)的總效率。合理、高效的系統(tǒng)為70%80%，一般系統(tǒng)僅達(dá)到50%60%。式中K:一油箱散熱系統(tǒng)(W/m2.C)，取值范圍見表2。表2油箱散熱系數(shù)油箱散熱情況 散熱系數(shù)K/W整體式油箱，通風(fēng)差 1128單體式油箱，通風(fēng)較好 2957上置式油箱，通風(fēng)好 5874強(qiáng)制通風(fēng)的油箱 142341A-油箱散熱面積(m2):-油溫與環(huán)境溫度之差(C)冷卻水用量Qs(單位:m2/s)的計(jì)算:式中C-油的比熱容(J/kg.C)，一般C=2010J/kg.C;C-水的
11、比熱容(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)風(fēng)冷式冷卻器的面積計(jì)算式中N-液壓系統(tǒng)發(fā)熱量(W);Nhd-液壓系統(tǒng)散熱量(W);A-污垢系數(shù)，一般a=1.5;K-散熱系數(shù)，見表55;T-平均溫差(C),t1、t2-進(jìn)口、出口空氣溫度(C):Qp-空氣流量(m2/s):Yp-空氣密度(kg/m2)，一般Yp=1.4kg/m2:D-空氣比熱容(J/(kg.C)，一般C=1005J/(kg.C):空氣流量Q(單位:m2/s)4油的加熱及加熱器的發(fā)熱能力液壓
12、系統(tǒng)中的油溫，一般應(yīng)控制在3050C范圍內(nèi)。最高不應(yīng)高于70C,最低不應(yīng)低于15C.油溫過高，將使油液迅速老化變質(zhì)，同時(shí)使油液的粘度降低，造成元件內(nèi)泄漏量增加，系統(tǒng)效率降低:油溫過低，使油液粘度過大，造成泵吸油困難。油溫的過高或過低都會(huì)引發(fā)系統(tǒng)工作不正常，為保證油液能在正常的范圍內(nèi)工作，需對(duì)系統(tǒng)油液溫度進(jìn)行必要的控制即采用加熱或冷卻方式。油液的加熱可采用電加熱或蒸汽加熱等方式，為避免油液過熱變質(zhì)，一般加熱管表面溫度不允許超過120C，電加熱管表面功率密度不應(yīng)超過3W/cm2。加熱器的發(fā)熱能力可按下式估算:式中N-加熱器發(fā)熱能力(W);C-油的比熱，取C=16802094J/(kg.C);r-油
13、的密度，取r=900kg/m3;V-油箱內(nèi)油液體積(m2);OQ-油加熱后溫升(C):T-加熱時(shí)間(s)。3.5.2電加熱器的計(jì)算電加熱器的功率:P=N/式中-熱效率，取n=0.60.8.液壓系統(tǒng)中裝設(shè)電加熱器后，可以較方便地實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)油溫的自動(dòng)控制。過濾器的主要性能參數(shù)過濾器的主要性能參數(shù)1)過濾精度/m:是指過濾器濾除一定尺寸固體污染物的能力。是選取過濾器首先要考慮的一個(gè)重要參數(shù)。2)壓力損失/MPa:工作介質(zhì)流經(jīng)過濾器時(shí)，主要是濾芯對(duì)介質(zhì)流動(dòng)造成阻力，使過濾器的油口兩端產(chǎn)生一定的壓差(壓力降)，即壓力損失。壓力損失在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)加以考慮，如安裝在壓力管路上會(huì)造成壓降，在回油管路上會(huì)造成
14、背壓。5過濾器的種類、用途及安裝5.1過濾器的種類表3過濾器的種類、用途及安裝種類 用途 安裝位置(見圖中標(biāo)號(hào))吸油過濾器 保護(hù)液壓泵 3高壓過濾器 保護(hù)泵下游元件不受污染 6回油過濾器 降低油液污染度 5離線過濾器 連續(xù)過濾保持清潔度 8泄油過濾器 防止污染物進(jìn)入油箱 4安全過濾器 保護(hù)污染抵抗力低的元件 7通氣過濾器 防止污染物隨空氣侵入 2注油過濾器 防止注油時(shí)侵入污染物 15.2過濾器的選擇選擇過濾器時(shí)應(yīng)考慮如下幾個(gè)方面:1)根據(jù)使用目的(用途)選擇過濾器的種類，根據(jù)安裝位置情況選擇過濾器的安裝形式。2)過濾器應(yīng)具有足夠大的通油能力，并且壓力損失要小。3)過濾精度應(yīng)滿足液壓系統(tǒng)或元件所
15、需清潔度要求。4)濾芯使用的濾材應(yīng)滿足所使用工作介質(zhì)的要求，并且有足夠強(qiáng)度。5)過濾器的強(qiáng)度及壓力損失是選擇時(shí)需重點(diǎn)考慮的因素，安裝過濾器后會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成局部壓降或產(chǎn)生背壓。6)濾芯的更換及清洗應(yīng)方便。7)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需要考慮選擇合適的濾芯保護(hù)附件(如帶旁通閥的定壓開啟裝置及濾芯污染情況指示器或信號(hào)器等)。選過濾器的通油能力時(shí)，-般應(yīng)大于實(shí)際通過流量的2倍以上。過濾器通油能力可按下式計(jì)算。式中Q-過濾器通油能力(m2/s);-液壓油的動(dòng)力粘度(Pa.s);A-有效過濾面積(m2);Op-壓力差(Pa);K-濾芯通油能力系數(shù)，網(wǎng)式濾芯K=0.34;線隙式濾芯K=0.17;紙質(zhì)濾芯K=0.006;燒結(jié)
16、式濾芯式中D為粒子平均直徑，單位為m，為濾芯的壁厚，單位為m.5.3對(duì)過濾器的要求液壓油中往往含有顆粒狀雜質(zhì)，會(huì)造成液壓元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的磨損、滑閥卡滯、節(jié)流孔口堵塞，使系統(tǒng)工作可靠性大為降低。在系統(tǒng)中安裝-定精度的濾油器，是保證液壓系統(tǒng)正常工作的必要手段。過濾器的過濾精度是指濾芯能夠?yàn)V除的最小雜質(zhì)顆粒的大小，以直徑d作為公稱尺寸表示，按精度可分為粗過濾器(d100)普通過濾器(d10)，精過濾器(d5),特精過濾器(dl)。一般對(duì)過濾器的基本要求是:(1)能滿足液壓系統(tǒng)對(duì)過濾精度要求，即能阻擋-定尺寸的雜質(zhì)進(jìn)入系統(tǒng)。(2)濾芯應(yīng)有足夠強(qiáng)度，不會(huì)因壓力而損壞。(3)通流能力大，壓力損失小。(4
17、)易于清洗或更換濾芯。表4各種液壓系統(tǒng)的過濾精度要求系統(tǒng)類別 潤滑系統(tǒng) 傳動(dòng)系統(tǒng) 伺候系統(tǒng)工作壓力（MPa） 02.5 14 14232 32 21精度d（m） 100 2550 25 10 5（1）泵入口的吸油粗濾器用來保護(hù)泵，使其不致吸入較大的機(jī)械雜質(zhì)，根據(jù)泵的要求，可用粗的或普通精度的濾油器，為了不影響泵的吸油性能，防止發(fā)生氣穴現(xiàn)象，濾油器的過濾能力應(yīng)為泵流量的兩倍以上，壓力損失不得超過0.010.035MPa。(2)泵出口油路上的高壓濾油器這種安裝主要用來濾除進(jìn)入液壓系統(tǒng)的污染雜質(zhì)，一般采用過濾精度1015m的濾油器。它應(yīng)能承受油路上的工作壓力和沖擊壓力，其壓力降應(yīng)小于0.35MPa，
18、并應(yīng)有安全閥或堵塞狀態(tài)發(fā)訊裝置，以防泵過載和濾芯損壞。6蓄能器在系統(tǒng)中的應(yīng)用6.1儲(chǔ)蓄液壓能用(1)對(duì)于間歇負(fù)荷，能減少液壓泵的傳動(dòng)功率。當(dāng)液壓缸需要較多油量時(shí)，蓄能器與液壓泵同時(shí)供油:當(dāng)液壓缸不工作時(shí)，液壓泵給蓄能器充油。達(dá)到一定壓力后液壓泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。(2)在瞬間提供大量壓力油。(3)緊急操作:在液壓裝置發(fā)生故障和停電時(shí)，作為應(yīng)急的動(dòng)力源。(4)保持系統(tǒng)壓力:補(bǔ)充液壓系統(tǒng)的漏油，或用于液壓泵長時(shí)期停止運(yùn)轉(zhuǎn)而要保持恒壓的設(shè)備上。(5)驅(qū)動(dòng)二次回路:機(jī)械在由于調(diào)整檢修等原因而使主回路停止時(shí)，可以使用蓄能器的液壓能來驅(qū)動(dòng)二次回路。(6)穩(wěn)定壓力:在閉鎖回路中，由于油溫升高而使液體膨脹，產(chǎn)生高壓可使
19、用蓄能器吸收，對(duì)容積變化而使油量減少時(shí)，也能起補(bǔ)償作用。6.2緩和沖擊及消除脈動(dòng)用（1）吸收液壓泵的壓力脈動(dòng)。（2）緩和沖擊:如緩和閥在迅速關(guān)閉和變換方向時(shí)所引起的水錘現(xiàn)象。注:1.緩和沖擊的蓄能器，應(yīng)選用慣性小的蓄能器，如氣囊式蓄能器、彈簧式畜能器等。2.緩和沖擊的蓄能器，一般盡可能安裝在靠近發(fā)生沖擊的地方，并垂直安裝，油口向下。如實(shí)在受位置限制，垂直安裝不可能時(shí)，再水平安裝。3.在管路上安裝蓄能器，必須用支板或支架將蓄能器固緊，以免發(fā)生事故。4.蓄能器應(yīng)安裝在遠(yuǎn)離熱源地地方。變壓器冷卻器中油流方向?yàn)樽陨隙?。就冷卻效果而言，冷卻裝置掛的越高冷卻效果越明顯，而提高懸掛高度對(duì)變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)
20、產(chǎn)生影響。現(xiàn)在行業(yè)懸掛冷卻裝置的方式，一般是在油箱箱壁開孔，焊接蝶閥管接頭，通過蝶閥來連接冷卻裝置。而在箱壁開孔后，大容量大電壓的變壓器箱壁磁屏蔽將受到影響，現(xiàn)在一般采用內(nèi)部磁屏蔽避開箱壁的開孔，防止影響變壓器油流速度。變壓器冷卻裝置連接新結(jié)構(gòu)是在油箱上焊接S型彎管，將變壓器冷卻裝置下管頭引入到油箱處下部，避開油箱內(nèi)部的磁屏蔽，改善此處的磁通分布，減少變壓器油流入油箱內(nèi)部對(duì)引線的沖擊。變壓器冷卻裝置連接新結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3冷卻裝置連接新結(jié)構(gòu)示意圖油箱內(nèi)部的磁屏蔽因管接頭位置更改而沒有受到破壞，保留了磁屏蔽的完整性。磁通就會(huì)沿著磁屏蔽形成環(huán)路，避免出現(xiàn)消耗或過熱。結(jié)論油箱冷卻裝置的連接方式可以
21、有效降低油箱內(nèi)部磁屏蔽的磁通量，降低變壓器的損耗，減少變壓器油流對(duì)引線的沖擊。此種變壓器冷卻裝置連接新結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)用填補(bǔ)了對(duì)變壓器磁屏蔽影響研究的空白領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)1于鎮(zhèn)法,王大勇,徐敬凱.變壓器油箱冷卻裝置連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)J.大眾用電,2019,34(05):30-31.2樂南更.采煤機(jī)冷卻器裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)J.煤礦機(jī)械,2019(9).3陳艷璽.煤礦井下液壓鉆機(jī)油箱和冷卻器設(shè)計(jì)%Design of Hydraulic Drilling Tank and Cooler for Underground Coal MineJ.煤礦機(jī)械,2013,034(005):22-23.4權(quán)鈺云.掘進(jìn)機(jī)液壓系
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工程設(shè)計(jì)論文：油箱冷卻裝置的設(shè)計(jì)
