工程設計論文：油箱冷卻裝置的設計

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1、工程設計論文：油箱冷卻裝置的設計 摘要 油箱在液壓系統(tǒng)中除了儲油外，還起著散熱、分離油液中的氣泡、沉淀雜質等作用。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等。 本文主要分析了油箱的設計要點；分析了油箱的容量計算；分析了冷卻器的種類及特點，包括冷卻器的種類與冷卻器的選擇及計算；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、對過濾器的要求；分析了蓄能器在系統(tǒng)中的應用，包括儲蓄液壓能用與緩和沖擊及消除脈動用。 關鍵詞：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

2、蓋上裝有空氣過濾器。開式油箱結構簡單，安裝維護方便，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，內充一定壓力的惰性氣體，充氣壓力可達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，在大型冶金設備中經(jīng)常采用。 1油箱的設計要點 圖1為油箱簡圖。設計油箱時應考慮如下幾點。 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)停止工作時應能容納系統(tǒng)中的所有工作介質:而工作時又能保持適當?shù)囊何弧? 2)吸油管及回油管應插入最低液

3、面以下，以防止吸空和回油飛濺產(chǎn)生氣泡。管口與箱底、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些，之間應設置隔板，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的效果。隔板高度為液面高度的2/3~3/4。 1-液位計;2-吸油管:3-空氣過濾器:4-回油管:5-側板: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，油箱應有

4、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空氣過濾器來完成。為便于放油和清理，箱底要有一定的斜度，并在最低處設置放油閥。對于不易開蓋的油箱，要設置清洗孔，以使于油箱內部的清理。 5)油箱底部應距地面150m以上，以便于搬運、放油和散熱。在油箱的適當位置要設吊耳，以便吊運，還要設置液位計，以監(jiān)視液位。 6)對油箱內表面的防腐處理要給予充分的注意。常用的方法有: ①酸洗后磷化。適用于所有介質，但受酸洗磷化槽限制，油箱不能太大。 ②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。因不受處理條件限制，大型油箱較多采用此方法。 ③噴砂后熱噴涂氧化鋁。適用于

5、除水-乙二醇外的所有介質。 ④噴砂后進行噴塑。適用于所有介質。但受烘干設備限制，油箱不能過大。 考慮油箱內表面的防腐處理時，不但要顧及與介質的相容性，還要考慮處理后的可加工性、制造到投入使用之間的時間間隔以及經(jīng)濟性，條件允許時采用不銹鋼制油箱無疑是最理想的選擇。 2油箱的容量計算 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 63 100 160 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 3150 4000 5000 6300 油箱容量

6、與系統(tǒng)的流量有關，一般容量可取最大流量的3~5倍。另外，油箱容量大小可從散熱角度去設計。計算出系統(tǒng)發(fā)熱量與散熱量，再考慮冷卻器散熱后，從熱平衡角度計算出油箱容量。不設冷卻器、自然環(huán)境冷卻時計算油箱容量的方法如下。 1) 系統(tǒng)發(fā)熱量計算在液壓系統(tǒng)中，凡系統(tǒng)中的損失都變成熱能散發(fā)出來。每-一個周期中，每一個工況其效率不同，因此損失也不同。一個周期發(fā)熱的功率計算公式為 2) 式中H-一個周期的平均發(fā)熱功率(W); 3) T-一個周期時間(s); Ni-第i個工況的輸入功率(w); ni-第i個工況的效率: Ti-第i個工況持續(xù)時間(s)。 2) 散熱量計算當忽略系統(tǒng)中其他地方的散熱

7、，只考慮油箱散熱時，顯然系統(tǒng)的總發(fā)熱功率H全部由油箱散熱來考慮。這時油箱散熱面積A的計算公式為 式中A-油箱的散熱面積(m2); H-油箱需要散熱的熱功率(N); △t-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)。與油箱周圍通風條件的好壞而不同，通風很差時K=8~9;良好時X=15~17.5;風扇強行冷卻時K=20~23;強迫水冷時K=1 10~175. 3)油箱容量的計算設油箱長、寬、高比值為a:b:c,則邊長分別為 Al、bl、cl、時(見圖2)，1的計算公式為 式中A-散熱面積(m2) 圖2油箱容量計算圖 液壓系統(tǒng)的工作溫度般希望保

8、持在30~50的范圍之內，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時，歡須安裝冷卻器;反之，如環(huán)境溫度太低，無法使液壓茶啟動成正常運轉時，就須安裝加熱。 3冷卻器的種類及特點 3.1冷卻器的種類 表冷卻器的種類及特點 種類 特點 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方式，強化冷卻效果 散熱效果好，散熱系列可達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構疊加排列形成的接

9、觸點，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230~815W/(m2.C) 風冷卻式 風冷式:間接式、固定式及冷浮動式或支撐式和懸掛式等 用風冷卻油，結構簡單、體積小、重量輕、熱阻小、換熱面積大、使用、安裝方便 散熱效高，油散熱系數(shù)可達116~175W/(m2.C) 制冷式 機械制冷式: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冷卻器的選擇及計算 在選擇冷卻器時應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)使用場合，作業(yè)環(huán)境情況選擇冷卻器類型如使用現(xiàn)場是否有冷卻水源，

10、液壓站是否隨行走機械--起運動，當存在以上情況時，應優(yōu)先選擇風冷式，而后是機械制冷式。 (1) 水冷式冷卻器的冷卻面積計算 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-進口和出口油溫(C) t1、tz-進口和出口水溫(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)僅達到50%~60%。 式中K:一油箱散熱系統(tǒng)(W/m

11、2.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，通風差 11~28 單體式油箱，通風較好 29~57 上置式油箱，通風好 58~74 強制通風的油箱 142~341 A-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)的計算: 式中C-油的比熱容(J/kg.C)，一般C=2010J/kg.C; C-水的比熱容(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/

12、s). (2)風冷式冷卻器的面積計算 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 液壓系統(tǒng)中的油溫，一般應控制在30~50C范圍內。最高不應高于70C,最低不應低于15C.油溫過高，將使油液迅

13、速老化變質，同時使油液的粘度降低，造成元件內泄漏量增加，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引發(fā)系統(tǒng)工作不正常，為保證油液能在正常的范圍內工作，需對系統(tǒng)油液溫度進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，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=1680~2094J/(kg.C); r-油的密度，取r=900kg/m3; V-油箱內油液體積(m2); OQ-油加

14、熱后溫升(C): T-加熱時間(s)。 3.5.2電加熱器的計算 電加熱器的功率:P=N/η 式中η-熱效率，取nη=0.6~0.8. 液壓系統(tǒng)中裝設電加熱器后，可以較方便地實現(xiàn)液壓系統(tǒng)油溫的自動控制。 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/μm: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重要參數(shù)。 2)壓力損失/MPa:工作介質流經(jīng)過濾器時，主要是濾芯對介質流動造成阻力，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)設計中應加以考慮，如安裝在壓力管路上會造成壓降，在回油管路上會造成背壓。 5過濾器的種類

15、、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(見圖中標號) 吸油過濾器 保護液壓泵 3 高壓過濾器 保護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 防止污染物進入油箱 4 安全過濾器 保護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 防止注油時侵入污染物 1 5.2過濾器的選擇 選擇過濾器時應考慮如下幾個方面: 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)過濾器應具有足夠大的通油能力，并且壓力損失

16、要小。 3)過濾精度應滿足液壓系統(tǒng)或元件所需清潔度要求。 4)濾芯使用的濾材應滿足所使用工作介質的要求，并且有足夠強度。 5)過濾器的強度及壓力損失是選擇時需重點考慮的因素，安裝過濾器后會對系統(tǒng)造成局部壓降或產(chǎn)生背壓。 6)濾芯的更換及清洗應方便。 7)應根據(jù)系統(tǒng)需要考慮選擇合適的濾芯保護附件(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器等)。 選過濾器的通油能力時，--般應大于實際通過流量的2倍以上。過濾器通油能力可按下式計算。 式中Q-過濾器通油能力(m2/s); μ-液壓油的動力粘度(Pa.s); A-有效過濾面積(m2); Op-壓力差(Pa); K-

17、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;紙質濾芯 K=0.006;燒結式濾芯 式中D為粒子平均直徑，單位為m，δ為濾芯的壁厚，單位為m. 5.3對過濾器的要求 液壓油中往往含有顆粒狀雜質，會造成液壓元件相對運動表面的磨損、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濾除的最小雜質顆粒的大小，以直徑d作為公稱尺寸表示，按精度可分為粗過濾器(d<100)普通過濾器(d<10)，精過濾器(d<5),特精過濾器(d

18、系統(tǒng)對過濾精度要求，即能阻擋--定尺寸的雜質進入系統(tǒng)。 (2)濾芯應有足夠強度，不會因壓力而損壞。 (3)通流能力大，壓力損失小。 (4)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) 傳動系統(tǒng) 伺候系統(tǒng) 工作壓力（MPa） 0~2.5 ﹤14 14~232 ﹥32 ≦21 精度d（μm） ≦100 25~50 ≦25 ≦10 ≦5 （1）泵入口的吸油粗濾器 用來保護泵，使其不致吸入較大的機械雜質，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為泵流量的兩倍以上，壓力損失不得超過0.01~0.0

19、35MPa。 (2)泵出口油路上的高壓濾油器 這種安裝主要用來濾除進入液壓系統(tǒng)的污染雜質，一般采用過濾精度10^15μm的濾油器。它應能承受油路上的工作壓力和沖擊壓力，其壓力降應小于0.35MPa，并應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)中的應用 6.1儲蓄液壓能用 (1)對于間歇負荷，能減少液壓泵的傳動功率。當液壓缸需要較多油量時，蓄能器與液壓泵同時供油:當液壓缸不工作時，液壓泵給蓄能器充油。達到一定壓力后液壓泵停止運轉。 (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，作為應急的動力源。 (4)保持系統(tǒng)壓力

20、:補充液壓系統(tǒng)的漏油，或用于液壓泵長時期停止運轉而要保持恒壓的設備上。 (5)驅動二次回路:機械在由于調整檢修等原因而使主回路停止時，可以使用蓄能器的液壓能來驅動二次回路。 (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)生高壓可使用蓄能器吸收，對容積變化而使油量減少時，也能起補償作用。 6.2緩和沖擊及消除脈動用 （1）吸收液壓泵的壓力脈動。 （2）緩和沖擊:如緩和閥在迅速關閉和變換方向時所引起的水錘現(xiàn)象。 注:1.緩和沖擊的蓄能器，應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

21、垂直安裝，油口向下。如實在受位置限制，垂直安裝不可能時，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.蓄能器應安裝在遠離熱源地地方。 變壓器冷卻器中油流方向為自上而下。就冷卻效果而言，冷卻裝置掛的越高冷卻效果越明顯，而提高懸掛高度對變壓器的內部結構會產(chǎn)生影響?，F(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構是在油箱上焊接S型彎管，將變壓器冷卻裝置下管頭引入到油箱處

22、下部，避開油箱內部的磁屏蔽，改善此處的磁通分布，減少變壓器油流入油箱內部對引線的沖擊。變壓器冷卻裝置連接新結構如圖3所示。 圖3冷卻裝置連接新結構示意圖 油箱內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。磁通就會沿著磁屏蔽形成環(huán)路，避免出現(xiàn)消耗或過熱。 結論 油箱冷卻裝置的連接方式可以有效降低油箱內部磁屏蔽的磁通量，降低變壓器的損耗，減少變壓器油流對引線的沖擊。此種變壓器冷卻裝置連接新結構的優(yōu)化應用填補了對變壓器磁屏蔽影響研究的空白領域。 參考文獻 [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)化設計[J].大眾用電,2019,34(0

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