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液压油箱设计要点,从设计计算,到细节的设计讲述

2018-07-13 by Jun Tai


  摘 要:
  油箱必须有足够的容积,须确保油液冷却、不溶物沉淀及空气释放…等功能,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,因此设计满足机能之油箱相当重要,本报告则针对油箱主结构设计及相关要点作说明。
  一、 说明:
  由机能方面而言,油箱容积(Oil tank capacity)越大越好,但以小型化和操作上的经济性等方面考量,却希望小一点為宜,且油箱须确保油液冷却、不溶物沉淀及空气释放…等功能,因此设计满足机能之油箱结构,则可作详细的讨论。
  二、 设计要点:
  1. 油箱结构:
  一般採用抗腐蚀性钢材製作,且须考量油箱内表面防腐处理,并顾及与介质之相容性、处理后之可加工性及製造之经济性,条件允许时採用不銹钢製作是最理想的选择。
  油箱必须有足够的容积,一方面须满足散热的要求,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,工作时又能保持适当的液位。因此油箱结构设计需具下述特点,以下针对其构成零件说明:
  (1) 油箱本体:厚度3~4mm,若油箱容积超过320L,厚度取4~6mm,侧壁须安装油位计以掌控实际油位高度。
  (2) 维修盖:於本体侧壁设计一或多个维修盖,须配合密合垫、螺栓组装,避免洩漏。其主要功用,便於清洗过滤器及油箱。
  (3) 箱底:以倾斜的方式与壁板焊接成形,并於最低处安装洩油口,便於洩油。
  (4) 吸油管及回油管应插入至最低液面以下,防止吸空和回油喷溅產生气泡。管口与箱底、箱壁距离不小於3倍管径。
  (5) Drain油管:於液压系统中,作為压力控制阀等组件之泄油功用,设计时须注意不可插入油液下,防止背压对系统產生影响。
  (6) 回油管口须斜切45°角并面向箱壁,增大回油管口之截面积,可减慢流速防止衝击箱底之沉积物。
  (7) 吸油管末端可安装100μm之网式过滤器,防止大形异物吸入系统中,安装位置须利於过滤器的清洗与拆装。
  (8) 空气呼吸器:防止油箱出现负压而设置的通气孔上须装空气滤清器,其容量至少為液压泵额定流量的2倍。
  (9) 油箱盖:厚度為本体壁厚之3~4倍,製成凹状避免上方组件洩漏污染,并於盖上钻孔(含出回油管孔、注油口、通气孔以及安装液压集成装置的安装孔等)。
  (10) 隔板:分隔吸油和回油区域,增加回油路径,有利於回油杂质沉淀、气泡分离及散热等优点。其高度至少取最低油位的1/2,最高不超过最高油位之3/4,厚度与本体壁厚相等。若考虑强制油空分离设计,其隔板高与液位同高,并於下方1/3处安装5mm2 mesh之不銹钢网,让油液通过时达到强制油空分离的效果。
  2. 容积计算:
  (1) 油箱容积与系统的流量有关,一般於间歇性操作的情况,其容积取泵浦最大流量的3倍(防火型液压油取5倍),如泵浦每分鐘最大可提供50L的流量,则油箱容积须為150L。若属於连续性操作其容积必须再多2倍甚至3倍,即200~300L。容积為1000L以下,则油箱之外形、基础尺寸可参照DIN24339设计;容积為1000L以上,其长宽高比值取1:1:1至3:2:1之范围设计,亦可考虑增加补强板,以增加刚性。其计算式如下:
  Vtot=n×Q
  其中: Vtot:油箱容积(L) Q:泵浦最大供油量(L) n:倍数(矿物油n=3,防火性液压油n=5)
  3. 其他要项:
  (1) 油箱内回油集中部分及清污口附近宜装设磁性块,以吸附油液中的铁屑和带磁性颗粒
  (2) 為运输安装方便,大、中型油箱应设吊耳。
  (3) 油液温度建议在30~50℃范围内工作比较合适,最高不应超过60℃,最低不低於15℃。
  三。设计细节
  1 箱顶结构
  油箱的箱顶结构取决于它上面安装的元件。例如,如果液压泵吸油口布置在油箱内部液面以下,则箱顶应为或应有可拆卸的盖。箱盖及管子引出口之类的所有开口都要妥为密封。箱顶上安装液压泵组时,顶板的厚度应为侧板厚度的四倍,以免产生振动。液压泵组与箱顶之间应设置隔振垫。为了便于布置和维修,有时在箱顶上装设回油过滤器。
  箱顶上一般要设置空气滤清器、注油口,空气滤清器通常为附带注油口的结构(图1),取下通气帽可以注油 ,放回通气帽即成空气滤清器。注油过滤器的网眼应小于250μ m,过流量应大于 10L/min。空气滤清器的过滤精度起码40μm,其通气量应是液压泵流量的2倍,以便在系统峰值流量期间液面迅速下降时,也能在油箱内部保持大气压力,或者保持通气压降不超过0.1kPa。空气滤清器气帽一般带有保险链用以预防通气帽跌落或丢失。周圈环境较脏时,应采用油浴式空气滤清器。当周围空气湿度较大时,比如在热带使用的液压设备,可采用空气干澡器(也称吸湿器)合用的注油通气器,它兼有除湿、收尘和注油的功能。
  油箱箱顶上的螺纹孔应该用盲孔(不通孔),以防污染物落入油箱内。箱顶与箱壁的连接方式见(图2),其中方案D是可拆连接,其他为不可拆连接。另外,方案B、C、D都形成滴油盘来收集检修时滴落的油液(见图2)。
  2 箱壁构成
  对于钢板焊接的油箱,箱顶上安装液压泵组时,侧板厚度应适当加大。
  当箱顶与箱壁之间为不可拆连接时,应在箱壁上至少设置一个清洗孔(俗称人孔)。清洗孔的数量和位置应便于用手清理油箱所有内表面。清洗口法兰盖板应该能由一个人拆装。法兰盖板应配有可以重复使用的弹性密封件。
  为了便于搬运.应在油箱箱壁上方的四角焊接吊耳(也称吊环)。吊耳有圆柱形和钩形2种。圆柱形焊接吊耳及其尺寸见图3和表1,钩形焊接吊耳见图4和表2。图中d1、d为 直 径 , R 为 半 径 , L 、l 为 长 度 , b 为 宽 度 ,1h 、2h 、3h 为高度 ,S为厚度 ,1r 、2r 为半径(见图3、4,表1、2)。
  液位计通常为带有温度计的结构。液位计一般设在油箱外壁上,并近靠注油口,以便注油时观测液面。液位计的下刻线至少应比吸油过滤器或吸油管口上缘高出75mm,以防吸入空气。液位计的上刻线对应着油液的容量。液位计与油箱的连接处有密封措施。对于油温有严格要求的液压装置,可采用传感式液位温度计,它是利用灵敏度较高的双金属片的热胀冷缩原理来测量油温的。对于大型油箱则应设浮子式液面传感器以便在液面高度异常时,发出报警或保护的电信号。
  3 箱底结构
  应在油箱底部最低点设置放油塞(≥M18× 1.5),以便油箱清洗和油液更换。为此,箱底应朝向清洗孔和放油塞倾斜,倾斜坡度通常为1/25~1/20,这样可以促使沉积物(油泥或水)聚集到油箱的最低点。为了便于放油和搬运,应该把油箱架起来,油箱底部离开地面至少150mm。油箱应设有支脚。支脚应该有足够大的面积,以便可以用垫片和锲铁来调平。
  4 隔板设计
  为了延长油液在油箱中逗留的时间,促进油液在油箱中的环流,使更多的油液参与系统的循环,从而更好地发挥油箱的散热、除气、沉淀等功能,油箱中,尤其在油液容量超过100L的油箱中应设置内部隔板。隔板要把系统回油区与吸油区隔开,并尽可能使油液在油箱内沿着油箱壁环流。隔板缺口处要有足够大的过流面积,使环流流速为0.3~0.6m/s。隔板结构有溢流式标准型、溢流式和回流式等多种型式。溢流式隔板的高度不应低于液面高度的2/3;隔板下部应开有缺口,以使吸油侧的沉淀物经此缺口至回油侧,并经放油口排出。
  5 管路配置
  液压系统的管路要进入油箱并在油箱内部终结。
  (l)吸油管和回油管。液压泵的吸油管和系统的回油管要分别进入由隔板隔开的吸油区和回油区,管端应加工成朝向箱壁的45°斜口,这样既可增加开口面积、又有利于沿箱壁环流。为了防止空气吸入(吸油管)或混入(回油管),以免搅动或吸入箱底沉积物。管口上缘至少要低于最低液面75mm,管口下缘至少离开箱底最高点50mm。
  吸油管前必须安装粗过滤器,以清除较大颗粒杂质,保护液压泵。建议在回油管上安装精过滤器,以滤除细微颗粒杂质,保护液压元件。
  (2)泄油管。泄油管应尽量单独接入油箱并在液面以上终结。如果泄油管通入液面以下,要采取措施防止出现虹吸现象。例如可在泄油管露出液面的部分开一个小孔。
  (3)穿孔的密封。油管常从箱顶或箱壁穿过而进入油箱,穿孔处要妥为密封。最好在接口处焊出高出箱顶20mm的凸台,以免维修时箱顶上的污物落入油箱。
  6 过滤器选用
  过滤器的功用是过滤液压油液中的杂质,降低油液污染度,保证液压系统正常上作。由于液压系统的故障绝大多数由油液污染造成,而过滤器是保持油液清洁的主要手段,所以合理选择和设置液压系统中的过滤器显得非常重 要 。
  在选择过滤器时,一方面要根据液压系统的技术要求,确定过滤器类型、过滤精度及尺寸规格,同时过滤器还应具有足够的通流能力,滤芯要有足够的强度和抗腐蚀性能,清洗和更换方便等。
  7 油箱的材料和表面处理
  多数油箱采用焊接方法获得。油箱的箱顶、箱壁、箱底、和隔板的常用材料为Q235A钢板 ,吊耳常用材料为 35钢。箱顶与箱壁常用可拆连接(例如箱壁内侧四周焊接角钢,箱顶放置在角钢上,并通过螺钉实现箱顶与箱壁的连接)。焊接而成的油箱须彻底清理以便清除所有泥上、切屑和毛刺、氧化皮。轻度锈蚀可用钢丝刷或砂轮机清理,严重锈蚀和氧化的表面应喷丸处理。涂漆方式取决于使用油液的种类。涂漆之前一般要磷化处理或喷丸,并用稀料等溶剂洗净脱脂后用压缩空气吹干。使用石油基液压油的钢板焊接油箱涂40μm以上的环氧底漆;长期存放或出口设备涂30μm以上的底漆和30μm以上的环氧面漆。使用乳化液或水乙二醇介质的油箱不涂漆,在磷化或喷丸处理后直接涂布防锈油。在预处理之后镀锌。
  8 结语
  过去认为,油箱有分离和沉积油液中污物的作用,但近期的液压系统污染控制理论,要求油箱不再是一个容污纳垢的场合,而要求在油箱中的油液本身是达到一定清洁度等级的油液,并以这样清洁的油液提供给液压泵和整个液压系统的工作回路,因此对油箱的设计、制造、运行和维护都应按照以上这些功能要求来实施。

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