工程設計論文：油箱冷卻裝置的設計

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的液位。2)吸油管及回油管應插入最低液面以下，以防止吸空和回油飛濺產生氣泡。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左右的網式或線隙式過濾器，安裝位置要便于裝卸和清洗過濾器?；赜凸芸谝鼻?5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2/33/4。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: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。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。噴砂后熱噴涂氧化鋁。適用于除水-乙二醇外的所有介質。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 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，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，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。與油箱周圍通風條件的好壞而不同，通風很差時K=89;良好時X=1517.5;風扇強行冷卻時K=2023;強迫水冷時K=1 10175.3)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持在3050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，散熱系數可達230815W/(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，油散熱系數可達116175W/(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，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，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/m2.C)，取值范圍見表2。表2油箱散熱系數油箱散熱情況 散熱系數K/W整體式油箱，通風差 1128單體式油箱，通風較好 2957上置式油箱，通風好 5874強制通風的油箱 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/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，一般a=1.5;K-散熱系數，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3050C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=16802094J/(kg.C);r-油的密度，取r=900kg/m3;V-油箱內油液體積(m2);OQ-油加熱后溫升(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/式中-熱效率，取n=0.60.8.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過濾器的主要性能參數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重要參數。2)壓力損失/MPa:工作介質流經過濾器時，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、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 15.2過濾器的選擇選擇過濾器時應考慮如下幾個方面:1)根據使用目的(用途)選擇過濾器的種類，根據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)造成局部壓降或產生背壓。6)濾芯的更換及清洗應方便。7)應根據系統(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);-液壓油的動力粘度(Pa.s);A-有效過濾面積(m2);Op-壓力差(Pa);K-濾芯通油能力系數，網式濾芯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，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<l)。一般對過濾器的基本要求是:(1)能滿足液壓系統(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） 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泵，使其不致吸入較大的機械雜質，根據泵的要求，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0.010.035MPa。(2)泵出口油路上的高壓濾油器這種安裝主要用來濾除進入液壓系統(tǒng)的污染雜質，一般采用過濾精度1015m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: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(05):30-31.2樂南更.采煤機冷卻器裝置優(yōu)化設計J.煤礦機械,2019(9).3陳艷璽.煤礦井下液壓鉆機油箱和冷卻器設計%Design 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