行走機械液壓系統(tǒng)開式油箱的設(shè)計

李文龍，王圣磊

（安徽柳工起重機有限公司，安徽 蚌埠 233000）

行走機械作為機械家族的一員，其液壓油箱同樣脫離不了廣義液壓油箱的定義，其主要功能同樣有儲存工作介質(zhì)、散熱、分離空氣以及雜質(zhì)沉淀等作用。特殊場合可集成加熱、冷卻、過濾等元件以達到液壓系統(tǒng)特殊性能要求。

在行走機械領(lǐng)域，液壓油箱同樣可分為兩大類：開式油箱和閉式油箱。開式油箱即油箱內(nèi)液面與大氣接觸的油箱，在行走機械領(lǐng)域，開式油箱應(yīng)用最為廣泛。為防止空氣中塵埃、雜質(zhì)進入油箱，一般在油箱頂部設(shè)置空濾，同時空濾口作為液壓油加注口。閉式油箱即壓力油箱，液面與空氣不直接連通，而是與具有一定壓力的惰性氣體相連，油箱中壓力可達0.5bar，從而保證液壓泵吸油壓力，在特殊場合作為個例單獨設(shè)計。

1 行走機械開式液壓油箱容積計算

行走機械開式液壓油箱由于整機空間有嚴格限制，故參照機械設(shè)計手冊及各種教材中的計算方法顯得不合適。本文參照各種資料，輔以實際設(shè)計經(jīng)驗，總結(jié)行走機械開式液壓油箱設(shè)計方法，可分為以下幾個步驟進行較為精確的開式油箱容積計算。

（1）開式油箱容積區(qū)劃分。如圖1所示，將開式油箱容積劃分為吸油死區(qū)、最小吸油容積、系統(tǒng)液壓油缸容積差、預(yù)留管路液壓油容積以及上部空容積。

（2）計算整機預(yù)留液壓開式油箱最大容積。行走機械中對整機空間有嚴格限制，在開式油箱設(shè)計之初需要同整機設(shè)計人員溝通預(yù)留最大油箱尺寸，則油箱最大可能容積

圖1 油箱計算示意圖

（3）確定吸油死區(qū)容積V1。吸油死區(qū)容積可根據(jù)吸油法蘭尺寸初步確定，吸油死區(qū)容積往大設(shè)計。設(shè)吸油法蘭直徑為d，則吸油法蘭安裝高度可取h=1～2d，則吸油死區(qū)容積

（4）確定最小吸油容積V2。根據(jù)實際設(shè)計經(jīng)驗，最小吸油容積可根據(jù)系統(tǒng)最大吸油流量確定，一般可取最小吸油容積為系統(tǒng)最大吸油流量Q的0.5～1倍。則最小吸油容積

（5）確定液壓系統(tǒng)總油缸容積差V3。液壓系統(tǒng)中，當液壓油缸處于全伸狀態(tài)，油缸大腔充滿液壓油，此時油箱中液面處于最低液位；當油缸全縮時，油缸小腔充滿液壓油，此時油箱中液面處于最高液位。油箱中主要容積也是靠液壓系統(tǒng)中油缸的總?cè)莘e差來決定。

（6）預(yù)留管路中液壓油容積V4。液壓系統(tǒng)運行時，液壓管路、液壓元件中充滿液壓油。當液壓系統(tǒng)停機時，液壓管路、液壓元件中的液壓油不一定全部回到液壓油箱，故需要預(yù)留一部分容積。根據(jù)實際設(shè)計經(jīng)驗，管路預(yù)留容積可取總管路容積的0.5～1倍。

（7）開式油箱上部空容積V5。開式油箱上部需要預(yù)留一部分空容積，以供開式油箱充滿空氣，同時行走機械在上下坡時，開式油箱內(nèi)液面會發(fā)生傾斜。為防止液壓油從空濾口溢出，開式油箱上部預(yù)留空容積高度可先估算，油箱驗算時再校核油箱上部預(yù)留空容積高度是否滿足整機要求。

（8）確定開式油箱容積V總及油箱輪廓尺寸、最高液面h2、最低液面h1。根據(jù)上述步驟，則開式油箱總?cè)莘e

根據(jù)式（4）以及整機對于開式油箱外廓尺寸限制，可確定開式油箱具體外廓尺寸a、b、c。根據(jù)確定的a、b，可計算得出開式油箱最低液面

根據(jù)確定的a、b以及系統(tǒng)油缸總?cè)莘e差、預(yù)留管路液壓油容積，可計算得出開式油箱最高液面

（9）驗算開式油箱上部空容積。行走機械在上下坡時，開式液壓油箱內(nèi)液面會發(fā)生傾斜。為防止液壓油在整機上下坡時從空濾口溢出，需要驗算預(yù)留空容積是否滿足要求。如圖2所示，分別驗算當行走機械處于上、下坡最大角度Φ時開式油箱內(nèi)最高液面是否高于空濾口位置，且需要一定的設(shè)計余量，以防止整機在上、下最大坡度且整機顛簸時液壓油從空濾口溢出。同理，空濾口布置在油箱頂部正中，是較為常用的油箱空濾布置位置。

圖2 開式油箱上部空容積驗算示意圖

（10）驗算最低液面與最高吸油面高度差。開式油箱安裝位置、具體尺寸經(jīng)過上述步驟得出確定值后，需要驗算油箱最低液面與液壓泵最高吸油口位置高度差。如圖3所示，驗算時應(yīng)當H≤0，否則當系統(tǒng)油缸全伸時會導(dǎo)致停機，二次開機時泵吸空的風(fēng)險。

圖3 泵最高吸油面校核計算示意圖

（11）計算開式油箱當量散熱面積。經(jīng)過上述計算，綜合考慮開式油箱容積、安裝位置、關(guān)于油箱空間限制、液壓管路布局等因素，確定油箱具體尺寸后，需要相關(guān)資料驗算油箱當量散熱面積，為整機液壓系統(tǒng)散熱計算提供數(shù)據(jù)支持。具體計算方法參考設(shè)計手冊等資料，本文不贅述。

2 布置液壓油箱附件

行走機械液壓開式油箱外形尺寸確定后，為簡化液壓管線布置，可以將一些液壓附件布置在油箱上，分述如下：

（1）吸油濾油器。隨著液壓元件精密程度、液壓系統(tǒng)精確控制、速度控制等性能要求越來越高，液壓系統(tǒng)清潔度的要求也隨之更加嚴格。在吸油口布置吸油濾清器是液壓系統(tǒng)清潔度的重要保障手段，同時為保證液壓系統(tǒng)吸油充分，吸油濾清器精度要求不宜過高，且宜附帶堵塞報警，以方便后續(xù)整機的服務(wù)維修。

（2）回油過濾器。在系統(tǒng)回油口設(shè)置回油濾清器是大部分液壓系統(tǒng)保證其清潔度最常用的手段，其過濾精度可以選擇比較高，但濾芯額定流量需保證在系統(tǒng)流量2倍以上，且宜自帶濾芯堵塞報警。

（3）空氣濾清器。由于液壓空氣濾清器工作時空氣流速越低，抗污過濾能力越好，故在選用液壓空濾時應(yīng)有一定的富裕量。

（4）液位計/液溫計。液位計功能是監(jiān)測油箱中的液面位置，當僅需在整機外部目測液位時，在油箱上安裝普通液位計即可；而當整機控制系統(tǒng)需要監(jiān)測實時液面信號時，則需要安裝價格較為昂貴的電氣反饋液位計。液溫計的功能是監(jiān)測液壓系統(tǒng)油溫，同樣，當僅需在整機外部目測油溫時，目前市場上有集成的目測液位/液溫計可供選用；當需要監(jiān)測實時油溫信號時，需要選用電子反饋液溫計。

3 設(shè)計重點

液壓系統(tǒng)設(shè)計人員往往更多關(guān)注與更高級的技術(shù)、更高精的控制等方面，相對更容易忽視液壓油箱的設(shè)計。須知液壓系統(tǒng)整體性能決定于所有與液壓系統(tǒng)相關(guān)因素的總和，作為液壓系統(tǒng)設(shè)計人員，不能更不該去忽視油箱的設(shè)計工作。故本文歸納油箱設(shè)計時需關(guān)注的幾個重點，為廣大液壓系統(tǒng)設(shè)計人員提供參考及備忘。

（1）吸回油口、泄油口布置。

行走機械開式液壓油箱吸、回油口之間距離應(yīng)盡可能大，加大液壓油在油箱中的冷卻以及雜質(zhì)沉淀等。吸油管與回油管口應(yīng)插入最低液面以下，防止吸空與回油產(chǎn)生氣泡。吸、回油管口做成45°切面以增大吸、回油截面，避免產(chǎn)生紊流。同時，吸油管口斜面避免朝油箱底部，防止將已沉淀的雜質(zhì)吸入液壓泵；回油管口斜面應(yīng)面朝箱壁，避免回油沖擊在油箱中形成紊流。行走機械泄油一般要求背壓盡可能低，故在泄油口一般不加過濾裝置。同時系統(tǒng)泄油溫度較高，應(yīng)避免將直接泄油至油箱吸油區(qū)。泄油管同樣需要插入最低液面以下且管口斜面面向箱壁。

（2）清洗口。

行走機械開式油箱由于體積、空間限制，一般在油箱頂部開設(shè)清洗孔。清洗孔應(yīng)足夠大以及考慮清洗工藝，使得油箱內(nèi)部能得到完善的清洗。

（3）油箱隔板。

行走機械開式油箱內(nèi)部設(shè)置隔板，其目的主要有兩點：

①作為油箱強度的加強筋。當油箱體積較大時，油箱在自重、液壓油重力以及整機受力等情況下容易發(fā)生變形，故需要在油箱合適位置設(shè)置隔板作為加強筋。有條件的情況下可對液壓油箱進行相關(guān)受力分析，得出最優(yōu)化的油箱方案。

②具有將液壓油降速、降溫、加速雜質(zhì)沉淀等作用，防止液壓回油直接進入吸油區(qū)。

4 結(jié)束語

液壓系統(tǒng)整體性能是與液壓系統(tǒng)相關(guān)所有可能影響因素的總和，而作為液壓附件核心之一的液壓油箱應(yīng)該得到廣大液壓系統(tǒng)設(shè)計人員的足夠重視。本文基于理論，輔以多年行走機械液壓系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗，總結(jié)歸納行走機械開式液壓油箱的設(shè)計方法以及容易忽視的細節(jié)點，為廣大液壓系統(tǒng)從業(yè)人員提供參考。