油箱及冷却器蓄能器等附件的设计计算.docx
《油箱及冷却器蓄能器等附件的设计计算.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《油箱及冷却器蓄能器等附件的设计计算.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
油箱及冷却器蓄能器等附件的设计计算
油箱的设计要点
油箱
油箱在液压系统中除了储油外，还起着散热、分离油液中的气泡、沉淀杂质等作用。
油箱中安装有很多辅件，如冷却器、加热器、空气过滤器及液位计等。
油箱可分为开式油箱和闭式油箱二种。
开式油箱，箱中液面与大气相通，在油箱盖上装有空气过滤器。
开式油箱结构简单，安装维护方便，液压系统普遍采用这种形式。
闭式油箱一般用于压力油箱，内充一定压力的惰性气体，充气压力可达0.05MPa。
如果按油箱的形状来分，还可分为矩形油箱和圆罐形油箱。
矩形油箱制造容易，箱上易于安放液压器件，所以被广泛采用；圆罐形油箱强度高，重量轻，易于清扫，但制造较难，占地空间较大，在大型冶金设备中经常采用。
2.1油箱的设计要点
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse
图10为油箱简图。
设计油箱时应考虑如下几点。
1）油箱必须有足够大的容积。
一方面尽可能地满足散热的要求，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；而工作时又能保持适当的液位。
2）吸油管及回油管应插入最低液面以下，以防止吸空和回油飞溅产生气泡。
管口与箱底、箱壁距离一般不小于管径的3倍。
吸油管可安装100μm左右的网式或线隙式过滤器，安装位置要便于装卸和清洗过滤器。
回油管口要斜切45°角并面向箱壁，以防止回油冲击油箱底部的沉积物，同时也有利于散热。
3）吸油管和回油管之间的距离要尽可能地远些，之间应设置隔板，以加大液流循环的途径，这样能提高散热、分离空气及沉淀杂质的效果。
隔板高度为液面高度的2/3～3/4。
图10油箱
1—液位计；2—吸油管；3—空气过滤器；4—回油管；5—侧板；6—入孔盖；7—放油塞；8—地脚；9—隔板；10—底板；11—吸油过滤器；12—盖板；
4）为了保持油液清洁，油箱应有周边密封的盖板，盖板上装有空气过滤器，注油及通气一般都由一个空气过滤器来完成。
为便于放油和清理，箱底要有一定的斜度，并在最低处设置放油阀。
对于不易开盖的油箱，要设置清洗孔，以便于油箱内部的清理。
5）油箱底部应距地面150mm以上，以便于搬运、放油和散热。
在油箱的适当位置要设吊耳，以便吊运，还要设置液位计，以监视液位。
6）对油箱内表面的防腐处理要给予充分的注意。
常用的方法有：
①酸洗后磷化。
适用于所有介质，但受酸洗磷化槽限制，油箱不能太大。
②喷丸后直接涂防锈油。
适用于一般矿物油和合成液压油，不适合含水液压液。
因不受处理条件限制，大型油箱较多采用此方法。
③喷砂后热喷涂氧化铝。
适用于除水-乙二醇外的所有介质。
④喷砂后进行喷塑。
适用于所有介质。
但受烘干设备限制，油箱不能过大。
考虑油箱内表面的防腐处理时，不但要顾及与介质的相容性，还要考虑处理后的可加工性、制造到投入使用之间的时间间隔以及经济性，条件允许时采用不锈钢制油箱无疑是最理想的选择。
油箱的容量计算
油箱容量的计算
液压泵站的油箱公称容量系列（JB/T7938-1995），见表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
油箱容量与系统的流量有关，一般容量可取最大流量的3～5倍。
另外，油箱容量大小可从散热角度去设计。
计算出系统发热量与散热量，再考虑冷却器散热后，从热平衡角度计算出油箱容量。
不设冷却器、自然环境冷却时计算油箱容量的方法如下。
1）系统发热量计算在液压系统中，凡系统中的损失都变成热能散发出来。
每一个周期中，每一个工况其效率不同，因此损失也不同。
一个周期发热的功率计算公式为
式中H——一个周期的平均发热功率（W）；
T——一个周期时间（s）；
Ni——第i个工况的输入功率（W）；
ηi——第i个工况的效率；
ti——第i个工况持续时间（s）。
2）散热量计算当忽略系统中其他地方的散热，只考虑油箱散热时，显然系统的总发热功率H全部由油箱散热来考虑。
这时油箱散热面积A的计算公式为
式中A——油箱的散热面积（m2）；
H——油箱需要散热的热功率（W）；
△t——油温（一般以55℃考虑）与周围环境温度的温差（℃）；
K——散热系数。
与油箱周围通风条件的好坏而不同，通风很差时K=8～9；良好时X=15～17.5；风扇强行冷却时K=20～23；强迫水冷时K=110～175。
3）油箱容量的计算设油箱长、宽、高比值为α：
b：
c，则边长分别为αl、bl、cl、时（见图11），l的计算公式为
式中 A——散热面积（m2）。
图11油箱容量计算图
液压系统的工作温度一般希望保持在30~50C的范围之内，最高不超过65C，最低不低于15C，如果液压系统靠自然冷却仍不能使油温控制在上述范围内时，就须安装冷却器；反之，如环境温度太低，无法使液压泵启动或正常运转时，就须安装加热器。
冷却器的种类及特点
冷却器的种类及特点（见表55）
表55冷却器的种类及特点
种类
特点
冷却效果
水冷却式
列管式：
固定折板式，浮头式，双重管式，U形管式，立式、卧式等
冷却水从管内流过，油从列管间流过，中间折板使油折流，并采用双程或四程流动方式，强化冷却效果
散热效果好，散热系列可达350～580W/（m2·℃）
波纹板式：
人字波纹式，斜波纹式等
利用板式人字或斜波纹结构叠加排列形成的接触点，使液流在流速不高的情况下形成紊流，提高散热效果
散热效果好，散热系数可达230～815W/（m2·℃）
风冷却式
风冷式：
间接式、固定式及浮动式或支撑式和悬挂式等
用风冷却油，结构简单、体积小、重量轻、热阻小、换热面积大、使用、安装方便
散热效率高，油散热系数可达116～175W/（m2·℃）
制冷式
机械制冷式：
箱式、柜式
利用氟里昂制冷原理把液压油中的热量吸收、排出
冷却效果好，冷却温度控制较方便
冷却器的选择及计算
冷却器的选择及计算
在选择冷却器时应首先要求冷却器安全可靠、压力损失小、散热效率高、体积小、重量轻等。
然后根据使用场合，作业环境情况选择冷却器类型如使用现场是否有冷却水源，液压站是否随行走机械一起运动，当存在以上情况时，应优先选择风冷式，而后是机械制冷式。
（1）水冷式冷却器的冷却面积计算
（1）
式中A——冷却器的冷却面积（m2）；
Nh——液压系统发热量（W）；
Nhd——液压系统散热量（W）；
K——散热系数，见表55；
△Tav——平均温差（℃）。
（2）
T1、T2——进口和出口油温（℃）；
t1、t2——进口和出口水温（℃）。
系统发热量和散热量的估算：
（3）
式中Np——输入泵的功率（W）；
ηc——系统的总效率。
合理、高效的系统为70%～80%，一般系统仅达到50%～60%。
（4）
式中K1——油箱散热系统（W/m2·℃），取值范围见表56。
表56 油箱散热系数
油箱散热情况
散热系数K1/W·（m2·℃）-1
整体式油箱，通风差
11～28
单体式油箱，通风较好
29～57
上置式油箱，通风好
58～74
强制通风的油箱
142～341
A——油箱散热面积（m2）；
△t——油温与环境温度之差（℃）
冷却水用量QS（单位：
m3/s）的计算：
（5）
式中C——油的比热容（J/kg·℃），一般C=2010J/kg·℃；
Cs——水的比热容（J/kg·℃），一般Cs=1J/kg·℃；
γs——油的密度（kg/m3），一般γs=900kg/m3；
rs——水的密度（kg/m3），一般rs=1000kg/m3；
Q——油液的流量（m3/s）。
（2）风冷式冷却器的面积计算
（6）
式中Nh——液压系统发热量（W）；
Nhd——液压系统散热量（W）；
α——污垢系数，一般α=1.5；
K——散热系数，见表55；
△Tav——平均温差（℃），
（7）
、
——进口、出口空气温度（℃）；
Qp——空气流量（m3/s）；
γp——空气密度（kg/m3），一般γp=1.4kg/m3；
Cp——空气比热容（J/（kg·℃）），一般Cp=1005J/（kg·℃）；
空气流量Qp（单位：
m3/s）
油的加热及加热器的发热能力
油的加热及加热器的发热能力
液压系统中的油温，一般应控制在30～50℃范围内。
最高不应高于70℃，最低不应低于15℃。
油温过高，将使油液迅速老化变质，同时使油液的粘度降低，造成元件内泄漏量增加，系统效率降低；油温过低，使油液粘度过大，造成泵吸油困难。
油温的过高或过低都会引发系统工作不正常，为保证油液能在正常的范围内工作，需对系统油液温度进行必要的控制即采用加热或冷却方式。
油液的加热可采用电加热或蒸汽加热等方式，为避免油液过热变质，一般加热管表面温度不允许超过120℃，电加热管表面功率密度不应超过3W/cm2。
加热器的发热能力可按下式估算：
N≥
式中N——加热器发热能力（W）；
C——油的比热，取C=1680～2094J/（kg·℃）；
r——油的密度，取r=900kg/m3；
V——油箱内油液体积（m3）；
△Q——油加热后温升（℃）；
T——加热时间（s）。
3.5.2电加热器的计算
电加热器的功率：
P=N/η
式中η——热效率，取η=0.6～0.8。
液压系统中装设电加热器后，可以较方便地实现液压系统油温的自动控制。
过滤器的主要性能参数
过滤器的主要性能参数
1）过滤精度/μm：
是指过滤器滤除一定尺寸固体污染物的能力。
是选取过滤器首先要考虑的一个重要参数。
2）压力损失/MPa：
工作介质流经过滤器时，主要是滤芯对介质流动造成阻力，使过滤器的油口两端产生一定的压差（压力降），即压力损失。
压力损失在系统设计中应加以考虑，如安装在压力管路上会造成压降，在回油管路上会造成背压。
过滤器的种类、用途及安装
表14过滤器的种类、用途及安装
种类
用途
安装位置（见图中标号）
吸油过滤器
保护液压泵
3
高压过滤器
保护泵下游元件不受污染
6
回油过滤器
降低油液污染度
5
离线过滤器
连续过滤保持清洁度
8
泄油过滤器
防止污染物进入油箱
4
安全过滤器
保护污染抵抗力低的元件
7
通气过滤器
防止污染物随空气侵入
2
注油过滤器
防止注油时侵入污染物
1
过滤器的选择
过滤器的选择
选择过滤器时应考虑如下几个方面：
1）根据使用目的（用途）选择过滤器的种类，根据安装位置情况选择过滤器的安装形式。
2）过滤器应具有足够大的通油能力，并且压力损失要小。
3）过滤精度应满足液压系统或元件所需清洁度要求。
4）滤芯使用的滤材应满足所使用工作介质的要求，并且有足够强度。
5）过滤器的强度及压力损失是选择时需重点考虑的因素，安装过滤器后会对系统造成局部压降或产生背压。
6）滤芯的更换及清洗应方便。
7）应根据系统需要考虑选择合适的滤芯保护附件（如带旁通阀的定压开启装置及滤芯污染情况指示器或信号器等）。
选过滤器的通油能力时，一般应大于实际通过流量的2倍以上。
过滤器通油能力可按下式计算。
m3/s
式中Q——过滤器通油能力（m3/s）；
μ——液压油的动力粘度（Pa·s）；
A——有效过滤面积（m2）；
△p——压力差（Pa）；
K——滤芯通油能力系数，网式滤芯K=0.34；线隙式滤芯K=0.17；纸质滤芯K=0.006；烧结式滤芯
K=
，
式中D为粒子平均直径，单位为m，δ为滤芯的壁厚，单位为m。
对过滤器的要求
液压油中往往含有颗粒状杂质，会造成液压元件相对运动表面的磨损、滑阀卡滞、节流孔口堵塞，使系统工作可靠性大为降低。
在系统中安装一定精度的滤油器，是保证液压系统正常工作的必要手段。
过滤器的过滤精度是指滤芯能够滤除的最小杂质颗粒的大小，以直径d作为公称尺寸表示，按精度可分为粗过滤器（d＜100）普通过滤器（d＜10），精过滤器（d＜5），特精过滤器（d＜1）。
一般对过滤器的基本要求是：
（1）能满足液压系统对过滤精度要求，即能阻挡一定尺寸的杂质进入系统。
（2）滤芯应有足够强度，不会因压力而损坏。
（3）通流能力大，压力损失小。
（4）易于清洗或更换滤芯。
表4.1 各种液压系统的过滤精度要求
系统类别
润滑系统
传动系统
伺服系统
工作压力（MPa）
0~2.5
14
14~32
32
21
精度d（m）
100
25~50
25
10
5
（1）泵入口的吸油粗滤器
用来保护泵，使其不致吸入较大的机械杂质，根据泵的要求，可用粗的或普通精度的滤油器，为了不影响泵的吸油性能，防止发生气穴现象，滤油器的过滤能力应为泵流量的两倍以上，压力损失不得超过0.01~0.035MPa。
（2）泵出口油路上的高压滤油器
这种安装主要用来滤除进入液压系统的污染杂质，一般采用过滤精度10~15m的滤油器。
它应能承受油路上的工作压力和冲击压力，其压力降应小于0.35MPa，并应有安全阀或堵塞状态发讯装置，以防泵过载和滤芯损坏。
蓄能器在系统中的应用
表2蓄能器在系统中的应用
用途
系统图
用途
系统图
储蓄液压能用
（1）对于间歇负荷，能减少液压泵的传动功率
当液压缸需要较多油量时，蓄能器与液压泵同时供油；当液压缸不工作时，液压泵给蓄能器充油，达到一定压力后液压泵停止运转
（4）保持系统压力：
补充液压系统的漏油，或用于液压泵长时期停止运转而要保持恒压的设备上
（2）在瞬间提供大量压力油
（5）驱动二次回路：
机械在由于调整检修等原因而使主回路停止时，可以使用蓄能器的液压能来驱动二次回路
（3）紧急操作：
在液压装置发生故障和停电时，作为应急的动力源
（6）稳定压力：
在闭锁回路中，由于油温升高而使液体膨胀，产生高压可使用蓄能器吸收，对容积变化而使油量减少时，也能起补偿作用
缓和冲击及消除脉动用
（1）吸收液压泵的压力脉动
（2）缓和冲击：
如缓和阀在迅速关闭和变换方向时所引起的水锤现象
注：
1.缓和冲击的蓄能器，应选用惯性小的蓄能器，如气囊式蓄能器、弹簧式畜能器等。
2.缓和冲击的蓄能器，一般尽可能安装在靠近发生冲击的地方，并垂直安装，油口向下。
如实在受位置限制，垂直安装不可能时，再水平安装。
3 .在管路上安装蓄能器，必须用支板或支架将蓄能器固紧，以免发生事故。
4.蓄能器应安装在远离热源地地方。
各种蓄能器的性能及用途
表3 各种蓄能器的性能和用途
型式
性能
用途
响应
噪声
容量的限制
最大压力/MPa
漏气
温度范围/℃
蓄能用
吸收脉动冲击用
传递异性液体用
气体加载式
隔离式
可
挠
型
气囊式
良好
无
有（480L左右）
35
无
－10～+120
可
可
可
隔膜式
良好
无
有（0.95～11.4L）
7
无
－10～+70
可
可
可
直通气囊式
好
无
有
21
无
－10～+70
不可
很好
不可
金属波纹管式
良好
无
有
21
无
－50～+120
可
可
不可
非可挠型
活塞式
不太好
有
可作较大容量
21
小量
－50～+120
可
不太好
可
差动活塞式
不太好
有
可作成较大容量
45
无
－50～+120
可
不太好
不可
非隔离式
良好
无
可作成大容量
5
有
无特别限制
可
可
不可
重力加载式
不好
有
可作成较大容量
45
—
－50～+120
可
不好
不可
弹簧加载式
不好
有
有
1.2
—
－50～+120
可
不太好
可
蓄能器的容量计算
表4 蓄能器容量计算
应用场合
容积计算公式
说明
作辅助动力源
V0—所需蓄能器的容积（m3）
p0—充气压力Pa，按0.9p1＞p0＞0.25p2充气
Vx—蓄能器的工作容积（m3）
p1—系统最低压力（Pa）
p2—系统最高压力（Pa）
n—指数；等温时取n=1；绝热时取n=1.4
吸收泵的脉动
A—缸的有效面积（m2）
L—柱塞行程（m）
k—与泵的类型有关的系数：
泵的类型 系数k
单缸单作用0.60
单缸双作用0.25
双缸单作用0.25
双缸双作用0.15
三缸单作用0.13
三缸双作用0.06
p0—充气压力，按系统工作压力的60%充气
吸收冲击
m—管路中液体的总质量（kg）
υ—管中流速（m/s）
p0—充气压力（Pa），按系统工作压力的90%充气
注：
1.充气压力按应用场合选用。
2.蓄能器工作循环在3min以上时，按等温条件计算，其余均按绝热条件计算。
管 件
管件包括管道、管接头和法兰等，其作用是保证油路的连通，并便于拆卸、安装；根据工作压力、安装位置确定管件的连接结构；与泵、阀等连接的管件应由其接口尺寸决定管径。
管道特点、种类和适用场合见表4.2。
表4.2 管道的种类和适用场合
种类
特点和适用范围
钢管
价廉、耐油、抗腐、刚性好，但装配不易弯曲成形，常在拆装方便处用作压力管道，中压以上用无缝钢管，低压用焊接钢管。
紫铜管
价格高，抗振能力差，易使油液氧化，但易弯曲成形，用于仪表和装配不便处。
尼龙管
半透明材料，可观察流动情况，加热后可任意弯曲成形和扩口，冷却后即定形，承压能力较低，一般在2.8~8MPa之间。
塑料管
耐油、价廉、装配方便，长期使用会老化，只用于压力低于0.5MPa的回油或泄油管路
橡胶管
用耐油橡胶和钢丝编织层制成，价格高，多用于高压管路；还有一种用耐油橡胶和帆布制成，用于回油管路。
管道的内径d和壁厚可采用下列两式计算，并需圆整为标准数值，即
（4.6）
（4.7）
式中：
—允许流速，推荐值为：
吸油管为0.5~1.5m/s，回油管为1.5~2m/s，压力油管为2.5~5m/s，控制油管取2~3m/s，橡胶软管应小于4m/s。
n—安全系数，对于钢管，7MPa时，n=8；7MPa17.5MPa时，n=6；17.5MPa时，n=4。
—管道材料的抗拉强度，可由材料手册查出。
管道应尽量短，最好横平竖直，拐弯少，为避免管道皱折，减少压力损失，管道装配的弯曲半径要足够大，管道悬伸较长时要适当设置管夹。
管道尽量避免交叉，平行管距要大于100mm，以防接触振动，并便于安装管接头。
软管直线安装时要有30%左右的余量，以适应油温变化、受拉和振动的需要。
弯曲半径要大于9倍软管外径，弯曲处到管接头的距离至少等于6倍外径。
仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。
Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.
NurfürdenpersönlichenfürStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.
Pourl'étudeetlarechercheuniquementàdesfinspersonnelles;pasàdesfinscommerciales.
толькодлялюдей,которыеиспользуютсядляобучения,исследованийинедолжныиспользоватьсявкоммерческихцелях.
以下无正文
升级会员 