某型煤礦鉆機臥式動力源開式油箱的設計

左崗永

(中國煤炭科工集團太原研究院，山西太原 030006)

液壓油箱是液壓系統(tǒng)中重要的輔助裝置，主要用途是儲存液壓系統(tǒng)需要的液壓介質(zhì)，此外還起到散熱、分離液壓介質(zhì)中的氣體、沉淀液壓介質(zhì)中雜質(zhì)的重要作用［1］。研制的某型煤礦鉆機中，采用了臥式動力源，設計出一種臥式動力源開式油箱，這種結(jié)構(gòu)對液壓油箱的設計有著更嚴格的要求，特別是對液壓泵吸油特性的影響。設計時要重點考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝位置，同時對液壓泵吸油口壓力進行分析，其設計的優(yōu)劣直接關系到整個液壓系統(tǒng)的運行可靠性，尤其是對液壓泵壽命的影響。

1 臥式動力源開式油箱的特點

液壓泵組和電機都布置在油箱上，且電機采用臥式安裝，稱為臥式液壓動力源［2］。

不同安裝類型動力源的特性比較如表1所示:臥式液壓動力源占用空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于流量調(diào)節(jié);但泵組在油箱上側(cè)，液壓泵的吸油特性相對較差，維護也相對麻煩。而且若吸油高度過高，會造成液壓泵吸油口處產(chǎn)生吸空或氣穴現(xiàn)象。

表1 不同安裝類型動力源的特性比較

考慮到此煤礦鉆機液壓系統(tǒng)整機結(jié)構(gòu)和布置空間的要求，且為變量泵系統(tǒng)，采用臥式動力源，油箱采用結(jié)構(gòu)簡單的開式油箱，其液面直接與大氣相通。

2 液壓油箱的結(jié)構(gòu)特點

某型煤礦鉆機油箱結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

(1)油箱箱體材料采用鋼板焊接而成，外形采用長方體，可使油箱在相同容積下得到最大的散熱面積。(2)油箱內(nèi)部設置隔板，將吸油和回油分開，增大油液循環(huán)的長度，減緩流動速度，便于氣體分離和雜質(zhì)的沉淀，并有效改善散熱效果。(3)為便于油箱的清洗，油箱上部蓋板采用螺釘與箱體連接，開口比較大。此外油箱底部設置放油孔，且放油孔開在回油側(cè)最低處。右側(cè)板上開有人孔。(4)吸油管側(cè)裝有磁過濾器，可以吸附部分鐵屑。(5)油箱蓋板上設有空氣過濾器、油溫傳感器、油位傳感器、泄油口、回油過濾器口、吸油口，同時為了吊裝的方便，設計有吊耳，左側(cè)板上設置有液位計。

圖1 動力源和油箱結(jié)構(gòu)簡圖

3 液壓油箱的設計

3.1 油箱容積的確定

油箱容積是油箱設計的關鍵，一般先按經(jīng)驗公式確定油箱容積，待液壓系統(tǒng)確定后，按液壓系統(tǒng)熱功率平衡進行校核。

(1)油箱容積大小可以根據(jù)使用情況的經(jīng)驗公式［3］確定:

式中:V為油箱有效容積;

α為經(jīng)驗系數(shù)，煤礦鉆機中一般取1～2;

Qp為液壓泵的流量。

(2)根據(jù)液壓系統(tǒng)熱平衡功率來確定。當系統(tǒng)達到熱平衡時，平均溫度為:

式中:t1為系統(tǒng)平衡時的平均溫度;

t2為環(huán)境溫度;

H為系統(tǒng)一個循環(huán)內(nèi)的平均熱量;

K為油箱散熱系數(shù)，根據(jù)油箱的通風條件，一般取8～15;

A為油箱散熱面積，

則油箱滿足液壓系統(tǒng)散熱功率的最小體積為:

根據(jù)液壓泵的流量，利用經(jīng)驗公式(1)初選油箱容積400 L，運用熱功率平衡校核液壓系統(tǒng)油液的溫度。

3.2 液壓系統(tǒng)熱平衡的校核

液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率:H=7.4 kW;油箱的散熱功率:Q2=1.73 kW;達到熱平衡時油液的溫度為201℃。煤礦鉆機整機由于安裝空間的限制，油箱容積大小定為400 L。考慮到熱功率平衡加裝冷卻器，選取風扇冷卻器，比散熱系數(shù)為0.19，散熱功率:Q3=9 kW。

3.3 油箱結(jié)構(gòu)確定

(1)臥式動力源開式油箱必須有足夠的強度和剛度，能承受動力源的重力，能抵抗大的變形，又要避免過大的振動，且不能造成焊縫的開裂。側(cè)板和底板厚度6 mm，頂板厚度12 mm。

(2)隔板高度為油箱有效容積液面高度的2/3～3/4，并且下部開有缺口。

(3)由于動力源固定在油箱蓋板上，因此設計油箱時，把蓋板分開兩個部分，與動力源底座固定的部分采用焊接形式與箱體相連，另外一部分采用螺釘與箱體連接，便于拆卸對油箱進行維護。

(4)根據(jù)油箱上選定件的規(guī)格，給出相對應的安裝尺寸，考慮到安裝和維護的方便，設計出合理的安裝位置。

3.4 油箱上主要附件參數(shù)的確定

3.4.1 空氣過濾器

空氣過濾器是開式油箱必備的附件，保證油箱內(nèi)油液表面始終與大氣相通，保證液壓泵吸油充分，同時阻止空氣中的灰塵進入油箱內(nèi)部，另外兼有加油的作用。

式中:Qk為空氣過濾器的流量;

k為工作條件因數(shù)，煤礦鉆機中一般取3～5。

根據(jù)液壓泵站的流量，初選空氣過濾器的流量為1 200 L/min，過濾精度20μm，查取樣本得到此時的壓降為:0.001 MPa。此外空氣過濾器應放置在易于操作的地方，便于加油，還要保證整機在坡度16°上行走時不能從此溢出油液。

3.4.2 過濾器

過濾器主要作用是過濾液壓油液中的雜質(zhì)，降低油液的污染度，保護液壓系統(tǒng)和元件，保證液壓系統(tǒng)的正常運行。過濾器根據(jù)安裝位置的不同可以分為:吸油過濾器、回油過濾器、高壓過濾器、泄油過濾器、注油過濾器、安全過濾器、離線過濾器等多種型式［4］。選用過濾器時主要考慮的因素有:過濾能力，保證油液通過過濾器時阻力盡量小;過濾精度，根據(jù)不同安裝位置上所要保護液壓元件的精度來選取。油箱上采用了吸油過濾器和回油過濾器。

吸油過濾器安裝在液壓泵的吸油口處，放置于油箱吸油管的末端，過濾大顆粒雜質(zhì)，主要保護液壓泵。選用時主要考慮液壓泵的吸油特性，選用過濾精度80μm、公稱流量660 L/min的吸油過濾器。忽略吸油管路上壓力損失，吸油時的背壓為0.002 5 MPa。對液壓泵的吸油特性影響不明顯。

回油過濾器主要安裝在回油管路中，過濾掉液壓系統(tǒng)工作過程中所產(chǎn)生的雜質(zhì)，防止再一次到達油箱，對液壓系統(tǒng)進行二次污染。選用時考慮過濾器的回油能力大于液壓泵的最大流量，同時還要回油阻力盡量小，延長濾清周期，選用額定流量450 L/min、過濾精度10μm、通過流量時壓降0.004 MPa的回油過濾器;并設置有旁通閥，開啟壓力0.6 MPa，在回油閥芯堵塞而未及時更換時，保護液壓系統(tǒng)。

3.4.3 液位計

液位計主要顯示油箱中的液面高度。選擇液位計時，最低刻度應在吸油管或者吸油過濾器上緣75 mm以上，防止油液在最低液面高度指示時液壓泵出現(xiàn)吸空現(xiàn)象;最高刻度到油箱有效容積的85%～90%，液面上面留有空氣容量，便于形成自由表面，容納熱膨脹和泡沫，便于分離氣體。

設計油箱的容腔高度485 mm，吸油過濾器的安放高度150 mm，液位計的最低油位顯示高度約在230 mm，考慮一定的安全因數(shù)，給到245 mm;考慮到行走坡度和執(zhí)行元件縮回時的油箱中液面高度，選取液位計指示的最高液面為357 mm，大約占到油箱高度的73%，并且安裝在油箱左側(cè)板上操作人員清楚觀察到的位置。

4 設計中的注意事項

(1)吊耳的承載能力大于油箱滿載時的載荷，且吊裝時不產(chǎn)生傾翻。

(2)吸油管的規(guī)格與液壓泵吸油口規(guī)格相同，安裝位置一般距箱底大于2倍的管徑、距箱邊不小于3倍的管徑，保證吸油充分，又不吸起油箱底部的沉淀。

(3)回油管要求插入到液面以下，以防沖濺產(chǎn)生氣泡，距箱底大于3倍的管徑，管口制成45°斜角，面向箱壁。

(4)泄油管規(guī)格根據(jù)整個液壓系統(tǒng)的最大泄油流量來定，安裝時一般不沒于液面之下，設計時采用了沒于液面之下，有效地防止沖濺產(chǎn)生氣泡，在距離頂板10 mm處的泄油管上開有一小孔，有效避免了背壓大和虹吸現(xiàn)象的產(chǎn)生。

(5)箱體裝配后進行氣密性試驗，另外對吸油管部分也要單獨進行氣密性試驗，杜絕焊縫和密封處的泄漏，保證油箱上側(cè)液壓泵吸油充分，不出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。

(6)為防止油液的污染，油箱內(nèi)壁應進行噴丸、酸洗、中和表面清洗，去除焊渣和鐵銹，并涂以耐油防銹的保護層。

(7)油箱固定底座與機架連接時要保證拆裝方便，易于操作。

5 結(jié)論

比較了不同安裝類型動力源的特點，根據(jù)某型煤礦鉆車整機的特點，設計出臥式動力源開式油箱。詳細介紹了液壓油箱的組成、結(jié)構(gòu)和作用，給出了油箱容積的計算方式、結(jié)構(gòu)的確定、主要附件參數(shù)和安裝位置的確定，重點分析了油箱設計的注意事項。鉆車在行走和錨鉆使用過程中，液壓系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，液壓泵未出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，油箱也未出現(xiàn)高溫和吸回油不暢等現(xiàn)象。

［1］何存興．液壓元件［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1980．

［2］張利平．液壓站設計與使用［M］．北京:海洋出版社，2004．

［3］張利平．液壓氣動系統(tǒng)設計手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1997．

［4］成大先．機械設計手冊單行本液壓傳動［M］．北京:化學工業(yè)出版社，2004．