基于仿真的液壓油箱常見(jiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)油箱脫氣性能影響的研究

摘要：油箱小型化是節(jié)能減排，發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)的必然趨勢(shì)。通過(guò)CFD技術(shù)，對(duì)比了不同液壓油箱結(jié)構(gòu)對(duì)排氣性能可能的影響。給出了幾點(diǎn)可以提升脫氣性能的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：液壓油箱小型化，CFD仿真，液壓油箱設(shè)計(jì)，液壓油箱脫氣性能

0 引言

液壓油箱是挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中的重要組成部分。在液壓系統(tǒng)中主要起到油液的儲(chǔ)存、除氣、除雜的作用。根據(jù)現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)表明75%以上的液壓系統(tǒng)故障是由于雜質(zhì)的侵入導(dǎo)致的[1]。而液壓系統(tǒng)中泵、馬達(dá)、等部件在工作時(shí)由于磨損等原因難免產(chǎn)生金屬雜質(zhì)；試運(yùn)行或機(jī)器維保時(shí)，也有可能從外部侵入雜質(zhì)。液壓油中氣泡產(chǎn)生，主要由于流動(dòng)過(guò)程中的摻混和溶解的空氣析出，懸浮在液壓油液中[2]。而油液中氣泡的存在會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)氣穴、噪聲等問(wèn)題，嚴(yán)重危害著系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性[3]。

發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，節(jié)能減排，是世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。應(yīng)對(duì)節(jié)能減排，使用高壓小流量，是液壓系統(tǒng)小型化的根本措施[4]。這也促使了油箱小型化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。因此油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的性能與經(jīng)濟(jì)性能。

油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，總的來(lái)說(shuō)就是，要在滿足液壓系統(tǒng)性能，與結(jié)構(gòu)空間條件下，得到除雜與排氣性能良好的油箱結(jié)構(gòu)。但不同油箱結(jié)構(gòu)對(duì)其排氣性能的影響并不明確。本文將通過(guò)仿真的方式，淺析不同結(jié)構(gòu)對(duì)油箱脫氣性能的影響。

1 仿真對(duì)象與計(jì)算條件

本文以某型號(hào)液壓挖掘機(jī)液壓油箱為仿真對(duì)象，其基本尺寸為810mm×348mm×463mm，濾芯筒高849。在該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，控制變量修改部分結(jié)構(gòu)，形成油箱的不同設(shè)計(jì)方案。不同設(shè)計(jì)模型的網(wǎng)格尺寸一致，使用相同流量對(duì)應(yīng)的速度，作為入口邊界條件，出口使用壓力出口，靜壓為零。由于有多個(gè)方案，為提升仿真效率，使用單相流穩(wěn)態(tài)計(jì)算。湍流模型選擇使用K-ωSST，數(shù)值方法選用SIMPLEC方法。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

由于采用單相穩(wěn)態(tài)計(jì)算，如何選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，反映脫氣的性能，顯的尤為重要。當(dāng)油液中存在氣泡時(shí)，對(duì)于氣泡，假設(shè)忽略氣泡除重力、浮力以及油液對(duì)其的粘性拖曳力以外的附加力。用體積力F體，表示氣泡受到的重力與浮力的合力，則氣泡受力可表示為：

（1）

氣泡所受浮力的方向?yàn)樨Q直向上，大小為：

（2）

由于油液處于湍流狀7LcokRDP9jQ+c+/PF/e2uE+7995Ti4c+ejkOFvs/ccQ=態(tài)，一般使用Schiller-Naumann曳力模型，模擬油液對(duì)氣泡的粘性拖曳力。該模型基于氣泡形狀為球形的假設(shè)。本文所研究問(wèn)題涉及的氣泡直徑較小，所以滿足此假設(shè)。由此可得拖曳粘性力為：

（3）

其中Kμ為無(wú)量綱的拖曳力粘性系數(shù)，tr為達(dá)到受力平衡所需要的時(shí)間，其表達(dá)式如下：

（4）

（5）

公式（4）中，Rer為無(wú)量綱的相對(duì)雷諾數(shù)，定義為

（6）

為CD無(wú)量綱的拖曳力系數(shù)，定義為Rer的函數(shù)，即

CD=?（Rer） （7）

由于液壓油黏度較大，對(duì)于3mm以下氣泡，Rer不大于5，所以式（7）可表示為：

CD=24（1-0.15Rer0.687）/Rer （8）

由上（4）（5）（6）式可知，（3）式可表示為：氣泡黏性拖曳力F粘為：

（9）

由式（1）（2）（9）式可知，氣泡的運(yùn)動(dòng)除了與自身大小有關(guān)，還與油液流速的大小、方向有關(guān)，與油箱內(nèi)油液流動(dòng)的雷諾數(shù)也有密切關(guān)系。但由于雷諾數(shù)的計(jì)算涉及裝置的特征尺度的選取，使用并不方便。

所以本文選取油箱的流速大小、流線作為評(píng)價(jià)油箱排氣性能的指標(biāo)。油箱內(nèi)油液的流速越小，流線越整齊則油箱的氣泡分離能力越強(qiáng)。

3 常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的仿真對(duì)比

一般液壓油箱分為：回油結(jié)構(gòu)、隔板、吸油結(jié)構(gòu)三個(gè)部分。一般在回油結(jié)構(gòu)與油箱隔板處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，變化較多?；赜徒Y(jié)構(gòu)常見(jiàn)形式有：?jiǎn)慰诨赜?、多口回油、直形回油出口、短回油出口、彎形回油出口、回油筒位置靠近壁面、回油筒位置靠近隔板、頂部匯油盒、側(cè)面匯油盒、多孔形回油出口等。隔板的結(jié)構(gòu)形式主要有：格柵式、多層橫隔板式。

如圖1所示，使用控制變量的方法將設(shè)計(jì)方案分成了四組，每一組都只有一個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。然后對(duì)比每組不同方案的，中間縱向截面速度云圖、相同位置隔板前，橫截面速度云圖及流線，結(jié)果如圖2所示。

3.1 第一組結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

如圖3、圖4、圖5所示，為第一組對(duì)比結(jié)果。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)彎管形式，流速略低于直管形式。但彎管形式油液在沖擊油箱壁面后，斜向上越過(guò)隔板，流動(dòng)距離略短于其他結(jié)構(gòu)。

遠(yuǎn)離隔板的布置形式優(yōu)于靠近隔板的布置。由此可知回油出口朝向壁面，并在滿足功能的前提下盡可能靠近油箱壁面有利于獲得低流速。對(duì)比橫截面流速云圖可知，將回油出口設(shè)置在遠(yuǎn)離隔板的位置可減小油箱隔板底角處的流速，增加回油流動(dòng)距離，更有助于除泡。

3.2 第二組結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

由圖6可以看出相同位置及出流方向，流場(chǎng)速度分布類似。由圖2可以看出油箱內(nèi)平均流速區(qū)別不大，但側(cè)匯流盒方案流速略低，說(shuō)明匯油盒結(jié)構(gòu)對(duì)流速的影響有限。

3.3 第三組結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

對(duì)比圖2發(fā)現(xiàn)回油管徑向打孔方案的油箱平均流速最低，高密度的回油出口打孔并不能起到降低流速的作用。由圖7、圖8，可以看出打孔朝向壁面時(shí)流速分布更均勻，同時(shí)可以減小油液從底角處流出的流速。通過(guò)流線圖（圖9）可以看出，油液從更低的打孔位置流出可以得到更長(zhǎng)，更整齊的流線。

3.4 第四組結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

對(duì)比圖10、圖11發(fā)現(xiàn)隔板可以有效延長(zhǎng)油液的路徑，但設(shè)置隔板越多，油液流動(dòng)的通道越狹窄，流速越高；同時(shí)油液在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，上層的油液可能摻混到底層。說(shuō)明設(shè)置過(guò)多的隔板，會(huì)提高流速，增強(qiáng)摻混能力，不利于排氣。

而格柵式隔板可以有效降低流速，但由于油液直接沖擊油箱底部，底部格柵前油液流速較高，底部格柵并不能有效減小油液流速，同時(shí)油液直接通過(guò)底部格柵會(huì)減少油液的流動(dòng)路徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上面的研究驗(yàn)證，可以得到如下的結(jié)果：①減小油液流速，是增加氣泡上浮時(shí)間與顆粒物沉淀時(shí)間的有效方法。②在有限的油箱空間中增加過(guò)多的隔板側(cè)邊開口的隔板，并不能有效增加脫氣性能。③側(cè)邊開口的隔板油箱，不如帶有底角開口油箱脫氣性能好。④疏密適當(dāng)?shù)母駯沤Y(jié)構(gòu)可以有效降低流速。⑤油箱內(nèi)，較低的回油口高度，會(huì)有更好的脫氣性能。⑥油箱內(nèi)，回油出口朝向前壁面會(huì)得到更長(zhǎng)的流線，有利于脫氣。

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