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        某型煤礦鉆機(jī)臥式動(dòng)力源開(kāi)式油箱的設(shè)計(jì)

        2015-04-26 08:23:56左崗永
        機(jī)床與液壓 2015年2期
        關(guān)鍵詞:動(dòng)力源吸油液壓泵

        左崗永

        (中國(guó)煤炭科工集團(tuán)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(chǔ)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(jī)中,采用了臥式動(dòng)力源,設(shè)計(jì)出一種臥式動(dòng)力源開(kāi)式油箱,這種結(jié)構(gòu)對(duì)液壓油箱的設(shè)計(jì)有著更嚴(yán)格的要求,特別是對(duì)液壓泵吸油特性的影響。設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝位置,同時(shí)對(duì)液壓泵吸油口壓力進(jìn)行分析,其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性,尤其是對(duì)液壓泵壽命的影響。

        1 臥式動(dòng)力源開(kāi)式油箱的特點(diǎn)

        液壓泵組和電機(jī)都布置在油箱上,且電機(jī)采用臥式安裝,稱(chēng)為臥式液壓動(dòng)力源[2]。

        不同安裝類(lèi)型動(dòng)力源的特性比較如表1所示:臥式液壓動(dòng)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(duì)較差,維護(hù)也相對(duì)麻煩。而且若吸油高度過(guò)高,會(huì)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(lèi)型動(dòng)力源的特性比較

        考慮到此煤礦鉆機(jī)液壓系統(tǒng)整機(jī)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(dòng)力源,油箱采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的開(kāi)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(diǎn)

        某型煤礦鉆機(jī)油箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǎng)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(shè)置隔板,將吸油和回油分開(kāi),增大油液循環(huán)的長(zhǎng)度,減緩流動(dòng)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(kāi)口比較大。此外油箱底部設(shè)置放油孔,且放油孔開(kāi)在回油側(cè)最低處。右側(cè)板上開(kāi)有人孔。(4)吸油管側(cè)裝有磁過(guò)濾器,可以吸附部分鐵屑。(5)油箱蓋板上設(shè)有空氣過(guò)濾器、油溫傳感器、油位傳感器、泄油口、回油過(guò)濾器口、吸油口,同時(shí)為了吊裝的方便,設(shè)計(jì)有吊耳,左側(cè)板上設(shè)置有液位計(jì)。

        圖1 動(dòng)力源和油箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

        3 液壓油箱的設(shè)計(jì)

        3.1 油箱容積的確定

        油箱容積是油箱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,一般先按經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行校核。

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

        式中:V為油箱有效容積;

        α為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),煤礦鉆機(jī)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(lái)確定。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí),平均溫度為:

        式中:t1為系統(tǒng)平衡時(shí)的平均溫度;

        t2為環(huán)境溫度;

        H為系統(tǒng)一個(gè)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(fēng)條件,一般取8~15;

        A為油箱散熱面積,

        則油箱滿(mǎn)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(yàn)公式(1)初選油箱容積400 L,運(yùn)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(dá)到熱平衡時(shí)油液的溫度為201℃。煤礦鉆機(jī)整機(jī)由于安裝空間的限制,油箱容積大小定為400 L??紤]到熱功率平衡加裝冷卻器,選取風(fēng)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(dòng)力源開(kāi)式油箱必須有足夠的強(qiáng)度和剛度,能承受動(dòng)力源的重力,能抵抗大的變形,又要避免過(guò)大的振動(dòng),且不能造成焊縫的開(kāi)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(kāi)有缺口。

        (3)由于動(dòng)力源固定在油箱蓋板上,因此設(shè)計(jì)油箱時(shí),把蓋板分開(kāi)兩個(gè)部分,與動(dòng)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(duì)油箱進(jìn)行維護(hù)。

        (4)根據(jù)油箱上選定件的規(guī)格,給出相對(duì)應(yīng)的安裝尺寸,考慮到安裝和維護(hù)的方便,設(shè)計(jì)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(guò)濾器

        空氣過(guò)濾器是開(kāi)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(shí)阻止空氣中的灰塵進(jìn)入油箱內(nèi)部,另外兼有加油的作用。

        式中:Qk為空氣過(guò)濾器的流量;

        k為工作條件因數(shù),煤礦鉆機(jī)中一般取3~5。

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

        3.4.2 過(guò)濾器

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

        吸油過(guò)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(guò)濾大顆粒雜質(zhì),主要保護(hù)液壓泵。選用時(shí)主要考慮液壓泵的吸油特性,選用過(guò)濾精度80μm、公稱(chēng)流量660 L/min的吸油過(guò)濾器。忽略吸油管路上壓力損失,吸油時(shí)的背壓為0.002 5 MPa。對(duì)液壓泵的吸油特性影響不明顯。

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

        3.4.3 液位計(jì)

        液位計(jì)主要顯示油箱中的液面高度。選擇液位計(jì)時(shí),最低刻度應(yīng)在吸油管或者吸油過(guò)濾器上緣75 mm以上,防止油液在最低液面高度指示時(shí)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(shè)計(jì)油箱的容腔高度485 mm,吸油過(guò)濾器的安放高度150 mm,液位計(jì)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(shí)的油箱中液面高度,選取液位計(jì)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(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

        (1)吊耳的承載能力大于油箱滿(mǎn)載時(shí)的載荷,且吊裝時(shí)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(gè)液壓系統(tǒng)的最大泄油流量來(lái)定,安裝時(shí)一般不沒(méi)于液面之下,設(shè)計(jì)時(shí)采用了沒(méi)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(kāi)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(jìn)行氣密性試驗(yàn),另外對(duì)吸油管部分也要單獨(dú)進(jìn)行氣密性試驗(yàn),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(yīng)進(jìn)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(hù)層。

        (7)油箱固定底座與機(jī)架連接時(shí)要保證拆裝方便,易于操作。

        5 結(jié)論

        比較了不同安裝類(lèi)型動(dòng)力源的特點(diǎn),根據(jù)某型煤礦鉆車(chē)整機(jī)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出臥式動(dòng)力源開(kāi)式油箱。詳細(xì)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(jì)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(diǎn)分析了油箱設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。鉆車(chē)在行走和錨鉆使用過(guò)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(jī)械工業(yè)出版社,1980.

        [2]張利平.液壓站設(shè)計(jì)與使用[M].北京:海洋出版社,2004.

        [3]張利平.液壓氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

        [4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本液壓傳動(dòng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

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