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        某型煤礦鉆機臥式動力源開式油箱的設計

        2015-04-26 08:23:56左崗永
        機床與液壓 2015年2期
        關鍵詞:動力源吸油液壓泵

        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??紤]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.

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