左岗永

(中国煤炭科工集团太原研究院，山西太原 030006)

液压油箱是液压系统中重要的辅助装置，主要用途是储存液压系统需要的液压介质，此外还起到散热、分离液压介质中的气体、沉淀液压介质中杂质的重要作用［1］。研制的某型煤矿钻机中，采用了卧式动力源，设计出一种卧式动力源开式油箱，这种结构对液压油箱的设计有着更严格的要求，特别是对液压泵吸油特性的影响。设计时要重点考虑结构参数和安装位置，同时对液压泵吸油口压力进行分析，其设计的优劣直接关系到整个液压系统的运行可靠性，尤其是对液压泵寿命的影响。

1 卧式动力源开式油箱的特点

液压泵组和电机都布置在油箱上，且电机采用卧式安装，称为卧式液压动力源［2］。

不同安装类型动力源的特性比较如表1所示:卧式液压动力源占用空间小，结构紧凑，便于流量调节;但泵组在油箱上侧，液压泵的吸油特性相对较差，维护也相对麻烦。而且若吸油高度过高，会造成液压泵吸油口处产生吸空或气穴现象。

表1 不同安装类型动力源的特性比较

考虑到此煤矿钻机液压系统整机结构和布置空间的要求，且为变量泵系统，采用卧式动力源，油箱采用结构简单的开式油箱，其液面直接与大气相通。

2 液压油箱的结构特点

某型煤矿钻机油箱结构简图如图1所示。

(1)油箱箱体材料采用钢板焊接而成，外形采用长方体，可使油箱在相同容积下得到最大的散热面积。(2)油箱内部设置隔板，将吸油和回油分开，增大油液循环的长度，减缓流动速度，便于气体分离和杂质的沉淀，并有效改善散热效果。(3)为便于油箱的清洗，油箱上部盖板采用螺钉与箱体连接，开口比较大。此外油箱底部设置放油孔，且放油孔开在回油侧最低处。右侧板上开有人孔。(4)吸油管侧装有磁过滤器，可以吸附部分铁屑。(5)油箱盖板上设有空气过滤器、油温传感器、油位传感器、泄油口、回油过滤器口、吸油口，同时为了吊装的方便，设计有吊耳，左侧板上设置有液位计。

图1 动力源和油箱结构简图

3 液压油箱的设计

3.1 油箱容积的确定

油箱容积是油箱设计的关键，一般先按经验公式确定油箱容积，待液压系统确定后，按液压系统热功率平衡进行校核。

(1)油箱容积大小可以根据使用情况的经验公式［3］确定:

式中:V为油箱有效容积;

α为经验系数，煤矿钻机中一般取1～2;

Qp为液压泵的流量。

(2)根据液压系统热平衡功率来确定。当系统达到热平衡时，平均温度为:

式中:t1为系统平衡时的平均温度;

t2为环境温度;

H为系统一个循环内的平均热量;

K为油箱散热系数，根据油箱的通风条件，一般取8～15;

A为油箱散热面积，

则油箱满足液压系统散热功率的最小体积为:

根据液压泵的流量，利用经验公式(1)初选油箱容积400 L，运用热功率平衡校核液压系统油液的温度。

3.2 液压系统热平衡的校核

液压系统的发热功率:H=7.4 kW;油箱的散热功率:Q2=1.73 kW;达到热平衡时油液的温度为201℃。煤矿钻机整机由于安装空间的限制，油箱容积大小定为400 L。考虑到热功率平衡加装冷却器，选取风扇冷却器，比散热系数为0.19，散热功率:Q3=9 kW。

3.3 油箱结构确定

(1)卧式动力源开式油箱必须有足够的强度和刚度，能承受动力源的重力，能抵抗大的变形，又要避免过大的振动，且不能造成焊缝的开裂。侧板和底板厚度6 mm，顶板厚度12 mm。

(2)隔板高度为油箱有效容积液面高度的2/3～3/4，并且下部开有缺口。

(3)由于动力源固定在油箱盖板上，因此设计油箱时，把盖板分开两个部分，与动力源底座固定的部分采用焊接形式与箱体相连，另外一部分采用螺钉与箱体连接，便于拆卸对油箱进行维护。

(4)根据油箱上选定件的规格，给出相对应的安装尺寸，考虑到安装和维护的方便，设计出合理的安装位置。

3.4 油箱上主要附件参数的确定

3.4.1 空气过滤器

空气过滤器是开式油箱必备的附件，保证油箱内油液表面始终与大气相通，保证液压泵吸油充分，同时阻止空气中的灰尘进入油箱内部，另外兼有加油的作用。

式中:Qk为空气过滤器的流量;

k为工作条件因数，煤矿钻机中一般取3～5。

根据液压泵站的流量，初选空气过滤器的流量为1 200 L/min，过滤精度20μm，查取样本得到此时的压降为:0.001 MPa。此外空气过滤器应放置在易于操作的地方，便于加油，还要保证整机在坡度16°上行走时不能从此溢出油液。

3.4.2 过滤器

过滤器主要作用是过滤液压油液中的杂质，降低油液的污染度，保护液压系统和元件，保证液压系统的正常运行。过滤器根据安装位置的不同可以分为:吸油过滤器、回油过滤器、高压过滤器、泄油过滤器、注油过滤器、安全过滤器、离线过滤器等多种型式［4］。选用过滤器时主要考虑的因素有:过滤能力，保证油液通过过滤器时阻力尽量小;过滤精度，根据不同安装位置上所要保护液压元件的精度来选取。油箱上采用了吸油过滤器和回油过滤器。

吸油过滤器安装在液压泵的吸油口处，放置于油箱吸油管的末端，过滤大颗粒杂质，主要保护液压泵。选用时主要考虑液压泵的吸油特性，选用过滤精度80μm、公称流量660 L/min的吸油过滤器。忽略吸油管路上压力损失，吸油时的背压为0.002 5 MPa。对液压泵的吸油特性影响不明显。

回油过滤器主要安装在回油管路中，过滤掉液压系统工作过程中所产生的杂质，防止再一次到达油箱，对液压系统进行二次污染。选用时考虑过滤器的回油能力大于液压泵的最大流量，同时还要回油阻力尽量小，延长滤清周期，选用额定流量450 L/min、过滤精度10μm、通过流量时压降0.004 MPa的回油过滤器;并设置有旁通阀，开启压力0.6 MPa，在回油阀芯堵塞而未及时更换时，保护液压系统。

3.4.3 液位计

液位计主要显示油箱中的液面高度。选择液位计时，最低刻度应在吸油管或者吸油过滤器上缘75 mm以上，防止油液在最低液面高度指示时液压泵出现吸空现象;最高刻度到油箱有效容积的85%～90%，液面上面留有空气容量，便于形成自由表面，容纳热膨胀和泡沫，便于分离气体。

设计油箱的容腔高度485 mm，吸油过滤器的安放高度150 mm，液位计的最低油位显示高度约在230 mm，考虑一定的安全因数，给到245 mm;考虑到行走坡度和执行元件缩回时的油箱中液面高度，选取液位计指示的最高液面为357 mm，大约占到油箱高度的73%，并且安装在油箱左侧板上操作人员清楚观察到的位置。

4 设计中的注意事项

(1)吊耳的承载能力大于油箱满载时的载荷，且吊装时不产生倾翻。

(2)吸油管的规格与液压泵吸油口规格相同，安装位置一般距箱底大于2倍的管径、距箱边不小于3倍的管径，保证吸油充分，又不吸起油箱底部的沉淀。

(3)回油管要求插入到液面以下，以防冲溅产生气泡，距箱底大于3倍的管径，管口制成45°斜角，面向箱壁。

(4)泄油管规格根据整个液压系统的最大泄油流量来定，安装时一般不没于液面之下，设计时采用了没于液面之下，有效地防止冲溅产生气泡，在距离顶板10 mm处的泄油管上开有一小孔，有效避免了背压大和虹吸现象的产生。

(5)箱体装配后进行气密性试验，另外对吸油管部分也要单独进行气密性试验，杜绝焊缝和密封处的泄漏，保证油箱上侧液压泵吸油充分，不出现吸空现象。

(6)为防止油液的污染，油箱内壁应进行喷丸、酸洗、中和表面清洗，去除焊渣和铁锈，并涂以耐油防锈的保护层。

(7)油箱固定底座与机架连接时要保证拆装方便，易于操作。

5 结论

比较了不同安装类型动力源的特点，根据某型煤矿钻车整机的特点，设计出卧式动力源开式油箱。详细介绍了液压油箱的组成、结构和作用，给出了油箱容积的计算方式、结构的确定、主要附件参数和安装位置的确定，重点分析了油箱设计的注意事项。钻车在行走和锚钻使用过程中，液压系统稳定可靠，液压泵未出现吸空现象，油箱也未出现高温和吸回油不畅等现象。

［1］何存兴．液压元件［M］．北京:机械工业出版社，1980．

［2］张利平．液压站设计与使用［M］．北京:海洋出版社，2004．

［3］张利平．液压气动系统设计手册［M］．北京:机械工业出版社，1997．

［4］成大先．机械设计手册单行本液压传动［M］．北京:化学工业出版社，2004．