行走機械液壓系統開式油箱的設計

李文龍，王圣磊

（安徽柳工起重機有限公司，安徽 蚌埠 233000）

行走機械作為機械家族的一員，其液壓油箱同樣脫離不了廣義液壓油箱的定義，其主要功能同樣有儲存工作介質、散熱、分離空氣以及雜質沉淀等作用。特殊場合可集成加熱、冷卻、過濾等元件以達到液壓系統特殊性能要求。

在行走機械領域，液壓油箱同樣可分為兩大類：開式油箱和閉式油箱。開式油箱即油箱內液面與大氣接觸的油箱，在行走機械領域，開式油箱應用最為廣泛。為防止空氣中塵埃、雜質進入油箱，一般在油箱頂部設置空濾，同時空濾口作為液壓油加注口。閉式油箱即壓力油箱，液面與空氣不直接連通，而是與具有一定壓力的惰性氣體相連，油箱中壓力可達0.5bar，從而保證液壓泵吸油壓力，在特殊場合作為個例單獨設計。

1 行走機械開式液壓油箱容積計算

行走機械開式液壓油箱由于整機空間有嚴格限制，故參照機械設計手冊及各種教材中的計算方法顯得不合適。本文參照各種資料，輔以實際設計經驗，總結行走機械開式液壓油箱設計方法，可分為以下幾個步驟進行較為精確的開式油箱容積計算。

（1）開式油箱容積區劃分。如圖1所示，將開式油箱容積劃分為吸油死區、最小吸油容積、系統液壓油缸容積差、預留管路液壓油容積以及上部空容積。

（2）計算整機預留液壓開式油箱最大容積。行走機械中對整機空間有嚴格限制，在開式油箱設計之初需要同整機設計人員溝通預留最大油箱尺寸，則油箱最大可能容積

圖1 油箱計算示意圖

（3）確定吸油死區容積V1。吸油死區容積可根據吸油法蘭尺寸初步確定，吸油死區容積往大設計。設吸油法蘭直徑為d，則吸油法蘭安裝高度可取h=1～2d，則吸油死區容積

（4）確定最小吸油容積V2。根據實際設計經驗，最小吸油容積可根據系統最大吸油流量確定，一般可取最小吸油容積為系統最大吸油流量Q的0.5～1倍。則最小吸油容積

（5）確定液壓系統總油缸容積差V3。液壓系統中，當液壓油缸處于全伸狀態，油缸大腔充滿液壓油，此時油箱中液面處于最低液位；當油缸全縮時，油缸小腔充滿液壓油，此時油箱中液面處于最高液位。油箱中主要容積也是靠液壓系統中油缸的總容積差來決定。

（6）預留管路中液壓油容積V4。液壓系統運行時，液壓管路、液壓元件中充滿液壓油。當液壓系統停機時，液壓管路、液壓元件中的液壓油不一定全部回到液壓油箱，故需要預留一部分容積。根據實際設計經驗，管路預留容積可取總管路容積的0.5～1倍。

（7）開式油箱上部空容積V5。開式油箱上部需要預留一部分空容積，以供開式油箱充滿空氣，同時行走機械在上下坡時，開式油箱內液面會發生傾斜。為防止液壓油從空濾口溢出，開式油箱上部預留空容積高度可先估算，油箱驗算時再校核油箱上部預留空容積高度是否滿足整機要求。

（8）確定開式油箱容積V總及油箱輪廓尺寸、最高液面h2、最低液面h1。根據上述步驟，則開式油箱總容積

根據式（4）以及整機對于開式油箱外廓尺寸限制，可確定開式油箱具體外廓尺寸a、b、c。根據確定的a、b，可計算得出開式油箱最低液面

根據確定的a、b以及系統油缸總容積差、預留管路液壓油容積，可計算得出開式油箱最高液面

（9）驗算開式油箱上部空容積。行走機械在上下坡時，開式液壓油箱內液面會發生傾斜。為防止液壓油在整機上下坡時從空濾口溢出，需要驗算預留空容積是否滿足要求。如圖2所示，分別驗算當行走機械處于上、下坡最大角度Φ時開式油箱內最高液面是否高于空濾口位置，且需要一定的設計余量，以防止整機在上、下最大坡度且整機顛簸時液壓油從空濾口溢出。同理，空濾口布置在油箱頂部正中，是較為常用的油箱空濾布置位置。

圖2 開式油箱上部空容積驗算示意圖

（10）驗算最低液面與最高吸油面高度差。開式油箱安裝位置、具體尺寸經過上述步驟得出確定值后，需要驗算油箱最低液面與液壓泵最高吸油口位置高度差。如圖3所示，驗算時應當H≤0，否則當系統油缸全伸時會導致停機，二次開機時泵吸空的風險。

圖3 泵最高吸油面校核計算示意圖

（11）計算開式油箱當量散熱面積。經過上述計算，綜合考慮開式油箱容積、安裝位置、關于油箱空間限制、液壓管路布局等因素，確定油箱具體尺寸后，需要相關資料驗算油箱當量散熱面積，為整機液壓系統散熱計算提供數據支持。具體計算方法參考設計手冊等資料，本文不贅述。

2 布置液壓油箱附件

行走機械液壓開式油箱外形尺寸確定后，為簡化液壓管線布置，可以將一些液壓附件布置在油箱上，分述如下：

（1）吸油濾油器。隨著液壓元件精密程度、液壓系統精確控制、速度控制等性能要求越來越高，液壓系統清潔度的要求也隨之更加嚴格。在吸油口布置吸油濾清器是液壓系統清潔度的重要保障手段，同時為保證液壓系統吸油充分，吸油濾清器精度要求不宜過高，且宜附帶堵塞報警，以方便后續整機的服務維修。

（2）回油過濾器。在系統回油口設置回油濾清器是大部分液壓系統保證其清潔度最常用的手段，其過濾精度可以選擇比較高，但濾芯額定流量需保證在系統流量2倍以上，且宜自帶濾芯堵塞報警。

（3）空氣濾清器。由于液壓空氣濾清器工作時空氣流速越低，抗污過濾能力越好，故在選用液壓空濾時應有一定的富裕量。

（4）液位計/液溫計。液位計功能是監測油箱中的液面位置，當僅需在整機外部目測液位時，在油箱上安裝普通液位計即可；而當整機控制系統需要監測實時液面信號時，則需要安裝價格較為昂貴的電氣反饋液位計。液溫計的功能是監測液壓系統油溫，同樣，當僅需在整機外部目測油溫時，目前市場上有集成的目測液位/液溫計可供選用；當需要監測實時油溫信號時，需要選用電子反饋液溫計。

3 設計重點

液壓系統設計人員往往更多關注與更高級的技術、更高精的控制等方面，相對更容易忽視液壓油箱的設計。須知液壓系統整體性能決定于所有與液壓系統相關因素的總和，作為液壓系統設計人員，不能更不該去忽視油箱的設計工作。故本文歸納油箱設計時需關注的幾個重點，為廣大液壓系統設計人員提供參考及備忘。

（1）吸回油口、泄油口布置。

行走機械開式液壓油箱吸、回油口之間距離應盡可能大，加大液壓油在油箱中的冷卻以及雜質沉淀等。吸油管與回油管口應插入最低液面以下，防止吸空與回油產生氣泡。吸、回油管口做成45°切面以增大吸、回油截面，避免產生紊流。同時，吸油管口斜面避免朝油箱底部，防止將已沉淀的雜質吸入液壓泵；回油管口斜面應面朝箱壁，避免回油沖擊在油箱中形成紊流。行走機械泄油一般要求背壓盡可能低，故在泄油口一般不加過濾裝置。同時系統泄油溫度較高，應避免將直接泄油至油箱吸油區。泄油管同樣需要插入最低液面以下且管口斜面面向箱壁。

（2）清洗口。

行走機械開式油箱由于體積、空間限制，一般在油箱頂部開設清洗孔。清洗孔應足夠大以及考慮清洗工藝，使得油箱內部能得到完善的清洗。

（3）油箱隔板。

行走機械開式油箱內部設置隔板，其目的主要有兩點：

①作為油箱強度的加強筋。當油箱體積較大時，油箱在自重、液壓油重力以及整機受力等情況下容易發生變形，故需要在油箱合適位置設置隔板作為加強筋。有條件的情況下可對液壓油箱進行相關受力分析，得出最優化的油箱方案。

②具有將液壓油降速、降溫、加速雜質沉淀等作用，防止液壓回油直接進入吸油區。

4 結束語

液壓系統整體性能是與液壓系統相關所有可能影響因素的總和，而作為液壓附件核心之一的液壓油箱應該得到廣大液壓系統設計人員的足夠重視。本文基于理論，輔以多年行走機械液壓系統的設計經驗，總結歸納行走機械開式液壓油箱的設計方法以及容易忽視的細節點，為廣大液壓系統從業人員提供參考。