液压油箱小型化及研发新动向.pdf

2 0 1 1 年 l 2月 第 3 9卷 第 2 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS De c ． 2 01 1 Vo L 3 9 No ． 2 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 4 ． 0 2 4 液压油箱小型化及研发新 动向 祁冠芳，张蕉蕉，孙 家根 解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 2 1 0 0 0 7 摘要 随着机、电、液一体化及机械设备小型化的发展，在液压系统的优化设计中，对油箱的结构、功能及容积等提 出了很高的要求。简要分析了传统式液压油箱存在的缺陷、新型小型油箱对液压系统小型化的意义，介绍了如何使油箱小 型化的措施 ，并介绍了油箱功能拓展方面的研发动向。 。 关键词油箱 ；小型化；研发动向 中图分 类号 T N 6 0 3 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 40 6 6 3 M i n i a t u r i z a t i o n Tr e n d o f t he Hyd r a ul i c Fue l Ta n k a nd t he Ne w Tr e nd o f I t ’ S De v e l o pme nt Q I G u a n f a n g ，Z H A N G J i a o j i a o ， S U N J i a g e n E n g i n e e n n g I n s t i t u t e o f E n g i n e e r C o r p s ，P L A U n i v e r s i t y o f S c i e n c eT e c h n o l o g y ， N a - j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 7 ，C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p me n t o f me c h a n i c a l＆ e l e c t ric a l h y d r a u l i c i n t e g r a t i o n a n d mi n i a t u r i z a t i o n t r e n d o f ma c h i n e．h i g h r e q u e s t s a b o u t a me wo r k，f u n c t i o n a n d c u b a g e o f f u e l t a n k we r e p u t f o r wa r d w h e n a h y d r a u l i c s y s t e m wa s o p t i mi z e d ．T h e s h o r t c o mi n g s o f t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c f u e l t an k w e r e a n aly z e d ．T h e p r a c t i c a l s e n s e o f n e w mi n i a t u r e f u e l t an k t o t h e mi n i a t u ri z a t i o n t r e n d o f h y d r a u l i c s y s t e m Was i nt r o d uc e d a n d me a s ur es a b o ut mi ni a t u riz a t i o n o f f u e l t an k we r e p r e s e n t e d．The de v e l o p me n t t f le n d o f e x t e nd i n g f u n c t i o n o f f u e l t a n k w a s a l s o d i s c u s s e d ． 。 Ke y wo r d s F u e l t a n k；Mi n i a t u ri z a t i o n ； De v e l o p me n t t r e n d 液压油箱在液压传动系统中虽属辅助装置，但在 系统中起到了至关重要的作用 ，其功能的优劣直接关 系到整个系统工作性能的好坏。目前，随着机、电、 液一体化以及机械设备小型化的发展，液压传动技术 的 日趋完善，传统结构型式的油箱已不能适应现代优 化设计要求。一些发达 国家把新型油箱的研究提高 到了节能减排 、环境保护等高度。作者对传统油箱 的功能进行了简要评估 ，介绍了油箱小型化研究的 新动 向 。 1 传统油箱的弊端 液压系统可分为开式系统与闭式系统，就目前而 言，闭式系统相当少见 ，文中所讨论的油箱仅指开式 液压系统用油箱 如图 1 所示 ，它是 目前应用最为 广泛的传统式油箱。 不同系统的油箱结构都大同小异，但是其基本功 能大体是一致的 1 能储油 ； 2 能给油液散热； 3 能消除油中空气。实践证 明在功能方面，传 统油箱存在以下的弊端。 图 1 开式油箱结构简图 1 ． 1 油箱 的体积 偏 大 单从油箱储油功能来说 ，由于油 箱的有 效容积不 小于单位时间内进出油箱的最大流量之差，最保守的 容积也不会超过系统额定流量。那么油箱的容积为什 收稿 日期 2 0 1 01 1 2 5 作者简介 祁冠芳 1 9 5 2 一 ，男 ，高级工程师 ，长期从事液压传动专业的教学与研究工作。Em a i l j ane 2 0 0 2 1 9 8 4 y a 。 ho o ． c o m．c no 第 2 4期 祁冠芳 等 液压油箱小型化及研发新动向 6 7 么要偏大呢因为系统还要求油箱应具有冷却功能。 增大容积 ，就是增大油箱的散热面积，提高液压油的 冷却效率。关于油箱的容积，从理论上讲是可以计算 的，但是就散热而言 ，涉及的因素很多，如元件精 度 、系统所 用元 件 数量 及 散热 情况 、管 道材 质 与长 度 、液压油质量 、油箱 的材 质及 系统工作 的环境 温度 等，因而油箱容积的理论计算与实际差距较大；加之 液压系统的最高工作温度很难有一个科学的确定值。 因此，通常根据经验加试验来确定油箱容积。对于固 定液压系统 ，如是低压系统 ，容积一般为系统额定流 量的2 4 倍 ；如是中、高系统，容积一般为系统额 定流量 的 5～ 7倍 。所 以在 固定 液压 系统 中 ，一般是 不用油液冷却器的。而对于移动式液压系统，为了减 少整机质量与体积 再加之系统发热量较大，系统中 要采用冷却器，因此，油箱的容积为系统额定流量的 0 ． 5～1 ． 5 倍。事实上 ，较大容积 的油箱对于整个系 统布局、体积和质量均有较大影响，同时还制约了液 压系统小型化进程 。 1 ． 2 空气 消除功 能极 低 液压油在生产、储运及使用过程中，不可避免地 混入空气。极其微小的气体分子与油混合在一起 ，对 系统造成的危害是不可低估的 1 减低了液压油 的体积弹性系数，增大了其压缩量，使系统工作可靠 性下降； 2 气泡被压缩后产生的局部高温使油发 生不完全燃烧，液压油的高温会促使油液过早氧化变 质而失去功能。可见油中空气的消除，对于系统保护 有着 十分重要 的意义 。 混 在油 中的空气从油 中析 出之后 ，以气泡 的形式 出现在油中，气泡体积是相当小的，再加之油的黏性 作用 ，所以它自行上浮的速度很慢，而且系统工作时 油在油箱 内停 留的时 间又相 当短暂 ，油箱消除空气 的 能力是极低的。有人做过试验，直径为 1 0 m的气 泡上浮 1 e m需要 1 m i n ，这就证明了系统工作时，油 箱几乎没有空气去除功能，只有当系统不工作时，油 在箱内停留的时间较长，直径较大的气泡才有望 自行 消除。’ ， 1 ． 3 致命的缺陷 开式油箱盖板上必须设置一个带滤网的通气口， 这就是该种油箱的致命缺陷所在。液压系统在工作 时，油箱的油面高度是变化的，留有通气 口就是保证 系统工作 时油箱 内的压力 为一定值 即为大气压 力 ，有利于系统正常工作。但是，随着油箱油面高 度 的不断变化 ，油箱就成 了一个 “ 呼吸器 ” 。 当油面 降低时，外界空气夹带着颗粒状尘埃和有害气体经通 气 口进入到箱体内，随着油面的波动及移动式机械油 箱油面搅动，空气等污染物质很容易掺和在油中。要 想把它们从油中排出是相当困难的。粒径很小的微尘 根本无法消除 ，它们和残 留在 系统 内的污染物质一起 成为液压油氧化变质的催化剂 ，不但使系统的可靠性 受到严重影响，还将缩短液压油的使用寿命，从而增 大设备的运行成本。尤其是在作业环境比较恶劣的矿 山、冶金、筑路等机械液压系统，特别容易受到这种 途径 的污染 。如果不对油箱 的结构型式进行根本性 的 改进 ，这种污染是不可避免 的。 2 液压油箱趋向小型化 随着液压技术 的 日趋完善，以及新材料、新工 艺、新方法的不断推广应用，液压系统开始向着小型 化方向发展，其 目的是为了提高设备的重量功率 比、 固定设备的紧凑性及移动设备的机动性 ；另一方面， 随着全球节能减排措施 的落实 ，有些发达 国家为柴油 发动机的排气增加 了过滤装置 ，这给系统小型化带来 了很大的挑战 ，相应装置的增加 ，必然对整机结构布 局产生影响。液压系统小型化是液压技术领域，尤其 是设备生产厂家近年来追寻的 目标，也标志着液压传 动技术在不断地走向进步。液压系统小型化离不开液 压油箱的小型化。可以说，没有油箱的小型化，也就 没有液压系统的小型化。油箱虽属液压系统中的辅助 装置，但起到的作用及其在系统小型化中的地位却是 不能低估的。因而，油箱小型化研究已成为本世纪液 压技术领域一个十分重要的课题。目前有的国家在一 般液压系统的油箱研究中，甚至借鉴了飞机液压油箱 的结构型式，可见油箱对于液压系统小型化有着多么 重要的意义 。 3如何使油箱小型化 3 ． 1 采 用 高压 小流 量 采用高压小流量，是推进液压系统小型化根本措 施之一。在提高系统工作压力的同时，减小流量 ，可 以保证系统功率不变，工作装置受油压作用面积也相 对减小了，工作装置的运动速度不会因系统流量减小 而变慢。所 以这样 的系统 ，实际参 与工作周转 的油量 减少了，再加上在系统设计、制造、使用、维护、管 理等环节中，切实强化系统防温升措施 ，油箱容积无 疑是可以变小的。在这方面 ，技术发达国家做出了不 懈努力，并取得了很好的成效。表 1 即为日本 日立建 机 2 0 t 级液压挖掘机油箱油量变化情况 从 1 9 7 0年 的 U M 0 6型到 2 0 0 0年 的 Z X 2 0 0型 。 6 8 机床与液压 第 3 9卷 表 1 日立挖掘机压力与油量变化表 从表 1 中可以看出，液压油性能的优劣对于油箱 容积影 响很大。如果液压 油具有好 的抗摩、消泡 在基油中添加一种化学消泡剂，使油中所含空气难 以形成气泡，可降低 系统温升 、振动和噪声等性 能 ，它就能较长时 间经得起油 压 、油温 以及流量较大 幅度的变化。即使在比较高的油温下，仍长时间保持 油的化学稳定性。如表 1 所示 ，3 0年间 日立 2 0 t 级 液压挖掘机的单位油量平均功率增加了2 ． 5倍 ；如果 用单位液压油平均功率和油的更换时间的乘积来衡量 液压油寿命的话，3 O年间液压油的使用寿命增加了6 倍 之多 。 3 ． 2努力控制温升 如果能从设计制造、使用管理等方面有效地控制 系统温升，减小油箱的散热面积 ，油箱的容积当然也 是可以变小的。如何控制系统温升，关键是从产生热 量的源头上采取措施 1 要努力降低系统 的能量 损失 。采用新材料、新工艺 ，力争降低系统 内泄漏 量 ，提高系统的容积效率 ；通过优化设计 ，使液流通 过各元件所造成的压力损失降至最低；注意工作装置 运动时的极限位置，尽量不使系统中的安全阀、过载 阀等压力控制元件在过负荷状态下开启；注意检查并 及时更换过滤装置的滤芯 ，以免增大过油阻力 ； 2 要加强液油的使用与管理。要做到正确选用液压油、 按规范更换液压油、严防污染物进入液压油； 3 要防止空气进入系统。要注意油箱油面的检查 ；防止 空气从泵的进油路进入系统 ；停用时间较长的系统开 始工作时要进行 管路排气 即适 当进 行无负荷 运 转 ； 4 要确保系统的冷却效果。固定设备，尤其 是油箱部位要注意通风、提高并注意检查系统冷却装 置的效果，保持系统所有元件 含油箱，油箱 的材 质对于散热并不那么重要 ，关键在于油箱表面与空气 之间的热传导率表面的清洁度。 4 液压油箱研发新动向 近些年来 ，一些技术发达国家对于新型油箱研发 的重点，已不是仅停留在油箱的小容量上，而是把 目 光转向了油箱的结构与功能的突破，将重点围绕空气 与油的隔离以及油中空气的去除，力争把空气对液压 系统造成的危害降低到最低程度 ，并取得了相当好的 成果 ，现简述如下 。 4 ． 1 新型闭式油箱 所谓闭式油箱，简单地讲，就是在给油箱添加完 油液之后，盖上油箱盖，使外界空气不能与箱内油面 接触，这就大大降低了空气对系统造成的危害。传统 闭式油箱一般分为隔离式和充气式两种，由于结构和 功能上的种种原因，它们一直没有被广泛使用 只有 充气式油箱一般用在水下作业的液压设备上。日本近 年来研发成功的所谓新型闭式油箱，油箱油位变化引 起箱内压力的波动是通过与油箱上端相接的高柔性皮 囊的收缩或撑开来调节的，也就是说油箱油面压力和 皮囊内压力是相等的，这就实现了外界空气与液压油 相隔绝。这种皮囊是橡胶做成的，为了把油箱内压力 控制在一定范围之内，在皮囊的下端装有压力调节装 置。图 2所示 的就是 这种新 型闭式油箱的应用情况 。 图2 新型闭式油箱的应用原理 4 ． 2 带气泡强制去除功能的油箱 实践证 明 ，液压系统 中混入空气确实是难 以避免 的，而传统油箱基本上又没有空气去除功能。因此 ， 日本学者在前几年研制成功了空气去除装置 ，将其装 在液压系统油箱内，结构原理如图 3 所示 。 图3 油箱及气泡去除装置结构示意图 系统回油从工作腔大径以切线方向进入该装置， 下转第 1 0 4页 1 0 4 ． 机床与液压 第 3 9卷 1 9 92， 3 5 1 04 5 1 05 4． 【 5 】H A R D I S T Y H ， M I L E H A M A P ， S H I R V A M I t t ． A F i n i t e S i m u l a t i o n o f t h e E l e c t r o c h e m i c a l Ma c h i n i n g P r o c e s s 『 J ] ． A n n a l s o f t h e C I R P ， 1 9 9 3 ， 4 2 1 2 0 1 2 04 ． 【 6 】D e S i l v a A ， M e G o u g h J A ． H y b ri d E l e c t r o - d i s c h a r g e E l e c t r o c h e mi c al P r o c e s s f o r Ro u g h n e s s a n d F i n i s h i n i n g Di e s a n d Mo u l d s [ J ] ． P r o c e s s d i n g s o f t h e I S E M一 1 2， 1 9 9 8 3 9 7 406． 【 7 】 周锦进 ， 庞桂兵 ， 徐文骥， 等． 脉冲电化学齿轮齿面光整加 工实验研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 4， 1 5 2 4 2 1 8 7 21 8 9． 【 8 】阿达依 谢尔亚孜旦， 周锦进 ， 庞桂兵， 等． 螺旋锥齿轮 脉冲电化学光整加工工艺实验研究 [ J ] ． 机械科学与技 术 ， 2 0 0 9 ， 2 8 4 4 7 6 4 8 2 ． 【 9 】阿达依 谢尔亚孜旦， 周锦进 ， 庞桂兵， 等． 螺旋锥齿轮 脉冲电化学光整加工流场设计 [ J ] ． 中国机械工 ， 2 0 0 9 ， 2 0 1 2 1 4 2 61 4 3 0 ． 【 1 0 】 M A S U Z A WA T ， K O U C L M， F U J I N O ． A C o m b i n e d E l e c ． t r i c al Ma c h i n i n g P r o c e s s for Mi c r o N o z z l e F a b r i c a t i o n 『 J ] ． A n n al s o f t h e C I R P ， 1 9 9 4 ， 4 3 1 1 8 91 9 2 ． 【 1 1 】阿达依 谢尔亚孜旦． 螺旋锥齿轮电化学光整加工技 术基础研究[ D] ． 大连 大连理工大学， 2 0 0 7 ． 【 1 2 】 P S P a ． D e s i g n o f F i n i s h ． T o o l i n U l t r a s o n i c E l e c t r o c h e m i ． c a l F i n i s h i n g P r o c e s s [ J ] ． Ma t e ri a l s a n d Ma n u f a c t u ri n g P r o c e s s e s ， 2 0 0 8， 2 3 4 5 74 6 2 ． 【 l 3 】 P S P a ． D e s i gn O ff r e e f o n n S u r f a c e F i n i s h U s i n g B u r n i s h i n g A s s i s t a n c e F o l l o w i n g E l e c t r o c h e m i c al fi n i s h i n g [ J ] ． J o u r n al o f Me c h an i c al S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 7， 2 1 1 6 3 0 1 63 6． 【 1 4 】P i o t r D o m a n o w s k i ， J e r z y K o z a k ． I n v e r s e P r o b l e m s o f S h a - p i n g b y E l e c t r o c h e mic al G e n e r a t i n g M a c h i n i n g [ J ] ． J o u r n al o f Ma t e ri als P r o c e s s i n g T e c h n o l o gy ， 2 0 0 1， 1 0 9 3 4 73 5 3 ． 【 1 5 】 庞桂兵． 脉冲电化学及电化学机械齿轮光整与修形加 工技术研究[ D] ． 大连 大连理工大学， 2 0 0 5 ． 【 l 6 】王建业 ， 徐家文． 电解加工原理及应用[ M] ． 北京 国防 工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 1 7 】 李邦忠． 基于电化学机械复合机理的大面积薄板和粗 糙表面镜面光整加工技术研究[ D] ． 大连 大连理工大 学 ， 2 0 0 4 ． 【 1 8 】H i d e h i k o ， H i r o s h i K A M A D A ． S t u d i e s o n t h e E l e c t r o l y t i c A b r a s i v e Mi r r o r F i n i s h i n g I I [ J ] ． B u l l J a p a n S o c o f P r e c E n g g ， 1 9 8 5 ， 1 9 2 1 3 1 1 3 2 ． 【 1 9 】 M a s u z a w a T ， K i m u r a M ． E l e c t r o c h e m i c al S u r f a c e F i n i s h i n g o f T u n g s t e n C a r b i d e A l l o y [ J ] ． A n n als o f t h e C I R P， 1 9 9 1 ， 4 0 1 1 9 9 2 0 2 ． 【 2 0 】R a j u r k ar K P ， J K o z a k ， B We i ． S t u d y o f P u l s e E l e c t r o c h e mi c a l Ma c h i n i n g C h a r a c t e r i s t i c s 『 J ] ． A n n a l s o f t h e C I R P， 1 9 9 3 ， 4 2 1 2 3 1 2 3 4 ． 【 2 l 】 李洪友， 王辉 ， 张芝涛 ， 等． 脉冲电化学齿轮光整加工电 源设计与研究[ J ] ． 大连理工大学学报 ， 2 0 0 3 ， 4 3 4 45 245 6． 【 2 2 】R a j u r k a r K P ， Z h u D ， J A M c 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a c h o n Me c h ani s m o f E l e c t r o c h e m i c al F i n i s h i n g 『 J ] ． Ma t e r i al S c i e n c e F o r u m 。 2 0 0 6， 5 3 2 ／ 5 3 3 1 8 51 8 8 ． 上接 第 6 8页 液流沿着轴线方向以螺旋加速的方式向工作腔小径运 动。在此过程中，由于油液比重大于空气 比重 ，油 液在离心力作用下紧贴工作腔内壁并 向小径方 向移 动而排到油箱里 ，气泡则往轴线方 向移动并向小径 方向聚积后从导管排出，这种油箱就有 了空气去除 功能。有报道称 ，这种带气泡强制去除功能的油箱 具有非常好的空气去除效果 ，其空气去除率可高达 9 9 ％以上。因此，它在有些 国家 的应 用 已相 当广 泛。在 E t 本，自卸汽车的翻斗液压系统采用 了这种 油箱；有的国家甚至把这种油箱的应用看作是液压 传动技术领域为防止全球气候变暖、节能减排和环 境保护做出的贡献。 参考文献 【 1 】雷天觉． 液压工程手册 [ M] ． 北京 机械工业 出版社， 1 99 0． 4 1 41 9． 【 2 】伊沃一康． 油 中 氖泡 油压楼器 c 二 之否影警 [ J ] ． 油空压技术 ， 1 9 8 6 9 6 4 ． 【 3 】 铃木隆司， 等． 温暖化 防止晴代 油压 [ J ] ． 油空压技 术 ， 2 0 0 8 5 2 7 ．