行走机械液压系统开式油箱的设计

李文龙，王圣磊

（安徽柳工起重机有限公司，安徽 蚌埠 233000）

行走机械作为机械家族的一员，其液压油箱同样脱离不了广义液压油箱的定义，其主要功能同样有储存工作介质、散热、分离空气以及杂质沉淀等作用。特殊场合可集成加热、冷却、过滤等元件以达到液压系统特殊性能要求。

在行走机械领域，液压油箱同样可分为两大类：开式油箱和闭式油箱。开式油箱即油箱内液面与大气接触的油箱，在行走机械领域，开式油箱应用最为广泛。为防止空气中尘埃、杂质进入油箱，一般在油箱顶部设置空滤，同时空滤口作为液压油加注口。闭式油箱即压力油箱，液面与空气不直接连通，而是与具有一定压力的惰性气体相连，油箱中压力可达0.5bar，从而保证液压泵吸油压力，在特殊场合作为个例单独设计。

1 行走机械开式液压油箱容积计算

行走机械开式液压油箱由于整机空间有严格限制，故参照机械设计手册及各种教材中的计算方法显得不合适。本文参照各种资料，辅以实际设计经验，总结行走机械开式液压油箱设计方法，可分为以下几个步骤进行较为精确的开式油箱容积计算。

（1）开式油箱容积区划分。如图1所示，将开式油箱容积划分为吸油死区、最小吸油容积、系统液压油缸容积差、预留管路液压油容积以及上部空容积。

（2）计算整机预留液压开式油箱最大容积。行走机械中对整机空间有严格限制，在开式油箱设计之初需要同整机设计人员沟通预留最大油箱尺寸，则油箱最大可能容积

图1 油箱计算示意图

（3）确定吸油死区容积V1。吸油死区容积可根据吸油法兰尺寸初步确定，吸油死区容积往大设计。设吸油法兰直径为d，则吸油法兰安装高度可取h=1～2d，则吸油死区容积

（4）确定最小吸油容积V2。根据实际设计经验，最小吸油容积可根据系统最大吸油流量确定，一般可取最小吸油容积为系统最大吸油流量Q的0.5～1倍。则最小吸油容积

（5）确定液压系统总油缸容积差V3。液压系统中，当液压油缸处于全伸状态，油缸大腔充满液压油，此时油箱中液面处于最低液位；当油缸全缩时，油缸小腔充满液压油，此时油箱中液面处于最高液位。油箱中主要容积也是靠液压系统中油缸的总容积差来决定。

（6）预留管路中液压油容积V4。液压系统运行时，液压管路、液压元件中充满液压油。当液压系统停机时，液压管路、液压元件中的液压油不一定全部回到液压油箱，故需要预留一部分容积。根据实际设计经验，管路预留容积可取总管路容积的0.5～1倍。

（7）开式油箱上部空容积V5。开式油箱上部需要预留一部分空容积，以供开式油箱充满空气，同时行走机械在上下坡时，开式油箱内液面会发生倾斜。为防止液压油从空滤口溢出，开式油箱上部预留空容积高度可先估算，油箱验算时再校核油箱上部预留空容积高度是否满足整机要求。

（8）确定开式油箱容积V总及油箱轮廓尺寸、最高液面h2、最低液面h1。根据上述步骤，则开式油箱总容积

根据式（4）以及整机对于开式油箱外廓尺寸限制，可确定开式油箱具体外廓尺寸a、b、c。根据确定的a、b，可计算得出开式油箱最低液面

根据确定的a、b以及系统油缸总容积差、预留管路液压油容积，可计算得出开式油箱最高液面

（9）验算开式油箱上部空容积。行走机械在上下坡时，开式液压油箱内液面会发生倾斜。为防止液压油在整机上下坡时从空滤口溢出，需要验算预留空容积是否满足要求。如图2所示，分别验算当行走机械处于上、下坡最大角度Φ时开式油箱内最高液面是否高于空滤口位置，且需要一定的设计余量，以防止整机在上、下最大坡度且整机颠簸时液压油从空滤口溢出。同理，空滤口布置在油箱顶部正中，是较为常用的油箱空滤布置位置。

图2 开式油箱上部空容积验算示意图

（10）验算最低液面与最高吸油面高度差。开式油箱安装位置、具体尺寸经过上述步骤得出确定值后，需要验算油箱最低液面与液压泵最高吸油口位置高度差。如图3所示，验算时应当H≤0，否则当系统油缸全伸时会导致停机，二次开机时泵吸空的风险。

图3 泵最高吸油面校核计算示意图

（11）计算开式油箱当量散热面积。经过上述计算，综合考虑开式油箱容积、安装位置、关于油箱空间限制、液压管路布局等因素，确定油箱具体尺寸后，需要相关资料验算油箱当量散热面积，为整机液压系统散热计算提供数据支持。具体计算方法参考设计手册等资料，本文不赘述。

2 布置液压油箱附件

行走机械液压开式油箱外形尺寸确定后，为简化液压管线布置，可以将一些液压附件布置在油箱上，分述如下：

（1）吸油滤油器。随着液压元件精密程度、液压系统精确控制、速度控制等性能要求越来越高，液压系统清洁度的要求也随之更加严格。在吸油口布置吸油滤清器是液压系统清洁度的重要保障手段，同时为保证液压系统吸油充分，吸油滤清器精度要求不宜过高，且宜附带堵塞报警，以方便后续整机的服务维修。

（2）回油过滤器。在系统回油口设置回油滤清器是大部分液压系统保证其清洁度最常用的手段，其过滤精度可以选择比较高，但滤芯额定流量需保证在系统流量2倍以上，且宜自带滤芯堵塞报警。

（3）空气滤清器。由于液压空气滤清器工作时空气流速越低，抗污过滤能力越好，故在选用液压空滤时应有一定的富裕量。

（4）液位计/液温计。液位计功能是监测油箱中的液面位置，当仅需在整机外部目测液位时，在油箱上安装普通液位计即可；而当整机控制系统需要监测实时液面信号时，则需要安装价格较为昂贵的电气反馈液位计。液温计的功能是监测液压系统油温，同样，当仅需在整机外部目测油温时，目前市场上有集成的目测液位/液温计可供选用；当需要监测实时油温信号时，需要选用电子反馈液温计。

3 设计重点

液压系统设计人员往往更多关注与更高级的技术、更高精的控制等方面，相对更容易忽视液压油箱的设计。须知液压系统整体性能决定于所有与液压系统相关因素的总和，作为液压系统设计人员，不能更不该去忽视油箱的设计工作。故本文归纳油箱设计时需关注的几个重点，为广大液压系统设计人员提供参考及备忘。

（1）吸回油口、泄油口布置。

行走机械开式液压油箱吸、回油口之间距离应尽可能大，加大液压油在油箱中的冷却以及杂质沉淀等。吸油管与回油管口应插入最低液面以下，防止吸空与回油产生气泡。吸、回油管口做成45°切面以增大吸、回油截面，避免产生紊流。同时，吸油管口斜面避免朝油箱底部，防止将已沉淀的杂质吸入液压泵；回油管口斜面应面朝箱壁，避免回油冲击在油箱中形成紊流。行走机械泄油一般要求背压尽可能低，故在泄油口一般不加过滤装置。同时系统泄油温度较高，应避免将直接泄油至油箱吸油区。泄油管同样需要插入最低液面以下且管口斜面面向箱壁。

（2）清洗口。

行走机械开式油箱由于体积、空间限制，一般在油箱顶部开设清洗孔。清洗孔应足够大以及考虑清洗工艺，使得油箱内部能得到完善的清洗。

（3）油箱隔板。

行走机械开式油箱内部设置隔板，其目的主要有两点：

①作为油箱强度的加强筋。当油箱体积较大时，油箱在自重、液压油重力以及整机受力等情况下容易发生变形，故需要在油箱合适位置设置隔板作为加强筋。有条件的情况下可对液压油箱进行相关受力分析，得出最优化的油箱方案。

②具有将液压油降速、降温、加速杂质沉淀等作用，防止液压回油直接进入吸油区。

4 结束语

液压系统整体性能是与液压系统相关所有可能影响因素的总和，而作为液压附件核心之一的液压油箱应该得到广大液压系统设计人员的足够重视。本文基于理论，辅以多年行走机械液压系统的设计经验，总结归纳行走机械开式液压油箱的设计方法以及容易忽视的细节点，为广大液压系统从业人员提供参考。