CN111043110B - 一种液压系统油液气泡分离器 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压设备技术领域。为了解决液压油中混入空气而对液压系统造成的问题，本发明公开了一种液压系统油液气泡分离器，包括壳体、油液扰流器和扰流腔；油液扰流器为无底中空结构，由环形板和顶板组成，其中环形板沿圆周方向缠绕形成非封闭结构，并在环形板的一端形成一个挡板和缺口，顶板固定在环形板的上端且设有一个排气口，环形板上设有多个扰流孔并且分布在靠近缺口的位置，排气口与排气管连通；油液扰流器位于壳体内部，并且在两者之间形成环形通道，环形通道与扰流腔连通，油液扰流器的内部与扰流腔连通。本发明的液压系统油液气泡分离器可以将油液中的气体快速分离出来，达到对油液中气体的有效分离效果。

Description

一种液压系统油液气泡分离器

技术领域

本发明属于液压设备技术领域，具体涉及一种液压系统油液气泡分离器。

背景技术

在液压系统的运行过程中，通常会不可避免的造成气体进入液压系统。例如，在液压油的生产、储运过程中，液压油与大气的直接接触；对开式油箱来说，当回油管位于液面以上时，在油液回到油箱的过程中，液面上方的空气被油液卷吸，被卷吸的空气以直径不等的气泡悬浮于油液中，通过和泵的吸油进入液压系统；液压油在工作过程中由于液压元件自身的特性引起油液中气泡的分离，即发生“气穴”现象；当油箱内油量不足时，液压泵发生“吸空”，外界的空气被吸入液压系统中；在拆装液压管路和元件的过程中和元件长时间放置不用时，空气由各管接头或油泵、油缸的密封件处等进入液压系统；液压控制元件及液压辅件在使用之前没有清除里面存在的气体。

当液压油中混入空气之后,液压油的压缩率便会大幅度增加,液压油体积弹性系数则大大减小。这样，不仅会严重危害系统工作的可靠性，例如控制失灵、工作机构产生间歇运动等,甚至引起装置的误动作而发生机械或人身事故等危险，而且还会造成液压系统的振动、噪声、气蚀和油温升高使油质劣化，影响液压系统的工作稳定性和使用寿命。

发明内容

为了解决液压油中混入空气而对液压系统造成的上述问题，本发明提出了一种液压系统油液气泡分离器。该液压系统油液气泡分离器，包括壳体、油液扰流器、扰流腔、进油管、出油管和排气管；其中，所述壳体为圆柱形无底中空结构，所述排气管与所述壳体的上端连接，所述进油管与所述壳体的圆周面连接；所述扰流腔为锥形中空结构，并且大口端与所述壳体的下端连接，小端口与所述出油管连通；所述油液扰流器为无底中空结构，由环形板和顶板组成，其中所述环形板沿圆周方向缠绕形成非封闭结构，并在所述环形板的一端形成一个挡板和缺口，所述顶板固定在所述环形板的上端且设有一个排气口，所述环形板上设有多个扰流孔并且分布在靠近所述缺口的位置，所述排气口与所述排气管连通；所述油液扰流器位于所述壳体内部，并且在两者之间形成环形通道，所述环形通道与所述扰流腔连通，所述油液扰流器的内部与所述扰流腔连通。

优选的，所述挡板延伸至与所述壳体的内表面接触。

优选的，所述挡板沿所述环形板所绕成圆的切线方向伸出。

优选的，所述环形板上设有三行四列的12个扰流孔，并且相邻列的扰流孔之间圆心角为20°。

优选的，所述顶板为锥形结构，并且所述排气口位于所述顶板的中心位置。

优选的，所述出油管与所述扰流腔为一体式结构。

进一步优选的，所述壳体和所述出油管为一体式结构。

优选的，所述壳体的底部设有径向支撑杆，用于对所述油液扰流器进行支撑。

在本发明的液压系统油液气泡分离器中，通过在壳体内部设置油液扰流器，利用油液扰流器中设置的扰流孔、挡板和缺口将进入壳体的油液分为三部分，并最终全部通过扰流腔流至出油管中。在油液由进油管流至出油管的过程中，借助油液扰流器和扰流腔分别对油液产生的旋转、扰流，形成对油液的离心作用力，从而可以将油液中的气体快速分离出来，达到对油液中气体的有效分离效果，进而避免了液压系统中油液混有空气而对液压系统造成的影响。

附图说明

图1是根据本发明实施例液压系统油液气泡分离器的结构示意图；

图2是图1中油液扰流器的外形结构示意图；

图3是数值模拟仿真过程获得的实施例1中出油管处气泡体积分数云图；

图4是数值模拟仿真过程获得的实施例1中出油管处气泡体积分数变化曲线图；

图5是数值模拟仿真过程获得的实施例1中排气管处气泡体积分数云图；

图6是数值模拟仿真过程获得的实施例1中排气管处气泡体积分数变化曲线图；

图7是数值模拟仿真过程获得的对比例1中出油管处气泡体积分数云图；

图8是数值模拟仿真过程获得的对比例1中出油管处气泡体积分数变化曲线图；

图9是数值模拟仿真过程获得的对比例1中排气管处气泡体积分数云图；

图10是数值模拟仿真过程获得的对比例1中排气管处气泡体积分数变化曲线图；

图11是数值模拟仿真过程获得的对比例2中出油管处气泡体积分数云图；

图12是数值模拟仿真过程获得的对比例2中出油管处气泡体积分数变化曲线图；

图13是数值模拟仿真过程获得的对比例2中排气管处气泡体积分数云图；

图14是数值模拟仿真过程获得的对比例2中排气管处气泡体积分数变化曲线图；

图15是数值模拟仿真过程获得的对比例3中出油管处气泡体积分数云图；

图16是数值模拟仿真过程获得的对比例3中出油管处气泡体积分数变化曲线图；

图17是数值模拟仿真过程获得的对比例3中排气管处气泡体积分数云图；

图18是数值模拟仿真过程获得的对比例3中排气管处气泡体积分数变化曲线图；

图19是数值模拟仿真过程获得的对比例4中出油管处气泡体积分数云图；

图20是数值模拟仿真过程获得的对比例4中出油管处气泡体积分数变化曲线图；

图21是数值模拟仿真过程获得的对比例4中排气管处气泡体积分数云图；

图22是数值模拟仿真过程获得的对比例4中排气管处气泡体积分数变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细介绍。

结合图1和图2所示，本实施例液压系统油液气泡分离器，包括壳体1、油液扰流器2、扰流腔3、进油管4、出油管5和排气管6。

壳体1为不锈钢材质的圆柱形无底中空结构。排气管6与壳体1的上端连接，用于将壳体1内部的空气引出。进油管4与壳体1的圆周面连接，用于将油液引流至壳体1中。扰流腔3为锥形中空无底结构，并且大口端朝上设置与壳体1的下端连接，小端口朝下设置与出油管5连接。

油液扰流器2为无底中空结构，由环形板21、顶板22和扰流孔23组成。环形板21沿圆周方向绕制形成非封闭的环形结构，并在环形板21的末端形成一个挡板211和一个缺口212。顶板22固定在环形板21的上端，并且设有一个排气口24。多个扰流孔23位于环形板21上，并且分布在靠近缺口212的位置处。排气口24与排气管6直接连通。油液扰流器2位于壳体1的内部，并且在两者之间形成沿圆周方向的环形通道7，环形通道7与扰流腔3直接连通，同时油液扰流器2的内部也与扰流腔3直接连通。

在本实施例的环形板上设有成三行四列布设的12个扰流孔，并且相邻列的扰流孔之间圆角为20°，通过分散布设的扰流孔可以保证液压油穿过扰流孔进入油液扰流器内部的效率。同样，在其他实施例中，根据设计要求，也可以调整扰流孔的数量和分布位置关系。

此时，通过进油管流入壳体的液压油分为三部分：一部分液压油与油液扰流器的外表面发生撞击后，直接通过环形通道流入扰流腔中；一部分液压油通过扰流孔进入油液扰流器的内部，并且在油液扰流器内表面发生旋转、扰流，使该部分液压油在离心力作用下，将液压油中的气体分离出来，之后该部分的液压油在自重作用下流入扰流腔中；一部分液压油通过缺口进入油液扰流器的内部，并且在油液扰流器内表面发生旋转、扰流，使该部分液压油在离心力作用下，将液压油中的气体分离出来，之后该部分的液压油在自重作用下流入扰流腔中。流入扰流腔的液压油，在自重和锥形扰流腔内表面的引导下，再次发生旋转、扰流，在更大的离心力下对液压油中的气体进行二次分离。

在上述过程中，利用液压油和气体的密度差，密度大的液压油在旋转和离心作用下向下流动，并最终通过出油管流出，而密度小的气体在离心力的作用下，以圆柱体形式聚集在该分离器的中心轴线区域，从而将液压油中的气体分离出来，并最终通过排气口和排气管将排出，完成对液压油中气体的分离。

优选的，结合图1所示，在本实施例中，挡板211向外延伸至与壳体1的内表面接触。这样，就可以对流至油液扰流器和壳体之间的液压油进行阻断引流，使其快速进入油液扰流器的内部，提高对液压油的引流效果。

同时，结合图2所示，在本实施例中，挡板211是沿环形板21所绕成圆的切线方向伸出。这样，在通过缺口将沿油液扰流器和壳体之间间隙流动的液压油引流至油液扰流器的内部时，就可以直接利用挡板将绕圆周方向流动的液压油进行快速引入，降低挡板对液压油流速的影响，保证液压油可以在油液扰流器的内部形成更高的旋转速度，产生更大的离心力，进而提高气体分离效果。

结合图1和图2所示，在本实施例中，顶板22采用锥形结构形式，并且排气口24位于顶板22的中心位置。这样，利用锥形结构的顶板就可以对分离出来的气体进行汇拢收集从而快速通过排气口和排气管进行外排释放，提高对气体的分离排放效果。

此外，在本实施例中，通过在壳体的底部设置多个沿圆周方向分布的径向支撑杆，从而形成对油液扰流器的支撑，并且保持油液扰流器与壳体之间的环形通道与扰流腔的连通。同样，在其他实施例中，也可以采用其他方式将油液扰流器固定在壳体内部，例如通过排气口与排气管的固定连接，从而保持油液扰流器与壳体之间的同轴设置。

另外，壳体与进油管可以采用一体式结构，扰流腔和出油管也可以采用一体式结构，而壳体与扰流腔则采用分体式结构。这样，既可以便于对油液扰流器进行安装固定，也可以减少整个分离器的零部件数量，便于现场使用时的快速装配安装。

接下来，借助CFD仿真软件FLUENT，对本实施例中液压系统油液气泡分离器的分离效果进行数值模拟仿真验证。

在仿真验证中，采用对比的方式进行效果验证，以本实施例中的分离器为基础设置了额外的四组对比例进行仿真验证，具体如表1所示。

表1

三维建模，创建流体域。由于本实施例中液压系统油液气泡分离器的内流域不封闭，在ANSYS软件中抽取不了相应的三维流体域，因此，针对本实施例液压系统油液气泡分离器中油液扰流器的结构特点，建立以本实施例液压系统油液气泡分离器的实体模型为基准尺寸所相对应的三维流体域。

流体域网格划分。将建好的流体域导入到ICEMCFD软件里进行网格划分，采用非结构网格，壳网格类型为三角形，体网格类型为四面体，在进油管、出油管、排气管、壁面单元上将网格加密处理，网格层数均为6层，生成网格后将网格平滑处理，最终网格质量在0.5以上，网格包含1421712个网格单元、2866340个网格面、248657个节点。

数值模拟计算。利用CFD数值模拟计算软件FLUENT进行模拟计算，具体模型、材料物性、边界条件的设置如表2所示。

表2

在对实施例1、对比例1、对比例2、对比例3和对比例4中的分离器进行一定时间段的数值模拟仿真处理后，获取图3至图22所示相应分离器中出油管处和排气管处的气泡体积分数云图和气泡体积分数变化曲线图。

在采用分离器对液压油中的气体进行分离操作时，要求出油管的气体体积分数要低，变化要小；排气管的气体体积分数要高，变化要小，且气体体积分数值要呈现上升趋势，这样才更有利于持续稳定的进行气体与液压油的分离。

结合图3至图22所示，对实施例1、对比例1、对比例2、对比例3和对比例4的数值模拟仿真进行效果比对分析。

通过对实施例1、对比例1、对比例2、对比例3和对比例4的数值模拟仿真中分别获取的出油管处和排气管处的气泡体积分数云图和气泡体积分数变化曲线图进行比对分析可知：相较于对比例1和对比例3，实施例1、对比例2和对比例4中获得出油管处的气泡体积分数相对更低，同时排气管处的气体体积分数相对更高。

进一步，相较于对比例2，实施例1中获取的排气管处的气泡体积分数变化曲线图中波折次数最少，且气体体积分数变化平稳，即实施例1中的分离器可以快速进入排气阶段，并且可以持续稳定的进行连续排气。相较于对比例4，在相同的时间内，实施例1中排油管处的气泡体积分数更低，排气管处的气泡体积分数更高，即实施例1中的分离器可以获得更好的气体分离和排放效果。

通过上述数值模拟仿真可知，采用实施例1中的分离器可以获得综合性能最好的气体分离效果，并且保证该液压系统油液气泡分离器在长时间的工作过程中，可以持续稳定的进行液压油和气体的有效分离。

Claims (6)

1.一种液压系统油液气泡分离器，其特征在于，包括壳体、油液扰流器、扰流腔、进油管、出油管和排气管；其中，所述壳体为圆柱形无底中空结构，所述排气管与所述壳体的上端连接，所述进油管与所述壳体的圆周面连接；所述扰流腔为锥形中空结构，并且大口端与所述壳体的下端连接，小端口与所述出油管连通；所述油液扰流器为无底中空结构，由环形板和顶板组成，其中所述环形板沿圆周方向缠绕形成非封闭结构，并在所述环形板的一端形成一个挡板和缺口，所述顶板固定在所述环形板的上端且设有一个排气口，所述环形板上设有多个扰流孔并且分布在靠近所述缺口的位置，所述排气口与所述排气管连通；所述油液扰流器位于所述壳体内部，并且在两者之间形成环形通道，所述环形通道与所述扰流腔连通，所述油液扰流器的内部与所述扰流腔连通；所述挡板延伸至与所述壳体的内表面接触；所述挡板沿所述环形板所绕成圆的切线方向伸出。

2.根据权利要求1所述的液压系统油液气泡分离器，其特征在于，所述环形板上设有三行四列的12个扰流孔，并且相邻列的扰流孔之间圆心角为20°。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的液压系统油液气泡分离器，其特征在于，所述顶板为锥形结构，并且所述排气口位于所述顶板的中心位置。

4.根据权利要求1-2中任意一项所述的液压系统油液气泡分离器，其特征在于，所述出油管与所述扰流腔为一体式结构。

5.根据权利要求4所述的液压系统油液气泡分离器，其特征在于，所述壳体和所述出油管为一体式结构。

6.根据权利要求1-2中任意一项所述的液压系统油液气泡分离器，其特征在于，所述壳体的底部设有径向支撑杆，用于对所述油液扰流器进行支撑。

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