CN112943713B - 一种迷宫型液压油箱 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种迷宫型液压油箱，属于液压技术领域，其包括非金属外壳、金属上盖、回油管、吸油管、排污磁铁旋盖、空气滤清器、液位液温计和连接螺栓。非金属外壳和金属上盖连接，将油箱内部分隔成颗粒聚集区、除气区、二次除杂区和稳流区。通过类半球结构产生的涡旋促进气泡和固体颗粒的聚集去除，通过U形流道结构延长油液流程，进一步提高油液中的气体和固体颗粒去除效率。颗粒聚集区的类半球结构下安装排污磁铁旋盖，可以实现金属颗粒的高效吸附，便于拆装，实现油箱的高效清洁。本发明在保证系统流量的前提下，有效减小了体积，具有小型化、轻量化、高效除气除杂和便于批量生产等优点。

Description

一种迷宫型液压油箱

技术领域

本发明涉及液压技术领域，具体涉及一种具有除气除杂功能的迷宫型液压油箱及油液过滤的方法。

背景技术

液压系统是由一系列精密系列元件构成的。由于泄漏等原因，液压油中往往会掺杂着气泡和固体颗粒等污染物，它们的存在会影响液压系统运行的稳定性，缩短液压元件和系统的使用寿命。

在液压工程领域，开式液压油箱较为常见。掺混在液压油液中的空气一般是直径为0.25～0.5mm的微小气泡，这些气泡的存在会引起液压油特性的改变，影响系统的动态性能；另外，小气泡的存在还会加剧气穴现象的发生，导致系统产生噪音和振动，并冲蚀金属元件的表面，极大地影响了液压元件的寿命和液压系统的性能。

液压系统应用的场合多样，恶劣的工况下可能会造成各种固体污染物的混入。就目前来看，固体颗粒的有不同的形状和尺寸，悬浮在油液中，其中最常见且危害较大的是直径为15～100μm的不溶性颗粒。固体颗粒会破坏液压元件中运动副之间的表面油膜，导致机械磨损，较大的颗粒进入液压系统还会造成精密元件的卡死现象，严重威胁到系统的运转安全。

根据实践经验和实验研究来看，由于液压油污染引起的液压系统故障占比高达70～80％，应该尽可能地阻止气泡和固体颗粒进入液压系统中。液压油箱是液压系统中气体和固体颗粒污染物去除的主要载体。目前液压油箱设计一般是按照类比设计法，通过较大的油液体积促进污染物去除(一般是系统流量的 2～7倍)，存在体积大、重量大的问题，不利于现代工业中工程机械轻量化小型化的发展。同时，若将液压油箱小型化，则会降低油液在油箱中的停留时间，很大程度地削弱除气除杂功能。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种迷宫型液压油箱及油液过滤的方法，可以在满足液压系统流量的基础上，有效减小油箱体积，并且能够实现气体和固体污染物的高效分离。

具体地，本发明提出了一种迷宫型液压油箱，其包括非金属外壳、金属上盖、金属隔板以及排污磁铁旋盖，

所述非金属外壳上方设置有所述金属上盖，所述金属上盖设置有带通气孔的金属隔板，所述金属上盖上部设置有空气滤清器；

所述非金属外壳的侧面上部设置有回油管，所述非金属外壳的下部设置有吸油管，所述非金属外壳的正面设置有液位液温计；所述非金属外壳侧面上部的回油管处设置有类半球结构，所述类半球结构的形状为上方下圆的结构，所述非金属外壳中上部设置有U型流道结构，所述金属隔板将U型流道结构分隔成蛇形的流道，隔板两侧油液上方的空气域通过通气孔相连通，所述非金属外壳吸油管所在区域设置有15°倾斜流道结构；

所述非金属外壳和金属上盖将油箱内部流道分为四个功能区，四个功能区分别包括类半球结构区域、上方液面部分区域、U型流道结构区域以及15°倾斜流道结构区域，其中，所述类半球结构区域为颗粒聚集区；上方液面部分区域为除气区；所述U型流道结构区域为二次除杂区；所述15°倾斜流道结构区域为稳流区；

所述非金属外壳上设置有加强肋板和一体式肋板结构，所述加强肋板设置于U型流道结构的上部以及15°倾斜流道结构的外表面；所述一体式肋板设置于下部15°倾斜流道结构的中间位置并贯穿非金属外壳，且一体式肋板的中心位置的高度与吸油管高度一致；

所述排污磁铁旋盖设置在所述类半球结构的底部并与所述类半球结构通过螺纹进行密封连接。

优选地，所述非金属外壳采用交联聚乙烯材料滚塑成型。

优选地，所述金属上盖为不锈钢材料，所述金属上盖上表面设置有空气滤清器安装凸台，所述金属上盖下表面设置有金属隔板，所述金属隔板开设有通气孔，所述金属隔板通过焊接的方式与所述金属上盖连接。

优选地，所述金属隔板上开有通气孔，所述通气孔用于将两侧空气域连通。

优选地，所述回油管设置在类半球结构与所述非金属外壳直壁相交的位置，所述回油管方向朝下且末端设置45°斜角，所述回油管的长度为类半球结构长度的一半；

优选地，所述吸油管设置在15°倾斜流道结构的末端，所述吸油管方向朝上且设置有45°斜角，所述吸油管末端距壁面距离为管径的3倍。

优选地，所述排污磁铁旋盖中设置有永久磁铁。

优选地，所述空气滤清器安装在油箱上部远离回油区的位置；所述液位液温计安装在油箱右侧远离回油区的位置。

优选地，所述迷宫型液压油箱的有效容积为液压系统额定流量的0.8倍，占地体积为液压系统额定流量的1.5倍左右。

优选地，本发明还提供一种油液过滤的方法，其包括以下步骤：

S1、油液经回油管流入非金属外壳内，进入颗粒聚集区和除气区，在45°斜角的作用下，油液斜向下冲到类半球结构右侧壁面上，在弧形的壁面的作用下，在类半球结构内部形成若干个涡旋流场，涡旋流场能够延长油液在颗粒聚集区中的驻留时间，促进气泡的上浮与析出，对油液进行气泡初次去除；油液中直径较大的固体颗粒在涡旋中离心力的作用下被甩到壁面上，排污磁铁旋盖使油液中直径较小的金属颗粒在磁力的作用下强制脱离流场，和大颗粒一起吸附聚集在底部永久磁铁上，对颗粒污染物实现初次去除；

S2、油液经过颗粒聚集区之后进入二次除杂区，剩余的气泡和非金属颗粒在蛇形流道中停留时间延长，从而能够有效增加颗粒沉降和气泡析出的时间，对油液进行气泡和颗粒的二次去除；

S3、油液进入稳流区的倾斜流道结构，油液在一个大空间内流速降低，流动平缓，吸油管进行平稳吸油。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明的一种迷宫型液压油箱，相比于传统液压油箱具有体积小、质量轻、除气除杂能力强、便于批量生产等优点。油液从回油管进入液压油箱之后首先在颗粒聚集区形成涡旋，聚集颗粒和气泡，实现颗粒聚集和初次除气，之后的蛇形流道增加了流程，从而增加了油液的停留时间，提高了油液中气体和固体颗粒的去除效率，下方较大的稳流区使油液流动变慢，流场稳定。非金属壳体上设置加强肋板和一体式肋板，增强了整体油箱的刚度，便于安装和使用。

(2)本发明的油液从回油管进入油箱后，在涡旋的作用下滞留在颗粒聚集区A中，在磁力和重力的作用下最终会聚集在排污磁铁旋盖5内。通过结果分析，可知200μm的金属颗粒去除率为62％，对直径为500μm的颗粒去除率为100％。另一方面，本液压油箱不止对颗粒有去除作用，还对油液中含有的气泡有去除作用，还有稳流作用，通过后面的验证，气体去除率能够达到60％以上。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的金属上盖的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例的排污磁铁旋盖的结构示意图；

图4为本发明的一个实施例的结构剖面示意图；

图5为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱的功能区示意图；

图6为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱与体积相近的传统液压油箱参数对比；

图6a为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱不同回油管长度下的流场流线对比图之一；

图6b为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱不同回油管长度下的流场流线对比图之二；

图6c为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱不同回油管长度下的流场流线对比图之三；

图7为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱的油液速度分布云图；

图8为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱的油液流场流线图；

图9a为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱与传统液压油箱的流场湍动能分布云图对比之一；

图9b为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱与传统液压油箱的流场湍动能分布云图对比之二；

图10为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱中直径为100μm的气泡气体体积分数分布云图；

图11为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱中直径为200μm的金属颗粒运动轨迹仿真结果图；

图12为本发明的一个实施例的迷宫型液压油箱中直径为500μm的金属颗粒运动轨迹仿真结果图。

图中部分附图标记如下：

1—非金属外壳；2—金属上盖；21—安装凸台；22—隔板；3—回油管；4 —吸油管；5—排污磁铁旋盖；51—永久磁铁；52—旋盖；6—空气滤清器；7 —液位液温计；8—连接螺栓。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

具体实施例

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种迷宫型液压油箱，其包括非金属外壳1、金属上盖2、回油管3、吸油管4、排污磁铁旋盖5、空气滤清器6、液位液温计7和连接螺栓8。非金属外壳1的侧面上部设置有回油管3，下部设置有吸油管4。非金属外壳1的正面设置有液位液温计7，非金属外壳1的回油管端设置有类半球结构，非金属外壳1内部的中上部设置有U 型流道结构，吸油管区域设置有为15°倾斜流道结构。

其中，非金属外壳1上设置有加强肋板11、加强肋板12、加强肋板13 和一体式肋板14。加强肋板设置于U型流道和下部倾斜流道区域，并且加强肋板未贯穿非金属外壳1。一体式肋板14设置于下部流道中间位置，并且贯穿非金属外壳1，且一体式肋板14的中心位置的高度与吸油管4高度一致。

在非金属外壳1上方设置有金属上盖2，金属上盖2上部设置有空气滤清器6，金属上盖2通过连接螺栓8与非金属外壳1连接。

非金属外壳1类半球结构下设置有排污磁铁旋盖5，且排污磁铁旋盖5通过螺纹与非金属外壳1进行密封连接，并且方便拆卸。

在一个实施例中，如图2和图3所示，金属上盖2的上表面设置有安装凸台21，用来固定空气滤清器6，实现开式液压油箱空气过滤和加油等功能。

金属上盖2的下表面设置有隔板22，金属上盖2通过焊接的方式与金属上盖2连接，且隔板22的中部设置有通气孔，隔板22将U型流道左右两侧液面上的空气域连通，保证两侧液面均可以与大气相通。金属上盖2上设置有隔板21，隔板21放置在U型流道结构中部，将流道分隔成蛇形的流道。

排污磁铁旋盖5包括永久磁铁51和旋盖52。排污磁铁旋盖5设置在类半球结构的底部。永久磁铁51设置在排污磁铁旋盖5内部。

在一个实施例中，如图4所示，回油管3设置在类半球结构和非金属外壳 1直壁的交界处，且回油管3的插入的深度为类半球结构长度的一半，回油管 3的末端设置45°斜角，倾斜方向向下。

吸油管4设置在15°倾斜流道结构左侧，吸油管4的管端设置45°斜角，倾斜方向向上，且吸油管4的管端距离壁面距离为3倍管径。

在使用根据本实施例的液压油箱时，油液从回油管3进入后非金属外壳1 内之后通过类半球结构、U型流道结构和15°倾斜流道结构从吸油管4流出，迷宫型的流道增加了流程，形成了涡旋结构，从而增加了颗粒分离的效率；增加了油液在液压油箱中的停留时间，进而增加了油液中的气泡的析出时间，提高了气泡的分离效率。

在一个优选的实施例中，如图5所示，金属上盖2和非金属外壳1中的类半球结构、U型流道结构和15°倾斜流道结构组合形成了液压油箱内部的迷宫型流道。根据功能可将油箱内部划分成四个功能区，分别是颗粒聚集区A、除气区B、二次除杂区C和稳流区D。

除气区B位于颗粒聚集区A上方，涡旋流场的存在延长了油液在颗粒聚集区中的驻留时间，促进了气泡的上浮与析出，达到初次除气的目的。

二次除杂区C由金属上盖2和U型流道结构配合形成的蛇形流道以及空气滤清器6组成，油液经过颗粒聚集区A之后，剩余的气泡和非金属颗粒在蛇形流道中停留时间会延长，从而可以有效增加颗粒沉降和气泡析出的时间，实现气泡和颗粒的二次去除。

稳流区D由油箱下部的15°倾斜流道结构、一体式肋板14和吸油管4组成，油液在经过ABC三个功能区之后已经基本完成除气和除杂，油液在一个较大的空间内流速降低，流动平缓，更有助于吸油管的平稳吸油，一体式肋板 14设置在正对吸油管3的位置，可防止吸油管3将污染物直接吸入。

其中，颗粒聚集区A由回油管3和类半球结构组成，油液经回油管3流入非金属外壳1内，在45°斜角的作用下，油液斜向下冲到类半球结构右侧壁面上，在近似弧形的壁面的作用下，在类半球结构内部形成若干个涡旋；油液中直径较大的固体颗粒在涡旋中离心力的作用下被甩到壁面上；直径较小的金属颗粒在涡旋作用下分离效果不明显。

排污磁铁旋盖5的优势在于，可使油液中直径较小的金属颗粒在磁力的作用下强制脱离流场，和大颗粒一起吸附聚集在底部永久磁铁51上，进一步提升了颗粒的去除能力。

在按本发明的一个优选实施例中，对其结构设计和性能分析进行了详细的研究，其中为了凸显本发明的迷宫型液压油箱的除气除杂能力，选择体积相近的一个传统单隔板液压油箱进行对比。

在一个优选实施例中，如下表所示，表格所示为传统液压油箱与本发明的迷宫型液压油箱的参数对比，可以看出，在尺寸基本相同的基础上，由于迷宫型的复杂流道结构设计，迷宫型液压油箱的比表面积，即表面积与体积的之比约为传统液压油箱的1.8倍，表明散热面积有很大的提升。迷宫型液压油箱的除气率，即吸油管处气体体积分数和回油管处气体体积分数之比相比于传统液压油箱有很大的提升，约提高了2倍。对于金属颗粒的去除率，即吸油口处的颗粒数与回油口处的颗粒数之比，传统液压油箱为60％，本发明的迷宫型液压油箱高达82％，有显著的提升；对于橡胶颗粒的去除率，即吸油口处的颗粒数与回油口处的颗粒数之比，传统液压油箱为40％，本专利的迷宫型液压油箱为 50％，具有显著的提升。

在一个优选的实施例中，如图6所示，针对迷宫型液压油箱回油管插入深度进行研究，其中(a)结构中插入深度为类半球结构长度的1/3，(b)结构中插入深度为类半球结构长度的1/2，(c)结构中插入深度为类半球结构长度的3/4；分析其流线图可以发现，只有在插入深度为类半球结构长度的1/2时，颗粒聚集区A中的涡旋作用明显，且涡旋存在于整个区域中，可以更好地实现颗粒与气泡从油液中分离，因此插入深度为类半球结构长度的1/2为优选结构。

在一个优选的实施例中，如图7所示，对迷宫型液压油箱中的油液进行仿真，得到油液速度云图，可以看到，整个油箱中的油液流速在回油口处较高，油箱内部区域的流速很平缓，吸油口处的流速约为0.5m/s，符合一般工程机械的液压系统吸油口流速要求。

在一个优选的实施例中，如图8所示，对优选结构中的流场进行仿真，从流线图中可以看出，油液从回油管进入油箱中后，可在颗粒聚集区A中形成对称的若干个涡旋，流场较为紊乱，可以促进气泡和颗粒与油液的分离；经过二次除杂区C之后，流线明显平滑，油液在稳流区D中的流动状态平稳，有利于吸油管4稳定吸油。

在一个优选的实施例中，如图9所示，为了验证本发明的迷宫型液压油箱的稳流能力，分析流场中的湍动能，通过仿真可以得出迷宫型液压油箱的吸油口处最大湍动能为0.31m²/s²，而传统液压油箱吸油口处的最大湍动能为 0.35m²/s²，稳流能力提升了11％。

在一个优选的实施例中，如图10所示，使用Fluent中的欧拉模型分析了液压油中直径为100μm的气泡的分布情况，从气体体积分数云图可以得出，气体在回油箱时占8％，到达吸油口时剩余3.2％，气体去除率为60％；前文提到油液中的气泡主要是直径为0.25～0.5mm的微小气泡，因此通过对100μm气泡的仿真可以得出本发明的迷宫型液压油箱对气泡的去除能力较强。

在一个优选的实施例中，如图11所示，使用Fluent中的DPM模型分析了液压油中直径为200μm的金属颗粒的运动轨迹，颗粒从回油管进入油箱后，在涡旋的作用下滞留在颗粒聚集区A中，在磁力和重力的作用下最终会聚集在排污磁铁旋盖5内。通过结果分析，可知200μm的金属颗粒去除率为62％。

在一个优选的实施例中，如图12所示，使用Fluent中的DPM模型分析了液压油中直径为500μm的金属颗粒的运动轨迹，颗粒聚集区A的作用更加明显，几乎所有的颗粒都会聚集在此处，少数颗粒在流经二次除杂区C处的蛇形流道时，也会被沉降在底部，通过分析结果，可知迷宫型液压油箱对直径为500μm 的颗粒去除率为100％。

在本实施例中，如图11和图12所示，由于磁铁的作用在仿真时并未考虑，因此分析的是直径为200和500μm颗粒的去除能力，直径较小的颗粒由前述分析可知，仅通过涡旋作用无法实现高效去除，但本实施例中排污磁铁旋盖可以通过磁场的作用加强小直径颗粒的去除效率，因此在流场仿真得出的去除率基础上，可以预测迷宫型液压油箱的去除颗粒能力较强。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种迷宫型液压油箱，其特征在于：其包括非金属外壳、金属上盖、金属隔板以及排污磁铁旋盖，

所述非金属外壳上方设置有所述金属上盖，所述金属上盖设置有带通气孔的金属隔板，所述金属上盖上部设置有空气滤清器；

所述非金属外壳的侧面上部设置有回油管，所述非金属外壳的下部设置有吸油管，所述非金属外壳的正面设置有液位液温计；所述非金属外壳侧面上部的回油管处设置有类半球结构，所述类半球结构的形状为上方下圆的结构，所述非金属外壳中上部设置有U型流道结构，所述金属隔板将U型流道结构分隔成蛇形的流道，隔板两侧油液上方的空气域通过通气孔相连通，所述非金属外壳吸油管所在区域设置有15°倾斜流道结构；

所述非金属外壳和金属上盖将油箱内部流道分为四个功能区，四个功能区分别包括类半球结构区域、上方液面部分区域、U型流道结构区域以及15°倾斜流道结构区域，其中，所述类半球结构区域为颗粒聚集区；上方液面部分区域为除气区；所述U型流道结构区域为二次除杂区；所述15°倾斜流道结构区域为稳流区；

所述非金属外壳上设置有加强肋板和一体式肋板结构，所述加强肋板设置于U型流道结构的上部以及15°倾斜流道结构的外表面；所述一体式肋板设置于下部15°倾斜流道结构的中间位置并贯穿非金属外壳，且一体式肋板的中心位置的高度与吸油管高度一致；

所述排污磁铁旋盖设置在所述类半球结构的底部并与所述类半球结构通过螺纹进行密封连接。

2.根据权利要求1所述的迷宫型液压油箱，其特征在于：所述非金属外壳采用交联聚乙烯材料滚塑成型。

3.根据权利要求1所述的迷宫型液压油箱，其特征在于：所述金属上盖为不锈钢材料，所述金属上盖上表面设置有空气滤清器安装凸台，所述金属上盖下表面设置有金属隔板，所述金属隔板开设有通气孔，所述金属隔板通过焊接的方式与所述金属上盖连接。

4.根据权利要求1所述的迷宫型液压油箱，其特征在于：所述金属隔板上开有通气孔，所述通气孔用于将两侧空气域连通。

5.根据权利要求1所述的迷宫型液压油箱，其特征在于：所述回油管设置在类半球结构与所述非金属外壳直壁相交的位置，所述回油管方向朝下且末端设置45°斜角，所述回油管的长度为类半球结构长度的一半。

6.根据权利要求1所述的迷宫型液压油箱，其特征在于：所述吸油管设置在15°倾斜流道结构的末端，所述吸油管方向朝上且设置有45°斜角，所述吸油管末端距壁面距离为管径的3倍。

7.根据权利要求1所述的迷宫型液压油箱，其特征在于：所述排污磁铁旋盖中设置有永久磁铁。

8.根据权利要求1所述的迷宫型液压油箱，其特征在于：所述空气滤清器安装在油箱上部远离回油区的位置，所述液位液温计安装在油箱右侧远离回油区的位置。

9.根据权利要求1所述的迷宫型液压油箱，其特征在于：所述迷宫型液压油箱的有效容积为液压系统额定流量的0.8倍，占地体积为液压系统额定流量的1.5倍。

10.根据权利要求1所述的迷宫型液压油箱，其特征在于：利用该迷宫型液压油箱进行油液过滤的方法包括以下步骤：

S1、油液经回油管流入非金属外壳内，进入颗粒聚集区和除气区，在45°斜角的作用下，油液斜向下冲到类半球结构右侧壁面上，在弧形的壁面的作用下，在类半球结构内部形成若干个涡旋流场，涡旋流场能够延长油液在颗粒聚集区中的驻留时间，促进气泡的上浮与析出，对油液进行气泡初次去除；油液中直径较大的固体颗粒在涡旋中离心力的作用下被甩到壁面上，排污磁铁旋盖使油液中直径较小的金属颗粒在磁力的作用下强制脱离流场，和大颗粒一起吸附聚集在底部永久磁铁上，对颗粒污染物实现初次去除；

S2、油液经过颗粒聚集区之后进入二次除杂区，剩余的气泡和非金属颗粒在蛇形流道中停留时间延长，从而能够有效增加颗粒沉降和气泡析出的时间，对油液进行气泡和颗粒的二次去除；

S3、油液进入稳流区的倾斜流道结构，油液在一个大空间内流速降低，流动平缓，吸油管进行平稳吸油。

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