[发明专利]一种小型化非金属液压油箱设计方法

权利要求书

1.一种小型化非金属液压油箱设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、油箱最小化容积计算，液压油箱容积根据其介质分为空气体积和油液体积两部分，实现液压油箱容积的小型化需要分别得到油液最小体积及空气最小体积；

S2、基础油液体积计算；

S3、功能油液体积计算；

S4、变化油液体积计算；

S5、空气最小理论体积计算；

S6、油箱最小理论容积计算；

S7、结合油箱最小理论容积和油箱辅件三倍管径的准则，进行油箱结构的排布；

S8、排布出油箱壳体结构后，初步给定油箱壁厚分别为4mm、6mm、8mm、10mm、12mm，得到油箱的三维模型；

S9、对油箱的三维模型进行有限元强度校核，强度校核通过后，最终得到油箱壳体的最终结构及其参数；

S10、根据非金属液压油箱最终的体积大小，确定油箱的材料及成型工艺；

步骤S2中，在设备运行过程中，为防止液压泵出现吸空以及回油管处卷气现象，需要一定的基础液位保障；油箱基础液位与吸油管及回油管的安装条件相关，通过综合分析，吸油管和回油管的插入方式有三种形式：顶面安装、侧面安装和底面安装；不论是哪种形式，基础液面高度均可表示为：

h＝h_顶+L+h_底

式中，h_顶为管口顶端距液面的高度(mm)；h_底为管口底端距油箱底部的高度(mm)；L为管口顶端距管口底端的距离(mm)；

当仅考虑回油管回油不发生卷气的条件时，回油管安装要求为：管口顶端距液面的高度为2倍回油管径；当仅考虑吸油管不发生吸空条件时，吸油管安装要求为：管口顶端距液面的高度为2倍吸油管径，即：

h_回油＝L+2d_回油

h_吸油＝L+2d_吸油

式中，h_回油为回油元件要求的液面高度(mm)；h_吸油为吸油元件要求的液面高度(mm)；d_回油为回油元件通径(mm)；

基础油液体积需要同时满足吸回油管对液位的要求，因此，基础油液高度应取两者大值，因此，基础油液体积可以表示为公式：

h₀＝Max{h_回油,h_吸油}

V_基础＝S_底·h₀×10^-6

式中，S_底为油箱底面积(mm²)；

在油箱构型之初，油箱形状未确定，油箱底面积可根据液压油箱设计经验进行估算，即选取吸、回油管壳体外边缘与两侧壁面的距离为3倍管径作为油箱底面积初始边界，计算公式如式，后续在计算中对油箱底面积进行修正；

V_基础＝[(D_吸油+6d_吸油)²+(D_回油+6d_回油)²]·h₀×10^-6

式中，D_吸油为吸油元件外轮廓直径(mm)；D_回油为回油元件外轮廓直径(mm)；

步骤S3中，在油箱功能油液最小体积分析时，仅考虑辅件安装对油液体积的影响；根据油箱辅件所在安装位置不同，元件包络体积和元件充油体积关系可分为三类：第一类，元件完全浸没于液面之下，包络体积区域始终充满油液；第二类，元件横跨空气区域及油液区域，包络体积区域内的油液体积随液位高低变化而发生改变；第三类，元件完全置于空气域内，包络体积区域内始终不存在油液；根据元件安装位置，建立三类元件的元件充油体积与元件包络体积之间的关系；综上所述，功能油液最小体积为：

式中，V_i包络为第i个功能元件的包络体积(L)；V_i元件第i个功能元件的自身体积(L)；λ_i为第i个功能元件的充油体积修正系数；n为功能元件个数；

步骤S4中，根据引起油箱中液位变化的机理不同，变化油液可分5部分：非对称液压元件容积导致的液位变化、系统压力变化造成油液体积压缩变化、温度变化造成油液热胀冷缩变化、液压管路变形导致的空间变化以及外泄漏造成油液体积的减少；

S4.1、非对称液压元件的容积计算，液压系统中的非对称容积主要由非对称液压缸产生；当系统中存在多个非对称缸时，动作顺序将影响非对称容积计算，因此顺序动作和复合动作需分开计算；

当多个液压缸顺序动作时，液压系统的非对称容积可通过液压缸无杆腔与有杆腔的体积差求和得到，即油箱中油液体积的变化即为：

式中，V_非对称为液压缸的非对称容积(L)；D_2i为第i个非对称液压缸活塞杆直径(m)；L_i为第i个非对称液压缸活塞杆行程(m)；

当多个液压缸复合动作时，油液体积变化理论上为一个循环周期内，所有液压缸储油体积之和最大与最小时的差值；故此时所有液压缸的非对称容积为：

式中，ΔA_i为第i个非对称执行元件的非对称面积(m²)；v_i(t)为第i个非对称执行元件活塞杆运动速度关于时间的函数(m/s)；n为液压缸个数；t1为油箱液面最低时刻(s)；t2为油箱液面最高时刻(s)；

在未知液压缸联动关系时，采用公式进行液压元件非对称容积计算；

S4.2、油液压力变化的体积计算，机械设备启动后，液压泵工作使液压系统内液体体积压缩、油压升高从而带动液压系统末端负载执行器运动；系统的建压过程需要从油箱中汲取油液，从而导致油箱内油液体积减小；

式中，β_l为含气油液体积的体积模量(MPa)；β_oil为纯油液的体积模量(MPa)；r为气体绝热指数，等温压缩时取1，绝热压缩时取1.4；P为液压油压力(MPa)；P₀为液压油初始压力(MPa)；T为气体温度(℃)；T₀为气体初始温度(℃)；δ₀为本生系数；V_a为油液达到饱和溶解度时的气体体积(L)；α为液压油含气量；V_air为油液中游离态气体初始体积(L)；V_l为含气油液总体积(L)；

另外，在液压系统的工作过程中，压力容腔内的油液往往处于运动状态，因此压力容腔内的压力还需考虑油液自身惯性的作用；此时，压力容腔内任一截面上的油液压力为：

式中，ΔP_i为第i个压力容腔的压强变化(MPa)；Q_i为第i个压力容腔横截面上液压油的流量(L/min)；m_i为第i个压力容腔横截面上液压油的质量(kg)；A_i为第i个压力容腔的横截面积(mm2)；P_i为第i个压力容腔工作压强(MPa)；

因此，油液压缩体积计算公式为：

S4.3、油液热胀冷缩变化的体积计算，设备工作过程中，液压系统产热一部分通过液压元件和管路表面散发到环境中，另一部分传递到油液中使油液温度升高；而在机械停机状态下，系统中的液压油温度会逐渐趋近环境温度；当液压油箱与液压系统温度变化时，液压油会发生热胀冷缩；根据润滑油体积修正系数表，可推算出任意两个温度下油液的相对体积修正系数：

式中，为温度为T₂时油液相对20℃的体积修正系数；为温度为T₁时油液相对20℃的体积修正系数；

含气油液在温度的变化下，其体积将发生热胀冷缩的现象，从而导致油液体积的变化，不同温度下油液的体积变化可以由体积修正系数表示：

式中，为温度为T₂时液压油的体积(L)；为温度为T₁时液压油的体积(L)；为温度从T₁变为T₂时的体积修正系数；

因此，温度变化时油箱中液压油的体积变化量为：

S4.4、管路容积变化的体积计算，在液压系统工作过程中，随着液压油压力的升高，会对容纳油液的容器内壁产生一定的力，这个力会使容器发生形变；在液压系统中，发生形变的容器主要有液压钢管和胶管；当液压管道容积增大时，为填补增大的容积，需要从液压油箱中汲取一定体积的液压油；

由于胶管的形变量大于钢管，本文主要阐述胶管的容积变化；当液压胶管受到高压时，胶管内径会在力的作用下变大，为了简化分析，将胶管视为厚壁圆筒，经推导，某一段胶管的容积变化量由公式计算；

式中，l为截取胶管段的长度(mm)；r₁为截取胶管段的内半径(mm)；r₂为截取胶管段的外半径(mm)；P为截取胶管段内部液压油压力(MPa)；μ为胶管材料泊松比；E为胶管材料弹性模量(MPa)；为r＝r₁处内半径变化量(mm)；

在液压管路中，胶管有多段，且管径不同，为减小计算量，使用胶管当量内半径与当量长度计算管路变化体积；管道外直径可由管道内直径及壁厚计算得到，而壁厚的设计与液压系统参数相关；由此，管道外半径可表示为：

式中，r₁为胶管当量内半径(mm)；r₂为胶管当量外半径(mm)；δ为胶管壁厚(mm)；σ_P为胶管许用应力(MPa)；P为胶管工作压力(MPa)；

假设某一段胶管的内径r₁′＝kr₁，则：

式中，r₁′为某一段胶管的内径(mm)；r′₂为与r₁′相同段胶管的外径(mm)；

若将这段管路内径转化为当量直径，则这段管路的当量长度变化变为原来的k²倍，即：

l＝k²l′

式中，l为胶管当量长度(mm)；l′为与r₁′、r′₂相同段胶管的长度(mm)；

所以，管路变形造成的液压油的体积总变化量为：

式中，l_i为第i段的胶管长度(mm)；r_i1为第i段的胶管内半径(mm)；为第i段胶管r＝r₁处内半径变化量(mm)；

S4.5、油液泄漏体积计算，液压系统的泄漏可分为内泄漏与外泄漏两类，其中，外泄漏会引起液压系统中液压油体积的变化；由于造成液压系统外泄漏的原因复杂，油液泄漏体积无法精确计算，考虑泄漏油的补充是在机械维修时进行，因此油液泄漏体积可视为与系统工作时间相关的函数：

ΔV_泄漏＝-γΔt

式中，γ为液压油外泄漏系数(L/h)；Δt为液压油泄漏时间(h)；

综上，变化油液体积由非对称液压元件容积、油液压缩变化体积、油液热胀冷缩变化体积、管路容积变化体积及油液泄漏体积组成；

步骤S5中，工程移动机械在工作过程中会发生晃动、倾斜工况，此时过滤器可能会被液面浸没导致空气流通不畅以及油滴从油箱内部飞溅的隐患，故需要对倾斜工况下液面与空滤器排布位置之间的关系展开分析；

油箱左倾θ时，防止空滤器接触液面，建立约束：

解得：

因此，空气区域高度需要满足：

式中，h_液为液压油箱中油液高度(mm)；A为液压油箱宽度(mm)；H为液压油箱高度(mm)；θ为倾斜角度(°)；l₁为空滤器伸入油箱的高度(mm)；x为油箱左壁面与空滤器最左端之间的距离(mm)，其中x≤0.5A；

油箱右倾θ时，同理可求得空气区域高度约束为：

式中，d₁为空滤器直径(mm)；

综上，空气区域高度的约束条件为：

空气区域最小理论体积为：

步骤S6中，油箱内的液压油由变化油液、功能油液与基础油液这三部分组成，三部分油液体积之和就是油箱所需液压油体积，即：

V_油液＝V_基础+V_功能+V_变化

由上述分析可知，当油箱发生倾斜时，最低液位也发生了改变，因此需要对油液最小理论体积进行修正，修正后的油液体积为：

因此油箱最小理论容积就是油液最小理论体积与空气最小理论体积之和，即：