基于仿真的液压油箱常见结构对油箱脱气性能影响的研究

摘要：油箱小型化是节能减排，发展绿色经济的必然趋势。通过CFD技术，对比了不同液压油箱结构对排气性能可能的影响。给出了几点可以提升脱气性能的设计方法。

关键词：液压油箱小型化，CFD仿真，液压油箱设计，液压油箱脱气性能

0 引言

液压油箱是挖掘机液压系统中的重要组成部分。在液压系统中主要起到油液的储存、除气、除杂的作用。根据现实经验表明75%以上的液压系统故障是由于杂质的侵入导致的[1]。而液压系统中泵、马达、等部件在工作时由于磨损等原因难免产生金属杂质；试运行或机器维保时，也有可能从外部侵入杂质。液压油中气泡产生，主要由于流动过程中的掺混和溶解的空气析出，悬浮在液压油液中[2]。而油液中气泡的存在会导致系统出现气穴、噪声等问题，严重危害着系统的可靠性和稳定性[3]。

发展绿色经济，节能减排，是世界经济发展的必然趋势。应对节能减排，使用高压小流量，是液压系统小型化的根本措施[4]。这也促使了油箱小型化设计的趋势。因此油箱结构设计的合理性，关系着整个系统的性能与经济性能。

油箱结构设计目标，总的来说就是，要在满足液压系统性能，与结构空间条件下，得到除杂与排气性能良好的油箱结构。但不同油箱结构对其排气性能的影响并不明确。本文将通过仿真的方式，浅析不同结构对油箱脱气性能的影响。

1 仿真对象与计算条件

本文以某型号液压挖掘机液压油箱为仿真对象，其基本尺寸为810mm×348mm×463mm，滤芯筒高849。在该基础结构上，控制变量修改部分结构，形成油箱的不同设计方案。不同设计模型的网格尺寸一致，使用相同流量对应的速度，作为入口边界条件，出口使用压力出口，静压为零。由于有多个方案，为提升仿真效率，使用单相流稳态计算。湍流模型选择使用K-ωSST，数值方法选用SIMPLEC方法。

2 评价指标的选取

由于采用单相稳态计算，如何选取评价指标，反映脱气的性能，显的尤为重要。当油液中存在气泡时，对于气泡，假设忽略气泡除重力、浮力以及油液对其的粘性拖曳力以外的附加力。用体积力F体，表示气泡受到的重力与浮力的合力，则气泡受力可表示为：

（1）

气泡所受浮力的方向为竖直向上，大小为：

（2）

由于油液处于湍流状7LcokRDP9jQ+c+/PF/e2uE+7995Ti4c+ejkOFvs/ccQ=态，一般使用Schiller-Naumann曳力模型，模拟油液对气泡的粘性拖曳力。该模型基于气泡形状为球形的假设。本文所研究问题涉及的气泡直径较小，所以满足此假设。由此可得拖曳粘性力为：

（3）

其中Kμ为无量纲的拖曳力粘性系数，tr为达到受力平衡所需要的时间，其表达式如下：

（4）

（5）

公式（4）中，Rer为无量纲的相对雷诺数，定义为

（6）

为CD无量纲的拖曳力系数，定义为Rer的函数，即

CD=ƒ（Rer） （7）

由于液压油黏度较大，对于3mm以下气泡，Rer不大于5，所以式（7）可表示为：

CD=24（1-0.15Rer0.687）/Rer （8）

由上（4）（5）（6）式可知，（3）式可表示为：气泡黏性拖曳力F粘为：

（9）

由式（1）（2）（9）式可知，气泡的运动除了与自身大小有关，还与油液流速的大小、方向有关，与油箱内油液流动的雷诺数也有密切关系。但由于雷诺数的计算涉及装置的特征尺度的选取，使用并不方便。

所以本文选取油箱的流速大小、流线作为评价油箱排气性能的指标。油箱内油液的流速越小，流线越整齐则油箱的气泡分离能力越强。

3 常见结构的仿真对比

一般液压油箱分为：回油结构、隔板、吸油结构三个部分。一般在回油结构与油箱隔板处的结构设计，变化较多。回油结构常见形式有：单口回油、多口回油、直形回油出口、短回油出口、弯形回油出口、回油筒位置靠近壁面、回油筒位置靠近隔板、顶部汇油盒、侧面汇油盒、多孔形回油出口等。隔板的结构形式主要有：格栅式、多层横隔板式。

如图1所示，使用控制变量的方法将设计方案分成了四组，每一组都只有一个结构发生了变化。然后对比每组不同方案的，中间纵向截面速度云图、相同位置隔板前，横截面速度云图及流线，结果如图2所示。

3.1 第一组结构对比分析

如图3、图4、图5所示，为第一组对比结果。对比可以发现弯管形式，流速略低于直管形式。但弯管形式油液在冲击油箱壁面后，斜向上越过隔板，流动距离略短于其他结构。

远离隔板的布置形式优于靠近隔板的布置。由此可知回油出口朝向壁面，并在满足功能的前提下尽可能靠近油箱壁面有利于获得低流速。对比横截面流速云图可知，将回油出口设置在远离隔板的位置可减小油箱隔板底角处的流速，增加回油流动距离，更有助于除泡。

3.2 第二组结构对比分析

由图6可以看出相同位置及出流方向，流场速度分布类似。由图2可以看出油箱内平均流速区别不大，但侧汇流盒方案流速略低，说明汇油盒结构对流速的影响有限。

3.3 第三组结构对比分析

对比图2发现回油管径向打孔方案的油箱平均流速最低，高密度的回油出口打孔并不能起到降低流速的作用。由图7、图8，可以看出打孔朝向壁面时流速分布更均匀，同时可以减小油液从底角处流出的流速。通过流线图（图9）可以看出，油液从更低的打孔位置流出可以得到更长，更整齐的流线。

3.4 第四组结构对比分析

对比图10、图11发现隔板可以有效延长油液的路径，但设置隔板越多，油液流动的通道越狭窄，流速越高；同时油液在运动过程中，上层的油液可能掺混到底层。说明设置过多的隔板，会提高流速，增强掺混能力，不利于排气。

而格栅式隔板可以有效降低流速，但由于油液直接冲击油箱底部，底部格栅前油液流速较高，底部格栅并不能有效减小油液流速，同时油液直接通过底部格栅会减少油液的流动路径。

4 结束语

通过上面的研究验证，可以得到如下的结果：①减小油液流速，是增加气泡上浮时间与颗粒物沉淀时间的有效方法。②在有限的油箱空间中增加过多的隔板侧边开口的隔板，并不能有效增加脱气性能。③侧边开口的隔板油箱，不如带有底角开口油箱脱气性能好。④疏密适当的格栅结构可以有效降低流速。⑤油箱内，较低的回油口高度，会有更好的脱气性能。⑥油箱内，回油出口朝向前壁面会得到更长的流线，有利于脱气。

参考文献

[1] 韩鹰，杨克石，富文军. 工程机械液压油的污染与控制[J].山东交通学院学报，2005（3）：49-51.

[2] 冀宏，孙东宁，王金林，等. 压油箱内气泡流动观测及气泡分离方法[J].兰州理工大学学报液，2015（4）：46-50.

[3] Johannes Untch， These Vollmer， Thorsten Lang.Approach for the Investigation and Evaluation ofHydraulic Tank Designs Regarding Air in Oil Beavior[C]//9th International Fluid Power Conference， Aachen，Germany， 2014.

[4] 祁冠芳，张蕉蕉，孙家根.液压油箱小型化及研发新动向[J].机床与液压，2011（24） ：66-68.

[5] 周瑶，卢志学.液压系统油箱的设计研究[J].内燃机与配件，2019（39）：94-95.

[6] 马晓霞，冀宏，郑直，等.液压油箱内部隔板对气泡分离的影响甘肃科学学报，2016，28（5）：51-55.

[7] 祁冠芳，胡文续，虞万海，等.液压油气泡去除机理研究[J].解放军理工大学学报（自然科学版）， 2002 （5）：59-62.