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15號(hào)航空液壓油高壓流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。經(jīng)測(cè)試，裝置工作壓力達(dá)到28MPa；流量范圍為(0.01～5)m3/h；介質(zhì)最高工作溫度達(dá)80℃；裝置不確定度優(yōu)于0.1%(k=2)。裝置中油箱作為容納油品的容器，兼具散熱、分離液體中氣體和沉淀污物的功能。裝置由于工作在高壓狀態(tài)，功率損耗大，因此對(duì)油箱排氣、散熱及過濾功能要求更高。本文結(jié)合液壓知識(shí)和裝置具體技術(shù)指標(biāo)，介紹油箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配套方案，并對(duì)裝置進(jìn)行了熱平衡計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果匹配了冷卻系統(tǒng)。
一、油箱結(jié)構(gòu) 目前，裝置油箱分為開式油箱和閉式油箱，其中開式油箱箱內(nèi)液面與大氣相通，被廣泛應(yīng)用于液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置及液壓系統(tǒng)；閉式油箱液面一般不直接與大氣相通。開式油箱結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但液體易受污染，且其氣體分離及污物沉淀效果一般；閉式油箱中液體不易受污染，但過油流量較小。如圖1所示，為了使經(jīng)過油箱的液體能夠排除氣泡和沉淀污物更徹底，在箱體內(nèi)部隔板將油箱體內(nèi)部隔離為開式箱和閉式箱，隔板上分3層開有15個(gè)DN40通孔連通開式箱和閉式箱，且通孔上焊接有接頭，各接頭安裝濾芯，濾芯均位于液面以下。油液通過進(jìn)油管進(jìn)入油箱的開式箱，由于隔板和濾芯的分離作用，油液中的氣泡在表面張力的作用下難以通過濾芯，更容易在開式箱內(nèi)上浮分離出來，同時(shí)污物也被隔離在閉式箱外，經(jīng)過排氣和沉淀過濾后的油液通過出油管流出進(jìn)入系統(tǒng)，保障了系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。足夠數(shù)量的濾芯相對(duì)于傳統(tǒng)安裝在進(jìn)油管或出油管處的濾器有更大的過濾面積，保證油箱有足夠的過流量和納污量；同時(shí)由于隔板和濾芯的雙重作用，具有更好的排氣和過濾沉淀效果；另外，閉式箱流出的油液不易受外界污染。
油箱采用6mm厚不銹鋼焊接而成，具有足夠強(qiáng)度。另外在油箱兩側(cè)安裝4套玻璃視鏡，便于內(nèi)部觀測(cè)和油箱清理。油箱出油口安裝吸油濾，進(jìn)油口安裝回油濾，油箱最低處安裝排污閥。油箱進(jìn)出口管路口采用45°斜角以增加過流面積。
二、油箱容量設(shè)計(jì) 油箱容量的確定通常要考慮:稱重體積、管路液體容積、油箱余量及液體循環(huán)油箱中循環(huán)停留時(shí)間等因素。液壓系統(tǒng)油箱容量通常取系統(tǒng)每分鐘流量的7～12倍。考慮裝置稱重及循環(huán)用油，油箱中最低剩余油量按照系統(tǒng)每分鐘流量的12倍估算約1000L，稱重容器中最大秤量約600L，管路、油泵、加熱器及濾器等附件中油量約200L；裝置用油量共計(jì)約1800L。按照液面高度最高占油箱總高的80%估算，油箱容積約2250L。裝置實(shí)際采用油箱尺寸為1800mm×1600mm×800mm，總?cè)莘e約2300L。油液在箱中停留時(shí)間約(12～18)min，排氣、沉淀時(shí)間充足。
三、油箱熱平衡計(jì)算 根據(jù)裝置總發(fā)熱量和散熱條件計(jì)算油箱及裝置熱平衡溫度有利于裝置溫控控制和運(yùn)行平穩(wěn)。
裝置總發(fā)熱量主要由液壓泵功率損失、閥門功率損失、管路功率損失等造成。其中液壓泵功率損失H1由式(1)計(jì)算:
H1=P×(1-η)=51800×(1-0.8)=10360(W) (1)
閥門功率損失H2由式(2)計(jì)算:
H2=P×q=51800×0.0014≈72(W) (2)
管路功率損失H3由式(3)計(jì)算:
H3=0.04×P=51800×0.04=2072(W) (3)
系統(tǒng)總功率損失H由式(4)計(jì)算:
H=H1+H2+H3=10360+72+2072=12504(W) (4)
式中:P——液壓泵的輸入功率，W；η——液壓泵效率，一般取0.8；q——液壓泵的流量，m3/s。
液壓系統(tǒng)各部分所產(chǎn)生的熱量，在開始時(shí)一部分由流體和裝置本身吸收，較少一部分向周圍輻射，當(dāng)溫度達(dá)到一定數(shù)值，散熱量與發(fā)熱量相對(duì)平衡，系統(tǒng)即保持一定溫度不再上升，此時(shí)系統(tǒng)平衡溫度為:
T=T0+H/(kA)(K) (5)
式中:T——系統(tǒng)平衡溫度，K；T0——環(huán)境溫度，K；k——油箱的傳熱系數(shù)，W/m2·K；周圍通風(fēng)良好時(shí)k≈15W/m2·K；用循環(huán)水強(qiáng)制冷卻時(shí)k≈174W/m2·K；A——油箱的散熱面積，m2。
當(dāng)不進(jìn)行循環(huán)水強(qiáng)制冷卻時(shí)，系統(tǒng)平衡溫度將達(dá)91℃，此時(shí)設(shè)備處于高溫工作狀態(tài)，不利于設(shè)備、油液及人員保護(hù)，因此設(shè)備不宜長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)啟動(dòng)循環(huán)水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻時(shí)，系統(tǒng)平衡溫度約26℃，設(shè)備可以長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)。通過系統(tǒng)熱平衡計(jì)算也驗(yàn)證了裝置配套強(qiáng)制水循環(huán)冷卻系統(tǒng)是必要的。
四、油箱冷卻系統(tǒng) 冷卻采用熱交換效率高的水冷卻器，具體為“油包水”結(jié)構(gòu)。采用小型冷卻塔提供循環(huán)冷卻水源，冷卻系統(tǒng)的水流量通過流量調(diào)節(jié)閥控制，從而控制油溫。水冷卻器主要技術(shù)參數(shù)為:總換熱面積約9m2；油路系統(tǒng)額定流量:50m3/h；水路系統(tǒng)額定流量:30m3/h；進(jìn)油溫度:50℃；進(jìn)水溫度:≤30℃；油溫降:≥8℃；換熱系數(shù):>300kcal/m2·h·℃。
另外，裝置冷卻子系統(tǒng)采用特殊的并聯(lián)、串聯(lián)循環(huán)方式，能使被冷卻油液并聯(lián)或串聯(lián)通過兩個(gè)熱交換器，以滿足不同流量、不同散熱功率的實(shí)驗(yàn)要求。
子系統(tǒng)由主油路和旁通變溫油路組成，旁通變溫油路上并聯(lián)兩組強(qiáng)制水冷卻器，當(dāng)閥1、4關(guān)閉，閥2、3、5、6、7、8、9打開時(shí)，被冷卻油液并聯(lián)通過兩組強(qiáng)制水冷卻器，這時(shí)適用于大流量降溫場(chǎng)合；當(dāng)閥1、3、8關(guān)閉，閥2、4、5、6、7、9打開時(shí)，被冷卻油液串聯(lián)依次通過兩組強(qiáng)制水冷卻器，這時(shí)適用于小流量、大溫差降溫場(chǎng)合。 摘自：中國(guó)計(jì)量報(bào)
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