拖拉機(jī)液壓閥的設(shè)計及應(yīng)用研究

王 巖 ， 魏江波 ， 唐銘鍇 ， 何明斐 ， 白 楊

（1.第一拖拉機(jī)股份有限公司大拖公司，河南 洛陽 471004；2.洛陽拖拉機(jī)研究所有限公司，河南 洛陽 471003）

0 引言

近年來，拖拉機(jī)現(xiàn)代化、智能化發(fā)展日臻成熟，尤其是電控智能技術(shù)應(yīng)用日趨廣泛。拖拉機(jī)作為一個傳統(tǒng)的機(jī)械物體，要實現(xiàn)拖拉機(jī)智能化控制，需要通過電控液壓閥來實現(xiàn)中間的轉(zhuǎn)接，因此，液壓閥是實現(xiàn)機(jī)械控制到智能控制的一種中間介質(zhì)。液壓閥塊的使用不僅可以簡化液壓系統(tǒng)的設(shè)計和安裝，便于實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化和標(biāo)準(zhǔn)化，還可以降低制造成本，方便維護(hù)，可以提高液壓系統(tǒng)的可靠性。

與國外高端拖拉機(jī)相比，我國拖拉機(jī)主要以200馬力以下拖拉機(jī)為主，先進(jìn)性不足，液壓精密設(shè)備使用相對較少，目前還是使用相對單一的液壓系統(tǒng)部件。跟國外拖拉機(jī)中多元化液壓控制閥塊系統(tǒng)相比還存在著一定的差距[1-2]。究其原因，一方面，液壓行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)計與制造能力薄弱，造成液壓元件長期以進(jìn)口為主；另一方面，拖拉機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位較低，先進(jìn)技術(shù)不被用戶關(guān)注，長期以來，人們對拖拉機(jī)的應(yīng)用仍處于犁地旋耕等傳統(tǒng)作業(yè)，用戶使用模式較為單一，整體發(fā)展緩慢。近年來，隨著智慧農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和成套方案等概念的提出，人們對拖拉機(jī)的全套解決方案有了更廣泛的要求，對拖拉機(jī)智能化、操控性等有了新的要求。因此，對拖拉機(jī)液壓控制系統(tǒng)的布局及液壓閥塊的相關(guān)設(shè)計等進(jìn)行研究十分有必要。

1 液壓閥

1.1 概念及分類

液壓閥是拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)中的一個重要單元，液壓閥一般由閥體（閥塊）以及閥體上安裝的各種閥組、管接頭及附件等元件組成。液壓閥上的相關(guān)閥組，通過液壓油可實現(xiàn)不同功能的指令輸出。閥塊是油路集成、分離和轉(zhuǎn)換的中樞單元，各類閥組均可與閥塊實現(xiàn)對接，是用來安裝閥件的基礎(chǔ)模塊[3]，閥塊上具有外接口和連通各外接口或閥件的油道，各油道依據(jù)設(shè)計的需求實現(xiàn)正確的連通。液壓閥根據(jù)其功能可以分為壓力控制閥、方向控制閥和流量控制閥，安裝方式可以分為板式閥組、疊加式閥組和插裝式閥組等[4-6]。轉(zhuǎn)向器、穩(wěn)流閥等也是閥塊的一種。

1.2 設(shè)計要求

由于在拖拉機(jī)上特殊的使用需求，部分液壓閥無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，大多屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，需要根據(jù)不同的使用要求進(jìn)行針對性設(shè)計。液壓閥作為液壓系統(tǒng)中重要的控制執(zhí)行元件，可靠性要高，保證壓力穩(wěn)定、不內(nèi)泄，液壓系統(tǒng)不高溫且各個閥組工作穩(wěn)定。

1）從空間上來看，液壓閥塊應(yīng)該在確保各油道孔合理分布的情況下，盡可能地壓縮體積，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，為其他零件的布置節(jié)約空間[7]。

2）從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，閥塊的油路應(yīng)盡可能地簡單，不要設(shè)計過多的油道，浪費流量且易漏點多，不利于整體穩(wěn)定性且效率降低。同時易造成油溫升高，影響整個液壓系統(tǒng)的使用壽命。

3）從外部結(jié)構(gòu)來看，閥塊的進(jìn)/出油口及各個執(zhí)行輸出油口在設(shè)計時應(yīng)該充分考慮到與相連管路的合理布置，盡量使閥塊油口設(shè)計在所要連接的管路的一側(cè)，減少管路折彎，使布局平順、簡潔美觀。此外，閥塊上的閥組在布置時也要考慮到其安裝調(diào)整的便利性，從整機(jī)系統(tǒng)布置上要考慮到維修更換的便利性。

4）在滿足整體布置、管路連接、使用功能的情況下，閥體還應(yīng)盡量模塊化設(shè)計，便于一閥多用，通過更換插裝閥等可實現(xiàn)不同功能的開發(fā)應(yīng)用。由于拖拉機(jī)長期在田地、水田工作，環(huán)境相對惡劣，因此對閥塊有著更高的防水密封和防塵密封要求。

1.3 設(shè)計步驟

1）根據(jù)拖拉機(jī)使用功能要求確定閥塊最大工作壓力及系統(tǒng)工作流量，進(jìn)行液壓系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)的初步構(gòu)建，確定系統(tǒng)的構(gòu)成及相關(guān)元件的選型。

2）根據(jù)閥塊在系統(tǒng)中的布置和管路的布局，初步確定閥塊上閥組的數(shù)量及安裝方向、各油口在閥塊上的相對位置，并根據(jù)流量確定油道尺寸及相應(yīng)管接頭規(guī)格。

3）液壓系統(tǒng)整體布置及工作原理，確定整套元件的外形尺寸及安裝位置，整體流暢，管路線束布置合理有序，安裝拆卸工藝性要好，預(yù)留相關(guān)測壓接頭位置。

4）優(yōu)化各外接口和閥件間的流道，使流道依據(jù)所設(shè)計的原理實現(xiàn)正確、合理的連通。

2 液壓閥塊的設(shè)計要點

2.1 空間布置要合理

拖拉機(jī)的工作環(huán)境相對惡劣，液壓系統(tǒng)容易受到外界影響。因此，在對拖拉機(jī)進(jìn)行閥塊布置時應(yīng)充分考慮其檢修的便利性。在閥塊設(shè)計過程中，應(yīng)預(yù)留出足夠的安裝和操作空間，安裝工具旋轉(zhuǎn)空間也應(yīng)留夠，保證各元件之間互不干涉，使得閥塊的體積與安裝空間相匹配[8]。通常來說，閥塊的最大邊長不大于600 mm，閥體上插裝閥數(shù)量宜不大于8個。若數(shù)量過多，應(yīng)將一個集成復(fù)雜閥體分解為多個簡易閥體，閥塊之間用螺栓連接，結(jié)合面處的孔道用O型密封圈密封，組成整體的閥塊組。對于高壓閥塊，閥塊之間連接螺栓的強(qiáng)度要足，且每片閥體之間O型圈密封處要加環(huán)形密封槽，避免高壓時O型圈擠出從而導(dǎo)致內(nèi)泄漏油。此外，閥塊上的外接油口、測壓口應(yīng)根據(jù)管接頭連接尺寸設(shè)計，保證兩個螺紋孔之間的閥體強(qiáng)度，且所有管接頭安裝應(yīng)留有一定的安裝旋轉(zhuǎn)空間，避免安裝或拆卸時干涉[9]。需要調(diào)整溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)壓閥等元件，應(yīng)放在調(diào)節(jié)手柄便于操作的位置，設(shè)計時應(yīng)考慮到手柄操縱力不宜過大；經(jīng)常檢修的元件，應(yīng)處于閥塊的上方或外側(cè)，便于拆裝；測壓點應(yīng)布置在易于接近操作的地方[10]。

2.2 插裝閥安裝孔選用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計

閥塊上采用的插裝閥組安裝孔應(yīng)按元件提供的尺寸進(jìn)行設(shè)計，盡量選用和其他品牌型號通用性強(qiáng)和有現(xiàn)有加工刀具的插件。常用螺紋規(guī)格為M14*1.5、G1/4或 M18*1.5，所有油口為平面密封，形式應(yīng)符合ISO 9974-1-1996的要求，出廠時所有油口用塑料堵頭封堵。對于電比例閥組，還應(yīng)對電源電壓范圍進(jìn)行明確，一般拖拉機(jī)為DC 12 V電壓。

2.3 閥塊及閥芯的安裝方向

布局時應(yīng)考慮閥體的安裝方向是否合理，應(yīng)該使閥芯處于水平方向，以防止閥芯的自重影響閥的靈敏度，或造成卡滯等現(xiàn)象。尤其是換向閥，一定要水平放置[5]。

2.4 閥體孔徑及流速設(shè)計

設(shè)計閥體的孔徑時應(yīng)考慮盡可能減小流阻損失及加工方便。節(jié)流易造成油溫高且加工不便。一般工作管路推薦流速為6 m/s，一般不超過9 m/s，回油管路推薦流速不超過4 m/s，泄油管道要單獨回油，不得與回油管道連通。

主級孔道的直徑如公式（1）所示計算。

式中：D——孔道直徑，單位為mm；Q——孔道內(nèi)可能流過的最大工作流量，單位為L/min；Vmax——孔道允許的最大工作液流速，單位為m/s。

一般對于壓力孔道，Vmax不大于6 m/s；對于回油孔道，Vmax不大于3 m/s。（一般取壓力孔道不超過8 m/s，回油孔道不超過4 m/s。）計算出的孔道直徑應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通徑值。

當(dāng)閥塊內(nèi)主油道與插件貫通時，為減小貫通處的局部流阻損失，宜采用與插件孔偏置貫通法，使主油道的中心線與插件孔的中心線偏移，主級孔道的設(shè)計如圖1所示。一般使主級孔道中心線與插件孔孔壁相切。相交孔的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)該采用T形結(jié)構(gòu)，要避免十字形結(jié)構(gòu)，如圖2所示，即一個孔的孔深為該端面到與之相同孔道軸線的距離，不能采用十字交叉結(jié)構(gòu)。十字交叉結(jié)構(gòu)在加工中毛刺較多，使用過程中容易造成污染物的堆積。此外，在去毛刺時，無論是采用傳統(tǒng)的毛刷去毛刺還是水刀沖洗去尖角，T形結(jié)構(gòu)都比十字形結(jié)構(gòu)更方便處理。

圖1 主級孔道的設(shè)計

圖2 T形結(jié)構(gòu)與十字形結(jié)構(gòu)示意圖

在設(shè)計中應(yīng)盡量減少采用傾斜油道，若結(jié)構(gòu)受限應(yīng)避免增加不必要的油道時，也可采用斜孔，但孔道的傾斜角不宜過大，斜角不宜大于35°，同時必須保證孔口的密封良好，傾斜孔道設(shè)計如圖3所示。若較小孔徑小于10 mm時，孔壁間距離可以縮小到4 mm，一般以該值為基準(zhǔn)。但在結(jié)構(gòu)布局受限時，對于低壓閥，額定壓力6 MPa以下時，整體壓力偏低，其壁厚可以縮小到3 mm。當(dāng)較小孔道孔徑不大于25 mm時，兩相鄰孔道孔壁之間的距離應(yīng)不小于5 mm；較小孔道孔徑大于25 mm時，兩相鄰孔道孔壁之間的距離應(yīng)不小于10 mm，相鄰孔道孔間壁厚設(shè)計如圖4所示。

圖3 傾斜孔道設(shè)計

圖4 相鄰孔道孔間壁厚設(shè)計

2.5 加工工藝性

在深孔油道加工時，設(shè)計時可考慮增大孔徑或采用兩端鉆孔對接的方法。為避免污染物的沉積，對于相通的孔道，孔深一般應(yīng)到與之相通的孔道的中心線為止，深孔加工方法如圖5所示，這樣加工的孔道截面偏小，建議鉆尖到達(dá)孔對面壁上。

圖5 深孔加工方法

主級孔道和主要的先導(dǎo)孔道上應(yīng)設(shè)置必要的測壓設(shè)備接口，如圖6所示，以方便檢測液壓系統(tǒng)的工作參數(shù)，便于故障分析與排除。測壓設(shè)備一般應(yīng)安裝具有快速連接功能的測壓接頭。

圖6 預(yù)留測壓接頭

閥體加工后應(yīng)去毛刺、飛邊，清除孔道內(nèi)切屑、雜質(zhì)，并清洗干凈，保證其清潔度，避免造成卡閥等故障。加工工藝孔應(yīng)采用螺塞等可拆方式封堵，以便孔道的清理、清洗和檢查。

主級孔道的外接油口一般采用法蘭連接。對于通徑為25 mm以下的較小油口，也可采用螺紋連接。油口連接法蘭采用Parker法蘭或SAE J518標(biāo)準(zhǔn)法蘭，油口連接管接件采用Parker、伊頓等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)接頭。為了便于裝配油管及故障分析，在閥塊上的各油口旁均應(yīng)標(biāo)注注油口功能標(biāo)識，如P、A、T、B、A1、A2等。在閥塊管路設(shè)計時，由于拖拉機(jī)振動較大，因此不建議完全使用鋼管連接，如果閥塊前后與機(jī)體采用鋼管連接，在拖拉機(jī)作業(yè)過程中，由于振動，接頭密封處會產(chǎn)生滲漏油情況，因此，在管路設(shè)計時采用軟硬結(jié)合管較為妥當(dāng)。

3 液壓閥塊的選材

不同的材料決定了不同的壓力等級，根據(jù)使用壓力進(jìn)行合理選材，液壓閥塊材料可用鑄鐵、鋼、鋁合金、不銹鋼等。低壓閥塊材料可選用Q235熱軋鋼板，高壓閥塊可以用45鋼、40Cr或者鍛件，熱處理必須進(jìn)行正火處理，對于閥塊特性要求較高的需另外增加調(diào)質(zhì)處理。有防銹要求的，并且不用磨削閥塊表面的，可以用鋁合金和不銹鋼。此外，選擇材料還要綜合考慮成本問題，一般鑄鐵的成本比鋼要低，而且鑄鐵件在加工時對刀具的磨損也輕，輔材消耗也少，綜合成本相對較低。

4 液壓閥塊的加工工藝

閥塊設(shè)計完成后進(jìn)行加工，其加工工藝步驟如下。

1）加工前處理：對閥坯進(jìn)行內(nèi)部組織檢查，確保無沙眼、裂紋等缺陷，以免加工過程中發(fā)現(xiàn)缺陷導(dǎo)致資源浪費。

2）粗加工：針對閥塊設(shè)計圖紙要求，對閥體外形尺寸進(jìn)行粗加工。

3）精加工：對閥塊所有表面進(jìn)行精加工，每邊保留0.2 mm～0.4 mm磨削量即可。

4）粗磨：粗磨閥塊6面，每邊留0.05 mm～0.08 mm精磨量，并保證其平面度不大于0.03 mm，垂直度不大于0.05 mm。

5）鉆孔：對閥體各油管孔進(jìn)行鉆孔，各孔表面粗糙度為Ra6.3。

6）精磨：磨削閥體，對于與閥組配合部分應(yīng)保證粗糙度為Ra0.4。另外，其余加工時必須嚴(yán)格控制形位公差以滿足設(shè)計要求。

7）加工后處理：清理飛邊及相關(guān)毛刺。

5 液壓閥的清洗及試驗

5.1 閥塊的清洗

為了保證液壓系統(tǒng)的清潔度，必須對閥塊進(jìn)行去毛刺及相關(guān)清洗，檢查閥體是否有污垢沉積情況，在不損傷工件表面的前提下，用棉紗、毛刷、非金屬刮板清除集中污垢。對閥塊進(jìn)行加熱浸泡，將壓縮空氣通入清洗槽底部，通過氣泡的攪動作用，清洗掉殘存污物，有條件的可采用超聲波清洗，最后用熱風(fēng)干燥。

5.2 耐壓試驗

根據(jù)設(shè)計要求對閥塊進(jìn)行耐壓試驗，不同的系統(tǒng)工作壓力，其閥塊的安全系數(shù)不相同，試驗壓力應(yīng)為工作壓力的1.2～1.5倍進(jìn)行相關(guān)臺架試驗，試驗時間為5 min～10 min，各不通孔道間不得有串油現(xiàn)象，各密封面及各接頭處不得有泄漏現(xiàn)象，并安裝相關(guān)液壓閥組進(jìn)行相關(guān)性能試驗，確保各項參數(shù)正常。液壓閥塊經(jīng)過耐壓及性能試驗之后，需要進(jìn)行二次清洗檢查，待干燥后，安裝全新的相關(guān)液壓元件，外接油口用塑料螺堵封堵，后用潔凈的塑料膜進(jìn)行封裝。裝箱時還需要進(jìn)行防磕碰包裝，同時附帶性能測試報告、產(chǎn)品合格證等相關(guān)文字說明性文件。

6 結(jié)語

液壓閥塊作為液壓系統(tǒng)的核心部件，其重要性不言而喻。經(jīng)過長時間的發(fā)展，液壓閥塊的設(shè)計雖然為非標(biāo)零件設(shè)計，但和閥塊相關(guān)的附屬部件已逐漸呈現(xiàn)出系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢。在進(jìn)行閥塊選擇時，與其相配套的附屬部件應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化零件。本研究對液壓閥塊設(shè)計方面的經(jīng)驗進(jìn)行了總結(jié)，以供液壓工作者在進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計時參考。