關(guān)于拖拉機(jī)液壓管路布置的幾點(diǎn)討論

王彬彬 ， 薛文璞 ， 楊偉博 ， 宋嘉誠， 楊文娟

（第一拖拉機(jī)股份有限公司，河南 洛陽 471004）

0 引言

液壓系統(tǒng)是現(xiàn)代拖拉機(jī)不可或缺的關(guān)鍵系統(tǒng)，大多數(shù)的農(nóng)機(jī)作業(yè)都需要液壓元件的支持。隨著拖拉機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中的應(yīng)用越來越廣泛，拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)越來越復(fù)雜，這對管路布置是一個巨大的挑戰(zhàn)。

在拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)中，管路的布置對拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)的重要性不亞于對液壓元件的選型。一方面，大部分拖拉機(jī)的液壓管路暴露在外，直接影響著整機(jī)的外觀形象，而外觀形象相當(dāng)于拖拉機(jī)的一張明信片；另一方面，管路的布置對整個拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)性能有著巨大的影響[1-3]。

本文將立足于液壓系統(tǒng)在拖拉機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合對拖拉機(jī)液壓管路布置的具體要求以及拖拉機(jī)液壓管路的具體特征來討論拖拉機(jī)液壓管路布置過程中應(yīng)當(dāng)注意的相關(guān)問題。同時，結(jié)合在設(shè)計(jì)工作中遇到的問題和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，具體討論拖拉機(jī)液壓管路布置。

1 管路布置總體要求

在進(jìn)行拖拉機(jī)管路布置設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)要求[4-5]：

1）美觀，橫平豎直、排列緊湊，緊貼機(jī)體。管路布局整體要美觀，不能給人雜亂無章的感覺。

2）自然，軟管不被拉緊、扭曲、摩擦、彎成過小半徑。管路連接點(diǎn)要盡量平順，盡量避免出現(xiàn)錯位的現(xiàn)象。

3）合理，既保證流道最佳流動狀態(tài)，又經(jīng)濟(jì)利用材料，同時不能出現(xiàn)局部節(jié)流的問題。液壓系統(tǒng)節(jié)流將會導(dǎo)致部件功能下降，系統(tǒng)產(chǎn)熱量升高，影響整體性能的發(fā)揮，在設(shè)計(jì)時應(yīng)避免管路局部節(jié)流的出現(xiàn)。

4）可靠，連接處不得在元件連接面上誘發(fā)應(yīng)力，影響密封。

5）方便，能單獨(dú)拆除并且不妨礙其他元件調(diào)修、更換。簡單來說就是裝配工藝性要好。在進(jìn)行管路布置設(shè)計(jì)過程中，不僅從理論上可行，更多的要求是要具備良好的裝配工藝性能，以便于市場的維修更換和故障判斷。

6）安全，盡量避開高溫、腐蝕區(qū)域。液壓管路在保證其性能的前提下，合理避開高溫、腐蝕區(qū)域，有利于延長使用壽命，保證人員安全。

2 拖拉機(jī)液壓管路特征

拖拉機(jī)液壓管路按照系統(tǒng)壓力劃分可分為高壓管路和低壓管路兩個部分，按照存在運(yùn)動與否可分為靜止管路和運(yùn)動管路。

2.1 壓力特征

在拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)中同時存在高壓管路和低壓管路。高壓系統(tǒng)如液壓提升系統(tǒng)，一般壓力在17 MPa~23 MPa之間。低壓系統(tǒng)如散熱潤滑系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和液壓制動系統(tǒng)等。拖拉機(jī)的低壓系統(tǒng)，管路所承受的壓力一般不超過10 MPa。在不同壓力需求的液壓系統(tǒng)中，對管路的抗壓能力有著不同的要求，在進(jìn)行管路選型和布置時，應(yīng)在充分考慮滿足性能需求的同時將生產(chǎn)成本控制到最低。

2.2 運(yùn)動特征

拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)中同時存在靜止管路和運(yùn)動管路兩種狀態(tài)。拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)中，較為典型的運(yùn)動管路存在于提升系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中。由于受結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)的限制，提升油缸和轉(zhuǎn)向油缸作為運(yùn)動件，和其連接的管路就不可避免地存在相對運(yùn)動。其他系統(tǒng)，如潤滑散熱系統(tǒng)和液壓制動系統(tǒng)的管路則一般為靜止管路。

2.3 選型特征

在對液壓管路進(jìn)行選型時，一般選擇管路的額定承壓能力為系統(tǒng)壓力的1.5~2倍，爆破壓力為系統(tǒng)壓力的3~5倍。如此，在保證系統(tǒng)正常工作的同時，可有效地控制成本。

對于存在運(yùn)動情況的管路，在設(shè)計(jì)時優(yōu)先考慮軟管方案；而對于工作過程不存在運(yùn)動情況的管路，為了保證其美觀、可靠以及低成本等，可優(yōu)先選擇硬管。

硬管連接的優(yōu)點(diǎn)是外觀質(zhì)量容易保持一致，并且使用壽命長。硬管連接的缺點(diǎn)是對生產(chǎn)制造的精度要求較高，容易出現(xiàn)批量裝配事故。

軟管連接的優(yōu)點(diǎn)是對尺寸要求較低，便于裝配。軟管連接的缺點(diǎn)是抗老化性能較差。

在具體的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的工況和條件進(jìn)行相關(guān)管路的選擇。

3 拖拉機(jī)管路布置考慮因素

3.1 零件誤差的影響

在進(jìn)行拖拉機(jī)管路布置設(shè)計(jì)時，首要考慮的是誤差對整體布局的影響。因?yàn)榱悴考纳a(chǎn)制造不可避免地會存在一些誤差，當(dāng)眾多零件的誤差全部積累到一點(diǎn)或一處時，會對產(chǎn)品產(chǎn)生惡劣的影響。因此，在進(jìn)行拖拉機(jī)液壓管路設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分考慮零件的制造誤差和實(shí)際裝配的相互關(guān)系。

同時，拖拉機(jī)行業(yè)不同于其他大規(guī)模批量生產(chǎn)的行業(yè)，其具有行業(yè)需求量相對穩(wěn)定、數(shù)量規(guī)模有限的特征。這也嚴(yán)重影響著拖拉機(jī)零部件的規(guī)模化大批量生產(chǎn)。

特別是拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)管路，存在種類多且難以形成規(guī)模化生產(chǎn)的問題。對管路生產(chǎn)過分要求精度，不利于成本的控制。合理并適當(dāng)?shù)卦试S管路在生產(chǎn)過程中存在一定的誤差，有助于降低生產(chǎn)成本。

為了解決零件制造誤差對裝配和機(jī)器整體性能的影響，在汽車和飛機(jī)制造業(yè)中，有大量的科技人員進(jìn)行了容差設(shè)計(jì)（或者稱為容錯設(shè)計(jì)）方面的研究。

零件的累積誤差對產(chǎn)品性能的影響及經(jīng)濟(jì)地分配容差的方法叫作容差設(shè)計(jì)。容差設(shè)計(jì)分為容差分析和容差分配。在這里面，最為關(guān)鍵的是容差分配。這個概念是根據(jù)大批量生產(chǎn)對生產(chǎn)效率和制造質(zhì)量的要求提出的。在零部件滿足完全互換的情況下，綜合考慮制造工藝性來確定每個零部件制造時的允許偏差（或誤差）。

綜合來講，一個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞在于其裝配容錯能力的高低。

3.2 液壓元件的影響

一般情況下，在拖拉機(jī)液壓元件，如泵、閥、油缸等布置確定以后才進(jìn)行管路方面的布置。因此，管路的布置不可避免地需要避讓一些其他的操縱機(jī)構(gòu)或部件。

理想的管路布置應(yīng)當(dāng)是沿著機(jī)體或者其他部件進(jìn)行仿形布置，但這樣會無形中增加管路的制造難度和生產(chǎn)成本。

為了降低拖拉機(jī)液壓管路布置的難度，同時兼顧后續(xù)市場的可維修性，應(yīng)合理地布置液壓元件，使得液壓元件之間的連接管路越簡單越好[6-7]。

4 管路布置的具體討論

4.1 靜止管路

4.1.1 裝配容錯性能

拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)中，靜態(tài)管路的布置首要考慮的因素是管路連接過程抵抗零件誤差的能力，即零部件的容錯能力。根據(jù)裝配容錯的理念和思路，在實(shí)際裝配過程中，應(yīng)盡量避免管路的累計(jì)誤差積累到某一處或某一區(qū)域。將不同零部件的積累誤差分散到不同的點(diǎn)，有利于提高系統(tǒng)整體的裝配容錯性能。

在兩個連接點(diǎn)之間的管路，應(yīng)盡量避免全鋼管剛性連接。全剛性連接容易使連接面上產(chǎn)生誘發(fā)應(yīng)力，導(dǎo)致連接接頭處密封性差。同時，全剛性連接的管路不利于對零件制造誤差的消除。一旦零件誤差較大，輕則導(dǎo)致裝配困難，重則使管路產(chǎn)生嚴(yán)重的局部變形，降低管路的流通性能并產(chǎn)生局部節(jié)流，影響零件壽命，降低系統(tǒng)管路品質(zhì)。

典型的拖拉機(jī)低壓吸油管路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。為了抵消零件誤差對系統(tǒng)的影響，在低壓吸油管路中，設(shè)計(jì)了連接套的結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配容錯。在該系統(tǒng)中，過濾器左側(cè)采用橡膠套連接，可以抵消后吸油管縱向上的誤差。如圖2所示，濾筒支架上固定濾筒的連接孔設(shè)計(jì)為橫向的長孔，以消減濾筒兩側(cè)零件橫向的制造誤差。這樣一來，在濾筒支架處就形成了一個系統(tǒng)容錯點(diǎn)，可最大限度地降低零件誤差對系統(tǒng)管路裝配的影響，增強(qiáng)管路的可靠性。

圖1 典型拖拉機(jī)吸油管路

圖2 濾筒安裝支架結(jié)構(gòu)

一般來講，兩個液壓元件之間的連接管路不超過三段。管路的每個連接點(diǎn)可以作為零件誤差的吸收點(diǎn)，以分散整個管路中的累計(jì)誤差。

為了減小零件的制造誤差，應(yīng)盡量避免單個零件的空間體積和尺寸過大。相對來說，體積和尺寸越大，零件的制造誤差也就越大。

直徑不大于Φ20 mm的硬管，長度應(yīng)盡量控制在1 500 mm以內(nèi)。

在零件誤差較大，對管路連接影響強(qiáng)烈的情況下，亦可考慮采用軟硬結(jié)合管的連接方式進(jìn)行管路布置。如管路需要連接在兩個分體的總成上面，或者液壓元件的空間固定位置難以保證一致的情況下，為了兼顧管路的外觀，可考慮軟硬結(jié)合管的布置方案。

4.1.2 折彎半徑和彎曲角度

在硬管的具體布置中，不可避免地有一部分管路需要折彎以避讓其他部件。相關(guān)研究表明[8-10]，管路折彎處的彎曲角度和圓角半徑對管路內(nèi)部液壓油的流動性能有明顯的影響。彎曲角度越小，液壓油流動越穩(wěn)定，局部損失也越小。同時，折彎處圓角越大，管路內(nèi)液壓油流動越穩(wěn)定，局部損失也越小。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在硬管需要折彎時，折彎半徑不小于管路直徑的2.5~3倍時，才能保證折彎處基本無截面損失。因此，在硬管的設(shè)計(jì)中，存在折彎的管路，其折彎半徑不應(yīng)小于硬管直徑的2.5倍。

4.1.3 管路固定的考慮

針對拖拉機(jī)液壓管路進(jìn)行固定也是非常重要的。管路固定可以保證管路美觀，避免管路在使用過程中因受振動或外力而遭到損壞，是延長管路使用壽命的有效手段。

在拖拉機(jī)管路布置過程中，應(yīng)盡量避免硬管的長距離懸空。硬管懸空距離過長容易受到拖拉機(jī)振動的影響，容易使液壓流量產(chǎn)生輕微的波動，不利于液壓元件工作的平順性。同時，長距離懸空的硬管在拖拉機(jī)工作過程中，有被田間雜物掛彎的風(fēng)險，同樣不利于液壓元件性能的充分發(fā)揮。

根據(jù)多年來的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建議管路直徑小于Φ18 mm的硬管懸空長度超過1 m時需要考慮增加固定。

針對管路的固定，需要設(shè)計(jì)專用支架時，應(yīng)考慮支架的固定位置和可調(diào)整性。固定支架的位置應(yīng)靠近單一管路的中間部位或兩個存在連接點(diǎn)管路的連接點(diǎn)附近，如圖3所示。如此，可最大限度地保證管路的固定對管路自身的影響最小。在有必要的情況下，可將支架制作成上下方向或左右方向可調(diào)整的結(jié)構(gòu)，避免支架在固定管路時對管路產(chǎn)生硬拉或硬推的應(yīng)力。

圖3 油管固定支架位置的選擇

在管路的具體固定方式的選擇上，主要有塑料管夾、金屬管卡和連膠條卡箍等幾種形式，如圖4所示。圖4（a）所示的管夾，適合兩根相近的硬管的固定。塑料管夾也可做成單孔的形式，進(jìn)行單根硬管的固定。對于同時需要固定三個或三個以上的，可選用金屬管卡或金屬與橡膠相結(jié)合的固定方式，如圖4（b）所示。針對管路固定時僅需要起到輔助支撐作用的情況，可選用圖4（c）所示的連膠條卡箍的固定方案。值得注意的是，在使用塑料管夾和金屬管卡對管路進(jìn)行固定時，管路形成的剛性程度大。而連膠條卡箍固定的管路，不能抵抗較大程度的受力。

圖4 幾種常用的油管固定形式

在管路固定中應(yīng)盡量避免使用焊接卡片固定的方式，此種方式容易因焊接原因?qū)苈吩斐删植繐p傷，影響管路的使用可靠性。同時，若管路存在振動，焊接部位將會加大管路漏油的風(fēng)險。

4.2 運(yùn)動管路

液壓元件作為拖拉機(jī)的主要工作部件，在拖拉機(jī)上經(jīng)常會遇到工作中需要有相對運(yùn)動的管路。

4.2.1 空間要求

對于存在相對運(yùn)動的軟管，應(yīng)當(dāng)預(yù)留足夠的運(yùn)動空間。在此類管路的設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免管路裝配和運(yùn)動過程中出現(xiàn)打彎嚴(yán)重或者擠死的現(xiàn)象。

在裝配后，軟管產(chǎn)生彎曲時，其彎曲處的彎曲半徑應(yīng)不小于管路直徑的3倍。需要對軟管進(jìn)行固定時，其固定處應(yīng)圓滑過渡，不應(yīng)出現(xiàn)尖角的現(xiàn)象。

軟管在運(yùn)動過程中同樣不能使軟管產(chǎn)生較大的彎曲或扭曲。

4.2.2 接頭連接

將貫穿軟管連段的連線方向定義為軸向方向，軟管兩端連線的截面方向定義為徑向方向。因?yàn)檐浌茉诠ぷ鬟^程中存在運(yùn)動，管路接頭處就不可避免地在運(yùn)動過程中受到軸向或者徑向的力。在管路接頭長時間受力的情況下，管路的疲勞容易加劇。

存在相對運(yùn)動的軟管兩端的連接點(diǎn)，在裝配和運(yùn)動過程中不應(yīng)當(dāng)使軟管產(chǎn)生徑向扭曲。軟管在運(yùn)動過程中徑向產(chǎn)生扭曲，將會縮短軟管的使用壽命。同時，軟管連接處在管路的不斷運(yùn)動下會造成管路接頭的松動，將非常不利于管路的密封。

5 結(jié)語

管路布置是拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。在本文中，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多年的液壓管路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對拖拉機(jī)液壓管路在布置過程中需要注意的問題進(jìn)行了總結(jié)，并討論了相關(guān)的解決方案，為拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了一些參考和建議。