關于拖拉機液壓管路布置的幾點討論

王彬彬 ， 薛文璞 ， 楊偉博 ， 宋嘉誠， 楊文娟

（第一拖拉機股份有限公司，河南 洛陽 471004）

0 引言

液壓系統是現代拖拉機不可或缺的關鍵系統，大多數的農機作業都需要液壓元件的支持。隨著拖拉機在農業生產活動中的應用越來越廣泛，拖拉機液壓系統越來越復雜，這對管路布置是一個巨大的挑戰。

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

本文將立足于液壓系統在拖拉機上的實際應用，結合對拖拉機液壓管路布置的具體要求以及拖拉機液壓管路的具體特征來討論拖拉機液壓管路布置過程中應當注意的相關問題。同時，結合在設計工作中遇到的問題和相關經驗，具體討論拖拉機液壓管路布置。

1 管路布置總體要求

在進行拖拉機管路布置設計時，應考慮以下幾點要求[4-5]：

1）美觀，橫平豎直、排列緊湊，緊貼機體。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。管路連接點要盡量平順，盡量避免出現錯位的現象。

3）合理，既保證流道最佳流動狀態，又經濟利用材料，同時不能出現局部節流的問題。液壓系統節流將會導致部件功能下降，系統產熱量升高，影響整體性能的發揮，在設計時應避免管路局部節流的出現。

4）可靠，連接處不得在元件連接面上誘發應力，影響密封。

5）方便，能單獨拆除并且不妨礙其他元件調修、更換。簡單來說就是裝配工藝性要好。在進行管路布置設計過程中，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、腐蝕區域。液壓管路在保證其性能的前提下，合理避開高溫、腐蝕區域，有利于延長使用壽命，保證人員安全。

2 拖拉機液壓管路特征

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

2.1 壓力特征

在拖拉機液壓系統中同時存在高壓管路和低壓管路。高壓系統如液壓提升系統，一般壓力在17 MPa~23 MPa之間。低壓系統如散熱潤滑系統、液壓轉向系統和液壓制動系統等。拖拉機的低壓系統，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中，對管路的抗壓能力有著不同的要求，在進行管路選型和布置時，應在充分考慮滿足性能需求的同時將生產成本控制到最低。

2.2 運動特征

拖拉機液壓系統中同時存在靜止管路和運動管路兩種狀態。拖拉機液壓系統中，較為典型的運動管路存在于提升系統和轉向系統中。由于受結構本身特點的限制，提升油缸和轉向油缸作為運動件，和其連接的管路就不可避免地存在相對運動。其他系統，如潤滑散熱系統和液壓制動系統的管路則一般為靜止管路。

2.3 選型特征

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

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

硬管連接的優點是外觀質量容易保持一致，并且使用壽命長。硬管連接的缺點是對生產制造的精度要求較高，容易出現批量裝配事故。

軟管連接的優點是對尺寸要求較低，便于裝配。軟管連接的缺點是抗老化性能較差。

在具體的設計中，應當根據具體的工況和條件進行相關管路的選擇。

3 拖拉機管路布置考慮因素

3.1 零件誤差的影響

在進行拖拉機管路布置設計時，首要考慮的是誤差對整體布局的影響。因為零部件的生產制造不可避免地會存在一些誤差，當眾多零件的誤差全部積累到一點或一處時，會對產品產生惡劣的影響。因此，在進行拖拉機液壓管路設計時，應充分考慮零件的制造誤差和實際裝配的相互關系。

同時，拖拉機行業不同于其他大規模批量生產的行業，其具有行業需求量相對穩定、數量規模有限的特征。這也嚴重影響著拖拉機零部件的規模化大批量生產。

特別是拖拉機液壓系統管路，存在種類多且難以形成規模化生產的問題。對管路生產過分要求精度，不利于成本的控制。合理并適當地允許管路在生產過程中存在一定的誤差，有助于降低生產成本。

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

零件的累積誤差對產品性能的影響及經濟地分配容差的方法叫作容差設計。容差設計分為容差分析和容差分配。在這里面，最為關鍵的是容差分配。這個概念是根據大批量生產對生產效率和制造質量的要求提出的。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，一個系統設計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，在拖拉機液壓元件，如泵、閥、油缸等布置確定以后才進行管路方面的布置。因此，管路的布置不可避免地需要避讓一些其他的操縱機構或部件。

理想的管路布置應當是沿著機體或者其他部件進行仿形布置，但這樣會無形中增加管路的制造難度和生產成本。

為了降低拖拉機液壓管路布置的難度，同時兼顧后續市場的可維修性，應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

拖拉機液壓系統中，靜態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。根據裝配容錯的理念和思路，在實際裝配過程中，應盡量避免管路的累計誤差積累到某一處或某一區域。將不同零部件的積累誤差分散到不同的點，有利于提高系統整體的裝配容錯性能。

在兩個連接點之間的管路，應盡量避免全鋼管剛性連接。全剛性連接容易使連接面上產生誘發應力，導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，輕則導致裝配困難，重則使管路產生嚴重的局部變形，降低管路的流通性能并產生局部節流，影響零件壽命，降低系統管路品質。

典型的拖拉機低壓吸油管路結構圖如圖1所示。為了抵消零件誤差對系統的影響，在低壓吸油管路中，設計了連接套的結構進行裝配容錯。在該系統中，過濾器左側采用橡膠套連接，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計為橫向的長孔，以消減濾筒兩側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容錯點，可最大限度地降低零件誤差對系統管路裝配的影響，增強管路的可靠性。

圖1 典型拖拉機吸油管路

圖2 濾筒安裝支架結構

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

為了減小零件的制造誤差，應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，長度應盡量控制在1 500 mm以內。

在零件誤差較大，對管路連接影響強烈的情況下，亦可考慮采用軟硬結合管的連接方式進行管路布置。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，液壓油流動越穩定，局部損失也越小。同時，折彎處圓角越大，管路內液壓油流動越穩定，局部損失也越小。

根據經驗，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，在硬管的設計中，存在折彎的管路，其折彎半徑不應小于硬管直徑的2.5倍。

4.1.3 管路固定的考慮

針對拖拉機液壓管路進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。

在拖拉機管路布置過程中，應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振動的影響，容易使液壓流量產生輕微的波動，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工作過程中，有被田間雜物掛彎的風險，同樣不利于液壓元件性能的充分發揮。

根據多年來的實際經驗，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，需要設計專用支架時，應考慮支架的固定位置和可調整性。固定支架的位置應靠近單一管路的中間部位或兩個存在連接點管路的連接點附近，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整的結構，避免支架在固定管路時對管路產生硬拉或硬推的應力。

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對管路造成局部損傷，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險。

4.2 運動管路

液壓元件作為拖拉機的主要工作部件，在拖拉機上經常會遇到工作中需要有相對運動的管路。

4.2.1 空間要求

對于存在相對運動的軟管，應當預留足夠的運動空間。在此類管路的設計中，應避免管路裝配和運動過程中出現打彎嚴重或者擠死的現象。

在裝配后，軟管產生彎曲時，其彎曲處的彎曲半徑應不小于管路直徑的3倍。需要對軟管進行固定時，其固定處應圓滑過渡，不應出現尖角的現象。

軟管在運動過程中同樣不能使軟管產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。因為軟管在工作過程中存在運動，管路接頭處就不可避免地在運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。

存在相對運動的軟管兩端的連接點，在裝配和運動過程中不應當使軟管產生徑向扭曲。軟管在運動過程中徑向產生扭曲，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 結語

管路布置是拖拉機液壓系統設計中的重要環節。在本文中，研究團隊結合多年的液壓管路設計經驗，對拖拉機液壓管路在布置過程中需要注意的問題進行了總結，并討論了相關的解決方案，為拖拉機液壓系統設計人員提供了一些參考和建議。