丘陵山地拖拉機懸掛液壓集成閥塊結構參數設計及優化

摘要：液壓集成閥塊作為丘陵山地拖拉機液壓系統的重要組成部分，可減少液壓元件之間連接管的數量，對解決因油管連接而引起的油液泄露問題具有重要意義。針對丘陵山地拖拉機電液懸掛系統工作性能要求，設計一組用于懸掛系統姿態調節的液壓集成閥塊，對其主要結構參數進行設計計算，建立液壓集成閥塊三維模型。根據刀尖角、工藝孔、非正交流道單目標優化結果，組合流道響應面分析結果、整體流道CFD分析結果和流固耦合分析結果，對液壓集成塊內部流道結構進行優化設計。最后，通過CFD仿真與流固耦合仿真對比優化前后性能。仿真結果表明：優化后的A口供油橫向姿態調節進油流道和回油流道壓力損失相比于優化前分別減小0.005 MPa、0.013 MPa，B口供油橫向姿態調節進油流道和回油流道壓力損失相比于優化前分別減小0.048 MPa、0.015 MPa，升降回路進油流道和回油流道壓力損失相比于優化前分別減小0.129 MPa、0.003 MPa，驗證優化后閥塊性能的優越性。

關鍵詞：丘陵山地;拖拉機；電液懸掛系統；液壓集成閥塊；CFD仿真；結構優化

中圖分類號：S232.3" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0153?06

Design and optimization of structural parameters for hydraulic integrated block of

tractor suspension in hilly and mountainous areas

Li Wei Zhang Xiumei Shao Mingxi

（1. The Open University of China， Beijing， 100039， China; 2. Weifang University of Science and Technology，

Shouguang， 262700， China）

Abstract： As an important component of the hydraulic system of hilly and mountainous tractor， hydraulic integrated blocks can reduce the number of connecting pipes between hydraulic components， and are of great significance in solving the problem of oil leakage caused by oil pipe connections. In this paper， a hydraulic integrated block for attitude adjustment of the suspension system was designed according to the performance requirements of the electro?hydraulic suspension system for hilly and mountainous tractor， the main structural parameters were designed and calculated， meanwhile， a three?dimensional model of the hydraulic integrated block was established. The internal flow channel structure of the hydraulic integrated block was optimized based on the single?objective optimization results of the tool tip angle， process holes， and non?orthogonal channel， the response surface analysis of the combined flow channel， the CFD analysis of the overall flow channel， and the fluid?solid coupling analysis. Finally， the CFD simulation and fluid?solid coupling simulation are used to compare the performance before and after optimization. The simulation results showed that： after optimization，" the pressure loss of the inlet and return channels of the lateral attitude adjustment of the oil supply to port A is reduced by 0.005 MPa and 0.013 MPa， respectively， compared with that before optimization. The pressure loss of the inlet and return channels of the lateral attitude adjustment of the oil supply to port B is reduced by 0.048 MPa and 0.015 MPa， respectively. The pressure losses in the inlet and return channels of the lifting circuit decreased by 0.129 MPa and 0.003 MPa， respectively， which verified the superiority of optimized hydraulic integrated block.

Keywords： hilly and mountainous areas; tractors; electro?hydraulic suspension system; hydraulic manifold block; CFD simulation; structural optimization

0 引言

我國地形復雜多變，丘陵山地面積廣闊，山地農業是我國農業重要組成部分[1]。由于山地環境復雜，地面高低不平，地塊形狀不規則，普通拖拉機在山區行駛和作業過程中農具傾斜晃動嚴重，工作效率降低，甚至會發生側翻等事故，嚴重影響生產作業質量和駕駛舒適性。同時傳統拖拉機上采用的普通機液式懸掛系統組成復雜、體積大、操作精度一般，生產作業時較難精準調整，所以電液式懸掛系統在拖拉機上的應用越來越普遍[2]。其中，液壓集成閥塊是液壓系統中的重要部件，采用集成閥塊作為元件連接的核心，能夠明顯改善內部油路連接，簡化液壓系統的復雜程度，提高系統整體的可適應性，具有結構緊湊、方便安裝與調試等優點[3]。因此，對丘陵山地拖拉機電液懸掛系統中液壓集成閥塊結構參數進行設計與優化是十分有必要的。

隨著國內農業技術的不斷發展，液壓技術和控制技術、傳感技術等新技術相結合，使液壓系統在控制精度和控制效率上有了較大提高，電控液壓系統在工程機械、航空航天、汽車制造等領域應用越來越廣泛[4， 5]。國內外對丘陵山地拖拉機懸掛液壓回路整體設計與控制系統的研究較多，如Sudo等[6]通過旋轉探針法研究了光滑圓形彎道內紊流流場的分布特點，繪出了多個軸向截面的速度等值曲線圖和矢量圖。Rajda等[7]根據液壓系統中三位四通液控換向閥和單向閥內部油液壓力損失較大的情況，提出用四個插裝閥來代替液控換向閥主閥體部分結構和單向閥的設想，經過CFD仿真比較，表明液壓系統采用新的換向閥形式能夠有效降低壓力損失，其壓力損失比原液控換向閥降低了約35%～41%，但是并沒有進一步對替換的流道結構進行再優化，找出最佳的流道結構參數。Barbara等[8]使用CFD分析、文獻中的經驗和半經驗公式以及試驗測量等多種方法研究了液壓集成閥塊中的壓力損失，通過對比表明，CFD分析能夠反映不同物理模型壓力損失曲線的正確趨勢。杜經民等[9]針對液壓集成閥塊流道內油液不同的流動方式建立管道流場的數學模型和三維物理模型，在CFD仿真過程中，采用低雷諾數的k-ε湍流模型進行仿真計算，總結出典型流道結構形式與油液局部壓力損失之間的影響規律。陳長遠[10]通過對集成閥進行流體分析，明確了轉角處旋渦和管徑突變是流道壓力損失的主要原因，通過CFD仿真對其流道結構進行了優化設計，出口壓力提高33.9%。韋翠華[11]研究了插裝閥對集成閥塊流場和壓力損失的影響，分別從插裝閥相同閥口開度、不同壓力損失和相同壓力損失、不同閥口開度來研究流體截面上的壓力、速度、速度矢量等參數的變化，得出了加工尖角、工藝孔出口等結構特征對壓力和流速的影響狀況。張超等[12]采用選區激光熔化技術對液壓閥塊進行了設計加工，提高了閥塊及其流道的設計自由度，降低了流道壓力損失。

綜上，當前對于電液懸掛系統中液壓集成閥塊的設計研究較少。本文以液壓集成閥塊為研究對象，綜合考慮液壓集成閥塊的基本設計要求與丘陵山地拖拉機電液懸掛系統的性能要求，對液壓集成閥塊的主要參數進行設計計算，并基于SolidWorks軟件建立集成閥塊三維模型；依據刀尖角、工藝孔、非正交流道單目標優化結果，組合流道響應面分析結果，整體流道CFD分析結果和流固耦合分析結果，對液壓集成閥塊結構進行優化設計。最后，通過CFD仿真對優化后的橫向姿態調節回路和升降回路進行分析。

1 系統設計及關鍵參數計算

1.1 液壓系統回路設計

丘陵山地拖拉機在現代農業中發揮著重要作用，對提高我國丘陵地區耕種效率，提高農業機械化水平具有重要意義。通過分析某型丘陵山地拖拉機電液懸掛系統性能要求，設計電液懸掛系統液壓回路如圖1所示。

此液壓回路包括兩部分：橫向姿態調節液壓回路和升降液壓回路。橫向姿態調節液壓回路主要由三位五通換向閥、液控單向閥、單向節流閥、定差減壓閥、節流閥、單向閥以及橫向姿態調節液壓缸等組成。定差減壓閥可保證三位五通換向閥進出口壓差恒定。三位五通換向閥控制橫向姿態調節液壓缸的運動，當換向閥通電向左位移動時，橫向姿態調節液壓缸上半腔進油，下半腔回油；當換向閥通電向右位移動時，則橫向姿態調節液壓缸下半腔進油，上半腔回油；當換向閥處于中位時，由于液控單向閥起截止作用，液壓油被保持在液壓缸的上下腔中。當三位五通換向閥在左位或者右位工作時，液控單向閥被打開，功能相當于普通單向閥；當三位五通換向閥處于中位閉合狀態時，橫向姿態調節液壓缸無法進油，由于液控單向閥的導通特性，液壓缸中的油液被截止保持，使液壓缸活塞能穩定在某一位置[13]。通過橫向姿態調節液壓缸的調節，能使后懸掛和農具的水平角度在一定范圍內調整。

升降液壓回路主要由兩位三通換向閥（下文簡稱提升閥）、兩位兩通換向閥（下文簡稱下降閥）、定差減壓閥、單向閥、溢流閥、升降液壓缸等組成。定差減壓閥可以對提升閥進行閥前壓力補償，從而使提升閥進出口的壓差保持恒定。當懸掛機構提升農具時，提升閥電磁線圈通電，下降閥電磁線圈斷電，液壓油流經提升閥進入升降液壓缸，使懸掛機構和農具上升；定差減壓閥可以使提升閥進出口之間的壓差保持穩定，從而可以保證農具的提升速度只與提升閥閥口開度大小有關，適合應用在作業地形復雜、速度要求平穩的丘陵山地拖拉機電液懸掛系統中。當農具下降時，下降閥電磁線圈通電，提升閥電磁線圈斷電，升降液壓缸內的液壓油經下降閥流回油箱，農具下降。當農具處于位置保持狀態時，提升閥和下降閥電磁線圈均斷電，升降液壓缸中的液壓油無法流通，懸掛機構可以進行位置保持。差壓式溢流閥、單向閥組成負載反饋系統，負載反饋是指通過具有反饋油液壓力的液壓閥向液壓系統進行負載反饋，通過反饋的壓力大小調節液壓系統的壓力與流量輸出。液壓泵輸送的油液一部分供給液壓回路，另一部分流向差壓式溢流閥溢流，保持系統整體壓力穩定。當負載反饋壓力瞬間過大時，溢流閥開啟，進行溢流，使液壓系統不被高壓破壞。當兩條液壓回路一起工作時，單向閥能將最高負載壓力反饋至差壓式溢流閥的彈簧端，調節液壓泵的出口壓力，實現多路同時穩定工作。

1.2 關鍵參數計算

根據相關設計手冊，可得液壓集成閥塊進、出油口直徑計算[14， 15]如式（1）所示。

液壓集成閥塊內部流道的推薦平均流速為2.5～10 m/s，本文取平均流速為7 m/s。通過式（1）計算得集成閥塊進油口直徑為6.970 mm。為保證進油流道能提供足夠的液壓油，取進油口直徑為8 mm；為保證系統安全，出油口直徑一般大于進油口，所以取出油口直徑為10 mm。

液壓集成閥塊相鄰流道之間必須擁有一定距離，防止集成閥塊內部流道因為油液壓力而發生破壞，能夠保證流道強度要求的最小壁厚就被成為最小安全壁厚。安全壁厚的計算如式（2）所示。

安全系數n的大小與流道內油液的工作壓力有關，安全系數與流道內最高工作壓力的具體對應關系如表1所示。本文中液壓系統的最大供油壓力為16 MPa，所以安全系數n取為6。

一般當液壓系統的工作壓力低于21 MPa時，集成閥塊的材料多選擇為鋁合金。鋁合金具有密度小，耐腐蝕性好，機加工方便，容易去除加工深孔時產生的毛刺等優點。本文集成閥塊選用鎂鋁合金作為材料，鎂鋁合金的抗拉伸強度為305 MPa。根據式（2）和式（3）可得流道的最小安全壁厚為2.098 mm，考慮加工時加工誤差的影響，取最小安全壁厚為5 mm。

2 集成閥塊設計及建模

2.1 液壓集成閥塊設計

2.1.1 設計要求

液壓集成塊的一般設計要求有[16]：（1）需滿足液壓回路圖所表達的基本內容；（2）流道長度盡可能短，彎道教少，油液壓力損失盡可能小；（3）連接孔數量少，特別是細長孔數量少，盡量減少斜孔連接；（4）元件布置要緊湊合理，相同功能的液壓元件應盡量布置在一起。

2.1.2 集成閥塊結構設計

為了保證丘陵山地拖拉機工作性能穩定，可進行多種作業模式，按照回路功能不同分別設計成不同的集成塊，再將集成塊并聯組成集成塊組進行使用， 保證液壓系統的可拓展性。 在進行集成塊設計時，各個集成塊上的主流道應布置同一位置，保證不同集成塊并聯之后可以進行使用。滿足本文液壓回路的工作需求需要設計三個集成塊：懸掛機構橫向調節液壓集成塊1個、升降集成塊1個、負載反饋集成塊1個，同時需要1個蓋板密封主油路。

2.2 集成閥塊三維建模

負載反饋集成閥塊設計有總進油口和回油口，橫向姿態調節集成閥塊與升降集成閥塊進、回油道均與負載反饋集成閥塊進、回油道并聯。負載反饋集成閥塊上布置有溢流閥與差壓式溢流閥，三維模型如圖2所示。

橫向姿態調節集成閥塊負責為后懸掛系統中橫向姿態調節液壓缸供油，設有兩個工作油口。該集成閥塊上布置有三位五通換向閥、液控單向閥、單向節流閥、定差減壓閥、節流閥與負載反饋油路單向閥，三維模型如圖3所示。

升降集成閥塊負責為后懸掛系統中升降液壓缸供油，該液壓缸依靠懸掛系統自重回油，設有一個工作油口。該集成閥塊上布置有定差減壓閥、提升閥、下降閥、溢流閥與負載反饋單向閥，三維模型如圖4所示。

將選配的各型液壓閥安裝到集成閥塊中，并將三組集成閥塊與蓋板組裝，可以得到液壓集成閥塊組裝模型如圖5所示。

3 流道優化及仿真分析

綜合刀尖角、工藝孔、非正交流道單目標優化結果，組合流道響應面分析結果以及整體流道CFD分析結果和流固耦合分析結果，對液壓集成閥塊內部流道結構進行優化設計。

利用SolidWorks的組合刪減功能，將集成塊和各液壓閥進行組合，刪減提取出各回路流道模型。將橫向調節回路流道模型進行網格劃分，并對結構復雜處進行網格細化設置，檢查網格質量良好后，導入Fluent軟件中進行CFD仿真。通過CFD仿真與流固耦合仿真對比優化前后性能，驗證流道優化的準確性。

3.1 集成閥塊流道優化

壓力損失是判斷集成閥塊性能的重要指標，所以本文以減小壓力損失作為集成閥塊流道優化的基本目標。依據刀尖角、工藝孔、非正交流道等單目標優化結果，組合流道 響應面分析結果，整體流道CFD仿真結果和流固耦合仿真結果，對液壓集成閥塊流道結構進行優化調整。

在優化過程中，流道末端的刀尖角結構采用A型刀尖角，且刀尖角長度為0的結構形式，以降低刀尖角容腔對管道造成的壓力損失；優先使用釆用正交流道而不使用非正交流道結構；若結構設計或布局方式要求一定要采用非正交結構時，應保證兩相交流道的軸線距離slt;4 mm，且s越小越好；同時，采用響應面分析法對閥塊流道進行仿真分析。優化后的液壓集成閥塊模型如圖6所示。

經過最小壁厚驗證，優化后集成閥塊流道壁厚均大于5 mm，滿足最小安全壁厚要求，集成閥塊流道安全。

將優化后的液壓集成閥塊進行裝配，得到丘陵山地拖拉機電液懸掛系統所用液壓集成閥塊組，裝配結果如圖7所示。

3.2 優化后橫向調節回路CFD仿真分析

經過CFD仿真計算，集成閥塊A口供油，B口回油時流道壓力云圖如圖8所示，進油流道中油液最大壓力為15.652 MPa，進口壓力為15.644 MPa，進出口壓力損失為3.644 MPa，相比于優化前減小了0.005 MPa；回油流道中油液最大壓力2.682 MPa，進口壓力為2.673 MPa，進出口壓力損失為1.173 MPa，相比于優化前減小了0.013 MPa。

橫向姿態調節流道速度云圖如圖9所示，進油流道中油液最大速度為28.225 m/s，平均速度為8.660 m/s，回油流道中油液最大速度為17.719 m/s，平均速度為4.186 m/s，符合液壓集成閥塊內流道推薦流速范圍。

橫向姿態調節集成閥塊A口供油狀態流道優化前后油液壓力損失和平均流速大小如表2所示。

集成閥塊B口供油，A口回油時流道壓力云圖如圖10所示，進油流道中油液最大壓力為16.209 MPa，進口壓力為16.197 MPa，進出口壓力損失為4.197 MPa；回油流道中油液最大壓力為2.579 MPa，進口壓力為2.577 MPa，進出口壓力損失為1.077 MPa。

橫向姿態調節流道速度云圖如圖11所示，進油流道中油液最大速度為31.792 m/s，平均速度為7.927 m/s，回油流道中油液最大速度為16.603 m/s，平均速度為4.849 m/s，符合液壓集成閥塊內流道推薦流速范圍。

橫向調節集成閥塊B口供油狀態流道優化前后油液壓力損失和平均流速大小如表3所示，優化后橫向調節集成閥塊B口供油時性能得到提高。

3.3 優化后升降回路CFD仿真分析

經過CFD仿真計算，升降流道壓力云圖如圖12所示，進油流道中油液最大壓力為13.827 MPa，進口壓力為13.815 MPa，進出口壓力損失為1.815 MPa，相比于優化前減小了0.129 MPa；回油流道中油液最大壓力1.724 MPa，進口壓力為1.722 MPa，進出口壓力損失為0.222 MPa，相比于優化前減小了0.003 MPa。

升降流道壓力速度如圖13所示，進油流道中油液最大速度為27.745 m/s，平均速度為6.668 m/s，回油流道中油液最大速度為9.928 m/s，平均速度為2.807 m/s，符合液壓集成閥塊內流道推薦流速范圍。

4 結論

1） 根據丘陵山地拖拉機電液懸掛系統工作性能要求，設計電液懸掛系統液壓回路圖；對液壓集成閥塊主要參數進行設計計算；設計出一組液壓集成閥塊，該集成閥塊能保證懸掛系統實現提升、下降和左右橫向調節后懸掛農機具的需求，使用SolidWorks軟件建立了集成閥塊三維模型。

2） 結合CFD、流固耦合仿真結果與設計要求，對液壓集成閥塊內部流道進行結構優化，建立集成閥塊優化模型，進行CFD仿真分析，對比優化前后集成閥塊壓力損失結果，驗證優化流道的優越性。仿真結果表明：集成閥塊A口供油，B口回油時，優化后橫向調節回路進油流道和回油流道壓力損失相比于優化前分別減小0.005 MPa、0.013 MPa；集成閥塊B口供油，A口回油時，優化后橫向調節回路進油流道和回油流道壓力損失相比于優化前分別減小0.048 MPa、0.015 MPa；優化后升降回路進油流道和回油流道壓力損失相比于優化前分別減小0.129 MPa、0.003 MPa。

綜上，本文所設計的液壓集成閥塊具有優良的性能，符合丘陵山地拖拉機作業需求。

參 考 文 獻

[ 1 ] 信桂新. 山地丘陵區土地資源流動與整合機制研究[D]. 重慶： 西南大學， 2016.

[ 2 ] 李明生， 葉進， 宋海蘭， 等. 拖拉機電液懸掛半物理仿真系統設計及試驗[J]. 西南大學學報（自然科學版）， 2018， 40（12）：14-21.

Li Mingsheng， Ye Jin， Song Hailan， et al. Design and test of a semi?physical simulation system for the tractor electro?hydraulic hitch [J]. Journal of Southwest University （Natural Science Edition）， 2018， 40（12）： 14-21.

[ 3 ] 史洋洋. 液壓式主動穩定桿閥塊的設計研究[D]. 南京：南京理工大學， 2018.

[ 4 ] Li Dongfei， Dai Ning， Wang Hongtao. Optimization design of hydraulic valve block and its internal flow channel based on additive manufacturing [J].Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2021， 38（3）： 373-382.

[ 5 ] 馬孟琪. 基于3D打印的液壓集成塊自動優化設計[D]. 大連： 大連理工大學， 2018.

[ 6 ] Sudo K， Sumida M， Hibara H. Experimental investigation on turbulent flow in a circular?sectioned 90?degree bend [J]. Experiments in Fluids， 1998， 25（1）： 42-49.

[ 7 ] Rajda J， Lisowski E. CFD analysis of pressure loss during flow by hydraulic directional control valve constructed from logic valves [J]. Energy conversion amp; management， 2013， 65： 285-291.

[ 8 ] Barbara Z， Giovanni C， Carlo R， et al. Pressure losses in hydraulic manifolds [J]. 2017.

[ 9 ] 杜經民， 蔡保全， 李寶仁 .某系統液壓集成塊流道液流特性分析[J]. 機床與液壓， 2010， 38（13）： 143-146.

[10] 陳長遠. 液壓集成閥塊的優化設計及增材制造仿真[D]. 蘭州： 蘭州交通大學， 2023.

[11] 韋翠華. 基于FLUENT的陶瓷磚壓機的插裝閥、充液閥和集成塊的流場分析[D]. 廣州： 廣東工業大學， 2013.

[12] 張超， 王紫慕， 周雷， 等. 液壓流道局部拓撲優化與增材制造[J]. 液壓與氣動， 2023， 47（1）： 52-62.

[13] 尚娜娜. 丘陵山地拖拉機電液懸掛液壓系統設計與特性研究[D]. 北京： 中國農業大學， 2018.

[14] 王益群. 液壓工程師技術手冊[M]. 北京： 化學工業出版社， 2010.

[15] 秦大同. 現代機械設計手冊—第4卷[M]. 北京： 化學工業出版社， 2011.

[16] 杜金鳳. 螺紋插裝電磁換向閥的設計與仿真研究[D]. 南京： 南京理工大學， 2013.