牵引车液压阀块的设计与分析

牵引车液压阀块的设计与分析

康曼娜

哈尔滨哈铁装备制造有限公司

摘　要：对牵引车液压阀块的设计步骤和原则的分析，并使用Pro/ENGINEER三维设计软件对液压阀块进行了实体建模，利用                 Pro/ENGINEER自带的Mechanica模块对液压阀块进行了有限元分析。结果表明：牵引车液压阀块整体结构性能良好，最大应力小于许用应力，符合设计的要求。

关键词：牵引车；液压阀块；Pro/ENGINEER；Mechanica；有限元分析

液压阀块又被称为油路块或阀块，主要用于集成各个液压元件。在液压阀块上安装各种液压阀、压力表以及其它液压辅助元件，来构成一个完整的液压系统。液压阀块设计的本质是对三维立体空间的孔道布置工作。早期的液压阀块设计因使用二维平面设计，没有采用先进的三维设计就要求设计人员要有较高的空间想象能力，而设计的优劣与成败在很大程度上取决于设计人员的工作经验、创造性思维和细致耐心的程度，所以是一项极其复杂并且又特别容易出错的工作，一旦设计失误就会造成液压阀块的报废及时间和材料的浪费。计算机技术和软件技术的发展，以及CAD技术的普及和广泛应用为解决上述问题创造了有利条件。目前使用UG、CATIA、PRO/E、Solidworks、CAXA实体设计等三维设计软件进行液压阀块的设计已经相当普遍，三维设计软件的应用大大提高了阀块的设计质量，降低了设计的周期。但目前使用大多局限在阀块的结构设计和装配设计，阀块内部的各油孔间壁厚的设计多为经验值，需要在产品装机试验的过程中加以验证。牵引车使用的液压阀块作为液压系统的核心部件，其产品质量直接影响到牵引车的使用性能及安全性能，如何保证液压阀块的可靠性就成为了一个重要课题。三维软件Pro/ENGINEER自带的有限元分析工具Mechanica模块可以在设计阶段对液压阀块进行有限元分析，确保阀块强度满足系统的使用要求。

1 液压阀块设计和三维建模

牵引车液压阀块总成由阀块体及其上面安装的1个卸荷阀、3个电磁换向阀、1个叠加式单向阀、1个叠加式溢流阀、2个叠加式液控单向阀、2个叠加式单向节流阀、16个接头及相关密封件组成。该阀块可以实现牵引车液压属具功能的实现。

1.1阀块油道油孔直径的确定

阀块油道的油孔直径和流速的控制有关，在流量一定的情况下，油孔直径越大，流速越小，油道的压力损失也相应小，噪音低，但当阀块体积增大时，相应的管道布置空间也将变大。吸油管路流速v≤1-2m/s（一般取1m/s以下）；对于压油管v≤3-6m/s（压力高、管道短或粘度小的情况取大值，反之取小值，局部或特殊情况可取v≤10m/s）；对于回油管路v≤1.5-2.5m/s。

阀块内油孔直径的确定可以按下式计算：

           （1）

式中：d--油孔直径 mm

      Q--流经油孔的流量 L/min

      v--油孔中允许的流速 m/s

1.2 选取阀块材料

作者本人早期设计常使用的阀块材料是Q235A，它的优点是相对其它可做阀块材料价格低廉，便于获得，加工成本低，但它最大的问题是轧制过程中的气孔、夹渣等缺陷会直接影响液压系统的稳定性，后来通过查阅相关资料、向同行业学习，阀块的材质改为了锻钢，常用的是35号钢锻造，其力学性能为杨氏弹性模量206 GPa，泊松比0.3，抗拉强度为530MPa，屈服强度为315MPa。

1.3 油道油孔间最小壁厚的确定

设计时先按厚壁管道强度理论进行近似计算确定壁厚，三维设计完成后，再利用有限元分析校核。当孔的长径比小于8时，最小壁厚一般应不小于3mm，孔的长径比大于10时，最小壁厚一般应不小于5mm，用来防止因钻头加工偏斜而造成的加工误差。

              （2）

式中：--油道油孔间最小壁厚 mm

      p--最大工作压力 MPa

d --油道油孔直径 mm

      --阀块材料的许用应力 MPa

许用应力可按下式计算：

               （3）

式中：--阀块材料的抗拉强度 MPa

      n--安全系数，对于钢管，p<7MPa时，取n=8；p<17.5MPa时，取n=6；p>17.5MPa时，取n=4。

牵引车液压系统试验压力P为16MPa，按35号钢锻材料考虑，根据公式（2）计算油道孔直径分别为6、14、18、22mm时的最小壁厚，计算结果如表1所示：

1.4 液压阀块各面油道孔的布置

根据整车总体布局，考虑便于安装、拆卸维修，所有油孔布置在除了阀块底面外的五个面上，根据油管的走向，A1、A2、A3、L5、X1孔布置在前部，B2、B3、L1、L2、L3、L4孔布置在后部， P、T1、L6孔布置在左侧，X2、T2孔口布置在右侧。

1.5 液压阀块的三维设计

根据上述设计原则、根据所用叠加阀的接口标准尺寸和安装尺寸，利用Pro/ENGINEER 5.0三维设计软件设计出液压阀块总成图。

2 液压阀块有限元分析

2.1 有限元分析

考虑到液压阀块上安装的液压阀等外购件所能承受压力均由其生产厂家检验合格，故有限元计算部分只做液压阀块本体部分。

    我们将阀块的底面设置为固定约束。阀体所受载荷为作用在孔道内壁的油液压力，方向垂直指向孔的内壁，定义P、A1、L5（包括连通孔）的压力为16MPa；定义T1、T2、L2、L3、L4（包括连通孔）的压力为0.5MPa；定义X1、X2、B2、B3、L1、A2、A3、L6（包括连通孔）的压力为5MPa。采用Mechanica模块的自动化分网格，有限元分析的应力图、位移图如图1、图2所示：

图1 应力图

图2 位移图

2.2分析结果

有限元分析，由图8应力图可以看出，液压阀块所承受的最大应力为62.59MPa，位置在A1孔内部的侧表面处；由图9位移图可以看出，液压阀块最大位移约为1.8μm，位置在A1口的侧表面处。最大应力62.59MPa小于许用应力88.3MPa，满足液压阀块安全设计要求。

3 装机试验

经过装机试验后，试验结果表明，该液压阀块没有出现漏油现象，噪声低、运行稳定、可靠。

4 结论

利用Pro/ENGINEER三维设计软件，大大提高了设计的工作效率，缩短了设计周期；利用三维软件虚拟装配，将复杂的结构简单化；通过Mechanica模块对液压阀块进行有限元分析，减少了产品的试验成本，提高了产品质量。

在后续的工作中，将对Mechanica模块进行更进一步的学习，把它的应用不单单是一个小零部件的有限元计算，而是应用到整车的计算中去。

[参考文献]

[1] 冯玉龙，李俊红．液压阀块的设计、制造与调试．机械工程与自动化．2012年10月，第5期，183-184．

[2] 二代龙震工作室．Pro/MECHANICA Wildfire 5.0结构/热力分析．北京：清华大学出版社．2011．