关键词：拖拉机；多路阀；配合间隙；泄露特性
随着我国城市化进程的加快，大量农村劳动力发生了转移，传统的农业生产模式已经很难适应新时期农业发展要求。拖拉机作为农业工程装备的重要组成部分，近年来，拖拉机在广泛应用新技术的同时，产品的使用寿命逐渐提高，工作可靠性持续增强。多路阀作为拖拉机液压系统的核心部件，其主要作用是控制多个执行机构协同动作，它的性能对于拖拉机整机性能有着重要影响。
一、拖拉机多路阀研究意义
拖拉机多路阀具有复杂的内部结构和更特殊的工作环境。第一，多路阀阀体内部油道复杂，油道孔径的渐变和方向的突变会导致阀体内部产生局部涡流和温升，影响多路阀的整体性能。第二，拖拉机工作环境的复杂多变会引起速度和压力的波动，对阀芯和阀体产生一定的冲击，从而影响多路阀的机械性能。第三，系统工作温度的升（最高可达到80℃-100℃），会导致阀体内外的温差较大，而剧烈的温差会对阀芯和阀体的强度、油液粘度及油液流动状态产生很大的影响。基于上述分析，拖拉机多路阀在工作过程中受到压力场和温度场的共同作用，阀芯和阀体易发生压力冲击和热变形，影响阀芯和阀体的配合间隙。若配合间隙过小则会导致阀芯卡紧；间隙过大则会导致泄漏量增多，影响系统正常工作。截止目前，拖拉机多路阀在实际使用过程中产生的“卡紧”和“泄漏”问题依然广泛存在，严重制约了拖拉机以及现代农业工程装备的发展，已成为亟待解决的问题。
二、不同材料配合间隙随温度变化特性分析
（一）拖拉机多路阀常见材料及配合方案
拖拉机工作环境恶劣，经常承受高温、高压的交变载荷作用。因此，在进行材料选择时，强度为首先要考虑的因素。其次，还需要综合考虑材料的加工性能和成本，在满足强度要求的同时，尽量选择价格低且加工工艺性较好的材料。对于阀体材料，成型过程为毛坯为铸造，综合考虑材料强度和工艺性要求，应选择球墨铸铁作为阀体作为铸造材料。球墨铸铁是一种高强度材料，适合一些受力复杂，强度、韧性耐磨性较高的零件。根据GB/T1348-1998相关标准，常见球墨铸铁包含QT400、QT450、QT500、QT600、QT700、QT800和QT900，QT后面数字代表最低抗拉强度，数值越大则抗拉强度越大，但铸造性能也越差，导致铸造成本也越高。结合多路阀的实际工况和铸造工艺相关要求，将QT450、QT500和QT600三种材料作为常见阀体材料，上述材料在满足了强度要求的同时，具有良好的铸造性能，适合作为多路阀的材料。
由于阀体材料有三种，阀芯材料有两种，阀芯和阀体之间共有六种配合方案，不同材料之间配合会产生不同的间隙值和配合特性，为了了解不同方案配合性能的差异，需要进一步分析，从而得到最优配合间隙和方案。
（二）不同阀芯、阀体材料变形量随温度变化特性
对多路阀不同阀芯、阀体材料进行热流固耦合数值仿真，考虑油液粘度随温度变化特性，得出了不同阀芯、阀体材料在最高工作压力下不同温度条件的变形特性，如图1所示。
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图1不同阀芯、阀体材料热变形曲线
由图1可知，随着温度的升高，阀芯和阀芯的变形量都呈变大趋势，在阀芯材料为20Cr与阀体材料为QT450和QT500的配合过程中，由于阀芯变形量大于阀体变形量，随着温度的升高，两者配合间隙减小，易发生阀芯卡紧现象；在阀芯材料为20Cr与阀体材料QT600的配合过程中，由于阀芯变形量小于阀体变形量，随着温度升高，两者配合间隙增大，易发生泄漏现象；同理，在阀芯材料为40Cr与阀体材料QT450和QT500的配合过程中，由于配合间隙过大，极易发生内泄漏；在阀芯材料为40Cr与阀体材料QT600的配合过程中，虽然两者变形量较大，但变形量曲线变化趋势一致，变形量差值最小，配合性能最佳。
（三）不同配合方案间隙值随温度变化特性
为了进一步的分析不同方案的配合特性，将不同材料的阀体、阀芯变形量进行求差处理，得出两者差值。若阀芯变形量大于阀体变形量，为负值；反之，则为正值。不同阀芯、阀体材料配合间隙曲线如图2所示。
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图2不同阀芯、阀体材料配合间隙曲线
由图2分析可知，20Cr和QT600配合间隙值为正，即随着温度变化，阀体变形量始终大于阀芯变形量，最大变形差值为6μm。在设计时，只需保证初始状态下不发生阀芯卡紧现象，但随着温度的升高，变形量增大，导致配合间隙变大，泄漏量随之增大。其余五种配合配合间隙值均为负，即随着温度变化，阀体变形量始终小于阀芯变形量。在设计时，不仅要保证初始状态阀芯不发生卡紧，还需保持一定的间隙余量，以保证阀芯与阀体间变形量差值最大时，不出现卡紧问题。
当间隙值为正配合，阀体变形量大于阀芯变形量时，要保证整个工作过程不卡紧，只需保持初始配合间隙等于常温下最小配合间隙；对于间隙值为负的配合方案，阀体变形量小于阀芯变形量，要保证整个工作过程不卡紧，初始配合间隙应该不小于常温下最小配合间隙和阀芯、阀体最大变形量差之和。
三、配合间隙对多路阀泄漏量的影响
分别设置阀芯阀体配合间隙分别为0.012mm、0.015mm、0.018mm、0.021mm和0.024mm，设置全局参数和批量运行，得到不同阀芯阀体间配合间隙对多路阀泄漏量的影响曲线，如图3所示。
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图3不同配合间隙对多路阀泄漏量影响曲线
由图3可知，随着阀芯和阀体之间配合间隙的增大，多路阀的泄漏量也在逐渐增大，且达到最大泄漏量的稳定时间逐渐减小。当间隙值由0.012mm增加到0.015mm时，多路阀泄漏量增加0.047L/min；当间隙值由0.015mm增加到0.018mm时，多路阀泄漏量增加0.063L/min；当间隙值由0.018mm增加到0.021mm时，多路阀泄漏量增加0.085L/min；当间隙值由0.021mm增加到0.024mm时，多路阀泄漏量增加0.113L/min。随着间隙值的增加，多路阀泄漏量增加幅度也明显增加。因此，多路阀阀芯和阀体间的配合间隙值对泄漏量有着重要影响，在保证阀芯不发生卡紧的前提下应该尽量减小间隙值。
以40Cr为阀芯材料、以QT600为阀体材料时最小配合间隙值为0.12mm，该配合间隙条件下多路阀的泄漏量仅为0.04096L/min，证明该配合间隙具有良好的泄漏特性，符合最优配合方案的相关要求，能够满足拖拉机的长期野外工作需求。
参考文献
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论文作者:彭贞
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第21期
论文发表时间:2020/5/8