賈偉　王信　鐘麗萍　張松　但志宏

摘 要：高空臺(tái)是我國(guó)進(jìn)行先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制和試驗(yàn)的重要設(shè)施，其在壓力調(diào)節(jié)中廣泛采用了柱塞閥。因柱塞閥具有等百分比調(diào)節(jié)特性好，流量調(diào)節(jié)范圍寬，且閥芯不受氣動(dòng)負(fù)荷，調(diào)節(jié)流量只需克服摩擦力，力矩小，操作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。該文通過(guò)對(duì)柱塞式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)原理、流量特性和控制原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，介紹了柱塞閥在我國(guó)高空臺(tái)的應(yīng)用情況，并對(duì)柱塞閥的調(diào)節(jié)方法和驗(yàn)收規(guī)程等方面進(jìn)行細(xì)致分析，最后提出了柱塞式調(diào)節(jié)閥維護(hù)和保養(yǎng)的注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：高空臺(tái) 柱塞式調(diào)節(jié)閥 流量特性 試驗(yàn)規(guī)程

中圖分類(lèi)號(hào)：TH13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（c）-0105-03

柱塞式調(diào)節(jié)閥因其在小開(kāi)度下控制精確，在大開(kāi)度下控制迅速的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。尤其在高空臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域，柱塞閥被大量用于壓力調(diào)節(jié)。我國(guó)高空臺(tái)大多數(shù)關(guān)鍵調(diào)節(jié)閥均采用了柱塞式調(diào)節(jié)閥，因此開(kāi)展對(duì)柱塞閥的工作原理、結(jié)構(gòu)特性、試驗(yàn)規(guī)程和維護(hù)保養(yǎng)的研究和探索顯得尤為必要。

1 柱塞閥結(jié)構(gòu)特性

柱塞式調(diào)節(jié)閥是一種軸流式調(diào)節(jié)閥門(mén)，常用于控制介質(zhì)流量和壓力等參數(shù)，適用于大多數(shù)工業(yè)環(huán)境。柱塞閥主要是由閥體、閥座、驅(qū)動(dòng)軸、曲柄、連桿、柱塞、密封環(huán)等組成（見(jiàn)圖1）。

閥體由內(nèi)殼和外殼兩層結(jié)構(gòu)組成。介質(zhì)在兩層之間流過(guò)，順流向的筋板將閥體的內(nèi)外兩層連接起來(lái)，組成一個(gè)完全軸對(duì)稱(chēng)的環(huán)形流體通道。流體在流線性閥體內(nèi)被很好地引導(dǎo)，能量損失小；閥腔內(nèi)任何位置流體橫斷面均為環(huán)狀，這對(duì)介質(zhì)的流動(dòng)最為有利。當(dāng)油缸啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)閥桿帶動(dòng)柱塞在孔架中間軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，改變流道通過(guò)面積，以達(dá)到開(kāi)啟和關(guān)閉閥門(mén)的功能。流道為軸向?qū)ΨQ(chēng)流道，閥腔內(nèi)任何位置氣流橫斷面均為環(huán)狀，閥體內(nèi)氣流無(wú)紊流，可確保等百分比特性。

柱塞閥采用套筒柱塞式結(jié)構(gòu)，活塞在運(yùn)動(dòng)中基本上沒(méi)有氣動(dòng)力；開(kāi)啟時(shí)能無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)壓力，關(guān)閉時(shí)能密封；殼體和套筒之間的環(huán)形面積等于管道流通面積；尾錐蓋成錐形可以整流；殼體里面所有連接裝置都進(jìn)行防松處理，以防螺栓螺母掉下來(lái)；滑動(dòng)軸承采用金屬浸漬石墨制造。柱塞閥的流量特性可以為直線特性和等百分比特性，但是在柱塞閥剛開(kāi)啟時(shí)氣流畸變程度大。

柱塞閥在高空臺(tái)主要用于空氣流量和壓力的精確調(diào)節(jié)。柱塞閥在運(yùn)動(dòng)中基本不受氣動(dòng)力作用，尾錐蓋成錐形也可以整流氣流。閥門(mén)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，能夠滿足流量調(diào)節(jié)精度，保證壓力調(diào)節(jié)效果。因此，柱塞閥在航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空飛行環(huán)境模擬中應(yīng)用比較突出。

2 柱塞閥流量特性

調(diào)節(jié)閥的流量特性，是指閥兩端壓差保持恒定條件下，流體流過(guò)調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量與調(diào)節(jié)閥的相對(duì)開(kāi)度之間的關(guān)系。流量特性分為理想特性和工作特性。

理想流量特性是假設(shè)流體在湍流和亞臨界狀態(tài)下，閥門(mén)壓降、流體溫度和密度均保持不變時(shí)，開(kāi)度與流量的關(guān)系。此時(shí)，流量只與開(kāi)度成正比變化。

其中，Q為調(diào)節(jié)閥的流量；Qmax為調(diào)節(jié)閥的最大流量；L為調(diào)節(jié)閥的行程；Lmax為調(diào)節(jié)閥的最大行程。

理想流量特性分為快開(kāi)、直線、拋物線、等百分比特性，拋物線接近等百分比特性，快開(kāi)只用于開(kāi)關(guān)控制，作為流體控制只有直線和等百分比特性?xún)煞N。直線流量特性，是指調(diào)節(jié)閥的相對(duì)流量（某一時(shí)刻的流量占最大流量的百分比）與相對(duì)開(kāi)度（開(kāi)度占最大開(kāi)度的百分比）成直線關(guān)系的流量特性。等百分比流量特性，是指調(diào)節(jié)閥的單位相對(duì)開(kāi)度變化所引起的相對(duì)流量變化與此點(diǎn)的相對(duì)流量成比例關(guān)系[1]（見(jiàn)圖2）。

直線特性的調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)，流量變化大，調(diào)節(jié)作用較強(qiáng)，但易產(chǎn)生超調(diào)或振蕩；在大開(kāi)度時(shí)，流量變化小，調(diào)節(jié)作用弱，不易及時(shí)調(diào)節(jié)。等百分比特性的調(diào)節(jié)閥在小開(kāi)度時(shí)，流量變化小，放大系數(shù)小，調(diào)節(jié)平穩(wěn)；大開(kāi)度時(shí)，流量變化大，放大系數(shù)大，調(diào)節(jié)靈敏。高空臺(tái)柱塞式調(diào)節(jié)閥主要用于壓力調(diào)節(jié)，因此常選等百分比特性。

當(dāng)處于高空臺(tái)管路中的柱塞式調(diào)節(jié)閥工作時(shí)，管路系統(tǒng)內(nèi)部的阻力變化或旁路閥閥前后壓差變化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥在相同開(kāi)度下，不再像理想流量特性那樣流量保持不變，對(duì)應(yīng)的流量將有所變化。我們把此時(shí)的調(diào)節(jié)閥前后壓差變化的流量特性稱(chēng)為工作特性。

3 柱塞閥在高空臺(tái)的應(yīng)用

3.1 液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用

閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)裝置也被稱(chēng)為閥門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是利用外加動(dòng)力來(lái)改變閥門(mén)啟閉狀態(tài)的裝置[2]。高空臺(tái)柱塞式調(diào)節(jié)閥均采用液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般由液壓動(dòng)力源、控制模塊、液壓缸或者液壓馬達(dá)等組成。液壓動(dòng)力源為液壓泵站，由電機(jī)、液壓泵、儲(chǔ)油裝置、馬達(dá)以及管路系統(tǒng)組成，主要提供動(dòng)力源和能量，將電能轉(zhuǎn)換為液壓能?？刂颇K是液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心，由電氣控制系統(tǒng)和液壓閥門(mén)組成。液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，輸出力矩范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)閥的快速開(kāi)啟和關(guān)閉。因液體的不可壓縮性，采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗偏離能力，且運(yùn)行起來(lái)非常平穩(wěn)，響應(yīng)快，能實(shí)現(xiàn)高精度的控制。

液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括油缸和電液伺服閥。液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓執(zhí)行元件。液壓缸輸出力和活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比；液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。

我國(guó)高空臺(tái)采用了704所生產(chǎn)的CSDY系列射流管型電液伺服閥，該電液伺服閥是力反饋兩級(jí)電液伺服閥，力矩馬達(dá)采用永磁結(jié)構(gòu)，彈簧管支承著銜鐵射流管組件，并使力矩馬達(dá)與液壓油隔離，所以力矩馬達(dá)是干式的，其結(jié)構(gòu)原理圖（見(jiàn)圖3）。

由圖3可見(jiàn)，射流管型電液伺服閥主要由線圈、銜鐵、射流管、噴嘴、反饋桿、閥芯、油濾等部分組成。當(dāng)控制電流輸入到線圈時(shí)，控制磁通和永磁磁通就產(chǎn)生相互作用，在銜鐵上產(chǎn)生一個(gè)力矩，使銜鐵、彈簧管、噴嘴組件偏轉(zhuǎn)一個(gè)正比于力矩的小角度，經(jīng)過(guò)噴嘴高速?lài)娚涑龅母邏河鸵阂舶l(fā)生偏轉(zhuǎn)，使得接受器一腔壓力升高；另一腔壓力降低，使連接這兩腔的閥芯兩端產(chǎn)生壓差，閥芯運(yùn)動(dòng)，直到反饋組件產(chǎn)生的力矩與力矩馬達(dá)力矩平衡，使噴嘴又回到接受器兩孔中間位置為止。閥芯的位移與控制電流的大小成正比，閥的輸出流量就正比于控制電流了。

由于閥芯位移與反饋力矩成比例，控制力矩與控制電流成比例，伺服閥的輸出流量與閥芯位移成比例，所以伺服閥的輸出流量與輸入的指令控制電信號(hào)亦成比例，若給伺服閥輸入反向電信號(hào)，則伺服閥就有反向流量輸出。

3.2 壓力調(diào)節(jié)應(yīng)用（見(jiàn)圖4）

高空艙前室總壓設(shè)定值由發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行狀態(tài)所決定。在高空模擬試驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和飛行高度發(fā)生變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口總壓發(fā)生變化，導(dǎo)致前室總壓也隨之變化[3]。壓力變送器反饋回來(lái)的測(cè)量壓力與設(shè)定值進(jìn)行比較，偏差經(jīng)過(guò)PID控制器處理后，輸出閥門(mén)的位置控制信號(hào)給電液伺服閥。同時(shí)，電液伺服閥接收現(xiàn)場(chǎng)角位移傳感器反饋回來(lái)的閥門(mén)位置信號(hào)，通過(guò)這兩個(gè)電流產(chǎn)生電磁差動(dòng)作用來(lái)控制液壓油的大小和方向。液壓機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥門(mén)改變其開(kāi)度，閥門(mén)通過(guò)流量發(fā)生變化，引起高空艙前室壓力發(fā)生變化，并趨于給定值，實(shí)現(xiàn)無(wú)偏差控制。

4 閥體試驗(yàn)規(guī)程

4.1 閥體強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)前，必須將閥門(mén)腔體內(nèi)的油污、水漬、雜質(zhì)清理干凈，在閥體兩端及接座處安裝試壓板封堵，安裝加壓泵、壓力表、截止閥和排氣閥等。將自來(lái)水向閥體腔內(nèi)沖壓并保壓，壓力等級(jí)根據(jù)閥門(mén)技術(shù)要求和閥門(mén)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定，保壓時(shí)間為10 min。重點(diǎn)檢查閥體承壓面、焊縫處，若無(wú)外泄漏和結(jié)構(gòu)損失，方可認(rèn)為合格。

4.2 單側(cè)密封試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)介質(zhì)為液體

試驗(yàn)前，全開(kāi)閥門(mén)，將其腔內(nèi)的水漬、雜質(zhì)、油污清理干凈，完全關(guān)閉閥門(mén)后，安裝試壓板、加壓泵、壓力表、截止閥、排氣閥等。從進(jìn)口盲板處對(duì)閥充入自來(lái)水，水壓力等級(jí)根據(jù)閥門(mén)技術(shù)要求和閥門(mén)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定，保壓時(shí)間3 min。泄漏量符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T4213-2008）的相關(guān)規(guī)定，可認(rèn)為合格。

4.2.2 試驗(yàn)介質(zhì)為氣體

試驗(yàn)前，全開(kāi)閥門(mén)，將其腔內(nèi)的水漬、雜質(zhì)、油污清理干凈，完全關(guān)閉閥門(mén)后，安裝試壓板、加壓泵、壓力表、截止閥、排氣閥等。從進(jìn)口盲板處對(duì)閥充入溫度為5℃～40℃的清潔空氣，壓力等級(jí)根據(jù)閥門(mén)技術(shù)要求和閥門(mén)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定，保壓時(shí)間3 min。泄漏量符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T4213-2008）的相關(guān)規(guī)定，可認(rèn)為合格。

4.3 動(dòng)作試驗(yàn)

4.3.1 空載動(dòng)作試驗(yàn)

試驗(yàn)前，全開(kāi)閥門(mén)將其腔內(nèi)的水漬、雜質(zhì)、油污清理干凈，完全關(guān)閉閥門(mén)；外接液壓站驅(qū)動(dòng)閥門(mén)開(kāi)關(guān)數(shù)次，若閥門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中能正常動(dòng)作，全行程時(shí)間滿足要求且沒(méi)有異常響聲等現(xiàn)象，則認(rèn)為合格。

4.3.2 帶負(fù)載開(kāi)啟試驗(yàn)

試驗(yàn)前，全開(kāi)閥門(mén)將其腔內(nèi)的水漬、雜質(zhì)、油污清理干凈，完全關(guān)閉閥門(mén)；閥體一端安裝試驗(yàn)盲板，并安裝加壓泵、壓力表、截止閥等。對(duì)密封腔內(nèi)充入干凈空氣加壓，壓力等級(jí)根據(jù)閥門(mén)技術(shù)要求和閥門(mén)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定，持續(xù)一分鐘。外接液壓站驅(qū)動(dòng)閥門(mén)開(kāi)關(guān)數(shù)次，若閥門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中能正常動(dòng)作，全行程時(shí)間滿足要求且沒(méi)有異常響聲等現(xiàn)象，則認(rèn)為合格。

總之，新購(gòu)置的柱塞閥必須經(jīng)過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)、密封試驗(yàn)和動(dòng)作試驗(yàn)，驗(yàn)收合格后方可投入使用。

5 柱塞閥常見(jiàn)故障及維護(hù)

5.1 柱塞閥振動(dòng)和噪聲

閥門(mén)振動(dòng)和噪聲相伴而生，它們不僅對(duì)閥門(mén)現(xiàn)場(chǎng)操作者造成危害，也對(duì)環(huán)境造成污染，甚至可能損壞閥門(mén)的控制功能進(jìn)而危及高空臺(tái)試驗(yàn)安全。

5.1.1 柱塞閥機(jī)械振動(dòng)和噪聲

油缸活塞桿與閥體連接處裝配不合理，聯(lián)軸節(jié)損傷，彈性墊破損和裝配螺栓松動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生噪聲。電液伺服閥的頻率與柱塞式調(diào)節(jié)閥的固有頻率相同或接近時(shí)，會(huì)引起共振和噪聲，可采取更換電液伺服閥或改變閥的運(yùn)動(dòng)速度以消除振動(dòng)和噪聲。

5.1.2 柱塞閥供/回油管道內(nèi)液流產(chǎn)生的噪聲

進(jìn)油管道太細(xì)、進(jìn)油濾油器通流能力過(guò)小或堵塞、進(jìn)油管吸入空氣、油面過(guò)低吸油不足和高壓管道中產(chǎn)生液擊等，均會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此，必須正確設(shè)計(jì)油箱，并合理選擇濾油器和油管大小。

因此，針對(duì)液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的柱塞閥，要根據(jù)其控制需求和驅(qū)動(dòng)速度等技術(shù)要求，合理設(shè)計(jì)相配套的液壓系統(tǒng)管路大小，以降低運(yùn)行噪聲和振動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的柱塞閥必須定期維護(hù)和保養(yǎng)，對(duì)閥體和管路進(jìn)行清潔，對(duì)液壓系統(tǒng)油液進(jìn)行化驗(yàn)或更換。

5.1.3 柱塞閥油缸過(guò)熱

經(jīng)分析，柱塞閥油缸過(guò)度發(fā)熱有兩個(gè)原因?qū)е拢阂皇菣C(jī)械摩擦，當(dāng)運(yùn)動(dòng)表面存在干摩擦?xí)r，運(yùn)動(dòng)部件就會(huì)相互摩擦產(chǎn)生熱量；二是液體摩擦生熱，當(dāng)高壓油經(jīng)各種縫隙泄漏到回油腔時(shí)，大量的液壓損失將轉(zhuǎn)化為熱能。因此，必須正確選擇運(yùn)動(dòng)部件之間的間隙、冷卻器和油箱大小，這是解決油缸發(fā)熱量大和油溫過(guò)高的有效途徑。此外，回油過(guò)濾器柱塞也會(huì)引起油溫過(guò)高和閥體發(fā)熱現(xiàn)象。

5.1.4 柱塞閥漏油

柱塞閥經(jīng)常會(huì)發(fā)生漏油現(xiàn)象，其主要原因有：油缸內(nèi)泄漏過(guò)大，導(dǎo)致油封處壓力增大，使油封損失或沖出；油缸外接油管松動(dòng)或管接頭損傷；密封墊老化或產(chǎn)生裂紋等。

5.2 電液伺服閥故障和維護(hù)

電液伺服閥是精密制造的產(chǎn)品，精度極高，對(duì)污染也十分敏感。電液伺服閥常見(jiàn)故障是油污染。液壓油在長(zhǎng)期工作中會(huì)產(chǎn)生氧化焦化，同時(shí)液壓系統(tǒng)中的泵、閥、油缸等磨損，會(huì)產(chǎn)生一些金屬屑，造成油污染。液壓油污染是造成電液伺服閥故障的主要原因。在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)油污染，只能對(duì)伺服閥濾油器組件清洗或更換。拆卸下的伺服閥要在干凈相容的溶劑中清洗，用干燥、潔凈的空氣吹干，方可繼續(xù)使用。安裝伺服閥前應(yīng)先裝上沖洗板。啟泵循環(huán)運(yùn)行不少于24 h，工作油液清潔度應(yīng)達(dá)到NAS7級(jí)以上。因此，必須嚴(yán)格控制液壓油污染，應(yīng)定期取樣檢查，更換濾芯及工作油液。

6 結(jié)語(yǔ)

柱塞閥等百分比調(diào)節(jié)特性好，流量調(diào)節(jié)范圍寬，閥芯不受氣動(dòng)負(fù)荷，調(diào)節(jié)流量只需克服摩擦力，力矩小，操作穩(wěn)定可靠。因此，我國(guó)高空臺(tái)在壓力調(diào)節(jié)中，常選擇柱塞閥作為調(diào)節(jié)閥。液動(dòng)柱塞閥必須合理設(shè)計(jì)相配套的液壓系統(tǒng)管路大小來(lái)降低運(yùn)行噪聲和振動(dòng)，還必須定期維護(hù)和保養(yǎng)，對(duì)閥體和管路進(jìn)行清潔，對(duì)液壓系統(tǒng)油液進(jìn)行化驗(yàn)或更換。

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