高空臺柱塞式調節閥特性和驗收維護規程

賈偉　王信　鐘麗萍　張松　但志宏

摘 要：高空臺是我國進行先進航空發動機研制和試驗的重要設施，其在壓力調節中廣泛采用了柱塞閥。因柱塞閥具有等百分比調節特性好，流量調節范圍寬，且閥芯不受氣動負荷，調節流量只需克服摩擦力，力矩小，操作穩定可靠等優點。該文通過對柱塞式調節閥的結構原理、流量特性和控制原理進行了詳細的闡述，介紹了柱塞閥在我國高空臺的應用情況，并對柱塞閥的調節方法和驗收規程等方面進行細致分析，最后提出了柱塞式調節閥維護和保養的注意事項。

關鍵詞：高空臺 柱塞式調節閥 流量特性 試驗規程

中圖分類號：TH13 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0105-03

柱塞式調節閥因其在小開度下控制精確，在大開度下控制迅速的獨特優點，廣泛應用于工業生產中。尤其在高空臺航空發動機試驗領域，柱塞閥被大量用于壓力調節。我國高空臺大多數關鍵調節閥均采用了柱塞式調節閥，因此開展對柱塞閥的工作原理、結構特性、試驗規程和維護保養的研究和探索顯得尤為必要。

1 柱塞閥結構特性

柱塞式調節閥是一種軸流式調節閥門，常用于控制介質流量和壓力等參數，適用于大多數工業環境。柱塞閥主要是由閥體、閥座、驅動軸、曲柄、連桿、柱塞、密封環等組成（見圖1）。

閥體由內殼和外殼兩層結構組成。介質在兩層之間流過，順流向的筋板將閥體的內外兩層連接起來，組成一個完全軸對稱的環形流體通道。流體在流線性閥體內被很好地引導，能量損失小；閥腔內任何位置流體橫斷面均為環狀，這對介質的流動最為有利。當油缸啟動時，通過閥桿帶動柱塞在孔架中間軸向往復運動，改變流道通過面積，以達到開啟和關閉閥門的功能。流道為軸向對稱流道，閥腔內任何位置氣流橫斷面均為環狀，閥體內氣流無紊流，可確保等百分比特性。

柱塞閥采用套筒柱塞式結構，活塞在運動中基本上沒有氣動力；開啟時能無級調節壓力，關閉時能密封；殼體和套筒之間的環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行防松處理，以防螺栓螺母掉下來；滑動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，但是在柱塞閥剛開啟時氣流畸變程度大。

柱塞閥在高空臺主要用于空氣流量和壓力的精確調節。柱塞閥在運動中基本不受氣動力作用，尾錐蓋成錐形也可以整流氣流。閥門可以實現無級調節，能夠滿足流量調節精度，保證壓力調節效果。因此，柱塞閥在航空發動機高空飛行環境模擬中應用比較突出。

2 柱塞閥流量特性

調節閥的流量特性，是指閥兩端壓差保持恒定條件下，流體流過調節閥的相對流量與調節閥的相對開度之間的關系。流量特性分為理想特性和工作特性。

理想流量特性是假設流體在湍流和亞臨界狀態下，閥門壓降、流體溫度和密度均保持不變時，開度與流量的關系。此時，流量只與開度成正比變化。

其中，Q為調節閥的流量；Qmax為調節閥的最大流量；L為調節閥的行程；Lmax為調節閥的最大行程。

理想流量特性分為快開、直線、拋物線、等百分比特性，拋物線接近等百分比特性，快開只用于開關控制，作為流體控制只有直線和等百分比特性兩種。直線流量特性，是指調節閥的相對流量（某一時刻的流量占最大流量的百分比）與相對開度（開度占最大開度的百分比）成直線關系的流量特性。等百分比流量特性，是指調節閥的單位相對開度變化所引起的相對流量變化與此點的相對流量成比例關系[1]（見圖2）。

直線特性的調節閥在小開度時，流量變化大，調節作用較強，但易產生超調或振蕩；在大開度時，流量變化小，調節作用弱，不易及時調節。等百分比特性的調節閥在小開度時，流量變化小，放大系數小，調節平穩；大開度時，流量變化大，放大系數大，調節靈敏。高空臺柱塞式調節閥主要用于壓力調節，因此常選等百分比特性。

當處于高空臺管路中的柱塞式調節閥工作時，管路系統內部的阻力變化或旁路閥閥前后壓差變化，導致調節閥在相同開度下，不再像理想流量特性那樣流量保持不變，對應的流量將有所變化。我們把此時的調節閥前后壓差變化的流量特性稱為工作特性。

3 柱塞閥在高空臺的應用

3.1 液動執行機構選用

閥門的驅動裝置也被稱為閥門的執行機構，是利用外加動力來改變閥門啟閉狀態的裝置[2]。高空臺柱塞式調節閥均采用液動執行機構。液動執行機構一般由液壓動力源、控制模塊、液壓缸或者液壓馬達等組成。液壓動力源為液壓泵站，由電機、液壓泵、儲油裝置、馬達以及管路系統組成，主要提供動力源和能量，將電能轉換為液壓能。控制模塊是液壓執行機構的核心，由電氣控制系統和液壓閥門組成。液動執行機構結構緊湊，輸出力矩范圍大，能夠實現調節閥的快速開啟和關閉。因液體的不可壓縮性，采用液壓執行機構具有較強的抗偏離能力，且運行起來非常平穩，響應快，能實現高精度的控制。

液動執行機構主要包括油缸和電液伺服閥。液壓缸是將液壓能轉變為機械能，做直線往復運動的液壓執行元件。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。

我國高空臺采用了704所生產的CSDY系列射流管型電液伺服閥，該電液伺服閥是力反饋兩級電液伺服閥，力矩馬達采用永磁結構，彈簧管支承著銜鐵射流管組件，并使力矩馬達與液壓油隔離，所以力矩馬達是干式的，其結構原理圖（見圖3）。

由圖3可見，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。當控制電流輸入到線圈時，控制磁通和永磁磁通就產生相互作用，在銜鐵上產生一個力矩，使銜鐵、彈簧管、噴嘴組件偏轉一個正比于力矩的小角度，經過噴嘴高速噴射出的高壓油液也發生偏轉，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生壓差，閥芯運動，直到反饋組件產生的力矩與力矩馬達力矩平衡，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亦成比例，若給伺服閥輸入反向電信號，則伺服閥就有反向流量輸出。

3.2 壓力調節應用（見圖4）

高空艙前室總壓設定值由發動機的飛行狀態所決定。在高空模擬試驗中，當發動機轉速和飛行高度發生變化時，發動機的進口總壓發生變化，導致前室總壓也隨之變化[3]。壓力變送器反饋回來的測量壓力與設定值進行比較，偏差經過PID控制器處理后，輸出閥門的位置控制信號給電液伺服閥。同時，電液伺服閥接收現場角位移傳感器反饋回來的閥門位置信號，通過這兩個電流產生電磁差動作用來控制液壓油的大小和方向。液壓機構帶動閥門改變其開度，閥門通過流量發生變化，引起高空艙前室壓力發生變化，并趨于給定值，實現無偏差控制。

4 閥體試驗規程

4.1 閥體強度試驗

試驗前，必須將閥門腔體內的油污、水漬、雜質清理干凈，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。將自來水向閥體腔內沖壓并保壓，壓力等級根據閥門技術要求和閥門試驗標準來確定，保壓時間為10 min。重點檢查閥體承壓面、焊縫處，若無外泄漏和結構損失，方可認為合格。

4.2 單側密封試驗

4.2.1 試驗介質為液體

試驗前，全開閥門，將其腔內的水漬、雜質、油污清理干凈，完全關閉閥門后，安裝試壓板、加壓泵、壓力表、截止閥、排氣閥等。從進口盲板處對閥充入自來水，水壓力等級根據閥門技術要求和閥門試驗標準來確定，保壓時間3 min。泄漏量符合行業標準（GB/T4213-2008）的相關規定，可認為合格。

4.2.2 試驗介質為氣體

試驗前，全開閥門，將其腔內的水漬、雜質、油污清理干凈，完全關閉閥門后，安裝試壓板、加壓泵、壓力表、截止閥、排氣閥等。從進口盲板處對閥充入溫度為5℃～40℃的清潔空氣，壓力等級根據閥門技術要求和閥門試驗標準來確定，保壓時間3 min。泄漏量符合行業標準（GB/T4213-2008）的相關規定，可認為合格。

4.3 動作試驗

4.3.1 空載動作試驗

試驗前，全開閥門將其腔內的水漬、雜質、油污清理干凈，完全關閉閥門；外接液壓站驅動閥門開關數次，若閥門在開啟過程中能正常動作，全行程時間滿足要求且沒有異常響聲等現象，則認為合格。

4.3.2 帶負載開啟試驗

試驗前，全開閥門將其腔內的水漬、雜質、油污清理干凈，完全關閉閥門；閥體一端安裝試驗盲板，并安裝加壓泵、壓力表、截止閥等。對密封腔內充入干凈空氣加壓，壓力等級根據閥門技術要求和閥門試驗標準來確定，持續一分鐘。外接液壓站驅動閥門開關數次，若閥門在開啟過程中能正常動作，全行程時間滿足要求且沒有異常響聲等現象，則認為合格。

總之，新購置的柱塞閥必須經過強度試驗、密封試驗和動作試驗，驗收合格后方可投入使用。

5 柱塞閥常見故障及維護

5.1 柱塞閥振動和噪聲

閥門振動和噪聲相伴而生，它們不僅對閥門現場操作者造成危害，也對環境造成污染，甚至可能損壞閥門的控制功能進而危及高空臺試驗安全。

5.1.1 柱塞閥機械振動和噪聲

油缸活塞桿與閥體連接處裝配不合理，聯軸節損傷，彈性墊破損和裝配螺栓松動均會產生噪聲。電液伺服閥的頻率與柱塞式調節閥的固有頻率相同或接近時，會引起共振和噪聲，可采取更換電液伺服閥或改變閥的運動速度以消除振動和噪聲。

5.1.2 柱塞閥供/回油管道內液流產生的噪聲

進油管道太細、進油濾油器通流能力過小或堵塞、進油管吸入空氣、油面過低吸油不足和高壓管道中產生液擊等，均會產生噪聲。因此，必須正確設計油箱，并合理選擇濾油器和油管大小。

因此，針對液動執行機構驅動的柱塞閥，要根據其控制需求和驅動速度等技術要求，合理設計相配套的液壓系統管路大小，以降低運行噪聲和振動。液壓驅動的柱塞閥必須定期維護和保養，對閥體和管路進行清潔，對液壓系統油液進行化驗或更換。

5.1.3 柱塞閥油缸過熱

經分析，柱塞閥油缸過度發熱有兩個原因導致：一是機械摩擦，當運動表面存在干摩擦時，運動部件就會相互摩擦產生熱量；二是液體摩擦生熱，當高壓油經各種縫隙泄漏到回油腔時，大量的液壓損失將轉化為熱能。因此，必須正確選擇運動部件之間的間隙、冷卻器和油箱大小，這是解決油缸發熱量大和油溫過高的有效途徑。此外，回油過濾器柱塞也會引起油溫過高和閥體發熱現象。

5.1.4 柱塞閥漏油

柱塞閥經常會發生漏油現象，其主要原因有：油缸內泄漏過大，導致油封處壓力增大，使油封損失或沖出；油缸外接油管松動或管接頭損傷；密封墊老化或產生裂紋等。

5.2 電液伺服閥故障和維護

電液伺服閥是精密制造的產品，精度極高，對污染也十分敏感。電液伺服閥常見故障是油污染。液壓油在長期工作中會產生氧化焦化，同時液壓系統中的泵、閥、油缸等磨損，會產生一些金屬屑，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。在使用過程中，發現油污染，只能對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，方可繼續使用。安裝伺服閥前應先裝上沖洗板。啟泵循環運行不少于24 h，工作油液清潔度應達到NAS7級以上。因此，必須嚴格控制液壓油污染，應定期取樣檢查，更換濾芯及工作油液。

6 結語

柱塞閥等百分比調節特性好，流量調節范圍寬，閥芯不受氣動負荷，調節流量只需克服摩擦力，力矩小，操作穩定可靠。因此，我國高空臺在壓力調節中，常選擇柱塞閥作為調節閥。液動柱塞閥必須合理設計相配套的液壓系統管路大小來降低運行噪聲和振動，還必須定期維護和保養，對閥體和管路進行清潔，對液壓系統油液進行化驗或更換。

參考文獻

[1] 張平余.閥門流量特性試驗研究[J].測控技術，2008（27）：256-259.

[2] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.

[3] 張松.高空臺進排氣壓力調節全數字控制系統[D].西安：西北工業大學，2012.

[4] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2001.