要：高空台是我国进行先进航空发动机研制和试验的重要设施，其在压力调节中广泛采用了柱塞阀。因柱塞阀具有等百分比调节特性好，流量调节范围宽，且阀芯不受气动负荷，调节流量只需克服摩擦力，力矩小，操作稳定可靠等优点。该文通过对柱塞式调节阀的结构原理、流量特性和控制原理进行了详细的阐述，介绍了柱塞阀在我国高空台的应用情况，并对柱塞阀的调节方法和验收规程等方面进行细致分析，最后提出了柱塞式调节阀维护和保养的注意事

本页关键词：进口气动调节阀, 进口电动调节阀,, 进口调节阀

柱塞式调节阀因其在小开度下控制精确，在大开度下控制迅速的独特优点，广泛应用于工业生产中。尤其在高空台航空发动机试验领域，柱塞阀被大量用于压力调节。我国高空台大多数关键调节阀均采用了柱塞式调节阀，因此开展对柱塞阀的工作原理、结构特性、试验规程和维护保养的研究和探索显得尤为必要。

1 柱塞阀结构特性

柱塞式调节阀是一种轴流式调节阀门，常用于控制介质流量和压力等参数，适用于大多数工业环境。柱塞阀主要是由阀体、阀座、驱动轴、曲柄、连杆、柱塞、密封环等组成（见图1）。

图1 柱塞阀结构示意

阀体由内壳和外壳两层结构组成。介质在两层之间流过，顺流向的筋板将阀体的内外两层连接起来，组成一个完全轴对称的环形流体通道。流体在流线性阀体内被很好地引导，能量损失小；阀腔内任何位置流体横断面均为环状，这对介质的流动最为有利。当油缸启动时，通过阀杆带动柱塞在孔架中间轴向往复运动，改变流道通过面积，以达到开启和关闭阀门的功能。流道为轴向对称流道，阀腔内任何位置气流横断面均为环状，阀体内气流无紊流，可确保等百分比特性。

柱塞阀采用套筒柱塞式结构，活塞在运动中基本上没有气动力；开启时能无级调节压力，关闭时能密封；壳体和套筒之间的环形面积等于管道流通面积；尾锥盖成锥形可以整流；壳体里面所有连接装置都进行防松处理，以防螺栓螺母掉下来；滑动轴承采用金属浸渍石墨制造。柱塞阀的流量特性可以为直线特性和等百分比特性，但是在柱塞阀刚开启时气流畸变程度大。

柱塞阀在高空台主要用于空气流量和压力的精确调节。柱塞阀在运动中基本不受气动力作用，尾锥盖成锥形也可以整流气流。阀门可以实现无级调节，能够满足流量调节精度，保证压力调节效果。因此，柱塞阀在航空发动机高空飞行环境模拟中应用比较突出。

2 柱塞阀流量特性

调节阀的流量特性，是指阀两端压差保持恒定条件下，流体流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。流量特性分为理想特性和工作特性。

理想流量特性是假设流体在湍流和亚临界状态下，阀门压降、流体温度和密度均保持不变时，开度与流量的关系。此时，流量只与开度成正比变化。

其中，Q为调节阀的流量；Q_max为调节阀的最大流量；L为调节阀的行程；L_max为调节阀的最大行程。

理想流量特性分为快开、直线、抛物线、等百分比特性，抛物线接近等百分比特性，快开只用于开关控制，作为流体控制只有直线和等百分比特性两种。直线流量特性，是指调节阀的相对流量（某一时刻的流量占最大流量的百分比）与相对开度（开度占最大开度的百分比）成直线关系的流量特性。等百分比流量特性，是指调节阀的单位相对开度变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成比例关系（见图2）。

图2 流量特性曲线

直线特性的调节阀在小开度时，流量变化大，调节作用较强，但易产生超调或振荡；在大开度时，流量变化小，调节作用弱，不易及时调节。等百分比特性的调节阀在小开度时，流量变化小，放大系数小，调节平稳；大开度时，流量变化大，放大系数大，调节灵敏。高空台柱塞式调节阀主要用于压力调节，因此常选等百分比特性。

当处于高空台管路中的柱塞式调节阀工作时，管路系统内部的阻力变化或旁路阀阀前后压差变化，导致调节阀在相同开度下，不再像理想流量特性那样流量保持不变，对应的流量将有所变化。我们把此时的调节阀前后压差变化的流量特性称为工作特性。

3 柱塞阀在高空台的应用

3.1 液动执行机构选用

阀门的驱动装置也被称为阀门的执行机构，是利用外加动力来改变阀门启闭状态的装置[2]。高空台柱塞式调节阀均采用液动执行机构。液动执行机构一般由液压动力源、控制模块、液压缸或者液压马达等组成。液压动力源为液压泵站，由电机、液压泵、储油装置、马达以及管路系统组成，主要提供动力源和能量，将电能转换为液压能。控制模块是液压执行机构的核心，由电气控制系统和液压阀门组成。液动执行机构结构紧凑，输出力矩范围大，能够实现调节阀的快速开启和关闭。因液体的不可压缩性，采用液压执行机构具有较强的抗偏离能力，且运行起来非常平稳，响应快，能实现高精度的控制。

液动执行机构主要包括油缸和电液伺服阀。液压缸是将液压能转变为机械能，做直线往复运动的液压执行元件。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。

我国高空台采用了704所生产的CSDY系列射流管型电液伺服阀，该电液伺服阀是力反馈两级电液伺服阀，力矩马达采用永磁结构，弹簧管支承着衔铁射流管组件，并使力矩马达与液压油隔离，所以力矩马达是干式的，其结构原理图（见图3）。

图3 射流管电液伺服阀结构示意

由图3可见，射流管型电液伺服阀主要由线圈、衔铁、射流管、喷嘴、反馈杆、阀芯、油滤等部分组成。当控制电流输入到线圈时，控制磁通和永磁磁通就产生相互作用，在衔铁上产生一个力矩，使衔铁、弹簧管、喷嘴组件偏转一个正比于力矩的小角度，经过喷嘴高速喷射出的高压油液也发生偏转，使得接受器一腔压力升高；另一腔压力降低，使连接这两腔的阀芯两端产生压差，阀芯运动，直到反馈组件产生的力矩与力矩马达力矩平衡，使喷嘴又回到接受器两孔中间位置为止。阀芯的位移与控制电流的大小成正比，阀的输出流量就正比于控制电流了。

由于阀芯位移与反馈力矩成比例，控制力矩与控制电流成比例，伺服阀的输出流量与阀芯位移成比例，所以伺服阀的输出流量与输入的指令控制电信号亦成比例，若给伺服阀输入反向电信号，则伺服阀就有反向流量输出。

3.2 压力调节应用（见图4）

高空舱前室总压设定值由发动机的飞行状态所决定。在高空模拟试验中，当发动机转速和飞行高度发生变化时，发动机的进口总压发生变化，导致前室总压也随之变化[3]。压力变送器反馈回来的测量压力与设定值进行比较，偏差经过PID控制器处理后，输出阀门的位置控制信号给电液伺服阀。同时，电液伺服阀接收现场角位移传感器反馈回来的阀门位置信号，通过这两个电流产生电磁差动作用来控制液压油的大小和方向。液压机构带动阀门改变其开度，阀门通过流量发生变化，引起高空舱前室压力发生变化，并趋于给定值，实现无偏差控制。

图4 阀门控制原理

4 阀体试验规程

4.1 阀体强度试验

试验前，必须将阀门腔体内的油污、水渍、杂质清理干净，在阀体两端及接座处安装试压板封堵，安装加压泵、压力表、截止阀和排气阀等。将自来水向阀体腔内冲压并保压，压力等级根据阀门技术要求和阀门试验标准来确定，保压时间为10min。重点检查阀体承压面、焊缝处，若无外泄漏和结构损失，方可认为合格。

4.2 单侧密封试验

4.2.1 试验介质为液体

试验前，全开阀门，将其腔内的水渍、杂质、油污清理干净，完全关闭阀门后，安装试压板、加压泵、压力表、截止阀、排气阀等。从进口盲板处对阀充入自来水，水压力等级根据阀门技术要求和阀门试验标准来确定，保压时间3min。泄漏量符合行业标准（GB/T4213-2008）的相关规定，可认为合格。

4.2.2 试验介质为气体

试验前，全开阀门，将其腔内的水渍、杂质、油污清理干净，完全关闭阀门后，安装试压板、加压泵、压力表、截止阀、排气阀等。从进口盲板处对阀充入温度为5℃～40℃的清洁空气，压力等级根据阀门技术要求和阀门试验标准来确定，保压时间3min。泄漏量符合行业标准（GB/T4213-2008）的相关规定，可认为合格。

4.3 动作试验

4.3.1 空载动作试验

试验前，全开阀门将其腔内的水渍、杂质、油污清理干净，完全关闭阀门；外接液压站驱动阀门开关数次，若阀门在开启过程中能正常动作，全行程时间满足要求且没有异常响声等现象，则认为合格。

4.3.2 带负载开启试验

试验前，全开阀门将其腔内的水渍、杂质、油污清理干净，完全关闭阀门；阀体一端安装试验盲板，并安装加压泵、压力表、截止阀等。对密封腔内充入干净空气加压，压力等级根据阀门技术要求和阀门试验标准来确定，持续一分钟。外接液压站驱动阀门开关数次，若阀门在开启过程中能正常动作，全行程时间满足要求且没有异常响声等现象，则认为合格。

总之，新购置的柱塞阀必须经过强度试验、密封试验和动作试验，验收合格后方可投入使用。

5 柱塞阀常见故障及维护

5.1 柱塞阀振动和噪声

阀门振动和噪声相伴而生，它们不仅对阀门现场操作者造成危害，也对环境造成污染，甚至可能损坏阀门的控制功能进而危及高空台试验安全。

5.1.1 柱塞阀机械振动和噪声

油缸活塞杆与阀体连接处装配不合理，联轴节损伤，弹性垫破损和装配螺栓松动均会产生噪声。电液伺服阀的频率与柱塞式调节阀的固有频率相同或接近时，会引起共振和噪声，可采取更换电液伺服阀或改变阀的运动速度以消除振动和噪声。

5.1.2 柱塞阀供/回油管道内液流产生的噪声

进油管道太细、进油滤油器通流能力过小或堵塞、进油管吸入空气、油面过低吸油不足和高压管道中产生液击等，均会产生噪声。因此，必须正确设计油箱，并合理选择滤油器和油管大小。

因此，针对液动执行机构驱动的柱塞阀，要根据其控制需求和驱动速度等技术要求，合理设计相配套的液压系统管路大小，以降低运行噪声和振动。液压驱动的柱塞阀必须定期维护和保养，对阀体和管路进行清洁，对液压系统油液进行化验或更换。

5.1.3 柱塞阀油缸过热

经分析，柱塞阀油缸过度发热有两个原因导致：一是机械摩擦，当运动表面存在干摩擦时，运动部件就会相互摩擦产生热量；二是液体摩擦生热，当高压油经各种缝隙泄漏到回油腔时，大量的液压损失将转化为热能。因此，必须正确选择运动部件之间的间隙、冷却器和油箱大小，这是解决油缸发热量大和油温过高的有效途径。此外，回油过滤器柱塞也会引起油温过高和阀体发热现象。

5.1.4 柱塞阀漏油

柱塞阀经常会发生漏油现象，其主要原因有：油缸内泄漏过大，导致油封处压力增大，使油封损失或冲出；油缸外接油管松动或管接头损伤；密封垫老化或产生裂纹等。

5.2 电液伺服阀故障和维护

电液伺服阀是精密制造的产品，精度极高，对污染也十分敏感。电液伺服阀常见故障是油污染。液压油在长期工作中会产生氧化焦化，同时液压系统中的泵、阀、油缸等磨损，会产生一些金属屑，造成油污染。液压油污染是造成电液伺服阀故障的主要原因。在使用过程中，发现油污染，只能对伺服阀滤油器组件清洗或更换。拆卸下的伺服阀要在干净相容的溶剂中清洗，用干燥、洁净的空气吹干，方可继续使用。安装伺服阀前应先装上冲洗板。启泵循环运行不少于24h，工作油液清洁度应达到NAS7级以上。因此，必须严格控制液压油污染，应定期取样检查，更换滤芯及工作油液。

6 结语

柱塞阀等百分比调节特性好，流量调节范围宽，阀芯不受气动负荷，调节流量只需克服摩擦力，力矩小，操作稳定可靠。因此，我国高空台在压力调节中，常选择柱塞阀作为调节阀。液动柱塞阀必须合理设计相配套的液压系统管路大小来降低运行噪声和振动，还必须定期维护和保养，对阀体和管路进行清洁，对液压系统油液进行化验或更换。