液氣開關啟閉特性分析

高巧娟，吳 楠，鄭 翔，陳 星

(中國石油集團工程技術研究院 北京石油機械有限公司，北京 102206)

引言

液氣開關是防噴器控制裝置上的液壓元件之一。控制裝置的功用是預先制備與儲存足量的液壓油并控制液壓油的流動方向，使防噴器得以迅速開關[1-3]。當控制裝置系統中液壓油經使用消耗，油量減少，油壓降低到一定程度時，控制裝置中的氣動油泵將自動補充儲油量，液氣開關主要用于控制氣動油泵的啟停，使系統中油壓始終保持在一定的壓力范圍內。液氣開關性能直接影響整個系統工作可靠性、安全性及其使用壽命[4]。

隨著公司近年來液壓系統產業發展要求和液壓元件設計理念的提升，中東客戶對先進液壓系統及液壓元件核心技術需求也達到了新的水平[5-7]，為提高控制裝置系統壓力穩定性，使系統壓力波動范圍在19.3～20.7 MPa之間，波動壓差小于1.4 MPa，常規控制裝置系統波動壓差小于3 MPa，為提高產品市場競爭力，分析液氣開關啟閉特性并提高其穩定性[8-10]，實現精準邏輯控制順序，具有重要意義。

1 原理介紹

控制裝置系統壓力控制原理如圖1所示，壓力表顯示油路和氣路壓力值，溢流閥作為油路安全閥，控制油路油壓，液氣開關進油口直接連接系統油壓管線，進氣口與氣源連接，排氣口與氣動油泵連接。當系統油壓較大時，液氣開關切斷氣源，氣動油泵停止充壓，系統進入保壓狀態；當系統油壓消耗減小時，液氣開關連通氣源，驅動氣動油泵自動補壓，系統壓力增加，直至液氣開關切斷氣源，因此，液氣開關啟閉特性直接影響系統壓力穩定性。

1.氣動油泵 2.溢流閥 3.壓力表 4.液氣開關 5.截止閥 6.過濾器 7.油箱 8.氣源

2 結構建模分析

液氣開關利用彈簧力與油壓相互作用，控制氣源的連通或切斷。氣動油泵排出的壓力油進入系統，當系統壓力增高，接頭處進油口輸入油壓高于彈簧力時，使芯桿向左移動，密封壓座與連接法蘭緊貼，液氣開關斷開氣源，氣動油泵停止充壓；當系統中液壓油由于使用消耗，油量減少，管路中油壓降低到一定程度時，直至油壓降低至小于彈簧復位力，彈簧伸長，芯桿右移，密封壓座與連接法蘭斷開，排氣口接通氣源，使氣動油泵工作，補充油量，如此交替，保證系統油壓始終在設定的范圍內。液氣開關的換向性能使油壓與氣壓從平衡狀態到非平衡狀態交替變化，控制氣動油泵啟停維持系統壓力。由此可知，控制裝置系統穩定性要求液氣開關具有較高敏感度與精準度。

根據上述結構原理分析，為使系統油壓穩定，油壓降低到一定程度時，連通氣源，啟動油泵，直至滿足系統油壓需求后切斷氣源[11-13]，根據結構圖2所示，分別以液氣開關連通和切斷氣源狀態建立力學方程式。

1.連接法蘭 2.密封壓座 3.通氣接頭 4.支承芯套 5.鎖緊螺母 6.彈簧 7.芯桿 8.支撐座 9.密封圈 10.接頭

當密封壓座與連接法蘭將要斷開，排氣口與進氣口相通，連通氣源，建立方程：

Fs≥p1A1+p2A2+Ff

(1)

當密封壓座與連接法蘭密封面將要貼合，排氣口與進氣口斷開，切斷氣源，建立方程：

(2)

式中,Fs—— 伸展時彈簧復位力，Fs=Kxs

p1—— 氣源連通時進油口油壓，MPa

p2—— 進氣口氣壓，MPa

p3—— 排氣口氣壓，MPa

A1—— 進油口油壓作用面積，mm2

A2—— 進氣口氣壓作用面積，mm2

A3—— 排氣口氣壓作用面積，mm2

Ff—— 芯桿移動的摩擦力，N

Fy—— 受壓時彈簧復位力，Fy=Kxy

K—— 彈簧剛度系數，N/mm

xs—— 伸展時彈簧壓縮量，mm

xy—— 受壓時彈簧預壓縮量，mm

密封壓座與連接法蘭將要斷開與將要貼合時，彈簧工作高度相同[14-15]，彈簧壓縮量相等，此時：

Fs=Fy

(3)

當接通氣源時，進氣壓力與排氣口壓力相等，即：

p2=p3

(4)

由式(1)～式(4)得：

(5)

(6)

3 啟閉特性數值分析

3.1 氣源壓力變化對啟閉特性影響

中東地屬熱帶沙漠氣候，夏季炎熱干燥，最高氣溫可達50 ℃，由于周圍溫度升高，氣壓不穩定，通過氣源壓力變化模擬現場工況，對液氣開關的啟閉特性進行分析。

圖3 氣源壓力對斷開時油壓影響

3.2 摩擦力對啟閉特性影響

圖4 摩擦力對斷開時油壓影響

3.3 彈簧剛度對啟閉特性影響

圖5 彈簧剛度對斷開時油壓影響

4 試驗驗證

通過上述理論分析可知，氣源壓力對液氣開關啟閉特性影響微小，而且現實工況中，氣壓受環境溫度而變，試驗中對氣壓變化影響不予考慮，而摩擦力在內部結構中不便測量。針對彈簧剛度對液氣開關啟閉特性影響較大，生產了一套加工光潔度高、內部摩擦耗能小的液氣開關，并按照系統壓力控制原理圖1做了一組臺架試驗，試驗原理詳見圖1所示。

表1 液氣開關啟閉壓差隨彈簧剛度變化情況

根據表1中試驗數據顯示，隨著彈簧剛度K增加，壓差Δp先減小后增大，拐點位于96 N/mm處，與前期理論模型分析結果一致，試驗分析結果如圖6所示。

圖6 試驗分析彈簧剛度對啟閉壓差影響

5 結論

(1)中東地屬熱帶沙漠氣候，夏季炎熱干燥，氣溫較高，氣壓不穩定，通過模擬氣源壓力變化分析結果顯示，氣源壓力越大，斷開油壓值略微增大，但油壓差增幅較小；

(2)經分析顯示，隨著液氣開關自身結構摩擦力增大，其啟閉油壓差也增大，但增幅并不顯著。因此，在結構設計與加工工藝過程中，盡量提高各零部件的光潔度，減少不必要的摩擦，提高產品穩定性；

(3)當氣源壓力在0.65～0.9 MPa變化時，理想狀態下(摩擦力忽略不計)理論分析可知，液氣開關內部彈簧性能對液氣開關的啟閉特性影響較大。試驗顯示，若要求系統油壓穩定，壓差波動小，建議液氣開關內部彈簧剛度在94～97.3 N/mm范圍為宜；

(4)根據液氣開關結構以及工作回路，利用彈簧復位功能和力學平衡原理，建立數值模型開展分析，并進行試驗驗證。結果表明，氣源壓力和內部結構摩擦力對液氣開關啟閉特性影響較小，彈簧剛度對啟閉特性影響較大；

(5)應用理論與試驗相結合，對液氣開關穩定性進行分析，得出影響液氣開關穩定性因素，可作為類似結構新產品參數選取與設計依據。