液气开关启闭特性分析

高巧娟，吴 楠，郑 翔，陈 星

(中国石油集团工程技术研究院 北京石油机械有限公司，北京 102206)

引言

液气开关是防喷器控制装置上的液压元件之一。控制装置的功用是预先制备与储存足量的液压油并控制液压油的流动方向，使防喷器得以迅速开关[1-3]。当控制装置系统中液压油经使用消耗，油量减少，油压降低到一定程度时，控制装置中的气动油泵将自动补充储油量，液气开关主要用于控制气动油泵的启停，使系统中油压始终保持在一定的压力范围内。液气开关性能直接影响整个系统工作可靠性、安全性及其使用寿命[4]。

随着公司近年来液压系统产业发展要求和液压元件设计理念的提升，中东客户对先进液压系统及液压元件核心技术需求也达到了新的水平[5-7]，为提高控制装置系统压力稳定性，使系统压力波动范围在19.3～20.7 MPa之间，波动压差小于1.4 MPa，常规控制装置系统波动压差小于3 MPa，为提高产品市场竞争力，分析液气开关启闭特性并提高其稳定性[8-10]，实现精准逻辑控制顺序，具有重要意义。

1 原理介绍

控制装置系统压力控制原理如图1所示，压力表显示油路和气路压力值，溢流阀作为油路安全阀，控制油路油压，液气开关进油口直接连接系统油压管线，进气口与气源连接，排气口与气动油泵连接。当系统油压较大时，液气开关切断气源，气动油泵停止充压，系统进入保压状态；当系统油压消耗减小时，液气开关连通气源，驱动气动油泵自动补压，系统压力增加，直至液气开关切断气源，因此，液气开关启闭特性直接影响系统压力稳定性。

1.气动油泵 2.溢流阀 3.压力表 4.液气开关 5.截止阀 6.过滤器 7.油箱 8.气源

2 结构建模分析

液气开关利用弹簧力与油压相互作用，控制气源的连通或切断。气动油泵排出的压力油进入系统，当系统压力增高，接头处进油口输入油压高于弹簧力时，使芯杆向左移动，密封压座与连接法兰紧贴，液气开关断开气源，气动油泵停止充压；当系统中液压油由于使用消耗，油量减少，管路中油压降低到一定程度时，直至油压降低至小于弹簧复位力，弹簧伸长，芯杆右移，密封压座与连接法兰断开，排气口接通气源，使气动油泵工作，补充油量，如此交替，保证系统油压始终在设定的范围内。液气开关的换向性能使油压与气压从平衡状态到非平衡状态交替变化，控制气动油泵启停维持系统压力。由此可知，控制装置系统稳定性要求液气开关具有较高敏感度与精准度。

根据上述结构原理分析，为使系统油压稳定，油压降低到一定程度时，连通气源，启动油泵，直至满足系统油压需求后切断气源[11-13]，根据结构图2所示，分别以液气开关连通和切断气源状态建立力学方程式。

1.连接法兰 2.密封压座 3.通气接头 4.支承芯套 5.锁紧螺母 6.弹簧 7.芯杆 8.支撑座 9.密封圈 10.接头

当密封压座与连接法兰将要断开，排气口与进气口相通，连通气源，建立方程：

Fs≥p1A1+p2A2+Ff

(1)

当密封压座与连接法兰密封面将要贴合，排气口与进气口断开，切断气源，建立方程：

(2)

式中,Fs—— 伸展时弹簧复位力，Fs=Kxs

p1—— 气源连通时进油口油压，MPa

p2—— 进气口气压，MPa

p3—— 排气口气压，MPa

A1—— 进油口油压作用面积，mm2

A2—— 进气口气压作用面积，mm2

A3—— 排气口气压作用面积，mm2

Ff—— 芯杆移动的摩擦力，N

Fy—— 受压时弹簧复位力，Fy=Kxy

K—— 弹簧刚度系数，N/mm

xs—— 伸展时弹簧压缩量，mm

xy—— 受压时弹簧预压缩量，mm

密封压座与连接法兰将要断开与将要贴合时，弹簧工作高度相同[14-15]，弹簧压缩量相等，此时：

Fs=Fy

(3)

当接通气源时，进气压力与排气口压力相等，即：

p2=p3

(4)

由式(1)～式(4)得：

(5)

(6)

3 启闭特性数值分析

3.1 气源压力变化对启闭特性影响

中东地属热带沙漠气候，夏季炎热干燥，最高气温可达50 ℃，由于周围温度升高，气压不稳定，通过气源压力变化模拟现场工况，对液气开关的启闭特性进行分析。

图3 气源压力对断开时油压影响

3.2 摩擦力对启闭特性影响

图4 摩擦力对断开时油压影响

3.3 弹簧刚度对启闭特性影响

图5 弹簧刚度对断开时油压影响

4 试验验证

通过上述理论分析可知，气源压力对液气开关启闭特性影响微小，而且现实工况中，气压受环境温度而变，试验中对气压变化影响不予考虑，而摩擦力在内部结构中不便测量。针对弹簧刚度对液气开关启闭特性影响较大，生产了一套加工光洁度高、内部摩擦耗能小的液气开关，并按照系统压力控制原理图1做了一组台架试验，试验原理详见图1所示。

表1 液气开关启闭压差随弹簧刚度变化情况

根据表1中试验数据显示，随着弹簧刚度K增加，压差Δp先减小后增大，拐点位于96 N/mm处，与前期理论模型分析结果一致，试验分析结果如图6所示。

图6 试验分析弹簧刚度对启闭压差影响

5 结论

(1)中东地属热带沙漠气候，夏季炎热干燥，气温较高，气压不稳定，通过模拟气源压力变化分析结果显示，气源压力越大，断开油压值略微增大，但油压差增幅较小；

(2)经分析显示，随着液气开关自身结构摩擦力增大，其启闭油压差也增大，但增幅并不显著。因此，在结构设计与加工工艺过程中，尽量提高各零部件的光洁度，减少不必要的摩擦，提高产品稳定性；

(3)当气源压力在0.65～0.9 MPa变化时，理想状态下(摩擦力忽略不计)理论分析可知，液气开关内部弹簧性能对液气开关的启闭特性影响较大。试验显示，若要求系统油压稳定，压差波动小，建议液气开关内部弹簧刚度在94～97.3 N/mm范围为宜；

(4)根据液气开关结构以及工作回路，利用弹簧复位功能和力学平衡原理，建立数值模型开展分析，并进行试验验证。结果表明，气源压力和内部结构摩擦力对液气开关启闭特性影响较小，弹簧刚度对启闭特性影响较大；

(5)应用理论与试验相结合，对液气开关稳定性进行分析，得出影响液气开关稳定性因素，可作为类似结构新产品参数选取与设计依据。