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摘要：本文介绍了节流阀的结构和工作原理，并结合节流阀的流量压力特性，通过对BX4液压吊卡关门异常的故障分析，讨论节流阀的压差流量变化影响执行器动作顺序的规律，采取合理的措施解决了液压故障。本文旨在为相关工作人员应对类似的液压系统故障提供有益的参考和借鉴。

关键词：节流阀；BX4液压吊卡；压差流量变化；执行器动作顺序

前言

节流阀作为流量控制阀，其结构简单，便于制造和维修；它往往在整个系统中广泛分布和应用，却又常常在故障判断中被忽略；又因其调速流量受外界条件影响较多，现场判断故障的隐蔽性加大。在这种情况下，需要仔细研究节流阀的压差流量变化，抽丝剥茧，分析故障原因和找出故障排除方法，解决现场实际问题。

1、节流阀结构及工作原理

普通节流阀结构及工作原理如图1所示，节流阀结构如图1（1）所示，节流阀工作原理如图1（2）所示，液压流从P1口输入，通过节流口的节流作用后经P2输出，推动液压缸动作。节流阀是通过改变节流面积或节流长度以控制流体流量的阀门。因为定量泵的流量是一定的，而定量泵液压系统中每个液压缸的动作速度是不一样的，所以用节流阀来控制油缸的速度。油缸动作时的所需的流量是随着动作的速度快慢而变化的，多余的油液通常是通过溢流阀而流回油箱。其它是结构最简单，应用最广泛的流量控制阀，经常与溢流阀配合组成定量泵供油的各种节流调速回路或系统 [1] 。

节流阀常见分成可调节和不可调节两种方式。将节流阀和单向阀并联则可以组成单向节流阀（如图2所示），节流阀和单向阀是简易的流量控制阀，在定量

泵液压系统中，节流阀和溢流阀配合，可以组成调速系统，但节流阀没有流量反

功能，不能补偿由负载所造成的速度不稳定，一般仅用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合 [2]

2、节流阀导致的BX4液压吊卡关门故障情况介绍

2.1  故障现象描述

BX4液压吊卡示意图如图3所示，在钻井起下钻过程中，液压吊卡在关门时连续多次反复出现门和门锁（latch）相互打架的故障现象，即门和门销顶在了一起，导致吊卡无法关闭（如图4所示为牛头吊卡模拟门和门锁打架示意图），再次打开后，又能勉强关上。

将液压吊卡拆下后，清洁保养各连接销轴，未发现任何异常，然后将该液压吊卡接入液压泵站预留的试验点，发现门和门销每次都会出现相互打架的故障现象。

2.2  BX4液压吊卡液压原理

BX4液压吊卡部分液压原理图如图5所示，当液压吊卡关门时，压力油从图中line7进入门液缸无杆端，液缸伸出，开始关门，等到液缸有杆端line10建立起75psi的压力，单向阀K被双向打通，压力油由line7进入line11，然后再进入门销液缸的无杆端，两个液缸有杆端泄压压力都得达到75psi。

从图5中不难发现，BX4液压吊卡的门和门销液缸执行器关闭时，存在液压顺序动作，当液压吊卡关门时，门液缸先动作把门先关起来，门销液缸后动作，正常门关到位，门销也马上合上，衔接顺畅，不会出现门与门销打架的问题。随后检查液缸实际动作情况，动作的先后顺序跟上面描述的是一致的，即门液缸先动作，门销液缸后动作。

2.3  故障处理过程

测量该液压吊卡关门液缸的行程，范围在正常值之间，经调整行程长短后仍然没有任何改变，然后更换了一个新的顺序阀，问题依然存在，说明原来的顺序阀没有损坏。尝试在关门的时候，人为帮忙推一把门销另一侧的门，门就顺利的关上了。

通过以上多次的观察和现场测试后，现场基本确认是关门速度出现了问题。而速度与排量有关，门和门销液缸动作瞬时供油量发生了变化，导致速度发生了变化，从而导致两者配合速度上存在了差异，才引起两者打架，由此判断，系统内节流阀存在问题的可能性比较大。

BX4液压吊卡门销液缸接口如图6所示，上层门销液缸最右侧接头内应含有节流阀，实际安装的不是节流阀，而是相应的接头。

安装有节流阀的液缸剖面图如图7所示，内置节流阀的接头安装在液缸无杆腔。

内置节流阀接头示意图如图8所示，该类节流阀拧在接头里面，带内扣的，也可能松动后被液压油带走了，或者时间久被腐蚀掉了或者谁在修理时把该接头误认为是常规接头而换上了普通接头。因为外表是看不出来内部是否内置节流阀，所以增加了判断的难度。

更换好该节流阀，确认line7，9，14上相应节流阀都正确安装后，连接好管线，进行试验，液压吊卡正常关闭，所有动作先后衔接正常，位置也正常。

也就是说，节流阀在line11上的缺失，造成了门销液缸动作瞬时进油量增加，继而造成门销液缸的动作变快了，也就出现了上面的故障现象。

3、节流阀引发故障原理分析

3.1  节流阀的流量压力特性 [3]

节流阀的流量-压差特性曲线如图9所示，常用公式（1）来表示：

q=KAΔPm  （1）

式中：

K为由节流口形，液体流态，油液性质等因素所决定的，由试验得出。

A为节流口的通流面积

节流阀压差为ΔP= p1 - p2 公式（2）

m为由节流口形状决定的节流阀指数，其值在0.5～1.0之间，由试验求得，产生的特性曲线图。

在通流面积一定后，流量能否稳定在所限定的流量上，则与节流口前后的压差，油压以及节流口形状等因素有密切关系。

在使用中，由于负载压力（节流阀出口压力）的变化，节流阀前后的压差也在变化，使流量不稳定。

由关系式得知：压差越大，流量越大；压差越小，流量越小。

3.2  对于执行液缸油液流速V：[4]

V=q/At  （3）

公式（3）中：

q为节流阀的流量，At为执行缸体腔内面积。

流体力学中伯努力方程：

P+1/2（ρV²）+ρgh=C  公式（4）[5]

P为运送油液时产生的压强，ρ油液密度，V为油液流速，ρgh为运送油液产生的高度差势能，C为一个常数。

3.3  液压吊卡实际问题

节流阀的流量还受油温的影响，油温影响到油液的粘度，粘度增大，流量变小；粘度减小，流量变大，油液粘度的降低改善了油液的通过性能，但现场的实际并不能完全进入理想参考因素，因为这种没法做记录，唯有ΔP出现了变化，有比较客观的记录，即液压油系统压力差异。

顶驱液压泵站供应的液压油压力，经过减压阀后为2500psi，而系统压力供应压力为3000psi。把故障中line11进液缸接头通径也当节流阀来看待：节流阀开度对应标注为A11和A7。如果假设A11对应q4曲线，A7对应q1曲线。就形成如图10所示的line7和line11的流量-压差特性曲线。

由公式（4）可知，当供压从2500psi提升到3000psi时，因为前后作用面积不变，P增加了，ρgh没有发生变化，ρ保持不变，要维持C的常数，V就得变小。

由公式（1）带入公式（3）得：q=KAΔPm=VAt，这里K，A，At都不变，

ΔP与V成正比关系，ΔP随着V的减小而减小。

根据图10可知，ΔP变小后，Δq4（A11）< Δq1（A7），进入液缸时的流量变小了，A7这条曲线减少量比较多。

液缸进油压力从2500psi到3000psi，液缸进油量变少了，通流面积小的，减少量多，动作快慢与流量有关，液缸动作都变慢了，门的动作较门销的动作，变得更慢了，节流阀压差引起的流量变化，作用时间变慢十分微小，却也影响了液缸本应有的衔接动作。门销执行器动作完成所用的时间会比门执行器动作完成的时间更短，造成了门销与门的打架。

而之前在顶驱发生的偶发现象，分析其原因是节流阀的流量还受油温的影响，油温影响到油液的粘度，粘度增大，流量变小；粘度减小，流量变大，油液粘度的降低改善了油液的通过性能，但现场的实际并不能完全进入理想参考因素，故障发生在前，发现问题在后，而且是现场作业偶发，没有这个条件，这种状况是没法做记录的，唯有ΔP出现了变化，有比较客观的记录，即液压油系统压力差异。最后按正确的位置安装节流阀后，不管液压油压力是2500psi还是3000psi，关门动作和锁销动作又恢复到正常状态。

4、结论

（1）节流阀在独立液压执行器系统中，其基本功能仅限于减缓一个系统的动作；当节流阀设置在两个（或两个以上）执行器顺序动作的系统之中时，就应考虑节流阀的压差流量变化会不会影响到设定的动作顺序。

（2）节流阀的安装位置比较隐蔽，常为内置节流阀接头，客观上对故障判断带来了难度，设备管理人员需认真仔细研读液压系统中各节流阀的作用，设备出现故障时，才能及时准确反映，迅速排除故障，提高钻井作业时效。

（3）在今后对节流阀的拆检，需要注意其通流面积是否产生了变化，分析因此带来的功能影响。

参考文献：

[1]成大先.《机械设计手册》第五版[M].化学工业出版社，2010.

[2]周福军.节流阀的应用分析[J].2010（07）：90-91.

[3]张利平.《液压气动技术速查手册》第二版[M].化学工业出版社，2016.

[4]韩志引.节流阀的结构及流量特性分析[J].价值工程，2014（23）：82-83.

[5]何运兵，兰善红.潜析伯努利方程的应用[J].山东化工，2015（11）：81-82.