高速开关数字阀技术应用分析

高速开关数字阀又称脉宽调制式数字阀，按工作位置数目及通道数可分为三位四通高速开关数字阀、二位三通高速开关数字阀和二位二通高速开关数字阀，其中二位三通高速开关数字阀和二位二通高速开关数字阀两种最常见；按电-机械转换w装置可分为螺管电磁铁式高速开关数字阀、盘式电磁铁式高速开关数字阀、力矩马达式高速开关数字阀和压电晶体式高速开关数字阀等多种；按阀芯的结构形式可分为圆柱滑阀式高速开关数字阀、锥阀式高速开关数字阀、球阀式高速开关数字阀和喷嘴挡板式高速开关数字阀。

1.滑阀式高速开关数字阀

这种阀的优点是容易获得液压力平衡和液动力补偿，可在较大的压力和流量下工作，可得到多工位和多通道的开关阀，缺点是会使工作行程加长，影响快速性，要求加工精度高，而密封性差，因泄漏会影响控制精度。图6-13为螺管电磁铁驱动的滑阀式二位三通高速开关数字阀的结构原理。电磁铁断电时，弹簧5使阀芯4复位保持在A口和T口相通位置上；电磁铁通电时，衔铁1左移通过推杆2使阀芯4左移P口与A口相通。

2.锥阀式高速开关数字阀

此阀的优点是可克服滑阀的行程长和泄漏的缺点，也可克服球阀的压力不平衡的不足，作为二位二通开关数字阀比较理想，但不能做成三通或四通开关数字阀。

图6-13 螺管电磁铁驱动的滑阀式二位三通高速开关数字阀

1—衔铁 2—推杆 3—阀套 4—阀芯 5—弹簧

图6-14 盘式电磁铁-锥阀组合的数字阀结构图

1—盘式电磁铁 2—弹簧 3—阀套 4—锥形阀芯

（1）盘式电磁铁-锥阀组合的数字阀 图6-14所示为盘式电磁铁与锥阀组合的数字阀结构图。通电时盘式衔铁1左移，带动阀芯4开启阀口；断电时弹簧2压衔铁向右复位，阀口关闭。在恒定的采样周期内，控制开、关时间，即可得到不同的流量。图6-14所示为二位三通阀，对阀芯略作修改即为二位二通阀。盘式电磁铁主要受表面力作用，电磁作用力较大，可达120N，而行程较短，因此这种阀的阀芯行程也较短。

（2）螺管电磁铁-锥阀组合的数字阀 图6-15所示为螺管电磁铁驱动的锥阀式二位二通高速开关数字阀。当线圈4通电时，衔铁2右移，使与其连接的锥阀芯1开启，液压油从P口经阀体流入控制腔A口，为防止开启时阀因稳态液动力而关闭和减小控制电磁力，该阀通过射流对铁心的作用来补偿液动力。断电时，弹簧3使锥阀关闭。阀套6上有一阻尼孔5，用以补偿液动力。

3.球阀式高速开关数字阀

这种阀的优点是容易密封，行程短，动作灵敏，动态特性好，切换时间可达0.5ms。但由于压力不平衡，电磁铁直接承受液压力，只能做成小通径或用作先导阀。图6-16为电磁铁驱动的球阀式高速开关阀。该阀液压部分为两级，均为二位三通结构，是一个先导式二位三通阀。当电磁铁通电时，衔铁向上运动，液压油经通道4和导阀开启的阀口进入先导级阀2的负载腔，回油口关闭。液压油通过活塞3推开球阀6，液压油由P口通至液压缸口A，回油口关闭。当电磁铁断电时，液压油驱动先导阀和主阀，使导阀负载腔与供油切断，而与回油口相通，液压油关闭球阀5，打开球阀6，A腔与回油相通。

图6-15 电磁铁驱动的锥阀式高速开关数字阀(www.xing528.com)

1—锥阀芯 2—衔铁 3—弹簧 4—线圈 5—阻尼孔 6—阀套

图6-16 球阀式高速开关阀

1—衔铁 2—先导级阀 3—活塞 4—通道 5、6—球阀

4.压电晶体式数字阀

图6-17是一种采用压电晶体作为驱动装置的新型数字阀。压电晶体是一种电致伸缩材料，多片压电晶体叠合，通电时可产生约0.02mm的变形，由此带动滑阀运动，启闭阀口。这种阀工作时无噪声，可靠性和稳定性好，响应快，可达20～150kHz，分辨率高，可达5μm/V，可获得极高的位置控制精度，易于实现微型化。

5.超磁致伸缩式数字阀

图6-18是超磁致伸缩式数字阀，其工作原理为：当线圈未得电时，钢球在预压弹簧的压力下将进出油口隔离，阀不工作；当线圈得电时，产生驱动磁场，超磁致伸缩棒5伸长，推动推杆6，推杆顶压滚珠8，从而推动杠杆10工作，杠杆通过滚珠12克服预压弹簧16的阻力推动阀芯11移动，开关阀的进油口13和出油口14相通，阀工作。当连续给阀输入脉冲电压时，阀便能够获得快速的开关动作。这种阀与压电类数字阀相比，具有输出力大（可达数千牛）、响应速度快（<1μs）、能量密度高（25kJ/m³）、漂移小、输出位移大等优点，可实现开关阀高频快速大流量工作。

图6-17 压电晶体式数字阀

1—压电晶体 2—阀芯 3—阀套

图6-18 超磁致伸缩材料驱动的数字阀组成原理图

1—调整螺栓 2—导磁外套 3—线圈骨架 4—线圈 5—超磁致伸缩棒 6—推杆 7—端盖 8、12—滚珠 9—杠杆支点 10—杠杆 11—阀芯 13—进油口 14—出油口 15—钢珠 16—预压弹簧 17—阀体

现有高速开关阀的响应时间通常在几毫秒级（见表6-4），若用压电晶体或磁致伸缩等特殊材料作电气-机械转换器，则阀的响应时间不到1ms，甚至是1μs以下。当选择合适的控制信号频率时，阀的通断引起的流量或压力波动经主阀或系统执行器衰减，不至于影响系统的输出，系统将按平均流量或压力工作。