高速開關閥及其發(fā)展趨勢

姚亞妮（國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司,新疆　哈密　839000）

高速開關閥及其發(fā)展趨勢

姚亞妮
（國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司,新疆哈密839000）

本文首先對高速開關閥在國內(nèi)外的種類及發(fā)展進行了介紹，然后論述了國內(nèi)外對于高速開關閥的其他型式的研究，最后具體闡述了高速開關閥的控制特點及發(fā)展趨勢。

高速開關閥；趨勢；發(fā)展

高速開關閥常常利用計算機實現(xiàn)有效控制，它雖然受到開關量控制的影響，但并不只是單純的開關信號。運用計算機簡單的持續(xù)控制是高速開關閥的特別大的優(yōu)點。數(shù)據(jù)處理和構(gòu)建有邏輯性的控制數(shù)據(jù)策略是計算機所具備的能力。所以，在液壓控制的回落中運用計算機替代各種人工判斷和檢測，能提高控制水平和系統(tǒng)性能，并且高速開關閥可以將OFF/ON的這種數(shù)字信號直接換為流體的脈沖信號，不需要運用D/A轉(zhuǎn)換接口就能利用計算機把液壓系統(tǒng)和控制技術相互結(jié)合。

1　高速開關閥在國內(nèi)外的發(fā)展及分類

國外很早就對高速開關閥有研究，上個世紀70年代末的英國對高速開關閥中的電磁開關閥就有研究，開發(fā)出Colenoid閥和Helenoid閥這兩種有著特殊結(jié)構(gòu)的電磁開關閥。并且都是利用了形狀和結(jié)構(gòu)比較特殊的電磁鐵，解決了“越大的電磁作用力反而具有較小的銜鐵加速度”的電磁開關閥的矛盾，但是結(jié)構(gòu)復雜的這兩種電磁開關閥，成本很高，制造和加工的難度也非常大，在實際運用中受到限制。

我國相對于國外來說，高速開關閥的研究工作不僅晚，而且自從上世紀80年代開始到現(xiàn)在，小于0.5ms響應時間的高速開關閥仍未出現(xiàn)。研究工作可分為：一方面是合作或者自主開發(fā)電磁開關閥的樣本機器以及和樣機互相配套的相關驅(qū)動控制裝置；另一方面根據(jù)外國的相關研究，摸索縮短響應時間的電磁開關閥的基礎研究理論。

最近幾年，全球各國的科研機構(gòu)或企業(yè)開發(fā)了很多高速開關閥的型式，高速開關閥按照不同方式可分為。

1.1依據(jù)工作位置進行分類

依據(jù)工作位置可將高速開關閥分為：三位四通、三位三通、二位三通和二位二通。經(jīng)常使用的是二位三通和二位二通兩種高速開關閥，其具體工作原理在這里就不一一介紹了。

1.2根據(jù)閥芯結(jié)構(gòu)形式進行分類

我們經(jīng)常使用的閥芯結(jié)構(gòu)是工藝性能好、動作比較靈敏、密封好且行程短、運動摩擦力小、面積梯度大、動態(tài)性能好，結(jié)構(gòu)又非常簡單的球閥式。不過，球閥式結(jié)構(gòu)因為被液動力影響，使其在鋼球上作用導致液壓力失衡，最終只能把球閥式結(jié)構(gòu)制成小通徑閥。為了降低動態(tài)響應速度，常在有較高要求的流量場合，為了構(gòu)造二級開關閥結(jié)構(gòu)把它作為先導閥。

錐閥式結(jié)構(gòu)是比較理想的一種閥芯結(jié)構(gòu)形式，它設計了不受液動力影響的高低壓平衡，避免球閥式結(jié)構(gòu)的相關液壓力失衡問題。不過，它受限于工藝性能，只能做成二位二通的形式。

平板閥由于靜態(tài)力失衡，只能應用于低壓或小通徑場合。

1.3依據(jù)電一機械的轉(zhuǎn)換裝置進行分類

依據(jù)電一機械的轉(zhuǎn)換裝置可以把高速開關閥分為力矩馬達式、螺管電磁鐵式、壓電晶體和盤式電磁鐵式等。

盤式和螺管電磁鐵式的輸出力相對較大，由于線圈匝數(shù)和運動部件影響轉(zhuǎn)換裝置，造成較差的動態(tài)性能，也延遲了電磁時間。雖然力矩馬達式有比較好的動態(tài)性能，但它價格較高，結(jié)構(gòu)非常復雜，并且輸出力也很小。壓電晶體式有較好的動態(tài)性能及最短的切換時間，輸出力也相對較高，不過它的輸出位移相對較小，能控制的流量也不大，在驅(qū)動時會耗費大量的電能[1]。

2　高速開關閥的其他型式在國內(nèi)外的研究

2.1高速開關閥的壓電晶體型

國外最近采用晶體材料，利用其壓電效應研究，制造出一種高響應的電液閥。其壓電材料具有在外力作用導致變形時，表面會因為內(nèi)部極化而產(chǎn)生電荷的特點，是一種晶體材料，我們常用的煤氣灶就把這種原理應用到點火裝置。反之，利用較強電場對極化的地方進行施壓，就會導致壓電材料變形，沒有電場施壓時，材料又恢復原樣。壓電材料的這種特性也被運用到壓電晶體閥中[2]。

2.2稀土超磁致伸縮材料高速開關閥

由于電磁鐵吸合式電磁閥的輸出功率和頻響有一定的局限性，現(xiàn)在我們做驅(qū)動器時采用稀土超磁致伸縮材料。這種材料比較壓電陶瓷材料，在低頻階段的應變量相對較大，并且對壓應力的承受能力較大，能讓機械能和電磁能兩者之間進行高速轉(zhuǎn)換，不過在轉(zhuǎn)換中對驅(qū)動能量的消耗較大，汽車電噴系統(tǒng)中的應用不太方便。

2.3電流變液高速開關閥

電流變液高速開關閥的驅(qū)動元件是電流變液體。電場致流變流體，指介電常數(shù)從高向低把顆粒分散到絕緣液體中形成的比較均勻的一類懸浮液。在交流或直流電場中，這種懸浮液會出現(xiàn)流變性能的變化，表觀粘度比沒有電場時高很多個數(shù)量級，也有可能會變成固態(tài)，除去電場，粘度又變?yōu)樵担w系也變?yōu)橐后w。因為電流變液的這種特性，加上較快的響應速度，人們稱它為“機敏材料”。電流變技術有很大的應用前景，如果突破了，在機電液壓技術、汽車等工業(yè)中會被大量應用[3]。

3　高速開關閥的發(fā)展趨勢

數(shù)字控制電液系統(tǒng)中，高速開關閥起著很重要的作用。它與比例閥和伺服閥一樣，價格比較便宜、結(jié)構(gòu)相對簡單，而且具有較強的抗污染能力；不同的是，高速開關閥的控制精度和流量都不理想，而且響應頻率也低。根據(jù)高速開關閥的應用范圍受上述缺點限制，它的發(fā)展趨勢跟隨國內(nèi)外學者的研究方向：一般研究運用二級高速開關閥來控制閥的流量；從控制方式著手探究閥的控制精度；通過改進、研究驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)材料來改變閥的響應頻率。

4　結(jié)語

綜上所述，高速開關閥相對于比例閥及伺服閥具有不少優(yōu)點，比如壽命較長、較快的響應速度、結(jié)構(gòu)比較簡單緊湊、抗污染能力較強、較好的重復性、工作可靠且價格較低等等。作為數(shù)字式元件比較適合工作環(huán)境較差且沒有較高精度要求的工作場合，有效控制電液系統(tǒng)的數(shù)字。高速開關閥在國外的應用領域比較廣，如在大型液壓控制系統(tǒng)、汽車制造及工程機械中都有用到。在不斷進步的機電一體化、計算機控制和自動化等技術發(fā)展過程中，高速開關閥的發(fā)展趨勢也在不斷擴大。

[1]胡竟湘,李建軍,鐘定清等.高速開關閥及其發(fā)展趨勢[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2009,22(02):60-62.

[2]丁凡,姚健娣,笪靖等.高速開關閥的研究現(xiàn)狀[J].中國工程機械學報,2011,09(03):351-358.

[3]溫成卓,吳張永,王嫻等.高速開關閥控插裝閥的特性研究[J].機床與液壓,2012,40(23):61-63.