高速開關(guān)閥及其發(fā)展趨勢

姚亞妮（國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司,新疆　哈密　839000）

高速開關(guān)閥及其發(fā)展趨勢

姚亞妮
（國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司,新疆哈密839000）

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

高速開關(guān)閥；趨勢；發(fā)展

高速開關(guān)閥常常利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)有效控制，它雖然受到開關(guān)量控制的影響，但并不只是單純的開關(guān)信號。運(yùn)用計(jì)算機(jī)簡單的持續(xù)控制是高速開關(guān)閥的特別大的優(yōu)點(diǎn)。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(jì)算機(jī)所具備的能力。所以，在液壓控制的回落中運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(guān)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(yùn)用D/A轉(zhuǎn)換接口就能利用計(jì)算機(jī)把液壓系統(tǒng)和控制技術(shù)相互結(jié)合。

1　高速開關(guān)閥在國內(nèi)外的發(fā)展及分類

國外很早就對高速開關(guān)閥有研究，上個世紀(jì)70年代末的英國對高速開關(guān)閥中的電磁開關(guān)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(guān)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(guān)閥的矛盾，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的這兩種電磁開關(guān)閥，成本很高，制造和加工的難度也非常大，在實(shí)際運(yùn)用中受到限制。

我國相對于國外來說，高速開關(guān)閥的研究工作不僅晚，而且自從上世紀(jì)80年代開始到現(xiàn)在，小于0.5ms響應(yīng)時間的高速開關(guān)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(guān)閥的樣本機(jī)器以及和樣機(jī)互相配套的相關(guān)驅(qū)動控制裝置；另一方面根據(jù)外國的相關(guān)研究，摸索縮短響應(yīng)時間的電磁開關(guān)閥的基礎(chǔ)研究理論。

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

1.1依據(jù)工作位置進(jìn)行分類

依據(jù)工作位置可將高速開關(guān)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(guān)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(jìn)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(yùn)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?yàn)楸灰簞恿τ绊懀蛊湓阡撉蛏献饔脤?dǎo)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(yīng)速度，常在有較高要求的流量場合，為了構(gòu)造二級開關(guān)閥結(jié)構(gòu)把它作為先導(dǎo)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(shè)計(jì)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(guān)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(yīng)用于低壓或小通徑場合。

1.3依據(jù)電一機(jī)械的轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行分類

依據(jù)電一機(jī)械的轉(zhuǎn)換裝置可以把高速開關(guān)閥分為力矩馬達(dá)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(yùn)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(dá)式有比較好的動態(tài)性能，但它價(jià)格較高，結(jié)構(gòu)非常復(fù)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(fèi)大量的電能[1]。

2　高速開關(guān)閥的其他型式在國內(nèi)外的研究

2.1高速開關(guān)閥的壓電晶體型

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

2.2稀土超磁致伸縮材料高速開關(guān)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(yīng)變量相對較大，并且對壓應(yīng)力的承受能力較大，能讓機(jī)械能和電磁能兩者之間進(jìn)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(yīng)用不太方便。

2.3電流變液高速開關(guān)閥

電流變液高速開關(guān)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?yàn)殡娏髯円旱倪@種特性，加上較快的響應(yīng)速度，人們稱它為“機(jī)敏材料”。電流變技術(shù)有很大的應(yīng)用前景，如果突破了，在機(jī)電液壓技術(shù)、汽車等工業(yè)中會被大量應(yīng)用[3]。

3　高速開關(guān)閥的發(fā)展趨勢

數(shù)字控制電液系統(tǒng)中，高速開關(guān)閥起著很重要的作用。它與比例閥和伺服閥一樣，價(jià)格比較便宜、結(jié)構(gòu)相對簡單，而且具有較強(qiáng)的抗污染能力；不同的是，高速開關(guān)閥的控制精度和流量都不理想，而且響應(yīng)頻率也低。根據(jù)高速開關(guān)閥的應(yīng)用范圍受上述缺點(diǎn)限制，它的發(fā)展趨勢跟隨國內(nèi)外學(xué)者的研究方向：一般研究運(yùn)用二級高速開關(guān)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(jìn)、研究驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)材料來改變閥的響應(yīng)頻率。

4　結(jié)語

綜上所述，高速開關(guān)閥相對于比例閥及伺服閥具有不少優(yōu)點(diǎn)，比如壽命較長、較快的響應(yīng)速度、結(jié)構(gòu)比較簡單緊湊、抗污染能力較強(qiáng)、較好的重復(fù)性、工作可靠且價(jià)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(guān)閥在國外的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣，如在大型液壓控制系統(tǒng)、汽車制造及工程機(jī)械中都有用到。在不斷進(jìn)步的機(jī)電一體化、計(jì)算機(jī)控制和自動化等技術(shù)發(fā)展過程中，高速開關(guān)閥的發(fā)展趨勢也在不斷擴(kuò)大。

[1]胡竟湘,李建軍,鐘定清等.高速開關(guān)閥及其發(fā)展趨勢[J].機(jī)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(guān)閥的研究現(xiàn)狀[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào),2011,09(03):351-358.

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