先导式大流量高速开关阀的关键技术研究
一种先导式纯水液压电磁开关阀的研制
维普资讯
２ ０ 年第 ７ ０８ 期
液压 与 气动
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形 密封 圈 的作 用下 ， 水槽 ｇ 内的高压水经 阀体上 的ｆ４Ｌ ｌ ＇
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６ ８
液压 与 气 动
２０ ０ ８年第 ７ 期
一
种 先 导 式 纯水 液 压 电磁 开关 阀 的研 制
唐群 国 ，陶 军， 王 径 ，朱玉泉
Ｄｅ ｅ ｏ ｖ ｌ ｐｍ ｅ ｆ ａ Ｐｕｒ ａ ｅ ｌ ｔ ｏ ｒ ｔ ｄ ｏ ． ｆ ｏ ｅ ｉ ｄｒ ｕｌｃ Ｖａ ｖ ｎｔｏ ｅ Ｗ ｔ ｒ Ｐｉｏ — ｐｅ ａ ｅ ｎ— ｆ Ｓ ｌ ｎｏ ｄ Ｈｙ ａ ｉ ｌ ｅ — ｏ
收 稿 日期 ：０ ８Ｏ 一２ ２０一ｌ ０
阀座 ８衔铁 ３ 衔铁外面是阀盖 １电磁铁套装在阀盖 、 。 ， 上 。在阀体 的下端开有进水 口和出水 口， 水经进水 口 流经主阀上的通孔 ａ 、主阀上 的阻尼孔 ｂ 流入主阀芯 上 腔 ，又 经先 导 阀座上 的通 孔 ｃ 流人 先 导 阀芯下 腔 ，
１ 先导式 纯水 液压 电磁 开关 阀的 结构原 理 纯 水 液 压 电磁 开 关 阀 的结 构 设 计 应 充 分 考 虑水
１阎 盖 ． ２ 先 导 阀芯 复 位弹 簧 ． ３衔铁 ． ４ 先导 阀 芯密 封 弹 簧 ．
５ ９ 密封圈 ，．
６ 先导 阀芯 ． ｌ ． 阀芯 ２主
７ 垫圈 ．
８ 先导阀座 ．
的逐渐关注 ， 以及受诸如水下作业 、 采矿 、 冶金 、 食品 、 医疗 器械 等行 业 的需求 驱 动 ， 用 天 然海水 或淡 水 的 采 纯水液压传动技术 的研究受到世界许多国家的瞩 目， 相关研究方兴未艾【】各种纯水液压元件的研制是纯 ｌ。 － ２ 水液压传动技术研究 的主要 内容 ， 也是纯水液压传动 在 工程 实际 中获得 推广 应用 的基本 前提 。 纯水 液压 电 磁开关阀是方向控制阀的一种阀， 在许多纯水液压系 统 中都要用到 ， 其性能的优劣将对系统的可靠性 、 控 制性 、 安全 性有 直接 影响 。 对纯水液压电磁开关阀的基本要求是 ：响应快 、 工作可靠、 截止时密封 ｆ好 、 生 开启时压损小。 本文介绍 了一 种 基 于先 导 式 控 制 原 理 的纯 水 液 压 电磁 开 关 阀 的结 构 原 理 、 键 零 件 的材 料 选 择 方法 ， 对所 设 计 关 并 的开关 阀进行 了基 本性 能试 验 。
先导式高速开关阀的优化设计与动态仿真
２１ ０ １年 ７月
机 Βιβλιοθήκη 电 工 程
Ｖｏ． ８ Ｎｏ ７ １２ ．
Ｊ１ ０ ｌ ｕ ．２ １
Ｊｕ ｎ ｌ ｆＭｅ ｈ ｎｃ ｌ Ｅ ｅｔ ｃ ｌＥ ｇｎ ｅｉｇ ｏ ｒａ ｃ ａ ｉａ ＆ ｌｃｒ ａ ｎ ｉｅ ｒ ｏ ｉ ｎ
先 导 式 高 速 开 关 阀 的优 化 设 计 与动 态 仿 真 术
中 图 分 类 号 ：Ｈ ３ ． ２ Ｔ １ ２ Ｔ １７ ５ ；Ｈ ２ 文献标志码 ： Ａ 文 章编 号 ：０ １— ５ １ ２ １ ）７— ７９— ４ １０ ４ ５ （０ １０ ０ ８ ０
Ｏｐ ｉ ｉ ａ ｉ ｎ ｄ ｓｇ ｎ ｙ ａ ｉ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｔｍ ｚ ｔｏ ｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｄ ｎ ｍ ｃ ｓｍ ｌ ｔｏ ｆ ｐ ｌ ｔ ｄ ｈ ｇ ｐ ｅ ｎ－ ｆ ａ ｖ ｉ ｅ ｉｈ ｓ ｅ ｄ ｏ ｏ ｖ ｌ ｅ ｏ
ｈ ｈｓｅｄｏ—ｆｖｌｅ ｉ ｉ ｉ ｖｌ ， ｎ ｅｏｊｃ ｖ ｎｔ ｎｗ ｓ ｕ ｆ ｗ ｒ ｐｉｉ ｎ ａａ ｅ ｓ ｆ ｈ ａｎｖｌｅ ｓａ ｉ ｐ ｅ ｎｏ ｖ ｔ ａｓｄ ｍａ ａｖ ａｄｔ ｂｅｔ ｅ ｕ ｃ ｏ ａ ｔｏ ａｄｔ ｏｔ ｚ ｇｐｒｍ ｔ ｅｍ ｉ ａ ．Ａ ｎ ｇ ａ ｗ ｈ ｌｅ ｎ ｅ ｈ ｉ ｆ ｉ ｐ ｒ ｏ ｍ ｉ ｅ ｏｔ ｖ
ｅａ ｌ ， ｐ ｃ ｃｐｌ ｅ ｒｅｆ ｗ ｏ —ｆｖ ｌｅ ａ ｏ ｔ ｉ ｄａ ｃｒ ｉｇ ｏ ｈ ｂ ｃｉｇ ｕ ｃｉ ．Ｉ ｏ ｅ ｖ ｌａ ｏ ｅｐ ｒ ｒ ａ ｃ ｆ ｘ ｍｐ ａｓ ｅ ｉ ｉ ｔｄｌ ｇ ｏ ｎ ｏ ｖ ｓ ｐｉ ｚ ｃ ｏｄ ｅｏ ｊ ｔ ｎ ｔ ｎ ｎ ｒ ｒ ｏ ａ ｔ ｎ ｔ ｅ ｏ ｎ ｅ ｅ ｉ ｆ ｏ ａ ｌ ａ ｗ ｍ ｅ ｎ ｔｔ ｅ ｎ ｆ ｏ ｄ ｔｅ ｕ ｉ ｈ ｆｍ ｏ
液压先导控制原理
液压先导控制原理液压先导控制是一种重要的控制方式，也是现代流体力学控制领域中的一个重要分支。
在流体的传输与控制领域，液压先导控制的应用广泛，它被广泛应用于船舶、工程机械、模具机床、冶金、石油化工、风电等领域。
本文将从液压先导控制原理入手，对该技术进行详细介绍，并探讨其在实际应用中的优势和掌握要点。
液压先导控制原理液压先导控制是指通过对先导小孔或先导阀口的控制，实现主要阀门的开启和关闭。
其基本原理是利用压力差来控制先导小孔或先导阀口的大小，从而改变液体的流处路径，使液压装置的各个部分按照需要动作。
具体来说，液压先导控制原理主要包括以下三方面：1. 压力差控制：通过控制先导阀口或先导小孔的开启大小，调节压差，从而对液流压力进行控制；2. 流量控制：利用先导小孔或先导阀口改变液体流动的流道，控制液体的流量；3. 方向控制：根据先导小孔或先导阀口的不同控制方式，实现液体运动方向的改变。
液压先导控制的优势液压先导具有以下几个优势：1. 高精度控制：液压先导控制可以精确控制液体的压力、流量和方向，从而实现高精度的控制。
2. 灵活性强：液压先导可以实现多种不同的流动方向和流量的转换，因此在实际应用中具有很高的灵活性。
3. 操作简单：液压先导控制器的设计相对简单，且使用起来十分方便，因此得到了广泛的应用。
4. 节能环保：液压先导控制可以精确调节液体压力和流量，从而降低能耗和排放，有利于节能环保。
掌握液压先导控制的要点要想掌握液压先导控制技术，需要注意以下几个要点：1. 了解先导小孔或先导阀口的结构和工作原理；2. 掌握先导控制方式和先导移位量与压差的关系；3. 熟悉先导控制的参数调试和优化方法；4. 掌握液压先导控制的应用范围和优缺点。
结论液压先导控制是一种重要的技术手段，它能够实现对液体流压、流量和流向的精确控制，应用十分广泛。
在实际应用中，掌握先导小孔或先导阀口的结构、控制方式及参数调试方法是十分必要的。
我们相信在普及和应用液压先导控制的过程中，我们会在不断的探索中迎来更多的发展机遇。
国内数字泵关键技术及发展现状分析
要 ：屯 量泵是 目前液压传 动系统 中使川最 多的动 力机 构，而数 字化液压控制 系统的
开发 应 用 将 是 今后 液 压技 术发 展 的 一个 重要 方 向。 本 文 王受／ ， ｉ 绍 了域 内教 ＿ ＝ 亍 ： 泉 的鲫 究井 ¨
发展 现 状 。
关键 词 ：数字泵 ；变量机构 ；进 电机 ；电液伺服阀 ；高速开关阀 中 图 分 类 号 ：Ｔ Ｈ１ ３ ７ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ０—８ １ ３ ６（ ２ ０ １ ３） ０ ８ —０ ０ ２ ６ —０ ２ 系统组成包括 ：８ ０ ３ １ 主电路 、Ａ／ Ｄ转换电路 、模拟输入 电压范 围控制系统 、输入电路 、输出电路 。为了使控制软件通用简单 ， 把泵 的负载特性 曲线 即压力一排量关 系曲线作离散化处理 ，分 成 若 干 段 ，将 压 力 和排 量 转变 为数 字量 后 存 人外 部存 器 Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ 中。微机经过查表计算 即可得到与负载压力相对应 的 活塞 目标位置值 。
５ 结束语
综上所述 ， 目前数字泵 的关键技术的 区别 ，基本上 围绕 以 下面几个 问题展开 ： 变量机构的控制方式 、 泵流量的检测 方法 、 变量机构 的供油方式。 比较 以上 ３种方式 ，它们都有各 自的优 缺点 ： 电液伺 服阀型排量调节机构具有响应快 、 精度高的优点 ， 但成本高 ，且对油液 的清洁度要求高 、抗污染能力差 ，一般情 况很 少采用 ；步进 电机 型排量调节机构尽管抗污染能 力强 ，但 其实 现起来需要较多的 电子设备 ， 成本较高 ， 控制过程较复杂。 而高速开关阀位置控制变量 机构 是一 新型的变量机构 ，其优点 是结 构简单 、成本低 、抗污 染能力强 、 作可靠性高 ，可直接 接受脉冲电信 号 ，不需要 Ｄ ／ Ａ转换 元件 ，极 易与计算机相连 ， 因而越来 越受到人们的重视 。它克服了以往泵控制单一 、控制 能力差的缺点 ，开拓了全新 的多功能控制方式 ，使 变量 泵的应 用更加广泛 ， 为液压 系统 的机 电一体化和智 能化提供新的领域 。 参考文献 ： ｌ １ １ 苏东海 ， 王庆玮 单片机 在数 字变量轴 向柱塞泵应用的研
浅谈气动先导技术在智能阀门定位器中的应用
浅谈气动先导技术在智能阀门定位器中的应用作者：刘齐芳来源：《中国新技术新产品》2013年第06期摘要：智能阀门定位器具有高可靠性、高控制精度、功能易扩展、可通讯等特点，充分适应工业控制体系间网络化、集成化、智能化发展方向的要求，从根本上克服了传统机械式阀门定位器功率损耗大、响应速度慢、易发热、机械磨损、电磁干扰等缺点。
智能阀门定位器应用气动先导技术实现内部气路控制，即以小阀控制压缩空气流量再用压缩空气推动大阀门，从而实现被控介质的流量控制，这种分级控制的思想通过压电阀应用得以实现。
关键词：气动先导；智能阀门定位器中图分类号：TE927+.7 文献标识码：A工业过程控制不断向网络化、分布智能化发展，适应了设备管理数字化的要求，调节阀是过程控制系统重要的执行部件，控制调节阀运行的分布智能化解决方案应运而生。
智能阀门定位器具有数据处理、状态识别、故障诊断、在线和离线测试、双向通信等功能。
过程控制系统对调节阀通过现场总线控制，使管理者实现了对调节阀的预测性维护和科学管理。
计算机技术、电子技术、通信技术、智能预估诊断技术的发展，要求智能阀门定位器必须适应网络通讯与供电共线，其核心部分气动控制部件必须实现超低能耗运行，保证网络总线控制系统运行安全可靠。
传统的气动阀中大量使用了电磁原理作为电能-机械能的转换级，应用线圈和电磁铁的电磁力效应将控制的电信号转换位机械的动作来推动阀芯的动作，从而实现气路的切换或气体压力、流量的控制。
尽管电磁铁和线圈具有价格低廉，加工方便的优点，但其功率损耗大、响应速度慢、发热、机械磨损、电磁干扰等缺点同时存在，通过改变电磁铁材料和阀的加工工艺来避免以上问题的同时，造成了成本的大幅增加和加工工艺的日趋复杂，并且无法从根本上解决问题。
实现低功耗、智能集成、高精度、快速响应和长寿命的气动控制成为迫切需求。
1 智能阀门定位器定义根据国标GB/T22137.2-2008《工业过程控制系统用阀门定位器第2部分：气动输出智能阀门定位器性能评定方法》，智能阀门定位器（Intelligent Valve Positioner）是以微处理器技术为基础，采用数字化技术进行数据处理、决策生成和双向通信的智能过程控制仪表。
高速开关阀先导控制的电液位置系统设计
（ｎｔｕｅｏ ｃａ ｉ ｌ Ｅｅｔｃｌ Ｈ ｎ ｎＮ ｒ ｌ ｎｖｒｉ ， ｈｎ ｓａ ０ ，Ｃ Ｎ） Ｉｓｔｔ ｆ ｉ Ｍｅｈ ｎｃ ＆ ｌｃ ｉａ， ｕ ａ ｏｍａ Ｕ ｉｅｓｙ Ｃ ａ ｇｈ １ ８ ａ ｒ ｔ ４０ １ Ｈ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ａｃ ｏ ｄｎ ｏ ｔ ｙ ａ ｃ ｃ ｎ ｒ ｌｈ ｄ ａ ｌｃ ｓ ｓｅ ｏ ｅ ｅａ ｎ ｉ ｅ ｒｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｓｏ ｌｄ ｃ ｒ ｉｇ ｔ ｈｅ ｄ ｎ ｍｉ ｏ ｔｏ ｙ ｒ ｕ ｉ ｙ ｔ ｍ ｆｇ ｎ ｒ ｌｎｏ ｌｎ ａ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｆｓｉ ｅ，ａ ｐ ｅ ｉ ｃ ｒ ｃ—
中图分 类号 ： Ｈ１ ７ Ｔ ３
Ｄｅ ｇ ｆＥｌｃ ｒ ｓｉｎ ｏ ｅ ｔｏ－ｈ ｄｒ ｕｌ ｙ ａ ｉ Ｐｏｓｔ ｓ ｅ Ｂａ ｅｄ ０１ ｃ ｉｏｎ Ｓｙ ｔ ｍ ｓ ３ ｉ
Ｈｉｈ Ｓｐ ｅ － ｆ Ｖａｖ ｉ ｔＣｏ ｔ ｌ ｇ ｅ ｄ Ｏｎ ｏｆ ｌｅ Ｐ ｌ ｎ ｒ ｏ ｏ
ｓｏ ｓｔ ｎ ｎ ｆｔ ｅ ｈ ｄ ａ ｌｃ ｃ ｎ ｒ ｌｓ ｓｅ ｉ ｅ ｉｅ ． Ｕｓｎ ｉｈ－ｓ ｅ ｄ ｏ ／ｏ ａｖ ｓ ｐ ｌｔｃ ｎ ｒ ｌ ｉｎ ｐｏ ｉ ｏ ｉ ｇ ｏ ｈ ｙ ｒ ｕｉ ｏ ｔｏ ｙ ｔｍ ｓｄ ｖｓ ｄ ｉ ｉｇｈｇ ｐ ｅ ｎ ｆ ｖ ｌ ｅ ｉ ｏ ｔｏ ｏ
擦力 而造成稳 态误差 ， 同时会 产 生抖动 现象 ， 用 电液 但 位置伺 服系统 控制 的液压滑 台能够 满足低 速运 动时高 精 度定位 的需要 。工业 上用 于 电液 位 置控 制 系统 的核心元件 有伺 服 阀 、 比例 阀和 高速 开 关 阀等 。高 速 开关 阀 由于具 有 极 高 的 响应 速 度 、 构 紧凑 、 复 性 结 重 好、 工作耐久 可靠 、 污染 能力 强 以及 价格便 宜等诸 多 抗
基于压电叠堆驱动器的新型液压高速开关阀
２ ０拄 ０１
ｌ ０月
黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学 学 报 Ｊｕ ａ ｏ ｅｌ ｇｉ ｇ Ｂ ｙ ｇｉｕｔ ａ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏｒｌ ｆＨ ｉ ｎｊ ｎ ａｉ ｒ ｌ ｒｌ ｎｖ ｓｙ ｎ ｏ ａ Ａ ｃ ｕ ｅ 当于所有陶瓷片位移量 的总和 … Ｐ 。Ｍ Ａ具有承载力 大、 响应快 、 位移 可重复性好 、 效率高以及 电场控制 相 对 简单 等优 点 ，采用 这 种材 料 制成 的线 性 驱动 器
具 有 多种 用途 ，其 中作 为液压 控 制 阀 的电一 机械 转
换装置 ， 具有切换速度快 ， 频率高 ， 能量消耗少等特
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｈｓ ａ ｅ ，ａ ｎ ｗ ｋ ｎ ｆ ｈ ｄ ａ ｌ ｒ ｓ ｕ ｅ ｓ ｔ ｈ ｖ ｌｅ ｉ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｈ ｓ ｔｈ ａｖ ，ｗｈ ｃ ｉ ｒ ｖ ｄ ｙ ｓｒ ｃ ：ｎ ｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｅ ｉｄ ｏ ｙ ｒ ｕ ｉ ｐ ｅ ｓ ｒ ｗｉ ａｖ ｓ ｉ ｔ ｕ ｅ ．Ｔ ｅ ｗｉ ｖ ｌｅ ｃ ｃ ｏ ｃ ｉ ｈ ｓ ｏ ｅ ｂ ｄ
量高速开关阀的先导控制阀 ， 也可以在小流量 回路 中直接作为控制 阀使用。 关键词 ： 电叠堆驱动器 ； 压 液压高速开关 阀 ； 响应频率 中图分类号 ：Ｐ １＋３ Ｔ ２ １ ．１ 文献标识码 ： Ａ
Ｔｈｅ Ｎｅ Ｈｙ ａ ｌｃ Ｐｒ ｓ ｕ ｅ Ｓ ｔ ｈ Ｖａ ｖ ｓ ｄ ｏ ｕｌｉ ａ ｅ ｅ ｏ ｌｃ ｒｃ Ａｃ ｕａ ｏ ｗ ｄｒ ｕ ｉ ｅ ｓ ｒ ｗｉｃ ｌ ｅ Ｂａ ｅ ｎ Ｍ ｔｐｌ ｙ ｒ Ｐｉ ｚ ｅｅ ｔ ｉ ｔ ｔ ｒ
Ｚｈａ ｎｌａ Ｚｈａ ａ ｏｎｇ ｎｇ Ｙａ ｉ ｎｇ ， ｏ Ｙ ｎｌ
（ ． ｅ ｏｇ ａｇＢ ｙ Ａ ｒ ｕ ｕａ Ｕ ｉ ｒ ｔ， ａ ｉ １３ １ ；． ｃａｉａ Ｓｉ ｃ ｎ ｎｉｅｒ ｇ ｏｌ ｅｏ Ｊ ｌ ｎｖｒｔ） １ Ｈ ｉ ｎｊ ｎ ａｉ ｇｉ ｌ ｒ ｎｖ ｓｙ Ｄ ｑｎ ６ ３９ ２ Ｍｅｈｎｃｌ ｃｅ ｅａｄＥ ｇｎｅｉ ｌ ｇ ｆ ｉ ｉ ｕ ｉｅｓｙ ｌ ｉ ｃｔｌ ｅｉ ｇ ｎ ｎｃ ｅ ｎｎ ｉ
一种大流量高速开关阀的设计与实验研究
作４ ｈ以后 磁致 伸 缩 棒 的温度 接 近上 百 摄 氏度 ， 使 壳 体 温度 也随 之上 升至 ６ ５℃左 右 ， 而我 们在利 用相 变热 膨 胀补偿 组合 温控 机 构 时 ， 使磁 致 伸 缩 棒 温 度控 制 在
大 大地 提高 了微小 泵 的输 出精度 。
４ 结 论
［ ４ ］ 邬义杰 ， 徐杰． 超磁致伸缩执行器热误差补偿及控 制方法
研究 ［ Ｊ ］ ．工业设计学报 ， ２ ０ ０ ５ ， １ ２， （ ４ ） ： ２ １ ３— ２ １ ８ ． ［ ５ ］ 赵兵． 弯 曲型超磁 致伸缩执 行器温 度控 制装置设计 及实 验［ Ｄ］ ． 杭州 ： 浙 江大学 ， ２ ０ ０ ８ ． ［ ６ ］ 陈敏 ， 卢全 国， 刘楚 辉 ， 等． 超磁致 伸缩 驱动器工作温升 的 有限元分 析 ［ Ｊ ］ ． 南 昌工 程学 院学 报 ， ２ ０ ０ ７ ， ２ ６ ， （ ３ ） ： ２ ７
引 言
高速 液压 动力 系统 中 ， 液 压缸 活塞 运动速 度很 高 ，
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ３ — １ １
基 金 项 目： 国 家 自然 科 学 基金 项 目（ ５ ０ ９ ７ ５ ２ ５ ８ ）
流过 开关 阀 的油液 流量 非常 大 ， 为减 小 能量损 失 ， 开关
—
本 研究 提 出 了相 变热膨 胀补 偿机 构组 合温 控 的新 方法 ， 由理 论 和试 验 分析可 以看 出 ， 该 方法 对微 小泵 的
温控起 到 明显效 果 ， 使得输 出精 度达 到微米 级 ， 该温 控
系 统实 现 了相变 温控 和热膨 胀 补偿机 构两 者之 间 的优
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先导式大流量高速开关阀的关键技术研究唐兵;刘宇辉;司国雷;杨国来【摘要】A new type of piloted large flow rate high speed on/off valve is introduced.The pilot valve is driven by a double solenoid without spring reset,which greatly improves on and off speed of pilot valve core.The pilot valve adopts a two-position three-port slide valve structure to speed up rising and falling speed of upper cavity pressure of the main valve core,thus improving the on and off speed of the main valve element.The test results show that the on and off time of the main valve is between 0.8 ms and 1.0 ms under the inlet pressure of 8 MPa.When the pressure difference of the main valve port is 1 MPa,the measured flow rate is greater than 49.68 L/min.%介绍了一种新型的先导式大流量高速开关阀.先导阀采用无弹簧复位式双电磁铁驱动,大大提高了先导阀芯的开、关速度;先导阀结构形式采用二位三通滑阀式结构,加快了主阀芯上腔压力的上升与下降速度,从而提高了主阀芯的开启/关闭速度.试验结果表明,该阀在进口压力8 MPa的情况下,主阀开启/关闭时间均在0.8～1.0ms之间.在阀口压差为1 MPa的情况下,测得的流量大于49.68 L/min.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】8页(P76-83)【关键词】无弹簧复位式;双电磁铁驱动装置;续流电路;高速开关阀【作者】唐兵;刘宇辉;司国雷;杨国来【作者单位】四川航天烽火伺服控制技术有限公司,四川成都611130;四川航天烽火伺服控制技术有限公司,四川成都611130;四川航天烽火伺服控制技术有限公司,四川成都611130;兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TH137.52+3引言高速开关阀是借助于控制电磁铁所产生的吸力, 使得阀芯高速正、反向运动, 从而实现液流在阀口处的交替通、断功能的电液控制元件。
高速响应能力是高速开关阀应具备的最重要的特性。
20世纪80年代以来，由于柴油机电控共轨燃油喷射技术的迫切需要, 响应时间小于1 ms的超高压高速开关阀相继研制成功，实现了燃油压力和喷射规律的独立控制[1]。
脉冲爆震发动机(PDE)是一种利用脉冲爆震波产生的周期性冲量的非定常推进系统。
由于其间歇性工作的特点，燃料和氧化剂应满足间歇性供应要求，其工作方式与柴油机的燃油喷射控制技术具有相似性[2]。
相关研究表明， PDE的推力随工作频率的提高而线性增加。
工作频率越高，由推力不连续性造成的振动越小，发动机工作状态越接近于稳态。
因此，在爆震管内得到稳定高频的爆震波，对提高PDE性能具有重要意义[3]。
为了提高PDE的工作频率，需要选择高频率的开关阀控制燃料、氧化剂以及隔离气体的间歇性供给。
因此要提高PDE的工作频率，有必要采用响应速度更快的大流量高速开关阀，要求其开启、关闭时间均不超过1 ms，在阀口压差1 MPa的情况下，流量要大于47 L/min。
目前国外对高速开关阀的研究起步较早，大多数高速开关阀的响应时间一般在几毫秒和几十毫秒之间, 而响应时间小于1 ms的高速开关阀产品还只在日本、美国、德国和英国等少数国家有报道，但是这些超高压高速开关阀主要针对高压共轨燃油控制系统研制的，故其工作流量都甚小[1]。
与国外相比，我国高速开关阀的开发研究工作起步相对较晚，始于20世纪80年代后期。
到目前为止，各种文献介绍得最多且有产品出售的为美国BKM公司与贵阳红林集团合作开发的一种螺纹插装式高速强力电磁阀(HSV)。
该阀的开启和关闭时间很短，分别为3 ms和2 ms，但是通流能力较小，流量2～9 L/min。
2009年兰州理工大学和中国航天科技集团公司烽火机械厂联合研制了一种用于高压径向柱塞泵主动式配流的磁闩式高速开关阀，其组成结构如图1所示。
主要性能参数：阀芯行程0.5 mm，开启、关闭时间均不大于0.6 ms，在阀口压差1 MPa的情况下，测得的流量大于18.31 L/min，额定压力63 MPa；可在频率为830 Hz、占空比为50%的方波信号下正常工作。
1.外壳2.线圈3.隔磁组件4.衔铁5.导磁套6.定位套7.阀套8.阀芯9.导向柱 10.弹簧 11.推杆 12.销钉 13.密封圈 14.导磁环 15.磁钢 16.弹簧座图1 磁闩式高速开关阀图2为磁闩式高速开关阀与柱塞缸一体化设计的产品，目前已经成功应用于高压径向柱塞泵的主动式配流。
一些高校例如北京理工大学、清华大学、浙江大学[1]、洛阳工学院[4]以及淮海工学院[5]等都有这方面的论文，但是响应时间均在几毫秒和几十毫秒之间，空载流量最大的120 L/min。
图2 磁闩式高速开关阀与柱塞缸由国内、外的研究现状可知，现有的高速开关阀无法同时满足PDE燃料供给系统对其开启、关闭时间和额定流量的要求，为此，本研究提出并研制了一种新型的先导式大流量高速开关阀。
1 结构原理新型先导式大流量高速开关阀主要由先导阀体、左右线圈、端盖、先导阀芯、主阀弹簧、主阀芯、主阀套和主阀体组成，其组成结构如图3所示。
该项目摒弃了传统的单电磁铁+弹簧复位的方式，采用对称布置的双电磁铁进行先导阀芯的驱动控制；由于先导阀芯开始运动时无需克服弹簧预紧力，故大大缩短了先导阀芯运动的滞后时间；阀芯采用中空结构，减小了阀芯质量，从而实现了阀芯的高速开、关动作。
图3 新型先导式大流量高速开关阀先导阀采用二位三通式设计，使得主阀上腔的压力能够快速上升和下降；设计主阀弹簧工作载荷时，根据进口压力，使得工作载荷为进口压力作用在主阀芯上的液压力的1/2左右，从而使得主阀芯的开启、关闭时间做到尽可能一致，大大缩短主阀芯总的开启、关闭时间。
2 数学模型分析工作原理简图见图4。
当先导阀芯在右端电磁铁吸力作用下，带动先导阀芯向右运动，进口压力油与主阀上腔断开，主阀上腔与回油口相通，压力下降，主阀芯在下腔压力的作用下，克服弹簧预紧力向上运动，主阀打开。
当先导阀芯在左端电磁铁吸力作用下，带动先导阀芯向左运动，进口压力油进入主阀上腔，主阀芯上、下腔压力平衡，主阀芯在弹簧预紧力的作用下向下运动，主阀关闭。
图4 工作原理简图由图4可知，主阀芯运动微分方程为：Fw1+Ft1+G1+Fk1(1)先导阀芯运动微分方程：G2+Fk2(2)通过主阀阀口的流量方程为：(3)通过先导阀口的流量方程为：(4)(5)主阀芯与主阀套之间的缝隙处流量方程为：(6)先导阀芯与先导阀体之间的缝隙处流量方程为：(7)主阀芯出口腔的流量连续性方程：(8)主阀芯上腔的流量连续性方程：(9)式中， p ——主阀下腔进口压力p1 ——主阀上腔压力m1， m2 ——主阀芯、先导阀芯及弹簧质量B1， B2 ——主阀芯、先导阀芯阻尼系数K ——主阀弹簧刚度x1， x2 ——主阀芯、先导阀芯位移x10 ——弹簧预压缩量xL ——先导阀芯有效总位移Fw1， Fw2 ——主阀芯、先导阀芯稳态液动力Ft1， Ft2 ——主阀芯、先导阀芯瞬态液动力G1， G2 ——主阀芯及弹簧、先导阀芯重力Fk1， Fk2 ——主阀芯、先导阀芯液压卡紧阻力qL ——负载流量q， q1， q2 ——主阀阀口、先导阀口流量qx1， qx2 ——主阀芯与主阀套、先导阀芯与先导阀体之间缝隙泄漏量D1， D2 ——主阀芯、先导阀芯直径V1， V2 ——主阀芯出口腔、上腔及其管道的容积βe ——油液压缩率，其倒数为体积弹性模量3 电磁铁驱动控制对于电磁铁驱动控制电路，各种文献资料介绍得最多的主要有3种[6]：① 可调电阻式驱动控制电路；② 双电压式驱动电路；③ 脉宽调制式驱动控制电路，这3种驱动控制电路的续流电路均采用二级管或二级管+电阻的方式进行续流。
各种文献资料主要侧重介绍如何使电磁铁缩短开启时间，而对于如何缩短电磁铁的关闭时间很少提及。
由于导磁材料电阻率以及材料的磁滞效应使得线圈断电后，线圈的电流下降速度较慢，需要几或十几毫秒，对于要求开启、关闭时间均小于1 ms的驱动装置来说，要求线圈电流下降时间最好能小于0.1 ms，同时反向电动势又不能太高，以免导致MOS管反向击穿，而目前的驱动电路尚无法做到。
在大功率集成电子设备里，有一种能够保护集成电路免受瞬时高压冲击损坏的二极管，称之为瞬态抑制二极管(TVS)。
因为TVS二极管受到高于其钳位电压的冲击时，能以10-12 s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的瞬时功率，而使两极的电压钳位到一个预定值。
由于本研究采用低压大电流脉宽调制式驱动控制电路，现有低压大电流MOS管的反向击穿一般都较低，因此需采用双向瞬态抑制二极管(TVS)进行线圈关闭时的电流吸收，使得续流时间大大缩短，同时保证反向感应电动势不会击穿MOS管。
驱动控制电路原理图如图5所示。
1.开启/关闭线圈 2.双向TVS二极管 3.MOS管图5 脉宽调制式驱动电路原理简图4 仿真分析根据双电磁铁驱动装置的三维结构特点，建立了轴对称的二维电磁场有限元仿真分析模型如图6所示。
图6 电磁场仿真分析模型根据数学模型建立先导式大流量高速开关阀的系统仿真分析模型如图7所示。
图7 系统仿真分析模型根据建立的仿真分析模型，对可能影响高速开关阀响应速度的线圈匝数、导磁材料、阀的结构参数、线圈续流电路、主阀芯出口腔和控制腔容积、主阀弹簧刚度及预紧力等进行对比仿真分析，拟找出影响阀开启、关闭响应速度的关键因素，并进行优化设计。
初步选定导磁材料为DT4，匝数N=200匝，线圈电阻Rxq=0.55 Ω，先导阀芯质量m2=3.5g，先导阀芯行程x2=0.2 mm，先导阀芯阻尼系数B2=10 N·s/m。
主阀芯加弹簧的动态质量为m1=4 g，主阀弹簧刚度K=57 N/mm，主阀弹簧预压缩量x10=2 mm，进口压力p=8 MPa，主阀芯行程x1=1 mm。