上海dafabet黄金版阀门厂（集团）有限公司
摘要 ：2D 气动高速开关阀是采用具有两个运动自由度阀芯的双级高速开关阀 ，该阀由双稳力矩马达驱动阀芯旋转实现导阀功能 ，由气体压力差推动阀的轴向运动 。本文在介绍 2D 高速开关阀的基础上 ，对其动态特性进行实验研究 ，结果表明其具有很高的开关特性 。
关健词 ：高速开关阀 ；力矩马达 ；动态特性
0 引言
脉宽调制在流体动力系统应用的基本思想就是利用高速开关元件 ，通过控制其开关状态的占空比数的不同 ，从而控制阀口开度的时间平均值 。对于流体控制系统 ，一般对其响应速度皆有一定的要求 ，因而在工作过程中调制频率应尽可能地高 ，即要求阀的开关时间很短 。
此外 ，工程中的快速动作机构（如机车紧急刹闸 、电路快速切断开关等）的主要特点是瞬时释放出大功率的能量 ：它们常用的驱动方式有直接电磁驱动 、液压和气动三种方式 。其性能对照见表 1 。从表中可以清楚看出 ，液压或气动系统瞬时释放大功率的特性远优于电磁驱动的方式 。而液压或气动系统能量释放是由开关阀实现的 ，为了实现快速性 ，关键是提高阀的开关速度 。
| 技术特性 | 类别 | ||
|---|---|---|---|
| 直流电磁铁 | 油缸 | 气缸 | |
| 单位面积作用力 | 小于 0.3MPa | 6~32MPa | 0.6~0.8MPa |
| 最高运行速度 | 小于 3m/s | 5×油管截面积/油缸活塞面积 m/s | 音速×气管截面积/气缸活塞面积 m/s |
| 刹车缓冲特性 | 差 | 一般 | 较好 |
| 维护 | 容易 | 较难 | 容易 |
| 造价 | 造价与功率大小呈直线上升 | 较高 | 较低 |
| 辅助设备 | 直流电源 | 油源 | 气源 |
| 实用瞬间功率 | 0~几十瓦 | 0~20 千瓦 | 0~18 千瓦 |
| 作为快速驱动元件的适用范围 | 用于机-电转换的光导级 、低功率漏电开关 | 工程车辆的车闸 | 适用于各种机械安全防护装置 、车闸 |
本文提出一种采用双自由度阀芯构成的双级气动高速开关阀 ，在介绍 2D 高速开关阀的基础上 ，对其动态特性进行实验研究 。
1 气动高速开关阀
2D 气动高速开关阀采用双自由度的设计思想 ，将导阀与主阀做在一个阀芯上 ，导阀由阀芯的旋转自由度实现其功能 ，主阀口的开度大小由阀芯的轴向滑动控制 ，其基本结构见图 1 ：
图 1 2D 气动高速开关阀
阀芯的右腔为敏感腔 ，在阀芯的右端台肩上开设有 a、b 口 ，a 口与 Po 相通 ；b 口与大气 Pa 口相通 ；在阀座孔右端经通道 c 与敏感腔相通 ；阀左腔经通道 d 与 PL 相通 ；当力矩马达驱动阀芯转动 ，使 a 与 c 通时 ，则敏感腔处于高压状态 ，这时阀芯将在压力推动下左移 ，使 Po 与 PL 沟通；当 b 与 c 口沟通时 ，敏感腔处于低压 ，阀芯右移 ，PL 与 Pa 沟通 ，阀芯是细长状的 ，转动惯量较小 ，容易实现快速摆动 。该阀为一三通换向阀 ，若阀芯中间的台肩宽度大于阀孔环形槽的宽度 ，则该阀为二通型 。这种结构的阀实际上为二级结构 ，PL 口可以有较大的流量输出 ，若不需要大流量可将 PL 口堵死而直接从由端盖的 e 口引出压力信号 。为了保证阀所受的径向力平衡 ，a 、b 和 c 口及通道均采用轴对称的结构 。
阀芯的旋转运动由力矩马达驱动 。力矩马达主要由衔铁 、导磁体及磁钢构成 ，具有双稳记忆功能 ，其工作原理如下 ：衔铁与导磁体处于正常的工作位置时 ，形成四个工作系隙 ，衔铁上有一激磁线圈 。磁钢在系隙中形成垂直向下方向的磁场 ，而当激磁线圈通电时 ，则产生两个环状的封闭的磁场 ，该磁场将使两个对角处的系隙的永磁体的磁场分别得以加强和削弱 ，其结果使衔铁快速摆动 。当衔铁的端部到达闭合位置时 ，线圈的电流切断 ，衔铁在磁钢吸力的作用下 ，其位置保持不变 。这便使得该力矩马达具有稳态记忆功能 。当线圈通以相反方向的脉冲电流时 ，则衔铁反向摆动 。由于该力矩马达具有稳态记忆功能 ，可由强电流脉冲驱动 ，因而可确保其快速响应特性 。
2 实验研究
将力矩马达与阀体相联构成双级高速开关阀 ，采用电涡流传感器测量阀芯位移 ，阀芯最大位移为 0.5mm ；用紫外线示波器记录输入电压 U1 、U2 和线圈两端输出电压 UL 及电流 IL 的波形 ，实测的波形见图 2 。显而易见 ，阀芯与电磁铁相联后 ，衔铁的动作时间要略为多一些 ，但由于该阀芯的转动惯量仅为衔铁转动惯量的 1/3，所以动作时间的增加并不多 。相联后实测得力马达最大响应脉冲信号频率为 190Hz（驱动电压 30V） 。
图 2 2D 双级高速开关阀的试验结果
表 2 给出阀动作时间与力马达初始系隙之间的关系（压力为 0.8MPa） ：从表中可以看出当 θ0 为 0.2 度左右时 ，阀的动作时间最短 。当系隙增大时 ，马达的动作时间增大 ；当系隙减小时 ，导阀开度较小 ，推动阀芯运动的供气不足 ，这两种因素皆使阀动作时间增大 。
| θ0 | 0.6 | 0.4 | 0.2 | 0.1 | 0.05 |
|---|---|---|---|---|---|
| tr (ms) | 1.87 | 1.36 | 1.12 | 1.29 | 1.37 |
图 3 给出了供气压力与阀动作时间的关系 ，它们之间近似呈二次曲线的变化规律 。
图 3 阀动作时间与供气压力的关系
3 结论
将双自由度的阀芯运用于气动高速开关阀的设计是成功的 ，它既适用于小通径也适用于较大通径 。调整力矩马达的调隙螺钉可改变导阀（旋转自由度）开启面积大小 。改变阀芯中央台肩的宽度变化 ，可使阀成为二通型或三通型 。
阀门的通径为 φ6 ，阀门的开关时间为 1.3ms 左右 。导阀的开关时间随系隙调整螺钉的改变而变化 ，即调整衔铁的摆角行程可以改变开启时间 。对导阀而言 ，行程越小则开关时间越短 ，然而对主阀却不是这样的 ，只有当衔铁的行程达到某一值时 ，主阀的开启时间最短 。在机械加工精度保证的前提下 ，增大导阀的面积梯度 ，减小行程 ，可缩小阀的开关时间 。
该阀速度较快的另一原因是回程采用脉冲电流驱动 。一方面由于回程不存在弹簧 ，则力矩马达输出的机械功皆用于驱动阀芯 ，毋需克服弹簧力 ，从而使阀芯运动时间较短 。另一方面采用瞬间通电 ，较大的瞬间电流使阀芯快速动作，又不会引起马达线圈发热过剧而烧坏 。由于机构中没有弹簧 ，从而不存在弹性元件的疲劳破坏的问题 ，这一点对脉宽调制状态下工作的阀尤为重要 。
综上所述 ，将双自由度的原理运用于高速气动开关阀的设计是成功的 ，所设计的高速开关元件具有良好的性能 ，这种性能还可随加工精度的提高而得到进一步提高 。