高速開關閥及其發展趨勢

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外的種類及發展進行了介紹，然后論述了國內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展趨勢。

高速開關閥；趨勢；發展

高速開關閥常常利用計算機實現有效控制，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控制是高速開關閥的特別大的優點。數據處理和構建有邏輯性的控制數據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性能，并且高速開關閥可以將OFF/ON的這種數字信號直接換為流體的脈沖信號，不需要運用D/A轉換接口就能利用計算機把液壓系統和控制技術相互結合。

1　高速開關閥在國內外的發展及分類

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，開發出Colenoid閥和Helenoid閥這兩種有著特殊結構的電磁開關閥。并且都是利用了形狀和結構比較特殊的電磁鐵，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，但是結構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年代開始到現在，小于0.5ms響應時間的高速開關閥仍未出現。研究工作可分為：一方面是合作或者自主開發電磁開關閥的樣本機器以及和樣機互相配套的相關驅動控制裝置；另一方面根據外國的相關研究，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或企業開發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依據工作位置進行分類

依據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根據閥芯結構形式進行分類

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

錐閥式結構是比較理想的一種閥芯結構形式，它設計了不受液動力影響的高低壓平衡，避免球閥式結構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。

平板閥由于靜態力失衡，只能應用于低壓或小通徑場合。

1.3依據電一機械的轉換裝置進行分類

依據電一機械的轉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，由于線圈匝數和運動部件影響轉換裝置，造成較差的動態性能，也延遲了電磁時間。雖然力矩馬達式有比較好的動態性能，但它價格較高，結構非常復雜，并且輸出力也很小。壓電晶體式有較好的動態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，表面會因為內部極化而產生電荷的特點，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，現在我們做驅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換，不過在轉換中對驅動能量的消耗較大，汽車電噴系統中的應用不太方便。

2.3電流變液高速開關閥

電流變液高速開關閥的驅動元件是電流變液體。電場致流變流體，指介電常數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，這種懸浮液會出現流變性能的變化，表觀粘度比沒有電場時高很多個數量級，也有可能會變成固態，除去電場，粘度又變為原值，體系也變為液體。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、汽車等工業中會被大量應用[3]。

3　高速開關閥的發展趨勢

數字控制電液系統中，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、結構相對簡單，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。根據高速開關閥的應用范圍受上述缺點限制，它的發展趨勢跟隨國內外學者的研究方向：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、研究驅動器的結構材料來改變閥的響應頻率。

4　結語

綜上所述，高速開關閥相對于比例閥及伺服閥具有不少優點，比如壽命較長、較快的響應速度、結構比較簡單緊湊、抗污染能力較強、較好的重復性、工作可靠且價格較低等等。作為數字式元件比較適合工作環境較差且沒有較高精度要求的工作場合，有效控制電液系統的數字。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、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展過程中，高速開關閥的發展趨勢也在不斷擴大。

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

[2]丁凡,姚健娣,笪靖等.高速開關閥的研究現狀[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.