先導式閥門先導結構的研究進展

錢錦遠，姚懷宇，吳嘉懿，金志江

(浙江大學 化工機械研究所，浙江 杭州 310027)

引言

閥門作為一種流體控制元件，按動作原理可分為直動式閥門和先導式閥門。相比于直動式閥門直接開啟主閥，先導式閥門多了一個中間的先導環節，即通過開啟先導結構，來開啟主閥。先導結構通常比主閥要小，具有維修方便、驅動能耗低、動作精度高等優點。即使不同類型的先導式閥門在結構和使用工況上差異較大，但先導結構所起到的功能均類似。因此先導結構在液壓系統用閥和化工裝備用閥中均得到了廣泛應用。例如：化工裝備用的截止閥采用先導式結構后，電源僅需驅動更小的先導結構就能打開主閥芯，顯著降低了驅動能耗[1]；液壓系統用的比例流量閥采用先導式結構后，在先導結構與主閥之間建立反饋作用，使主閥輸出一定的流量，提高了對流量的控制精度[2]；化工裝備用的安全閥采用先導式結構后，利用先導結構實現了主閥的緩慢關閉，解決了安全閥反復彈跳的問題[3]。液壓系統用的減壓閥采用先導式結構后，僅需控制先導結構中的彈簧預緊力就可得到不同大小的出口壓力，操作更方便[4]。

使用先導結構不僅可以提升閥門的整體性能，還可以拓寬閥門的使用范圍。隨著工程技術的不斷進步，先導式閥門已開始在超高壓、深冷、高溫、大流量等復雜工況下使用。如果閥門的先導結構設計不合理，極易引起先導式閥門出現振動噪聲、閥芯卡死、響應慢、發熱、泄漏等問題，導致閥門失效，甚至引起系統癱瘓。

先導式閥門的主閥啟閉由先導結構控制，因此先導結構在很大程度上影響著整個閥門的性能。本研究對先導式閥門中的先導結構進行研究，可為先導式閥門的設計和選用提供參考，對提升先導式閥門的整體性能，減少設計周期和創新難度，具有一定的工程借鑒意義。

1 先導式閥門的先導結構

先導式閥門的先導結構主要由四大核心單元組成，分別是驅動部件、彈簧組件、先導閥芯和阻尼孔，如圖1所示。

圖1 先導結構示意圖

1.1 驅動部件

先導結構的驅動部件按選擇的驅動方式不同，可分為手動驅動部件、電磁驅動部件、磁流變驅動部件和壓電執行部件。值得注意的是，當驅動方式為液壓驅動和氣動驅動時，先導結構無驅動部件。

手動驅動部件存在調節精度低[5]、無法遠程調控、響應速度慢等缺點。電磁驅動部件通常包括動鐵芯、線圈、擋板等[6]，通過接收電流產生電磁力進行驅動。電磁驅動部件具有響應速度快等優點，但因為需要攜帶通電裝置，存在成本較高、體積較大、攜帶不方便等缺點。磁流變驅動部件與電磁驅動部件基本相同，區別在于前者需要利用磁場控制磁流體由液態轉變為固態，從而控制先導閥芯的壓差，具有響應較快和能耗較低的優點[7]。壓電執行部件通常是利用壓電晶體或壓電陶瓷等智能材料制作的，其結構有彎曲片和壓電堆等形式，具有輸出力大、成本低和抗電磁干擾強的優點，但對電源要求較高[8]。在四類驅動部件中，手動驅動部件的缺點明顯而逐漸被代替。其余類型的驅動部件得到了大量研究者的關注。

使用電磁驅動部件時，先導閥芯在開啟和關閉時存在響應延遲。開啟延遲是電磁力太小不足以推動閥芯引起的；關閉延遲是電磁線圈存在感應電動勢，電磁力無法立刻消失引起的。針對以上問題，高翔等[9]研究發現適當增大彈簧剛度、降低銜鐵質量、減小線圈匝數，可減小閥芯啟閉延遲時間。唐兵等[10]利用布置在先導閥芯兩側的雙電磁鐵，代替彈簧-單電磁鐵驅動結構，縮短了開啟延遲時間；利用TVS二極管大量吸收電磁鐵斷電時的電流，縮短了關閉延遲時間。

磁流變驅動部件和壓電執行部件均為智能材料驅動結構，在使用中要與電源配套使用，同樣會出現響應延遲的問題。針對磁流變驅動部件，陳文等[11]證明了利用雙線圈反向通電代替單線圈，可提高響應速度，但發現響應速度會隨著系統壓力的增大而增大。針對壓電執行部件，宋佳星[12]設計了一種以圓環彎曲片為壓電驅動部件的伺服閥，并提出前饋電壓補償和反饋控制策略，輸出特性誤差小于5%。

目前，對降低驅動部件的響應延遲已經獲得了較大突破，但在高參數工況條件下的啟閉延遲問題依舊存在，要完全消除啟閉延遲困難較大。隨著工業技術的發展，在降低響應延遲的同時，如何提高驅動部件的驅動力、降低能耗和減小體積應引起重視。

1.2 彈簧組件

彈簧組件包括彈簧和彈簧調節裝置，是維持先導結構密封和控制閥門啟閉的關鍵部件。利用彈簧調節裝置可改變彈簧的初始壓縮量，其結構形式通常為調節螺釘、調節螺母、調節手輪或凸輪。

對彈簧組件的結構進行改進，可以提高人工操控的效果。針對彈簧容易產生疲勞失效的情況，蔣佳駿[13]利用永磁材料制成永磁彈簧，提高了閥的動態性能。陳超[14]利用活塞代替彈簧作為先導結構，避免了彈簧在高壓大流量工況下失效，增加了調壓范圍。針對彈簧調節裝置調節費力的情況，張龍濤等[15]利用液壓平衡裝置來減小操作力矩，及采用雙頭螺紋減小旋轉圈數來降低人工操控力。

彈簧應用在高參數工況下時易出現失效，發展新材料和新結構替代現有彈簧，或改進結構以降低彈簧的必要預緊力是重要的研究方向。利用手輪作為彈簧調節裝置進行調節，存在手柄角度調節間隔過大及開啟不方便的缺點。對調節精度和遠程調控裝置的研究將是未來的研究重點。

1.3 先導閥芯

先導結構的閥芯主要有錐形閥芯、滑閥閥芯、插裝式閥芯、球形閥芯和噴嘴擋板式閥芯。表1展示了不同閥芯的優缺點。

表1 不同先導閥芯之間的對比

錐形閥芯結構如圖2a所示，常用于先導式溢流閥、先導式減壓閥和先導式開關閥的先導結構中。錐形閥芯開啟時，通過閥芯進口處的流體若產生不同的流速或引起氣蝕，錐形閥芯則會受到不平衡力，產生振動，影響系統正常工作。滑閥閥芯的結構如圖2b所示，常用于先導式比例方向閥的先導結構中。利用滑閥閥芯的滑動可以改變流體的流動方向。滑閥閥芯通過與閥套之間的緊密貼合實現密封，但閥芯與閥套之間的間隙無法消除，且在長時間磨損后間隙會變大，因此泄漏問題出現較多。當滑閥閥芯控制的開口較多時，滑閥閥芯的長度就要增加，因此也常會出現閥芯卡死的現象。插裝式閥芯的常見結構如圖2c所示。插裝式閥芯出現較晚，因此研究主要集中在使用上，在先導式溢流閥、先導式比例流量閥和先導式安全閥中均有應用。球形閥芯作為先導結構的運動部件，常見結構為連桿連接雙球，常用于電磁先導換向閥的先導結構中。圖2d為使用球形閥芯的電磁先導閥，球2的關閉會帶動球1的開啟[16]。噴嘴擋板式閥芯的結構和使用原理最復雜，常見結構如圖2e所示，常用于先導電液伺服閥的先導結構中，在噴嘴口處常存在空化現象。

圖2 先導閥芯示意圖

閥芯是先導結構中的關鍵部件，與閥門的密封、啟閉速度以及穩定性緊密相關，表2展示了各類先導閥芯的相關研究。對錐形閥芯的改進主要集中于改變先導結構進口處的流場特性，對錐形閥芯本身的結構創新研究還不夠深入，未來還需要綜合研究錐角取值對先導結構性能的影響；滑閥閥芯的泄漏問題還未解決，應對滑閥閥芯的結構及進出口流場進一步優化創新；球形閥芯、插裝式閥芯目前仍處于應用階段，結構尺寸對使用性能的研究在初始階段，還需進一步研究。在噴嘴擋板式閥芯的噴嘴處容易產生氣蝕，需進一步研究噴嘴和擋板尺寸對使用性能的影響。

表2 先導閥芯的結構改進案例

1.4 阻尼孔

為了控制流入先導結構的流量，增加先導閥芯的穩定性和降低負面影響，通常在先導結構進口前和出口后布置阻尼孔結構進行節流。阻尼孔的節流方式可分為固定節流和可調節流。固定節流是指阻尼孔的節流作用維持不變的節流方式，其具有加工方便的特點，應用廣泛；可調節流是指阻尼孔的節流作用可根據需要進行變化，常見結構為環形縫隙，可通過調節縫隙的長度獲得不同的節流量[26]。

表3總結了國內外學者對阻尼孔結構做出的改進。固定節流口的使用效果不易控制，相較受工況的限制。未來，還需要研究固定節流的阻尼孔在不同長度處截面積的大小對該流體的節流效果的影響。采用可調節流可提高閥門對工況的適應性，但目前對可調節流的研究較少。對可調節流進行結構設計應引起重視。通過結合固定節流和可調節流在先導結構進出口及內部設置阻尼網絡是未來的研究重點。

表3 阻尼孔的結構改進案例

2 先導結構的控制功能

不同的主閥結構對應的先導結構也有所不同，但先導結構對主閥實現的控制功能有相似之處，其控制功能可分為壓力控制、流量控制和方向控制三類。

圖3 阻尼孔結構上的改進

2.1 壓力控制

壓力控制是指通過系統壓力控制先導結構的開啟，進而對主閥流體壓力進行控制的功能。壓力控制的控制方式又可分為超壓控制、穩壓控制和比例控制。超壓控制是指當系統壓力超過安全值時，維持系統壓力恢復正常的壓力控制方式。先導式卸壓閥、先導式安全閥和先導式溢流閥屬于超壓控制；穩壓控制是指當系統壓力下降或上升時，維持系統壓力在定值或某一區間的壓力控制方式，先導式減壓閥和先導式平衡閥屬于穩壓控制；比例控制是指主閥出口壓力與輸入變量之間為比例關系的控制方式，減壓式先導閥屬于比例控制。

針對超壓控制中的頻繁啟閉現象，季宇軒等[31]將閥芯動密封結構設置成雙道O形圈密封，增加了開啟時的穩定性。鄭積泉等[32]優化了先導結構進出口的面積比，調整了回座壓力，提升先導式安全閥的整體性能。

針對穩壓控制的壓力波動現象，劉洪生[33]通過在先導式穩壓閥出口管路中增加流量控制元件，并將壓差反饋到先導結構上，使出口壓力保持穩定。針對穩壓控制中動作遲緩現象，朱陽陽[34]通過在液壓系統多路閥的尾聯處增加減壓閥，增大了先導通道的流量，提升了壓力控制的穩定性。

針對比例控制的壓力波動現象，姚蘅等[35]利用壓力傳感器檢測出口壓力來反饋控制排氣和供氣先導結構的開啟，進而控制主閥芯的開度，使出口壓力保持穩定。

頻繁啟閉現象主要在于回座壓力的選擇，通過改進結構可有效改善該現象，目前的改進方式比較局限，未來應考慮對改進方案進行量化，形成與回座壓力有關的經驗設計公式，并確定參數的最優值。壓力波動現象目前的主流解決方案是設計反饋控制方案或壓力補償算法，但往往會增加成本，而且當流量較大時，控制效果會下降。針對高精度的補償算法進行研究是本領域的重要方向。

2.2 流量控制

流量控制是指先導結構對通過主閥的流量進行控制的功能。流量控制的方式可分為比例控制和通斷控制。比例控制是指通過反饋作用使先導結構的壓力比例控制主閥芯的位移，進而控制主閥的出口流量。應用比例控制的典型閥門為先導式比例流量閥。通斷控制是先導結構控制主閥芯的啟閉，其典型閥門為開關式先導閥和先導式截止閥。

為了獲得更優的流量控制效果，研究對控制結構進行改進，如表4所示。在實現比例控制時，經常出現負載壓力波動引起流量變化的現象。主流的解決方案有兩種，分別為提出新的控制方案及提升先導結構的控制功能。前者會增加功率消耗，但控制精度往往會比后者更好。在實現通斷控制時，目前主要限制在于對高壓大流量流體的控制效果不佳。

表4 流量控制的改進案例

當下實現流量的比例控制時仍會出現較大波動，還需繼續研究提高流量穩定性的控制方案和控制算法。開關式先導閥允許通過的最大流量較小，但開關式先導閥具有與計算機連接方便的特點，利用開關式先導閥控制比例閥來替代數字模擬轉換器，可實現低成本精確比例控制，但目前研究較少。還需進一步研究開關式先導閥對整體性能的影響及設計新的對主閥流量的控制方法。

2.3 方向控制

方向控制是指通過控制主閥芯的移動，進而切換主閥通道的連通狀態，對流體流動方向進行控制的功能。先導結構和主閥的閥芯通常采用滑閥閥芯，有助于實現多通道的切換。方向控制根據對主閥芯移動的控制方式不同可分為比例控制和非比例控制，相對應的典型先導式閥門分別為先導式比例方向閥和電磁先導換向閥。

在方向控制中，采用的滑閥閥芯在使用時存在一定范圍的死區，會出現響應延遲。圖4中的遮蓋量是死區范圍。

圖4 滑閥死區范圍

針對比例控制，ZHANG等[41]在不改變閥門主要結構的前提下，將先導結構分成相同的兩部分，減小了滑閥的死區范圍，顯著提升閥的動態特性。楊浩等[42]利用4個開關閥組成先導系統來控制比例方向閥，提高了主閥芯的響應速度和方向控制精度。陳俊翔等[43]提出了先導結構變增益死區補償算法，提高了主滑閥閥芯的方向控制精度。張佳旭等[44]提出電流階躍和位置指令跳躍2種開啟時刻死區補償方案，死區時間減少87%以上。

針對非比例控制，吳萬榮等[45]提出了新的方向控制策略，通過反饋油路使主閥芯位移反饋到先導閥芯上，在高頻切換狀態下增大了主閥芯行程。

當下對響應延遲和換向速度慢等問題尚未有好的解決方案。研究中多采用改進控制策略的方法對滑閥死區進行補償，但很難消除存在的死區，還增加了成本。未來可嘗試研究使用其他類型的閥芯代替滑閥閥芯進行方向控制。此外，對新的方向控制策略進行研究也是本領域的重點。

3 先導結構參數對先導式閥門性能的影響

為獲得更好的閥門性能，一方面可在先導結構形式上進行改進，另一方面還可調整先導結構參數。即使先導結構的組成相同，但若先導結構的參數選取不同，先導式閥門也會表現出截然相反的性能，其中最主要的就是靜態特性和動態特性。

3.1 靜態特性

靜態特性是指在進口壓力或進口流量未發生變化時，穩定流動狀態下先導式閥門所表現出來的性能。靜態特性主要考慮輸出壓力特性和主閥出口流量。輸出壓力特性指在穩態工況下主閥輸出壓力的大小。主閥出口流量是指在穩態工況下，即主閥芯開度穩定時，通過主閥流量的大小。

表5總結了改變先導結構參數對主閥靜態特性的影響，其中，正相關是指隨著先導結構參數的增加，特性指標的數值增大；負相關是指隨著先導結構參數的增加，特性指標的數值減小；無影響是指改變這個參數對這個主閥性能指標無影響；未知是指還未有該方面的研究。

表5 先導結構參數對靜態特性的影響

由表5可知，通過改變先導結構參數可以同時獲得主閥穩態時較高的輸出壓力值和較大的流量，但在先導式減壓閥中，若想獲得更好的減壓效果，需要降低主閥輸出壓力值，此時的靜態特性指標之間就存在著矛盾，無法同時獲得最優的控制效果。因此，需要根據不同的使用場合和不同的先導結構功能對先導結構參數進行選擇。

3.2 動態特性

動態特性是指當負載出現擾動或主閥出現階躍響應時，先導式閥門所表現出來的性能，主要考慮壓力穩定性和主閥響應時間。

壓力穩定性包括壓力過渡時間、主閥出口壓力波動頻率及主閥壓力超調量。壓力過渡時間是指從主閥穩態壓力值0.9倍開始，到穩態壓力增加5%和減小5%之間時所經歷的時間。主閥出口壓力波動頻率是指主閥壓力波動一個周期的時間值的倒數。主閥壓力超調量是指主閥壓力的最大值與穩態壓力的差。主閥響應時間是指從主閥起始穩態壓力與最大壓力差的0.1倍到0.9倍時的時間。

表6總結了先導結構參數的改變對主閥動態特性的影響，表中使用的正相關、負相關、無影響、未知與表5表達的意思相同。由表6可知，同一種先導結構參數對不同的動態特性指標的影響趨勢不同，通過改變先導結構參數無法獲得全部的最優解。

關于不同先導結構參數對同一種動態特性指標的影響程度的研究仍處在初始階段。魏巍等[59]對先導比例電磁閥的輸出壓力特性進行研究，發現壓力超調量與響應時間之間是互相矛盾的，先導閥芯直徑、先導彈簧預緊力、先導彈簧剛度、閥芯質量對壓力超調量的影響程度依次減弱。

綜上所述，雖然不同學者對不同先導式閥門的動靜態特性建立了不同的模型，但是得到的同一種先導結構參數對動靜態特性指標的影響基本一致。這是因為先導結構對主閥的控制原理均相同，即使先導式閥門的種類不同，先導結構參數對主閥的影響趨勢也相同。對比表5和表6可知，靜態特性和動態特性之間的指標也存在著矛盾。因此，為了使先導式閥門能更好地滿足系統的使用要求，在設計時需篩選出不同工況下最重要的指標，對先導結構參數進行選擇性的改進。目前，對于先導結構參數對閥門性能影響的研究還不夠完整，表5和表6中還存在未知的影響效果。對于先導結構參數對閥門動靜態特性影響的分析大多針對先導式減壓閥和先導式溢流閥，其他閥門涉及較少。未來應加強對其他類型先導式閥門動靜態特性的研究。

表6 先導結構參數對動態特性的影響

4 結論

先導結構在先導式閥門中起著控制主閥啟閉的作用，若先導結構設計不當，會影響先導式閥門的正常使用，進而影響整個系統的安全運行。本研究從先導式閥門的先導結構、先導結構的控制功能，以及先導結構參數對先導式閥門性能的影響三個方面，分析和總結了國內外學者對先導式閥門的研究進展，得到的結論與展望如下：

(1)先導式閥門的先導結構主要包括驅動部件、彈簧組件、先導閥芯和阻尼孔。先導閥芯結構以及阻尼孔的種類相比于驅動部件和彈簧組件對先導結構性能的影響更大。目前，對電磁驅動的啟閉延遲、滑閥結構的泄漏和死區問題尚未解決，對球形閥芯、插裝式閥芯和噴嘴擋板式閥芯的關注較少，其結構尺寸對性能影響的研究尚在初始階段；

(2)先導結構的應用廣泛，其功能可分為壓力控制、流量控制和方向控制。在三種控制方式中，為了提升控制效果及穩定性，均存在引入傳感器的反饋控制方案，但傳感器信號的獲取方式、控制精度、能耗及成本大小需要進一步研究和評估。此外，對結構進行創新優化是降低成本和提升控制效果的重要思路，未來應繼續研究；

(3)先導結構參數對閥門動靜態性能的影響較大，但閥門靜動態指標之間的關系往往并不統一，無法同時獲得全部指標的最優解。因此要根據使用場合以及使用要求的不同，選擇合適的先導結構參數。目前對閥門動靜態性能的分析集中在先導式減壓閥和先導式溢流閥上，對其他類型的先導式閥門涉及較少；

(4)針對先導結構組件，對電磁驅動高驅動力，低能耗和小體積的要求需要引起重視。結合固定節流和可調節流在先導結構進出口及內部設置阻尼網絡是研究重點。針對控制功能，壓力控制應考慮形成與回座壓力有關的經驗設計公式，并針對高精度的補償算法進行研究。方向控制應嘗試研究使用其他類型的閥芯代替滑閥閥芯進行控制效果的研究。針對先導結構參數對閥門動靜態特性的影響，對其進行量化分析將是未來重要的研究方向。由此可得到對同一種特性參數影響最大的先導結構參數類型，這有助于更有針對性的設計。