液压数字阀的概述

液压数字阀是在计算机技术与电控技术的发展与促进下产生的。计算机技术本质上说就是数字技术，也带来了机电控制各个领域向数字技术发展的前景与空间。为了达到液压阀与计算机或微处理器之间能够直接控制或通信而无需数-模或模-数转换这样的目的，从而促使了液压数字阀应运而生。在液压领域里，液压数字元件技术从表5-1可见其种类与优缺点。

表5-1 液压数字元件技术的应用与比较

（续）

液压数字阀目前分为两类，增量式数字阀与高速开关数字阀。

液压数字阀的最初开发产品是增量式数字阀，即步进电动机式的数字阀。它的基本构件就是将步进电动机作为驱动元件与液压控制阀作为控制元件相结合而生。这一类产品在20世纪80年代末至90年代占据了液压数字阀领域的主流。国外的日本东京计器公司开发了全系列的液压增量式数字阀（图5-1），其中包括数字压力阀、数字流量阀以及数字比例方向阀等，压力达到21MPa，流量1～500L/min，输人脉冲数为100～126s^-1，其重复特性精度和滞环精度均在0.1%以下。我国当时的广研所也是积极开展研究的知名单位之一，其研制的SZY-F6B数字先导溢流阀、SZY-F10B数字溢流阀、SZQ-F8/16数字调速阀、84SZ-F10/68B数字换向阀是当时的代表作。

但是增量式数字阀在20世纪末并未进人液压元件的产品系列之中，即未被市场所接受更未能占有液压控制阀中的一席之地，从而淡出了人们的视线。究其原因除表5-1的分析外，主要是下列问题：

（1）由于是采用步进电动机，其有较大转动惯量，在与液压阀机械连接后，惯量增大，固有频率进一步降低，因此频响性能受到很大限制。因此其应用领域与范围受到限制。

（2）在结构原理上说，步进电动机与液压阀机械连接，步进电动机是旋转运动而液压阀调节一般是直线运动为多，二者的结构转换需要增加一些稍复杂的机械传动装置，因此具有非线性因素。也就说用步进电动机来代替手柄，性价比方面也不占明显优势。

图5-1 增量数字式先导溢流阀（日本东京计器公司）

1—凸轮 2—顶杆 3—针阀 4—阀套 5—平衡活塞 6—阻尼孔 7—主阀芯(www.xing528.com)

（3）当时的步进电动机技术在高频时有失步的问题，即可控制性能不佳，又进一步使其响应的提高受到负面影响。

由于上述原因使增量式数字阀的应用受到局限。但随着步进电动机及控制技术的发展，这方面的应用与发展一直在各个领域有不少的成功实例。这是因为增量式数字阀的总体技术方面是成熟的，目前用于项目上容易成功，技术难点比高速开关阀要少。因此也有一定市场应用的积累。例如北京亿美博科技有限公司在国家“十五”重点攻关项目中开发的增量式数字阀与相应的液压缸，成功将0.01mm的位移对应1个电脉冲；亿美博数字调节阀0.01°的开度对应1个电脉冲。图5-2展示了由上海豪高机电科技有限公司开发的增量数字式水液压流量阀，此阀的特点是不仅用于水介质还具有位置反馈，可提高阀的频响，并是一项发明专利。

图5-2 增量数字式水液压流量阀（上海豪高机电科技有限公司2008年专利产品）

1—步进电动机 2—滚珠丝杠 3—节流阀阀芯 4—阀套 5—连杆 6—零位移传感器

尽管增量式数字阀应用领域在扩展，但比起高速开关阀的发展势头并不占优势。所以增量式数字阀与高速开关阀今后哪个能成为数字阀的主流产品，要看应用领域的扩大。但从方向与趋势看高速开关数字阀更为期待。

在增量式数字阀研究发展的同时，液压高速开关阀也在研制与发展。高速开关数字阀的发展很大程度是汽车发动机燃油喷射采用共轨技术的需求所促进的。在20世纪80年代的研究中，比较集中在液压高速开关数字阀的液压特性、电控等方面。众所周知，为了达到汽车的污染排放标准，欧洲已要求汽车的排放标准达到其制定到欧Ⅳ甚至更高。而我国现在实施的还只是欧Ⅲ标准并正向更高的标准迈进。在此情况下，在执行欧Ⅲ排放标准的强制要求下，凸轮轴驱动的柴油喷射系统就完全要让位于共轨式燃油喷射系统。灵活的电子控制系统对正时与喷射压力的控制，使发动机各种工况下都能获得低排放与高效率。而控制这一过程所采用的就是高速开关阀。由于这一控制过程只有大约3～6ms，因此对高速开关阀的响应提出了在燃油压力为160～220MPa下响应要高到0.1～0.2ms的要求。用于共轨燃油喷射系统及汽车其他各种控制系统的液压高速开关阀至今仍在发展之中。

美国BKM公司于1984年推出了一种三通球形插装式高速电磁开关阀，该阀的响应时间为：开启时间3ms；关闭时间2ms。工作压力为10MPa。这种阀主要被用在柴油机中压共轨电控燃油喷射系统中。日本的田中裕久等人于1984年前后研制了两种高速电磁开关阀，其中的二通阀在工作压力为15MPa时，阀的响应时间为：开启时间3.3ms；关闭时间2.8ms；三通阀在工作压力为7MPa时，阀的响应时间不足3ms。到了20世纪80年代中、后期，日本的宫本正彦等人成功地研制出工作压力为120MPa，开启和关闭时间分别为0.35ms和0.4ms的三通型超高压高速电磁开关阀。1997年德国Bosch公司成功将其用于乘用车上，开发出一种适用于超高压下工作的高速电磁开关阀，该阀的开启时间为0.3ms，关闭时间为0.65ms。2005年奔驰公司推出了第二代共轨系统，双龙汽车融合第三代共轨喷射及可变截面涡轮增压等技术，可达到欧Ⅳ标准。随着研究的深人，对高速开关阀的磁特性给予了越来越大的关注。研究高速开关阀的磁性材料与特性成了关键。国外生产高质量高速开关阀的厂商较多，如美国的cleanairpow_- er，德国的Heinzmann等著名厂商。

我国自20世纪80年代也开始了高速开关阀的研究，包括浙江大学、北京理工大学与甘肃工业大学（兰州理工大学）等院校，其中甘肃工业大学的研究由2000年后建立的上海豪高机电科技有限公司继续。我国贵州红林机械厂是国内首先生产脉宽调制式直接控制数字阀产品的工厂，生产以二十世纪八九十年代与美国BKM公司合作研制成功的HSV系列高速电磁开关阀等产品。该阀为螺纹插装式结构，阀的开启时间为3ms；关闭时间为2ms；最高额定工作压力为20MPa；额定流量为2～9L/min（图5-3）。国内也有若干中小企业涉足这一行业，但规模甚小。从液压领域来看，进人液压产品领域的高速开关阀有20世纪90年代原Vickers的PQ-03-16-250二通插装式数字阀，当今Sauer-Danfoss的PVG多路换向阀系列。到了20世纪末，高速开关阀的开发与在液压系统中的应用有了较明显的发展，但仍然有局限性。

图5-3 螺纹插装式高速开关数字阀（贵州红林与美国clean air power）

目前高速开关阀的研发正推向更深人的高度，正向压电式（piezo）共轨系统发展。也就是向磁致伸缩材料方向努力。目前其形式、性能与价格在工程应用方面都仍有很大的发展空间。