液压数字阀的开发与发展趋势

液压数字阀的发展现状及趋势

摘要：本文介绍了一些国内外液压元件的发展与成果，特别是作者在此开发过程中的研究与发展，有助于在数字化时代中液压技术与产品的进一步发展。

0．引言

从19世纪末到20世纪70年代，液压技术与电磁技术、自控技术不断融合，先后出现了电磁阀、伺服阀、比例阀，开辟了液压技术向高响应、高精度发展的新领域，使得液压技术作为一种基本的传动型式占有重要的地位，并且以优良的静态、动态性能而成为一种重要的控制手段。70年代以后，由于微电子技术特别是计算机技术的迅猛发展，微机的应用越来越多，同样，近几年来液压与微电子、计算机技术相结合使液压技术的发展进入了一个新的发展阶段。机电液一体化已成为液压技术最明显的发展趋势之一，它与高性能参数（高速、高压、大流量、快响应）、可靠性、节能、开拓新的应用领域等几个方向构成液压技术发展的主流。

液压技术与微机控制的结合促进了液压比例技术、伺服技术及液压数字技术的发展。电液比例技术及电液伺服技术就广义来讲它们只是机电液一体化的最初阶段。只有电子技术发展到计算机阶段，形成了由硬件和软件组成的完整信息处理技术，才为机电一体化开拓了更为广阔的前景。

1．液压数字控制的优势

在机电液一体化中，数字控制系统的重复精度高，控制特性易调整，不仅能保证大幅度提高产品质量，而且比一般系统相比有更高的生产率和适应性，使系统在动静态精度、效率、操作性、节能等方面得到改善。同时可利用软件等获得不同的工作程序或性能，以满足不同的需要，因此液压系统和元件更具有灵活性。数字控制系统可提高自动化程度，增加控制及操作方面功能，由于微机的溶入，使智能技术能够被工业生产充分利用，使系统对环境具有一定的主动适应能力，另外，机电液一体化技术不仅从单机系统来看可控制，而且能组成多机综合系统，完成复杂的生产任务，并为计算机集成制造系统（CIMS）的实现创造了条件，液压技术与计算机技术完美结合将会给工业生产带来一次新的革新。

2．液压数字元件的发展现状

用数字量进行控制并具有数字量输出响应特性的阀称为数字阀。数字阀最常用的控制方法是脉数调制（增量控制）和脉宽调制（PWM），增量控制型数字阀是由步进电动机作为电-机械转换器进行控制的阀。它是在脉数调制（PNM）信号中，使其每个采样周期时的控制脉冲数在前一个采样周期时脉冲数的基础上增加或减少一定的脉冲数，从而达到需要的幅

值。由于增量型没有零位，因此它必须附加闭环控制或带有零位检测装置。阀的输出与输入脉冲数成正比，输出响应速度与输入脉冲频率成正比。对应于步进电动机的步距角，阀的输出量有一定的分辨率，它直接决定了阀的最高精度。脉宽调制型数字阀是由脉宽调制信号来控制的，即靠调节占空比来控制阀的平均流量的，阀芯响应只有两种状态“开”和“关”，故也叫高速开关阀。

数字阀具有抗污染性好，重复性好，非线性现象对数字控制系统的影响比模拟系统小，所以很有前途，脉宽调制式数字阀与增量式数字阀相比优点相似，且更突出，尤其其结构简单、成本低，性能好，因此对开发研制具有很大的吸引力。

对于采用数字阀控制的数字式液压控制系统其主要性能列下：

会上首次展出数字阀以来已经有二十年的历史了。步进电机增量式数字阀的开发，以日本较为领先，其中东京计器公司的数字流量阀、压力阀、方向流量控制阀均已作为产品，压力达到210bar，流量1-500l/min，输入脉冲数为100-126其重复特性精度和滞环精度均在0.1%以下。美、法、英、加也进行了研究和应用。脉宽调制式高速开关阀亦以日本、法国、美国、德国研究为多，早在1984年，日本的田中裕久等人就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，响应时间为：开启时间3.3ms，关闭时间为2.8ms；三通阀在工作压力为7Mpa时，阀的响应时间不足3ms。在1992年国际流体动力博览会上，挪威B&R ENGINEERING B.V公司已开始推销其力矩马达-球阀组合式高速开关阀，压力为200-250bar，流量为8-20l/min，切换时间为0.8-1.5ms。日本DIESELKIKI公司和ZEXEL公司研制的“DISOLE“电磁阀，高速、强力、结构简单，此阀充分考虑了线圈的输入能量与

散热情况，有效地组织磁路，最大限度地减少衔铁的质量，大大提高了响应时间，在国内，广州机床研究所研制出了SZY系列数字先导溢流阀、SZQ系列数字调速阀、SZ系列数字换向阀，这些产品属步进电机增量式控制数字阀。浙江大学、北京理工大学均对脉宽调制式数字开关阀作了大量的研究，于1996年和1998年前后研制了两种不同结构的高速电磁开关阀。具有代表性的是贵州红林机械厂与美国BKM公司合作研制成功了HSV 系列高速数字开关阀。该阀的开启时间为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。上海豪高科技机电有限公司已开发出HGDV系列高速数字阀，采用了先进的磁性材料和优化的磁路设计，使阀得到大吸力，快响应。

综上所述，国内外研究开发了多种数字阀，它们各有特点，结构各异，大多产品至今还没有真正的系列化，产品化，标准化。数字阀的研制发展仍处在一个初级阶段。还有许多工作有待我们去解决。

3．液压数字阀的发展趋势

对于数字阀而言，随着现代制造技术和材料技术的提高，电-机械转换装置发生了较大的革新，除了传统的螺线电磁铁式，相继出现了力矩马达式，压电晶体式，磁致伸缩式。

利用某些晶体材料的逆压电特性和压电执行器，具有小型、强力、高响应的特点，压电材料是一种晶体材料，其特点是当其受外力而产生变形时，会由于内部极化而在表面上产生电荷，反过来，如果在压电材料的极化方向上施加一定强度的电场，则会引起材料的机械变形，去掉电场后又能恢复到原状态，用于制造开关阀的压电材料大致有两大类，一类为压电陶瓷（PZT），另一类是电压变材料（PMN），压电驱动式电液阀也称电致伸缩电液阀。人们对于压电效应的了解和应用已有了相当长的历史。压电晶体元素具有响应速度快的特点。特别是近年来随着制造技术的提高而带来的晶片积层化(多层晶片型) 的成功, 使得压电执行器具有了可低电压驱动、体积小、推动力大的优点。对液压技术领域中的控制阀的小型化、高响应化等将有着一定的作用。

稀土超磁致伸缩材料(GMM）在一定的磁场作用下，该材料与传统的镍基可铁基磁致伸缩材料相比会产生大得多的长度或体积变化，这种材料在室温下磁致伸缩应变大，是PZT 的5~8倍，能量密度高，是Ni的400~500倍，响应速度快，输出力大，带载能力强，其磁机耦合系数大，由于超磁致伸缩材料的上述优良性能，很快就引起了工程界的关注，因而在许多领域尤其在流体控制阀方面获得了广泛的应用。

超磁致伸缩材料由于其优良的性能使其在流体控制阀中获得了广泛的应用，但材料本身固有的一些缺陷以及理论研究的不成熟也限制了材料的进一步应用，但近来随着材料制备工艺的提高和磁致伸缩机理研究的日趋深入，同时各种先进控制技术的引入，将会为此开拓空间，利用超磁致伸缩材料的高频响的特性开发出高频开关阀也成为材料进一步应用的方向。

（结合sauer与vicker阀叙述）

4．结束语

纵观液压技术的发展历程，我们感受到各学科间渐渐结合交融，互相推动向前发展，在新的时代要求下，数字液压元件将是连接液压技术与计算机技术的一种桥梁，数字阀的应运而生揭开了液压技术发展史崭新的一页，数字阀的发展将会朝着高压力、高响应、高度集成化，智能化的方向继续发展。