高速开关阀的研究现状

丁 凡,姚健娣,笪 靖,2,崔 剑,2,张 策,2

(1.浙江大学 流体传动与控制国家重点实验室,浙江 杭州 310027;2.镇江船艇学院船艇工程系,江苏 镇江 212003;3.宁波华液机器制造有限公司,浙江 宁波 315131)

随着计算机技术的发展和应用的日益广泛,电液数字控制技术已成为实现机电一体化的重要手段,是实现对液压系统进行高速、高精度控制的理想方法,目前已广泛应用于航空航天、汽车、冶金、农业机械、工程机械等重要领域.高速开关阀的研究是电液数字控制技术中的一个重要部分,是实现电液数字控制的关键元件.其工作原理是直接根据一系列脉冲电信号控制电磁铁产生吸力,使得阀芯高速正、反向运动,从而实现液流在阀口处的交替通、断功能,无需D/A转换接口即可实现可靠的数字化电液控制.特别近年来,工程机械等的发展对高速开关阀提出了更高的技术要求,如快速响应速度、大流量等,这使得高速开关阀的理论和应用研究得到越来越多的重视.国内外高速开关阀的研究主要体现在3个方面:一是电-机械转换器结构的创新:二是阀芯和阀体新结构的研制;三是新型材料的应用[1-6].

1 新型电-机械转换器

1.1 Helenoid和Colenoid阀

图1与图2为英国Lucas公司SEILLY A H于20世纪70年代提出并开发的特殊结构的高速电磁开关阀:Helemoid阀和Colemoid阀.将E型电磁铁沿圆柱面和圆锥面绕成螺旋线而形成螺管形和圆锥形结构,从而提高了阀体的结构刚度,克服了传统电磁开关阀“电磁作用力越大衔铁加速度越小”的矛盾.Helenoid电磁阀在电控泵喷嘴燃油系统中的高压油路工作时,在阀芯行程小于1 mm时,阀的响应时间均在1 ms以下.Colenoid阀与Helenoid阀极其相似,然而锥型结构使得工作行程大大提高,可达10 mm,响应速度也更快.另外,这两种阀的电磁铁静铁心选用铁钴(Fe-Co)合金,衔铁价格低廉的低碳钢铁心壁很薄,不需要采用叠片即可减小涡流的影响,但结构相当复杂,因而限制了两种阀的发展和应用[7,8].

图1 Helenoid电磁铁Fig.1 Helenoid

图2 Colenoid电磁铁Fig.2 Colenoid

1.2 多极式E型电磁铁

多极E型电磁铁有伸长型和环型,由多个单元E型电磁铁组合排列而成,所产生的电磁力为各个单元E型电磁铁作用力的矢量和;对于该种类型电磁铁,要得到较大电磁作用力只需增加单元个数.而多极式电磁铁响应时间与单元E型电磁铁基本相同,可在得到较大力输出的同时得到较快的响应速度.图3为美国Ford公司于1982年利用该原理设计出的环状多极式E型电磁铁,导磁材料采用低碳钢,在耐高温骨架上绕制线圈后经压配安装到磁极中,结构简单,刚度好,易加工,成本低.该环状多极电磁铁响应时间为2 ms[9,10].

1.3 Disole电磁铁

图4为日本Zexel(杰克赛尔)公司研究开发的一种盘状结构的高速强力电磁铁,该电磁铁也是基于E型电磁铁的原理,将多个磁极同心环状布置.为了增加线圈的散热,电磁线圈绕制完后直接嵌入静铁芯的沟槽中,灌入环氧树脂,并产生3个散热面;相邻沟槽内电磁线圈缠绕方向相反,可减少漏磁通.该Disole电磁铁的关闭时间为1.1 ms,开启时间为1.3 ms,但是此电磁阀结构偏大[11,12].

图3 环状多极E型电磁铁Fig.3 Ring-shaped multiple solenoid

图4 Disole电磁铁Fig.4 Disole

1.4 肋状三极式电磁铁

图5为加拿大多伦多大学的CREEN C J等人研究开发的肋状三极式电磁铁,该电磁铁也是基于多极E型电磁铁的设计原理,将多个磁极平行排列在支座上.该电磁铁刚度好,并已运用于气体燃料喷嘴执行器,其响应时间和行程等因素有关,在满足大部分流量要求前提下,开启和关闭时间均在3 ms以下[13].

1.5 叠片式电磁铁

图5 肋状三极式电磁Fig.5 Rib-shaped 3-pole solenoid

基于E型电磁铁原理的电-机转换器磁极均为整体式加工,在工作过程中,其磁极上会形成电涡流而导致响应延时.为了尽量减小电涡流的影响,日本电装公司开发设计了叠片式E型电磁铁(如图6所示),叠片结构可以有多种形式:长方形叠片、菱形叠片和E型涡流叠片.经理论分析表明,该叠片结构大大减少了电涡流,使电磁铁能获得很大的加速度,故衔铁从静止到最大加速度的时间也相应地缩短,从而加快了响应速度[14,15].

图6 叠片式电磁Fig.6 Laminated solenoid

1.6 导磁套一体式高速开关阀

图7是由Kelsey-Hayes公司开发的用于汽车防抱死系统(ABS)的高速开关阀.该阀阀座采用特殊的结构,与衔铁接触面中间为平面,四周为斜面,可改变流体流动,降低伯努利力;其衔铁为阶梯状端面,可提高释放位置电磁力;导套为一体结构,并由高强度导磁材料做成,结构简单,工艺好,成本低;传统的隔磁环被薄壁环取代,从而涡流减少,响应加快;衔铁是唯一的运动部件,运动质量低,响应快.该阀的开启和关闭时间均在3 ms以内,响应速度快,且可耐压力达21 MPa[16,17].

1.7 Sturman磁闩阀

图7 ABS高速开关阀Fig.7 ABS high speed on-off valve

图8 Sturman磁闩阀Fig.8 Sturman latching valve

图8为美国Sturman Industries公司设计的磁闩阀。该阀通过对上下相对2个线圈有选择通电使衔铁移动,驱动阀实现开与关两种状态.Sturman磁闩阀的衔铁运动到终端时,可通过剩磁力将阀锁在开启或关闭的状态,无需外部激励即可实现自保持.剩磁力只能在很小的范围内起作用,不会对衔铁的运动产生不利影响.该阀线圈得电时间短,可通过较大的电流而不产生散热问题,故可产生较大的电磁力.同时衔铁质量小,无弹簧等负载,加大了响应速度,Sturman磁闩阀的动作时间约为0.25 ms.另外,该阀结构简单紧凑,价格低廉,已被广泛应用于飞机、内燃机、注塑机等领域[18].

1.8 nachi(不二越)高速开关阀

图9为日本nachi公司设计生产的一种高速开关阀.该阀采用螺管电磁铁,并对动铁式电-机转换器的盆型极靴进行优化.当隔磁环位置低于磁极端面时,电磁力降低,电感减小,加快响应速度.该阀阀芯为锥型,通过径向开孔来对液动力进行补偿减小运动阻力.该高速开关阀控制电压为24 V,最大电流为0.6 A,工作行程为0.3 mm.在压力为7 MPa时,流量为8 L◦min-1,开启和关闭时间均在20 ms以内,可耐最高压力21 MPa[19].

1.9 ε型高速开关阀

图10为浙江大学流体传动与控制国家重点实验室针对气动喷射系统开发了一种新型的ε型高速开关电磁阀.该阀将传统的E型铁芯改进为ε型,缩小了衔铁直径,大大降低了运动质量,从而提高了响应速度.实验显示,该阀衔铁质量减少 71%,其响应时间在不同工作状况下均有不同程度的缩短(8%～20%)[20].

图9 nachi高速开关阀Fig.9 Nachi high speed on-off value

图10 ε型高速开关阀Fig.10 ε-shaped high speed on-off

1.10 永磁屏蔽式耐高压高速开关电磁铁

图11为浙江大学流体传动与控制国家重点实验室研制的另一种耐高压高速开关阀,其导磁套中传统的隔磁环被一层薄壁导磁材料及永磁体取代,永磁体提供磁路可调的极化磁能,线圈不通电时,极化磁通不经过工作气隙,不产生自锁力;线圈通电后,极化磁能路径改变,进入工作气隙,与线圈共同作用产生输出力,衔铁运动,使得该电磁铁在增加电磁力的同时提高了吸合性能.通过合理布置及优化导磁套及永磁体的形状,获得了较快的响应速度.另外,该阀通过永磁体将线圈隔离开来,从而实现了耐高压.该阀的开启时间为2.63 ms,且可耐高压达25 MPa[21].

图11 新型高速开关式电-机械转换器Fig.11 Novel high speed on-off solenoid

2 新型阀芯阀体结构

2.1 高速强力电磁阀(HSV)

图12所示为美国BKM公司与贵阳红林集团合作开发的一种螺纹插装式高速强力电磁阀(HSV).该阀采用液压复位,可避免弹簧复位时产生的弹簧疲劳损坏现象.通过推杆与分离销可方便地调整球阀开度,且球阀阀芯具有自动对中功能.该阀的开启和关闭时间很短,分别为3.5 ms和2.5 ms,重复精度±0.05 ms,因此已广泛应用于液压系统的流量和压力控制中.但是该系列阀一般通径比较小,通流能力较差,空载流量小于10 L◦min-1,这也限制了其应用.将该阀用于先导级控制主阀,可得实现大流量要求.[22,23].

2.2 美国CAT公司锥阀式高速开关阀

图13为美国卡特彼勒(CAT)公司开发的中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统HEUI上用的一种高速大流量电磁阀,采用脉宽调制的方式对该阀进行控制.其阀芯为高低压平衡式,可消除液动力的影响,从而可在很宽的压力范围内工作;阀芯采用空心结构,减小了运动质量,可加快动态响应速度,阀的开启和关闭时间均为1 ms左右.但是,阀芯与前后座有着很高的同轴度要求,初始气隙及阀芯行程调节困难,这增加了加工难度,使得制作成本提高,限制了该阀的发展及应用[24].

图12 HSV高速开关阀Fig.12 HSV high speed on-off valve

2.3 日本电装公司高速开关阀

图13 卡特彼勒的锥阀式高速开关阀Fig.13 Caterpillar high speed on-off poppet valve

图14为日本电装公司开发的高压共轨电控燃油喷射系统ECD-U2前期使用的锥阀结构的常开式电磁阀,是由内外阀组成的两位三通阀.其中内阀是一浮动柱塞,外阀与衔铁做成一体.线圈通电后,外阀在电磁力作用下向上运动,进油口压力被切断,工作油路与回油油路相通;线圈断电后,外阀在弹簧力的作用下复位.此阀的开启和关闭速度均小于1 ms.但当用作常闭阀使用时,受液动力影响较大而无法工作,所以只能作为两位三通常开式阀使用,大大限制了使用范围[25].

2.4 双自由内锥阀芯高速开关阀

图15为武汉理工大学开发的用于中压共轨液力增压式电控燃油喷射系统中的一种新颖的二位三通式锥阀.该阀采用双自由度锥阀芯结构,左右两内锥阀与阀套可相对滑动.由于2个内锥阀相互独立,无同轴度要求,其加工工艺接近二位二通式锥阀,加工成本大大降低.外阀套为空心结构,质量较轻,可与衔铁做成一体结构在阀内滑动,当工作时,仅有阀套一个运动件,从而大大减小了运动件的质量,加快了响应速度.该阀的电-机转换器采用多极式电磁铁,电磁力大,响应速度快,使得该二位三通锥阀具有调整动态响应特性以及较大的流量.该阀额定电压为110 V,空载流量为78 L◦min-1(20 MPa时),开启时间为0.78 ms,关闭时间约为1.10 ms[26].

图14 电装公司的高速开关阀Fig.14 Deso high speed on-off valve

图15 双自由内锥阀芯高速开关阀Fig.15 2-way high speed on-off poppet valve

2.5 电控柴油喷射用旁通阀

图16为清华大学设计用于YC6108电控柴油样机的旁通阀.该阀借助旁通阀的内部油道将低压燃油引入电磁铁,形成流动阻尼,低压腔的燃油对阀杆作用力可保持平衡,从而低压燃油压力波动不会对旁通阀的动态过程产生影响.且当阀杆下行时,无液压阻力,有利于阀快速开启.与此同时,燃油的流动可带走电磁铁工作产生的热量,使电磁铁温度降低.该阀吸合时间为1.2 ms,释放时间为0.6～0.8 ms,能满足电控系统高压喷射空置的需求[27].

3 新型材料的应用

3.1 超磁致伸缩材料(GMM)超磁致伸缩材料制高速开关阀

超磁致伸缩材料(GMM)不同于传统的磁致伸缩材料,它是稀土元素和铁系元素的三元合金,这种材料具有在室温下应变量λ大、能量密度高、响应速度快(能达到μ s级)等优良特性.

图17为浙江大学机械系用稀土超磁致伸缩材料开发的高速强力电磁阀,该阀已应用于柴油机电喷系统.采用Terfenol-D棒作为电-机转换器,克服了常规电磁铁在吸台过程中由于运动惯性和反作用力影响难以提高响应速度和作用力的问题.该阀的位移量为0.15 mm,输出力为1 500 N,其磁致伸缩棒初始预压力300 N;开环控制时的开启和关闭时间均在0.45 ms以内.但由于生产工艺的限制,生产成本较高[28].

图16 电控柴油喷射用旁通阀Fig.16 Electric control by-pass valve for fuel injection

3.2 PZT(Piezo-electricT ransducer)压电材料制超高速开关阀

PZT压电陶瓷受到一定方向上作用力时,两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷,电荷密度与作用力大小在一定范围内成正比;反之,在一定的电场作用下也会产生外形尺寸变化,形变方向与电场方向相关,形变大小与电场强度在一定范围内也成正比.图18即为日本的横土真一等人采用压电材料特性设计的超高速开关阀.利用2组多层晶片压电材料推动锥阀阀芯,构成二位三通高速开关阀.在无负载时,对单组多层晶片施加100 V电压,其推力可达850 N,位移为0.015 mm.其阀芯直径为20.2 mm,质量0.012 kg,受压面积2.5×10-4m2.在100 V脉冲电压驱动下,打开与关闭的响应时间之和小于0.07 ms,能跟踪2 kHz的方波信号.但是压电材料的脆性大,能耗大,生产成本也较高[29].

图17 GMM高速开关阀Fig.17 GMM high speed on-off poppet valve

4 结语

图18 PZT超高速开关阀Fig.18 PZT high speed on-off valve

高速开关阀作为电液数字控制系统的关键元件,其电-机转换器以及阀体结构的研究已受到国内外的重视.随着工程机械等的发展,对电液数字控制技术提出更高的要求,从而使得高速开关阀的发展得到了越来越多的重视,这也对其提出了更多方面及更高的要求:高速、高压、大流量等.高速开关阀的研究内容涉及电、磁、机等诸多学科,同时,相关的理论和技术仍有待进一步完善,特别是在电-机转换器结构的优化与创新、新的阀体阀芯结构的研制与开发、新材料的应用及发展等方面.对比各高速开关阀的响应时间、流量、位移、输出力等特性可看出,我国在高速开关阀的设计方面最近几年有了很大的进步,但由于生产工艺等的限制,响应时间小于1ms的超高速开关阀的设计及制造仍有欠缺,开发具有自主知识产权的高速开关阀有助于更好地满足日益提高的市场需求,提高自主研发能力,进而推动液压及控制技术的发展.

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