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摘要：2D 气动高速开关阀是采用具有两个运动自由度阀芯的双级高速开关阀，该阀由双稳力矩马达驱动阀芯旋转实现导阀功能，由气体压力差推动阀的轴向运动。本文在介绍 2D 高速开关阀的基础上，对其动态特性进行实验研究，结果表明其具有很高的开关特性。
关健词：高速开关阀；力矩马达；动态特性
0 引言
脉宽调制在流体动力系统应用的基本思想就是利用高速开关元件，通过控制其开关状态的占空比数的不同，从而控制阀口开度的时间平均值。对于流体控制系统，一般对其响应速度皆有一定的要求，因而在工作过程中调制频率应尽可能地高，即要求阀的开关时间很短。
此外，工程中的快速动作机构（如机车紧急刹闸、电路快速切断开关等）的主要特点是瞬时释放出大功率的能量：它们常用的驱动方式有直接电磁驱动、液压和气动三种方式。其性能对照见表 1。从表中可以清楚看出，液压或气动系统瞬时释放大功率的特性远优于电磁驱动的方式。而液压或气动系统能量释放是由开关阀实现的，为了实现快速性，关键是提高阀的开关速度。
| 技术特性 | 类别 | ||
|---|---|---|---|
| 直流电磁铁 | 油缸 | 气缸 | |
| 单位面积作用力 | 小于 0.3MPa | 6~32MPa | 0.6~0.8MPa |
| 最高运行速度 | 小于 3m/s | 5×油管截面积/油缸活塞面积 m/s | 音速×气管截面积/气缸活塞面积 m/s |
| 刹车缓冲特性 | 差 | 一般 | 较好 |
| 维护 | 容易 | 较难 | 容易 |
| 造价 | 造价与功率大小呈直线上升 | 较高 | 较低 |
| 辅助设备 | 直流电源 | 油源 | 气源 |
| 实用瞬间功率 | 0~几十瓦 | 0~20 千瓦 | 0~18 千瓦 |
| 作为快速驱动元件的适用范围 | 用于机-电转换的光导级、低功率漏电开关 | 工程车辆的车闸 | 适用于各种机械安全防护装置、车闸 |
本文提出一种采用双自由度阀芯构成的双级气动高速开关阀，在介绍 2D 高速开关阀的基础上，对其动态特性进行实验研究。
1 气动高速开关阀
2D 气动高速开关阀采用双自由度的设计思想，将导阀与主阀做在一个阀芯上，导阀由阀芯的旋转自由度实现其功能，主阀口的开度大小由阀芯的轴向滑动控制，其基本结构见图 1：
图 1 2D 气动高速开关阀
阀芯的右腔为敏感腔，在阀芯的右端台肩上开设有 a、b 口，a 口与 Po 相通；b 口与大气 Pa 口相通；在阀座孔右端经通道 c 与敏感腔相通；阀左腔经通道 d 与 PL 相通；当力矩马达驱动阀芯转动，使 a 与 c 通时，则敏感腔处于高压状态，这时阀芯将在压力推动下左移，使 Po 与 PL 沟通；当 b 与 c 口沟通时，敏感腔处于低压，阀芯右移，PL 与 Pa 沟通，阀芯是细长状的，转动惯量较小，容易实现快速摆动。该阀为一三通换向阀，若阀芯中间的台肩宽度大于阀孔环形槽的宽度，则该阀为二通型。这种结构的阀实际上为二级结构，PL 口可以有较大的流量输出，若不需要大流量可将 PL 口堵死而直接从由端盖的 e 口引出压力信号。为了保证阀所受的径向力平衡，a、b 和 c 口及通道均采用轴对称的结构。
阀芯的旋转运动由力矩马达驱动。力矩马达主要由衔铁、导磁体及磁钢构成，具有双稳记忆功能，其工作原理如下：衔铁与导磁体处于正常的工作位置时，形成四个工作系隙，衔铁上有一激磁线圈。磁钢在系隙中形成垂直向下方向的磁场，而当激磁线圈通电时，则产生两个环状的封闭的磁场，该磁场将使两个对角处的系隙的永磁体的磁场分别得以加强和削弱，其结果使衔铁快速摆动。当衔铁的端部到达闭合位置时，线圈的电流切断，衔铁在磁钢吸力的作用下，其位置保持不变。这便使得该力矩马达具有稳态记忆功能。当线圈通以相反方向的脉冲电流时，则衔铁反向摆动。由于该力矩马达具有稳态记忆功能，可由强电流脉冲驱动，因而可确保其快速响应特性。
2 实验研究
将力矩马达与阀体相联构成双级高速开关阀，采用电涡流传感器测量阀芯位移，阀芯最大位移为 0.5mm；用紫外线示波器记录输入电压 U1、U2 和线圈两端输出电压 UL 及电流 IL 的波形，实测的波形见图 2。显而易见，阀芯与电磁铁相联后，衔铁的动作时间要略为多一些，但由于该阀芯的转动惯量仅为衔铁转动惯量的 1/3，所以动作时间的增加并不多。相联后实测得力马达最大响应脉冲信号频率为 190Hz（驱动电压 30V）。
图 2 2D 双级高速开关阀的试验结果
表 2 给出阀动作时间与力马达初始系隙之间的关系（压力为 0.8MPa）：从表中可以看出当 θ0 为 0.2 度左右时，阀的动作时间最短。当系隙增大时，马达的动作时间增大；当系隙减小时，导阀开度较小，推动阀芯运动的供气不足，这两种因素皆使阀动作时间增大。
| θ0 | 0.6 | 0.4 | 0.2 | 0.1 | 0.05 |
|---|---|---|---|---|---|
| tr (ms) | 1.87 | 1.36 | 1.12 | 1.29 | 1.37 |
图 3 给出了供气压力与阀动作时间的关系，它们之间近似呈二次曲线的变化规律。
图 3 阀动作时间与供气压力的关系
3 结论
将双自由度的阀芯运用于气动高速开关阀的设计是成功的，它既适用于小通径也适用于较大通径。调整力矩马达的调隙螺钉可改变导阀（旋转自由度）开启面积大小。改变阀芯中央台肩的宽度变化，可使阀成为二通型或三通型。
阀门的通径为 φ6，阀门的开关时间为 1.3ms 左右。导阀的开关时间随系隙调整螺钉的改变而变化，即调整衔铁的摆角行程可以改变开启时间。对导阀而言，行程越小则开关时间越短，然而对主阀却不是这样的，只有当衔铁的行程达到某一值时，主阀的开启时间最短。在机械加工精度保证的前提下，增大导阀的面积梯度，减小行程，可缩小阀的开关时间。
该阀速度较快的另一原因是回程采用脉冲电流驱动。一方面由于回程不存在弹簧，则力矩马达输出的机械功皆用于驱动阀芯，毋需克服弹簧力，从而使阀芯运动时间较短。另一方面采用瞬间通电，较大的瞬间电流使阀芯快速动作，又不会引起马达线圈发热过剧而烧坏。由于机构中没有弹簧，从而不存在弹性元件的疲劳破坏的问题，这一点对脉宽调制状态下工作的阀尤为重要。
综上所述，将双自由度的原理运用于高速气动开关阀的设计是成功的，所设计的高速开关元件具有良好的性能，这种性能还可随加工精度的提高而得到进一步提高。