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超磁滯伸縮材料與壓電晶體材料的應(yīng)用為高速開關(guān)閥的研發(fā)提供了新的思路。瑞典用超磁致伸縮材料開發(fā)了一款高速燃料噴射閥。通過控制驅(qū)動(dòng)線圈的電流，使超磁滯伸縮棒產(chǎn)生伸縮位移，直接驅(qū)動(dòng)使閥口開啟或關(guān)閉，達(dá)到控制燃料液體流動(dòng)的目的。這種結(jié)構(gòu)省去了機(jī)械部件的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)燃料和排氣系統(tǒng)快速、精確的無級(jí)控制。超磁致伸縮材料對(duì)溫度敏感，應(yīng)用時(shí)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱抑制裝置和熱補(bǔ)償裝置。中國航天科技集團(tuán)公司利用PZT材料鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，研發(fā)了一款由PZT壓電材料制作的超高速開關(guān)閥，如圖2所示。該閥在額定壓力10MPa下流量為8L/min，打開關(guān)閉時(shí)間均小于1.7 ms。壓電材料脆性大，成本高，輸出位移小，容易受溫度影響，因此其運(yùn)用受到限制。浙江大學(xué)歐陽小平等與南京工程學(xué)院許有熊等就壓電高速開關(guān)閥大流量輸出和疲勞強(qiáng)度問題設(shè)計(jì)了新的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)分析。
美國Purdue大學(xué)研制了一種創(chuàng)新型的高速開關(guān)閥電-機(jī)械執(zhí)行器EAC(Energy coupling actuator)，如圖3所示。其包括一個(gè)持續(xù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤和一個(gè)壓電晶體耦合裝置。轉(zhuǎn)盤一直在順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，通過左右兩個(gè)耦合機(jī)構(gòu)分時(shí)耦合控制主閥芯的啟閉。試驗(yàn)表明5ms內(nèi)達(dá)到2mm的輸出行程。
圖2 PZT高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of PZT high-speed on/off valve
圖3 壓電EAC原理概念圖Fig.3 Piezo EAC concept
1.2 高速開關(guān)閥閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新
高速開關(guān)閥常用的閥芯結(jié)構(gòu)為球閥式和錐閥式。浙江大學(xué)周盛研究了不同閥芯閥體結(jié)構(gòu)液動(dòng)力的影響及補(bǔ)償方法。通過對(duì)閥口射流流場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)流場(chǎng)內(nèi)氣穴現(xiàn)象及壓力分布進(jìn)行觀測(cè)和測(cè)量。美國BKM公司與貴州紅林機(jī)械有限公司合作研發(fā)生產(chǎn)了一種螺紋插裝式的高速開關(guān)閥(HSV)，使用球閥結(jié)構(gòu)，通過液壓力實(shí)現(xiàn)銜鐵的復(fù)位，避免彈簧復(fù)位時(shí)由于疲勞帶來復(fù)位失效的影響。推桿與分離銷可以調(diào)節(jié)球閥開度，且具有自動(dòng)對(duì)中功能。該閥采用脈寬調(diào)制信號(hào)(占空比為20%~80%)控制，壓力最高可達(dá)20MPa，流量為2~9L/min，啟閉時(shí)間≤3.5ms。該高速開關(guān)閥代表了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化高速開關(guān)閥的先進(jìn)水平，如圖4所示。
美國Caterpillar公司研發(fā)了一款錐閥式高速開關(guān)閥，如圖5所示。該閥的閥芯設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，降低了運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，提高了響應(yīng)速度與加速度。其將復(fù)位彈簧從銜鐵位置移動(dòng)至閥芯中間部位，使得閥芯在尾部受到電磁力，中間部位受到彈簧回復(fù)力，在運(yùn)動(dòng)過程中更加穩(wěn)定。但是此設(shè)計(jì)使得閥芯前后座有較高的同軸度要求，初始?xì)庀杜c閥芯行程調(diào)節(jié)較難，加工難度高，制造成本大。該閥開啟、關(guān)閉時(shí)間為1ms左右，目前已經(jīng)在電控燃油噴射系統(tǒng)中得到運(yùn)用。美國Sturman Industries公司開發(fā)了基于數(shù)字閥的電噴系統(tǒng)，其系統(tǒng)所用高速開關(guān)閥最小響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.15ms。
