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圖1 數(shù)字液壓閥分類Fig.1 Digital hydraulic valves
從數(shù)字液壓閥的發(fā)展歷程可以將數(shù)字閥的研究分為兩個方向：增量式數(shù)字閥與高速開關(guān)式數(shù)字閥。增量式數(shù)字閥將步進電機與液壓閥相結(jié)合，脈沖信號通過驅(qū)動器使步進電機動作，步進電機輸出與脈沖數(shù)成正比的步距角，再轉(zhuǎn)換成液壓閥閥芯的位移。上世紀末是增量式數(shù)字閥發(fā)展的黃金時期，以日本東京計器公司生產(chǎn)的數(shù)字調(diào)速閥為代表，國內(nèi)外很多科研機構(gòu)與工業(yè)界都相繼推出了增量式數(shù)字閥產(chǎn)品。然而，受制于步進電機低頻、失步的局限性，增量式數(shù)字閥并非目前研究的熱點。
高速開關(guān)式數(shù)字閥一直在全開或者全閉的工作狀態(tài)下，因此壓力損失較小、能耗低、對油液污染不敏感。相對于傳統(tǒng)伺服比例閥，高速開關(guān)閥能直接將ON/OFF數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成流量信號，使得數(shù)字信號直接與液壓系統(tǒng)結(jié)合。近些年來，高速開關(guān)式數(shù)字閥一直是行業(yè)研究熱點，主要集中在電-機械執(zhí)行器、高速開關(guān)閥閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及創(chuàng)新、高速開關(guān)閥并聯(lián)閥島以及高速開關(guān)閥新應用等方面。
1.1 高速開關(guān)電-機械執(zhí)行器的發(fā)展
上世紀中期開始，對于高速開關(guān)電磁鐵的研究就一直是高速開關(guān)閥研究的重點。英國LUCAS公司，美國福特公司，日本Diesel Kiki公司，加拿大多倫多大學等對傳統(tǒng)E型電磁鐵進行改進，提高了電磁力與響應速度。浙江大學研發(fā)了一種并聯(lián)電磁鐵線圈提高電磁力。試驗顯示電磁鐵的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間與延遲都得到了明顯的縮短。芬蘭Aalto工程大學(Aalto University School of Engineering)研究了5種軟磁材料用于電磁鐵線圈的效果以及不同的匝數(shù)及尺寸對驅(qū)動力的影響。奧地利林茨大學(Johannes Kepler University Linz)對因加工誤差、摩擦力和裝配傾斜造成的電磁鐵性能差異進行了詳細的分析。
超磁滯伸縮材料與壓電晶體材料的應用為高速開關(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)動線圈的電流，使超磁滯伸縮棒產(chǎn)生伸縮位移，直接驅(qū)動使閥口開啟或關(guān)閉，達到控制燃料液體流動的目的。這種結(jié)構(gòu)省去了機械部件的聯(lián)接，實現(xiàn)燃料和排氣系統(tǒng)快速、精確的無級控制。超磁致伸縮材料對溫度敏感，應用時需要設(shè)計相應的熱抑制裝置和熱補償裝置。中國航天科技集團公司利用PZT材料鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷的逆壓電效應，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，因此其運用受到限制。浙江大學歐陽小平等與南京工程學院許有熊等就壓電高速開關(guān)閥大流量輸出和疲勞強度問題設(shè)計了新的結(jié)構(gòu)，并進行了仿真與實驗分析。
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