上海滬工閥門廠（集團）有限公司
摘要：2D 氣動高速開關閥是采用具有兩個運動自由度閥芯的雙級高速開關閥，該閥由雙穩力矩馬達驅動閥芯旋轉實現導閥功能，由氣體壓力差推動閥的軸向運動。本文在介紹 2D 高速開關閥的基礎上，對其動態特性進行實驗研究，結果表明其具有很高的開關特性。
關健詞：高速開關閥；力矩馬達；動態特性
0 引言
脈寬調制在流體動力系統應用的基本思想就是利用高速開關元件，通過控制其開關狀態的占空比數的不同，從而控制閥口開度的時間平均值。對于流體控制系統，一般對其響應速度皆有一定的要求，因而在工作過程中調制頻率應盡可能地高，即要求閥的開關時間很短。
此外，工程中的快速動作機構（如機車緊急剎閘、電路快速切斷開關等）的主要特點是瞬時釋放出大功率的能量：它們常用的驅動方式有直接電磁驅動、液壓和氣動三種方式。其性能對照見表 1。從表中可以清楚看出，液壓或氣動系統瞬時釋放大功率的特性遠優于電磁驅動的方式。而液壓或氣動系統能量釋放是由開關閥實現的，為了實現快速性，關鍵是提高閥的開關速度。
| 技術特性 | 類別 | ||
|---|---|---|---|
| 直流電磁鐵 | 油缸 | 氣缸 | |
| 單位面積作用力 | 小于 0.3MPa | 6~32MPa | 0.6~0.8MPa |
| 最高運行速度 | 小于 3m/s | 5×油管截面積/油缸活塞面積 m/s | 音速×氣管截面積/氣缸活塞面積 m/s |
| 剎車緩沖特性 | 差 | 一般 | 較好 |
| 維護 | 容易 | 較難 | 容易 |
| 造價 | 造價與功率大小呈直線上升 | 較高 | 較低 |
| 輔助設備 | 直流電源 | 油源 | 氣源 |
| 實用瞬間功率 | 0~幾十瓦 | 0~20 千瓦 | 0~18 千瓦 |
| 作為快速驅動元件的適用范圍 | 用于機-電轉換的光導級、低功率漏電開關 | 工程車輛的車閘 | 適用于各種機械安全防護裝置、車閘 |
本文提出一種采用雙自由度閥芯構成的雙級氣動高速開關閥，在介紹 2D 高速開關閥的基礎上，對其動態特性進行實驗研究。
1 氣動高速開關閥
2D 氣動高速開關閥采用雙自由度的設計思想，將導閥與主閥做在一個閥芯上，導閥由閥芯的旋轉自由度實現其功能，主閥口的開度大小由閥芯的軸向滑動控制，其基本結構見圖 1：
圖 1 2D 氣動高速開關閥
閥芯的右腔為敏感腔，在閥芯的右端臺肩上開設有 a、b 口，a 口與 Po 相通；b 口與大氣 Pa 口相通；在閥座孔右端經通道 c 與敏感腔相通；閥左腔經通道 d 與 PL 相通；當力矩馬達驅動閥芯轉動，使 a 與 c 通時，則敏感腔處于高壓狀態，這時閥芯將在壓力推動下左移，使 Po 與 PL 溝通；當 b 與 c 口溝通時，敏感腔處于低壓，閥芯右移，PL 與 Pa 溝通，閥芯是細長狀的，轉動慣量較小，容易實現快速擺動。該閥為一三通換向閥，若閥芯中間的臺肩寬度大于閥孔環形槽的寬度，則該閥為二通型。這種結構的閥實際上為二級結構，PL 口可以有較大的流量輸出，若不需要大流量可將 PL 口堵死而直接從由端蓋的 e 口引出壓力信號。為了保證閥所受的徑向力平衡，a、b 和 c 口及通道均采用軸對稱的結構。
閥芯的旋轉運動由力矩馬達驅動。力矩馬達主要由銜鐵、導磁體及磁鋼構成，具有雙穩記憶功能，其工作原理如下：銜鐵與導磁體處于正常的工作位置時，形成四個工作系隙，銜鐵上有一激磁線圈。磁鋼在系隙中形成垂直向下方向的磁場，而當激磁線圈通電時，則產生兩個環狀的封閉的磁場，該磁場將使兩個對角處的系隙的永磁體的磁場分別得以加強和削弱，其結果使銜鐵快速擺動。當銜鐵的端部到達閉合位置時，線圈的電流切斷，銜鐵在磁鋼吸力的作用下，其位置保持不變。這便使得該力矩馬達具有穩態記憶功能。當線圈通以相反方向的脈沖電流時，則銜鐵反向擺動。由于該力矩馬達具有穩態記憶功能，可由強電流脈沖驅動，因而可確保其快速響應特性。
2 實驗研究
將力矩馬達與閥體相聯構成雙級高速開關閥，采用電渦流傳感器測量閥芯位移，閥芯最大位移為 0.5mm；用紫外線示波器記錄輸入電壓 U1、U2 和線圈兩端輸出電壓 UL 及電流 IL 的波形，實測的波形見圖 2。顯而易見，閥芯與電磁鐵相聯后，銜鐵的動作時間要略為多一些，但由于該閥芯的轉動慣量僅為銜鐵轉動慣量的 1/3，所以動作時間的增加并不多。相聯后實測得力馬達最大響應脈沖信號頻率為 190Hz（驅動電壓 30V）。
圖 2 2D 雙級高速開關閥的試驗結果
表 2 給出閥動作時間與力馬達初始系隙之間的關系（壓力為 0.8MPa）：從表中可以看出當 θ0 為 0.2 度左右時，閥的動作時間最短。當系隙增大時，馬達的動作時間增大；當系隙減小時，導閥開度較小，推動閥芯運動的供氣不足，這兩種因素皆使閥動作時間增大。
| θ0 | 0.6 | 0.4 | 0.2 | 0.1 | 0.05 |
|---|---|---|---|---|---|
| tr (ms) | 1.87 | 1.36 | 1.12 | 1.29 | 1.37 |
圖 3 給出了供氣壓力與閥動作時間的關系，它們之間近似呈二次曲線的變化規律。
圖 3 閥動作時間與供氣壓力的關系
3 結論
將雙自由度的閥芯運用于氣動高速開關閥的設計是成功的，它既適用于小通徑也適用于較大通徑。調整力矩馬達的調隙螺釘可改變導閥（旋轉自由度）開啟面積大小。改變閥芯中央臺肩的寬度變化，可使閥成為二通型或三通型。
閥門的通徑為 φ6，閥門的開關時間為 1.3ms 左右。導閥的開關時間隨系隙調整螺釘的改變而變化，即調整銜鐵的擺角行程可以改變開啟時間。對導閥而言，行程越小則開關時間越短，然而對主閥卻不是這樣的，只有當銜鐵的行程達到某一值時，主閥的開啟時間最短。在機械加工精度保證的前提下，增大導閥的面積梯度，減小行程，可縮小閥的開關時間。
該閥速度較快的另一原因是回程采用脈沖電流驅動。一方面由于回程不存在彈簧，則力矩馬達輸出的機械功皆用于驅動閥芯，毋需克服彈簧力，從而使閥芯運動時間較短。另一方面采用瞬間通電，較大的瞬間電流使閥芯快速動作，又不會引起馬達線圈發熱過劇而燒壞。由于機構中沒有彈簧，從而不存在彈性元件的疲勞破壞的問題，這一點對脈寬調制狀態下工作的閥尤為重要。
綜上所述，將雙自由度的原理運用于高速氣動開關閥的設計是成功的，所設計的高速開關元件具有良好的性能，這種性能還可隨加工精度的提高而得到進一步提高。