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择要：2D 气动高速开关阀是接纳具备两个活动自在度阀芯的双级高速开关阀，该阀由双稳力矩马达驱动阀芯扭转完成导阀功效，由气体压力差鞭策阀的轴向活动。本文在先容 2D 高速开关阀的根本上，对其静态特征停止尝试研讨，成果标明其具备很高的开关特征。
关健词：高速开关阀；力矩马达；静态特征
0 弁言
脉宽调制在流体能源体系操纵的根基思惟便是操纵高速开关元件，经由进程节制其开关状况的占空比数的差别，从而节制阀口开度的时候均匀值。对流体节制体系，普通对其呼应速率皆有一定的请求，因此在任务进程中调制频次应尽能够地高，即请求阀的开关时候很短。
另外，工程中的疾速举措机构（如机车告急刹闸、电路疾速堵截开关等）的首要特色是刹时开释出大功率的能量：它们经常利用的驱动体例有间接电磁驱动、液压和蔼动三种体例。其机能对比见表 1。从表中能够清晰看出，液压或气动体系刹时开释大功率的特征远优于电磁驱动的体例。而液压或气动体系能量开释是由开关阀完成的，为了完成疾速性，关头是进步阀的开关速率。
| 手艺特征 | 种别 | ||
|---|---|---|---|
| 直流电磁铁 | 油缸 | 气缸 | |
| 单元面积感化力 | 小于 0.3MPa | 6~32MPa | 0.6~0.8MPa |
| 最高运转速率 | 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 |
| 刹车缓冲特征 | 差 | 普通 | 较好 |
| 保护 | 轻易 | 较难 | 轻易 |
| 造价 | 造价与功率巨细呈直线回升 | 较高 | 较低 |
| 帮助装备 | 直流电源 | 油源 | 气源 |
| 合用刹时功率 | 0~几十瓦 | 0~20 千瓦 | 0~18 千瓦 |
| 作为疾速驱动元件的合用规模 | 用于机-电转换的光导级、低功率泄电开关 | 工程车辆的车闸 | 合用于各类机器宁静防护装配、车闸 |
本文提出一种接纳双自在度阀芯组成的双级气动高速开关阀，在先容 2D 高速开关阀的根本上，对其静态特征停止尝试研讨。
1 气动高速开关阀
2D 气动高速开关阀接纳双自在度的设想思惟，将导阀与主阀做在一个阀芯上，导阀由阀芯的扭转自在度完成其功效，主阀口的开度巨细由阀芯的轴向滑动节制，其根基布局见图 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 雷同；b 口与大气 Pa 口雷同；在阀座孔右端经通道 c 与敏感腔雷同；阀左腔经通道 d 与 PL 雷同；当力矩马达驱动阀芯动弹，使 a 与 c 通时，则敏感腔处于高压状况，这时候阀芯将在压力鞭策下左移，使 Po 与 PL 相同；当 b 与 c 口相同时，敏感腔处于高压，阀芯右移，PL 与 Pa 相同，阀芯是颀长状的，动弹惯量较小，轻易完成疾速摆动。该阀为一三通换向阀，若阀芯中心的台肩宽度大于阀孔环形槽的宽度，则该阀为二通型。这类布局的阀现实上为二级布局，PL 口能够有较大的流量输入，若不须要大流量可将 PL 口堵死而间接从由端盖的 e 口引出压力旌旗灯号。为了保障阀所受的径向力均衡，a、b 和 c 口及通道均接纳轴对称的布局。
阀芯的扭转活动由力矩马达驱动。力矩马达首要由衔铁、导磁体及磁钢组成，具备双稳影象功效，其任务道理以下：衔铁与导磁体处于一般的任务地位时，组成四个任务系隙，衔铁上有一激磁线圈。磁钢在系隙中组成垂直向下标的目的的磁场，而当激磁线圈通电时，则产生两个环状的封锁的磁场，该磁场将使两个对角处的系隙的永磁体的磁场别离得以增强和减弱，其成果使衔铁疾速摆动。当衔铁的端部到达闭合地位时，线圈的电流堵截，衔铁在磁钢吸力的感化下，其地位坚持稳定。这便使得该力矩马达具备稳态影象功效。当线圈通以相反标的目的的脉冲电流时，则衔铁反向摆动。因为该力矩马达具备稳态影象功效，可由强电流脉冲驱动，因此可确保其疾速呼应特征。
2 尝试研讨
将力矩马达与阀体相联组成双级高速开关阀，接纳电涡流传感器丈量阀芯位移，阀芯最大位移为 0.5mm；用紫外线示波器记实输入电压 U1、U2 和线圈两头输入电压 UL 及电流 IL 的波形，实测的波形见图 2。不言而喻，阀芯与电磁铁相联后，衔铁的举措时候要略为多一些，但因为该阀芯的动弹惯量仅为衔铁动弹惯量的 1/3，以是举措时候的增添并未几。相联后实测得力马达最大呼应脉冲旌旗灯号频次为 190Hz（驱动电压 30V）。
图 2 2D 双级高速开关阀的实验成果
表 2 给出阀举措时候与力马达初始系隙之间的干系（压力为 0.8MPa）：从表中能够看出当 θ0 为 0.2 度摆布时，阀的举措时候最短。当系隙增大时，马达的举措时候增大；当系隙减小时，导阀开度较小，鞭策阀芯活动的供气缺乏，这两种身分皆使阀举措时候增大。
| 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举措时候的干系，它们之间类似呈二次曲线的变更纪律。
图 3 阀举措时候与供气压力的干系
3 论断
将双自在度的阀芯利用于气动高速开关阀的设想是胜利的，它既合用于小通径也合用于较大通径。调剂力矩马达的调隙螺钉可转变导阀（扭转自在度）开启面积巨细。转变阀芯中心台肩的宽度变更，能够使阀成为二通型或三通型。
阀门的通径为 φ6，阀门的开关时候为 1.3ms 摆布。导阀的开关时候随系隙调剂螺钉的转变而变更，即调剂衔铁的摆角路程能够转变开启时候。对导阀而言，路程越小则开关时候越短，但是对主阀却不是如许的，只要当衔铁的路程到达某一值时，主阀的开启时候最短。在机器加工精度保障的条件下，增大导阀的面积梯度，减小路程，可减少阀的开关时候。
该阀速率较快的另外一缘由是回程接纳脉冲电流驱动。一方面因为回程不存在弹簧，则力矩马达输入的机器功皆用于驱动阀芯，毋需降服弹簧力，从而使阀芯活动时候较短。另外一方面接纳刹时通电，较大的刹时电流使阀芯疾速举措，又不会引发马达线圈发烧过剧而烧坏。因为机构中不弹簧，从而不存在弹性元件的委靡粉碎的题目，这一点对脉宽调制状况下任务的阀尤其主要。
综上所述，将双自在度的道理利用于高速气动开关阀的设想是胜利的，所设想的高速开关元件具备杰出的机能，这类机能还可随加工精度的进步而获得进一步进步。