N81： #数字液压#专题：数字阀的发展

负流量控制模式的特点是主泵排量与控制压力成反比。各联换向阀均采用开中心结构，在中位油路经过换向阀后、回油箱前增加一个节流阀，根据节流阀入口的压力大小来调节主泵的排量。当所有换向阀阀芯都处于中位时，泵输出的液压油直接通油箱，控制油路的压力升高，进而调节主泵排量减小。当先导控制压力使一个或多个换向阀阀芯移动时，通向液压缸或马达的阀芯开口逐渐增大，通向油箱的阀芯开口逐渐减小至最终关闭。这一过程中控制油路压力逐渐下降，主泵排量逐渐增大，执行元件的速度逐渐增大，而这一过程由操作人员操纵先导滑阀来控制。先导滑阀的控制压力决定换向阀芯各节流口的开度，进而决定了旁路回油量的大小，最后决定了控制油路的压力，由该压力的大小来调节泵的排量，其原理如图1所示。这是早期乃至当前液压挖掘机普遍采用的一种挖掘机液压控制系统。

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本 期 导 读

#数字液压#专题系列

液压数字化是现阶段液压行业发展的一个重要的新兴领域。

坦佩雷大学Matti Linjima教授对于数字液压系统提出如下定义[1]：

审校：李春光 丨 排版：马艳双

1、液压数字化中的增量控制阀

增量式数字阀的研发以日本较为领先，东京计器公司的压力阀、数字流量阀、方向流量控制阀等产品均己投入市场，流量范围为 1～500 L/min，压力最高可达 210 MPa，输入脉冲数为 100～126，其滞环精度和重复特性精度均在 0.1%以下。日本的油研公司、内田油压公司、Danfoss 公司、丰兴工业公司和 URATA，德国 Hauhinco，美国的 Sperry、Vickers 等公司等均已有自己的数字阀商品投放市场。英国、法国、加拿大等也进行了相关研究及应用。

广州机床研究所已研制了多种不同规格的增量式流量阀和压力阀，并通过了相关专业鉴定；二十世纪八十年代后期，重庆大学在数字阀方向的研究取得了重大进展，研制出了采用步进电机直接控制的液压气动的组件，后来又开发采用了 PWM（脉宽调制）控制的各种数字液压气动元件；浙江工业大学流体传动与控制实验室的科学研究员多年来始终致力于增量式阀的开发研究，其特点是旋转和轴向运动的双自由度的 2D 增量阀，并成功应用于众多的工程上。

增量式阀是实现液压系统离散的关键控制元件，从相关研究看，增量式阀驱动器作为驱动阀芯运动的动力源，其结构形式、技术参数等对阀的动态特性、控制精度等有直接影响。

增量式阀的驱动器传统上是旋转式步进电机，但是采用步进电机的增量式数字阀在控制上存在响应速度慢、失步现象严重、工作稳定性较差、无断电自锁等问题，导致步进电机驱动的数字阀无法满足高精度、高可靠性领域的要求而发展缓慢，至今也未形成标准化产品。因此，驱动器性能的提升成为増量式数字阀发展的关键。现有研究出现了采用直线电机、音圈电机、超声电机和永磁同步电机等代替普通步进电机的趋势。

图1：音圈电机直驱水液压节流控制阀样机

2、液压数字化中的高速开关阀

在高速开关阀及其系统方面，各个研究机构均提出了很多研究点，但是目前并没有完整的系统解决方案。其形式包括了PWM信号控制的开关阀的流量控制以及多个开关阀组合的形式。如下图所示:

其中，对于单个高速开关阀的PWM控制是通过PWM信号控制高响应频率的开关阀的开启-关闭的占空比来调节发的输出平均流量，从而实现对输出流量的控制；

对于多个开关阀组合的控制形式，学者们提出了DFCU(digital flow control unit)的概念，其主要是通过在一个阀块上插装多个告诉开关阀而实现最终输出调节作用的。

DFCU的概念是由坦佩雷大学和林雪平大学研究开发研究提出的，其是一种基于开关控制技术的数字阀块。油路中并联的多支开关阀（通径可相同也可不同），其系统的最大输出流量等于各个开关阀输出流量总和，通过对各个开关阀状态的编码，可以实现对系统输入及输出流量进行控制。当系统中有 N 个开关阀组成一个 DFCU 时，理论上有 2N 种不同的输出流量，当需要改变输出流量时，只需要改变阀组的编码信号即可。这是一种将流量由连续变为离散化的液压数字化技术，也是数字液压技术提出的基础。

图2：DFCU结构

下图展示的是一种应用多个开关阀组合控制点的方式，对执行机构进行控制的阀控方案。其中控制阀部分由5个开关阀组成。DFCU的控制过程从结果上看，和传统的数字式比例阀很相似。在下图所示的系统中，DFCU的输出是流量大小，也就是液压缸的运动速度。由于开关阀组合带来的离散化特点，是使液压缸的移动速度不能按照定义曲线平稳的运动，这也就是DFCU所带来的一个很重要的问题，就是震动和噪声。

图3：DFCU应用

为了在实现多阀组融合技术的基础之上，保留液压阀原本紧凑的结构，微型嵌入式高速开关阀也将作为本技术的研究内容。多个结构相同而开口面积不同的微型嵌入式高速开关阀通过复杂矩阵并联的方式，在实现流量离散化控制的同时，将阀体体积控制最小范围。正是这种高精度的流量阶梯控制，可以完美地拟合比例阀等连续的流量。在能实现流量高精度控制的情况下，高速开关阀简单的结构，超强的抗污染能力，以及较低的制造成本将是比例阀和伺服阀所无法比拟的。

参考文献

[1] Matti Linjama. DIGITAL FLUID POWER – STATE OF THE ART. The Twelfth Scandinavian International Conference on Fluid Power,。 May 18-20, 2011, Tampere, Finland；

[2] Matti Linjama. DIGITAL FLUID POWER – STATE OF THE ART. The Twelfth Scandinavian International Conference on Fluid Power,。 May 18-20, 2011, Tampere, Finland；

[3] 许仰曾, 李达平, 陈国贤. 液压数字阀的发展及其工程应用[J]. 流体传动与控制, 2010(2):5-9.

[4] 张增猛, 孟繁毅, 侯交义,等. 音圈电机直驱水液压节流控制阀仿真与试验[J]. 煤炭学 , 2017, 42(s1):275-281.

[5] 杨华勇,王双,张斌,等.数字液压阀及其阀控系统发展和展望[J].吉林大学学 (工学版),2016,46(05):1494-1505.

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