设计了一种纯水高速开关阀,考虑阀中电磁回路、机械部分、液压系统之间的强耦合作用,建立了耦合数学模型,并利用专用软件构建了耦合仿真模型。仿真发现,当控制脉冲采用过小或过大的占空比时,开关阀流量控制会出现死区及非线性特征;而采用较大占空比时,开关阀流量受压降影响相对较小。由于阀芯与阀套间存在较大的粘性阻尼与摩擦力,阀芯位移的阶跃响应曲线并未出现超调现象,阀芯稳定时间较短,但受电磁铁磁滞的影响,阀芯关闭时间大于开启时间;同时发现阀芯线性度随控制脉冲频率的增大而降低,减小开关阀的开启、关闭时间,有利于扩大阀芯的线性度范围。

1 引言

伴随着计算机控制技术的发展，数字控制的液压 系统已广泛应用于航空航天、汽车、冶金、农业机械、工 程机械等重要领域，数字控制液压技术也称为液压技术重要的发展趋势之一［1 －5］。高速开关阀是利用脉冲 信号对阀芯的启闭进行高频控制，以实现对液体流量 的调节，其无需 D/A 转换器即可实现稳定的数值化电 液控制，具有结构简单、价格低廉、抗污染能力强的优 点，获得了科研人员的广泛关注［6］。近年来，由于液 压系统对高频响应、高速控制以及绿色制造的需求，对 高速开关阀提出了新的要求。

日本不二越公司设计的一种带有隔磁环的高速开 关阀，可减小电感，以达到加快响应速度的目的［7］。 FＲANTISEK MACH 等［8］则设计了一种由双电磁铁驱 动的高速开关阀，电磁铁分别对阀芯进行启闭操作，通 过电磁铁的作用加快阀芯闭合时间。满军等［9］设计 了一种用于高速开关阀的永磁屏蔽式电磁铁，通过在 衔铁与线圈骨架之间嵌入的环形永磁铁，改变经过衔 铁和气隙的磁路，从而改变电磁铁力的大小以加快开 关阀的响应速度。刘向阳等［10］提出了一种用音圈电 机作为驱动器的直驱式高速开关阀，在阀芯和位移传 感器上构成闭环控制系统，大大提高了开关阀的静态 特性。任好玲［11］、孟爱红［12］等设计了一种常闭式高 速开关阀，并分析了阀芯动态性能。本研究设计了 一种采用纯水介质的二位三通高速开关阀，并考虑 开关阀中电气、磁场、机械、液压四部分的相互作用， 建立了耦合数学模型，并通过其静动态性能进行了 仿真分析。

2 纯水高速开关阀的结构设计

1800 年英国人 Bramab 发明了第一台工业应用的 水压机，这标志着液压传动技术的成熟，至19 世纪末， 水压传动技术已在欧洲各国广泛使用。但由于水介质 的物理化学特性，极易使水压系统或元件产生气蚀、泄 漏、侵蚀、冲蚀、腐蚀、水击、振动、噪声等，因而逐渐被 液压油介质所取代。但时至今日，以上缺陷已经可以 通过设计合理的结构、采用新的工程材料以及选用有 效的密封形式所克服。本研究所设计的纯水高速开 关阀密封选用耐热性、耐磨性和抗冲击性能良好碳 石墨材料、主阀阀芯采用高强度、耐蚀性、抗菌性能 优异的处理马氏体不锈钢制造，阀套则采用耐磨损、 耐腐蚀性以及自润滑性能优良的金属石墨材料制 造。图 1 为本课题所设计的二位三通纯水高速开关 阀的结构简图。通，当脉冲信号为高电压时，电磁铁通电，衔铁 6 克服 弹簧力，推动主阀阀芯 4 向左运动， P 口与 A 口接通， 实现对执行机构流量、压力的控制。