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图1 数字液压阀分类Fig.1 Digital hydraulic valves
从数字液压阀的发展历程可以将数字阀的研究分为两个方向：增量式数字阀与高速开关式数字阀。增量式数字阀将步进电机与液压阀相结合，脉冲信号通过驱动器使步进电机动作，步进电机输出与脉冲数成正比的步距角，再转换成液压阀阀芯的位移。上世纪末是增量式数字阀发展的黄金时期，以日本东京计器公司生产的数字调速阀为代表，国内外很多科研机构与工业界都相继推出了增量式数字阀产品。然而，受制于步进电机低频、失步的局限性，增量式数字阀并非目前研究的热点。
高速开关式数字阀一直在全开或者全闭的工作状态下，因此压力损失较小、能耗低、对油液污染不敏感。相对于传统伺服比例阀，高速开关阀能直接将ON/OFF数字信号转化成流量信号，使得数字信号直接与液压系统结合。近些年来，高速开关式数字阀一直是行业研究热点，主要集中在电-机械执行器、高速开关阀阀体结构优化及创新、高速开关阀并联阀岛以及高速开关阀新应用等方面。
1.1 高速开关电-机械执行器的发展
上世纪中期开始，对于高速开关电磁铁的研究就一直是高速开关阀研究的重点。英国LUCAS公司，美国福特公司，日本Diesel Kiki公司，加拿大多伦多大学等对传统E型电磁铁进行改进，提高了电磁力与响应速度。浙江大学研发了一种并联电磁铁线圈提高电磁力。试验显示电磁铁的开关转换时间与延迟都得到了明显的缩短。芬兰Aalto工程大学(Aalto University School of Engineering)研究了5种软磁材料用于电磁铁线圈的效果以及不同的匝数及尺寸对驱动力的影响。奥地利林茨大学(Johannes Kepler University Linz)对因加工误差、摩擦力和装配倾斜造成的电磁铁性能差异进行了详细的分析。
超磁滞伸缩材料与压电晶体材料的应用为高速开关阀的研发提供了新的思路。瑞典用超磁致伸缩材料开发了一款高速燃料喷射阀。通过控制驱动线圈的电流，使超磁滞伸缩棒产生伸缩位移，直接驱动使阀口开启或关闭，达到控制燃料液体流动的目的。这种结构省去了机械部件的联接，实现燃料和排气系统快速、精确的无级控制。超磁致伸缩材料对温度敏感，应用时需要设计相应的热抑制装置和热补偿装置。中国航天科技集团公司利用PZT材料锆钛酸铅二元系压电陶瓷的逆压电效应，研发了一款由PZT压电材料制作的超高速开关阀，如图2所示。该阀在额定压力10MPa下流量为8L/min，打开关闭时间均小于1.7 ms。压电材料脆性大，成本高，输出位移小，容易受温度影响，因此其运用受到限制。浙江大学欧阳小平等与南京工程学院许有熊等就压电高速开关阀大流量输出和疲劳强度问题设计了新的结构，并进行了仿真与实验分析。
美国Purdue大学研制了一种创新型的高速开关阀电-机械执行器EAC(Energy coupling actuator)，如图3所示。其包括一个持续运动的转盘和一个压电晶体耦合装置。转盘一直在顺时针运动，通过左右两个耦合机构分时耦合控制主阀芯的启闭。试验表明5ms内达到2mm的输出行程。
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