阀门维修上，脉宽调制在流体动力系统应用的基本思想就是利用高速开关元件，通过控制其开关状态的占空比数的不同，从而控制阀口开度的时间平均值。对于流体控制系统，一般对其响应速度皆有一定的要求，因而在工作过程中调制频率应尽可能地高，即要求阀的开关时间很短。
此外，工程中的快速动作机构（如机车紧急刹闸、电路快速切断开关等）的主要特点是瞬时释放出大功率的能量：它们常用的驱动方式有直接电磁驱动、液压和气动三种方式。其性能对照见表 1。从表中可以清楚看出，液压或气动系统瞬时释放大功率的特性远优于电磁驱动的方式。而液压或气动系统能量释放是由开关阀实现的，为了实现快速性，关键是提高阀的开关速度。
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表 1 三种驱动元件快速性的对照 |
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技术特性 |
类别 |
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直流电磁铁 |
油缸 |
气缸 |
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单位面积作用力 |
小于 0.3MPa |
6~32MPa |
0.6~0.8MPa |
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最高运行速度 |
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 |
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刹车缓冲特性 |
差 |
一般 |
较好 |
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维护 |
容易 |
较难 |
容易 |
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造价 |
造价与功率大小呈直线上升 |
较高 |
较低 |
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辅助设备 |
直流电源 |
油源 |
气源 |
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实用瞬间功率 |
0~几十瓦 |
0~20 千瓦 |
0~18 千瓦 |
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作为快速驱动元件的适用范围 |
用于机-电转换的光导级、低功率漏电开关 |
工程 |
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本文提出一种采用双自由度阀芯构成的双级气动高速开关阀，在介绍 2D 高速开关阀的基础上，对其动态特性进行实验研究。
1 气动高速开关阀
2D 气动高速开关阀采用双自由度的设计思想，将导阀与主阀做在一个阀芯上，导阀由阀芯的旋转自由度实现其功能，主阀口的开度大小由阀芯的轴向滑动控制，其基本结构见图 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 相通；b 口与大气 Pa 口相通；在阀座孔右端经通道 c 与敏感腔相通；阀左腔经通道 d 与 PL 相通；当力矩马达驱动阀芯转动，使 a 与 c 通时，则敏感腔处于高压状态，这时阀芯将在压力推动下左移，使 Po 与 PL 沟通；当 b 与 c 口沟通时，敏感腔处于低压，阀芯右移，PL 与 Pa 沟通，阀芯是细长状的，转动惯量较小，容易实现快速摆动。该阀为一三通换向阀，若阀芯中间的台肩宽度大于阀孔环形槽的宽度，则该阀为二通型。这种结构的阀实际上为二级结构，PL 口可以有较大的流量输出，若不需要大流量可将 PL 口堵死而直接从由端盖的 e 口引出压力信号。为了保证阀所受的径向力平衡，a、b 和 c 口及通道均采用轴对称的结构。
阀芯的旋转运动由力矩马达驱动。力矩马达主要由衔铁、导磁体及磁钢构成，具有双稳记忆功能，其工作原理如下：衔铁与导磁体处于正常的工作位置时，形成四个工作系隙，衔铁上有一激磁线圈。磁钢在系隙中形成垂直向下方向的磁场，而当激磁线圈通电时，则产生两个环状的封闭的磁场，该磁场将使两个对角处的系隙的永磁体的磁场分别得以加强和削弱，其结果使衔铁快速摆动。当衔铁的端部到达闭合位置时，线圈的电流切断，衔铁在磁钢吸力的作用下，其位置保持不变。这便使得该力矩马达具有稳态记忆功能。当线圈通以相反方向的脉冲电流时，则衔铁反向摆动。由于该力矩马达具有稳态记忆功能，可由强电流脉冲驱动，因而可确保其快速响应特性。
将力矩马达与阀体相联构成双级高速开关阀，采用电涡流传感器测量阀芯位移，阀芯最大位移为 0.5mm；用紫外线示波器记录输入电压 U1、U2 和线圈两端输出电压 UL 及电流 IL 的波形，实测的波形见图 2。显而易见，阀芯与电磁铁相联后，衔铁的动作时间要略为多一些，但由于该阀芯的转动惯量仅为衔铁转动惯量的 1/3，所以动作时间的增加并不多。相联后实测得力马达最大响应脉冲信号频率为 190Hz（驱动电压 30V）。
图 2 2D 双级高速开关阀的试验结果
表 2 给出阀动作时间与力马达初始系隙之间的关系（压力为 0.8MPa）：从表中可以看出当 θ0 为 0.2 度左右时，阀的动作时间最短。当系隙增大时，马达的动作时间增大；当系隙减小时，导阀开度较小，推动阀芯运动的供气不足，这两种因素皆使阀动作时间增大。
表 2 力马达系隙与阀动作时间的关系 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动作时间的关系，它们之间近似呈二次曲线的变化规律。
图 3 阀动作时间与供气压力的关系
3 结论
将双自由度的阀芯运用于气动高速开关阀的设计是成功的，它既适用于小通径也适用于较大通径。调整力矩马达的调隙螺钉可改变导阀（旋转自由度）开启面积大小。改变阀芯中央台肩的宽度变化，可使阀成为二通型或三通型。
阀的通径为 φ6，阀的开关时间为 1.3ms 左右。导阀的开关时间随系隙调整螺钉的改变而变化，即调整衔铁的摆角行程可以改变开启时间。对导阀而言，行程越小则开关时间越短，然而对主阀却不是这样的，只有当衔铁的行程达到某一值时，主阀的开启时间最短。在机械加工精度保证的前提下，增大导阀的面积梯度，减小行程，可缩小阀的开关时间。
该阀速度较快的另一原因是回程采用脉冲电流驱动。一方面由于回程不存在弹簧，则力矩马达输出的机械功皆用于驱动阀芯，毋需克服弹簧力，从而使阀芯运动时间较短。另一方面采用瞬间通电，较大的瞬间电流使阀芯快速动作，又不会引起马达线圈发热过剧而烧坏。由于机构中没有弹簧，从而不存在弹性元件的疲劳破坏的问题，这一点对脉宽调制状态下工作的阀尤为重要。
综上所述，在阀门维修中将双自由度的原理运用于高速气动开关阀的设计是成功的，所设计的高速开关元件具有良好的性能，这种性能还可随加工精度的提高而得到进一步提高。
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