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圖3 壓電EAC原理概念圖Fig.3 Piezo EAC concept
1.2 高速開關(guān)閥閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新
高速開關(guān)閥常用的閥芯結(jié)構(gòu)為球閥式和錐閥式。浙江大學(xué)周盛研究了不同閥芯閥體結(jié)構(gòu)液動(dòng)力的影響及補(bǔ)償方法。通過對閥口射流流場進(jìn)行試驗(yàn)研究，對流場內(nèi)氣穴現(xiàn)象及壓力分布進(jìn)行觀測和測量。美國BKM公司與貴州紅林機(jī)械有限公司合作研發(fā)生產(chǎn)了一種螺紋插裝式的高速開關(guān)閥(HSV)，使用球閥結(jié)構(gòu)，通過液壓力實(shí)現(xiàn)銜鐵的復(fù)位，避免彈簧復(fù)位時(shí)由于疲勞帶來復(fù)位失效的影響。推桿與分離銷可以調(diào)節(jié)球閥開度，且具有自動(dòng)對中功能。該閥采用脈寬調(diào)制信號(hào)(占空比為20%~80%)控制，壓力最高可達(dá)20MPa，流量為2~9L/min，啟閉時(shí)間≤3.5ms。該高速開關(guān)閥代表了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化高速開關(guān)閥的先進(jìn)水平，如圖4所示。
美國Caterpillar公司研發(fā)了一款錐閥式高速開關(guān)閥，如圖5所示。該閥的閥芯設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，降低了運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，提高了響應(yīng)速度與加速度。其將復(fù)位彈簧從銜鐵位置移動(dòng)至閥芯中間部位，使得閥芯在尾部受到電磁力，中間部位受到彈簧回復(fù)力，在運(yùn)動(dòng)過程中更加穩(wěn)定。但是此設(shè)計(jì)使得閥芯前后座有較高的同軸度要求，初始?xì)庀杜c閥芯行程調(diào)節(jié)較難，加工難度高，制造成本大。該閥開啟、關(guān)閉時(shí)間為1ms左右，目前已經(jīng)在電控燃油噴射系統(tǒng)中得到運(yùn)用。美國Sturman Industries公司開發(fā)了基于數(shù)字閥的電噴系統(tǒng)，其系統(tǒng)所用高速開關(guān)閥最小響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.15ms。
圖4 貴州紅林HSV高速開關(guān)閥Fig.4 HSV high-speed on/off valve
圖5 Caterpillar公司的錐閥式高速開關(guān)閥Fig.5 Poppet high-speed on/off valve of Caterpillar
除了采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高速開關(guān)閥，新型的數(shù)字閥結(jié)構(gòu)也是研究的重點(diǎn)。明尼蘇達(dá)大學(xué)(University of Minnesota)設(shè)計(jì)了一種通過PWM信號(hào)控制的高速開關(guān)轉(zhuǎn)閥，如圖6所示。該閥的閥芯表面呈螺旋形，PWM信號(hào)與閥芯的轉(zhuǎn)速成比例。傳統(tǒng)直線運(yùn)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)需要克服閥芯慣性而造成的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器功率較大，而該閥的驅(qū)動(dòng)功率與閥芯行程無關(guān)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在試驗(yàn)壓力小于10 MPa的情況下，該閥流量可以達(dá)到40L/min，頻響100Hz，驅(qū)動(dòng)功率30 W。
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