1.3 数字液压阀的新发展
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。近些年来，高速开关式数字阀主要集中在电-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；增量式数字阀也研发出了一些新结构。
1.3.1 高速开关电-机械执行器的发展
20世纪中期开始，对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。浙江大学研发的一种并联电磁铁线圈提高了电磁力。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。
超磁致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，使超磁致伸缩棒产生伸缩位移，直接驱动阀芯使阀口开启或关闭，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连接，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1-7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1.7ms。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，并进行了仿真与试验分析。
图1-7 PZT高速开关阀结构
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ECA（Energy Coupling Actuator），如图1-8所示。其包括一个持续运动的旋转盘和一个压电晶体耦合装置。旋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。
图1-8 压电ECA原理
1.3.2 高速开关阀阀体结构优化与创新
高速开关阀常用的阀芯结构为球阀式和锥阀式。浙江大学周盛研究了不同阀芯阀体结构对液动力的影响及补偿方法。通过对阀口射流流场进行试验研究，对流场内气穴现象及压力分布进行观测和测量。美国BKM公司与贵州红林机械有限公司合作研发生产了一种螺纹插装式的高速开关阀（HSV），使用球阀结构，通过液压力实现衔铁的复位，避免弹簧复位时由于疲劳带来复位失效的影响。推杆与分离销可以调节球阀开度，且具有自动对中功能。该阀采用脉宽调制信号（占空比为20%～80%）控制，压力最高可达20MPa，流量为2～9L/min，启闭时间≤3.5ms。该高速开关阀代表了国内产业化高速开关阀的先进水平，如图1-9所示。美国Cat-erpillar公司研发了一款锥阀式高速开关阀，如图1-10所示。该阀的阀芯设计为中空结构，降低了运动质量，提高了响应速度与加速度。其将复位弹簧从衔铁位置移动至阀芯中间部位，使得阀芯在尾部受到电磁力，中间部位受到弹簧回复力，在运动过程中更加稳定。但是此设计使得阀芯前后座有较高的同轴度要求，初始气隙与阀芯行程调节较难，加工难度高，制造成本大。该阀开启、关闭时间为1ms左右，目前已经在电控燃油喷射系统中得到运用。美国Sturman Industries公司开发了基于数字阀的电喷系统，其系统所用高速开关阀最小响应时间可达0.15ms。
图1-9 贵州红林HSV高速开关阀
图1-10 Caterpillar公司的锥阀式高速开关阀
除了采用传统结构的高速开关阀，新型的数字阀结构也是研究的重点。明尼苏达大学（University of Minnesota）设计了一种通过PWM信号控制的高速开关转阀，如图1-11所示。该阀的阀芯表面呈螺旋形，PWM信号与阀芯的转速成比例。传统直线运动阀芯运动需要克服阀芯惯性而造成的电机械转换器功率较大，而该阀的驱动功率与阀芯行程无关。由试验结果可知，在试验压力小于10MPa的情况下，该阀流量可以达到40L/min，频响为100Hz，驱动功率为30W。
图1-11 高速开关转阀
浙江工业大学在2D电液数字换向阀方面展开研究，如图1-12所示。其利用三位四通2D数字伺服阀，在阀套的内表面对称地开一对螺旋槽。通过低压孔、高压孔与螺旋槽构成的面积，推动阀芯左右移动。步进电动机通过传动机构驱动阀芯在一定的角度范围内转动。该阀利用旋转电磁铁和拨杆拨叉机构驱动阀芯作旋转运动；由油液压力差推动阀芯作轴向移动，实现阀口的高速开启与关闭。当用旋转电磁铁驱动时，在28MPa工作压力下，阀芯轴向行程为0.8mm，开启时间约为18ms，6mm通径阀流量高达60L/min。
图1-12 2D电液数字换向阀原理
1.3.3 高速开关阀并联阀岛研究
上述研究都是针对数字信号控制的高速开关阀。然而，由于阀芯质量、液动力和频响之间的相互制约关系，单独的高速开关阀都面临着压力低、流量小的限制，在挖掘机、起重机等工程机械上应用还具有一定的局限性。为解决在大流量场合的应用问题，国外研究机构提出了使用多个高速开关阀并联控制流量的数字阀岛结构。以坦佩雷理工大学（Tampere University of Technology）为代表，丹麦奥尔堡大学（Aalborg University）与巴西圣卡塔琳娜州联邦大学（Federal University of SantaCatarina）都在这方面有深入的研究。坦佩雷理工大学研究的SMISMO系统，采用4×5个螺纹插装式开关阀控制一个执行器，使油路从P—A、P—B、A—T、B—T处于完全可控状态，每个油路包含5个高速开关阀，每个高速开关阀后有大小不同的节流孔，如图1-13所示。通过控制高速开关阀启闭的逻辑组合，实现对流量的控制。通过仿真和试验研究，采用SMISMO的液压系统更加节能。
图1-13 SMISMO系统原理
由此发展的DHVS（Digital Hydraulic Valve System）将数个高速开关阀集成标准接口的阀岛，如图1-14所示。其采用层合板技术，把数百层2mm厚的钢板电镀后热处理融合，解决了高速开关阀与标准液压阀接口匹配的问题。目前，已经成功地在一个阀岛上最高集成64个高速开关阀。关于数字并联阀岛，最新的研究进展关注在数字阀系统的容错及系统中单阀的故障对系统性能的影响。
图1-14 数字阀层板与集成阀岛
1.3.4 高速开关阀应用新领域
高速开关阀的快速性和灵活性使得其迅速应用在工业领域。目前在汽车燃油发动机喷射、ABS刹车系统、车身悬架控制以及电网的切断中，高速开关阀都有着广泛的应用。维也纳技术大学（Vienna University of Technology）将高速开关阀应用于汽车的阻尼器中，分析了采用并联和串联方案的区别，并且通过试验与传统阻尼器的性能进行对比，结果说明了数字阀应用的优点。
英国巴斯大学（University of Bath）利用流体的可压缩性以及管路的感抗效应建立了SID（Switched Inertance De-vice）以及SIHS系统。其最主要的元件为二位三通高速开关阀和一细长管路，如图1-15所示。SIHS系统有两种模式：流量提升和压力提升，压力的升高对应流量的减小，反之流量的增加对应压力的降低。在流量提升时，首先是高压端与工作油口联通使得在细长管路内的流体速度升高，高速开关阀此时快速切换使得低压端与工作油口联通，因为细长管在液压回路中呈感性，会将流量从低压端拉入细长管，实现提高流量降低压力的效果。对于压力提升，供油端通过细长管与高速开关阀相连。初始细长管与工作油口相连，高速开关阀换向使得细长管的出口连接回油端。因回油压力远小于供油压力，此时细长管中的流体开始加速。此后再将高速开关阀切换到初始位置，因流体的可压缩性使得工作油口的压力升高。通过仿真和试验证实了使用高速开关阀快速切换性带来压力和流量提升的正确性。功率分析结果与试验表明，如果进一步提高参数优化和控制方式，此方案能够提升液压传动效率。
图1-15 SID：流量提升与压力提升原理
将高速开关阀作为先导级控制主阀的运动，获得高压大流量是目前工业界研究和推广的重点。Sauer-Danfoss公司开发了PVG系列比例多路阀，其先导阀采用图1-16所示电液控制模块（PVE），将电子元件、传感器和驱动器集成为一个独立单元，然后直接和比例阀阀体相连。电液控制模块（PVE）包含4个高速开关阀组成液压桥路控制主阀芯两控制腔的压力。通过检测主阀芯的位移产生反馈信号，与输入信号做比较，调节4个高速开关阀信号的占空比。主阀芯到达所需位置，调制停止，阀芯位置被锁定。电液控制模块（PVE）控制先导压力为Pp=13.5×105Pa，额定开启时间为150ms，关闭时间为90ms，流量为5L/min。
Parker公司所生产的VPL系列多路阀，同样采用这种先导高速开关阀方案，区别是使用两个二位三通高速开关阀作为先导，如图1-17所示。其先导控制采用PWM信号，额定电压/电流为12V/430mA或24V/370mA，控制频率为33Hz。
图1-16 Sauer-Danfoss公司的先导高速开关阀原理
图1-17 Parker公司的VPL系列多路阀