数字式纯水液压阀的研究

电液数字阀结构简单、价格低廉、抗污染性好、工作可靠。数字阀的输出量能准确、可靠地由脉冲频率或宽度调节控制，抗干扰能力强、滞环小、重复精度高、可得到较高的开环控制精度。而数字阀控制系统结构简单、系统环节少、操作方便、改变控制计算法容易、易于实现被控参量增减变化过程的控制，便于计算机的集成控制。而且数字控制可以对瞬态过程进行编程控制，实现无冲击起动、制动、换向，这是模拟控制难以实现的。 2．2 数字阀的缺点

增量式数字阀：受步进电机惯频和矩频特性限制，响应速度较低，频宽较小；而脉宽调制：① 控制流量小且只能单通道控制，在要求较大流量或方向控制时难以实现；② 有较大的振动和噪声，影响可靠性和使用环境；③ 电控系统造价较高。 3 数字式纯水液压阀在水压传动中的应用优势

由于数字式纯水液压阀结合了数字阀和水压阀的共同的优点，因此其应用优势会更为显著，在食品、消防、冶金、煤炭、制药、娱乐等方面会有很好的应用前景。如在冶金工业，为了改善工人的劳动强度、工作环境和安全保障，必然要提高冶金装备的自动化程度。 传统冶金设备是通过油液压伺服系统进行控制的，虽然自动化程度已经很高，但伺服系统价格昂贵、抗污染能力差、运行成本高。采用数字式水压系统的优势：①不需要D／A转换器直接可以和计算机相连，实现进行远程监控，实时动态观察。可以大大改善工人现场工作环境；② 泄漏的介质不会像液压油那样污染地面造成安全隐患，从而有效地保护人身和设备的安全；③天然淡水不仅自身的成本非常低，而且泄漏也不会造成环境污染，系统运行成本很低，这对大量使用液压油的冶金行业来说前景十分看好。 4 数字式纯水液压阀所面临的技术问题

数字式纯水液压阀的性能不但与阀本身的性能有关，而且也与步进电机、转换器、放大器的结构、控制程序以及主机的匹配等有关，是一项综合技术问题。 4．1 数字式纯水液压阀本身的技术问题 1)润滑与密封

水的黏度低带来了泄漏和拉丝腐蚀。拉丝腐蚀是高速水流和水中夹带的微小颗粒流过阀芯与阀套或阀芯与阀座之间的微小缝隙后，在相关零件表面产生的冲蚀磨损。为了减小泄漏量，水压阀的阀芯和阀套之间的间隙比油压的要求要小，但是过小的间隙势必要提高阀芯和阀套的精度，给加工带来了困难。同时水的润滑性差使得阀芯与阀套之间很难实现液体润滑，还有可能出现干摩擦，粘着—— 滑移是阀芯常见的运动学现象。粘滞滑移不仅带来摩擦面的粘着磨损和对偶面拉伤，更为严重的是导致阀芯的卡阻以至阀失效。在保证密封的同时，如何利用水的有限润滑作用是数字式纯水液压阀研发面临的难题。 2)阀芯和阀套的材料选择

水压阀类元件中阀芯和阀套的材料选择除考虑气蚀和腐蚀外，还要从摩擦学的角度出发考虑摩擦副对偶件之间相互的减阻耐磨性等。如果选用非金属材料还需考虑材料的导热性、热膨胀和吸水性。从目前国内外水压元件的摩擦副选材来看，比较成功的摩擦副配对有：塑料—— 金属，金属—— 陶瓷，陶瓷— — 陶瓷等，以及我们正在研究的金属石墨材料和

改性的聚四氟乙烯塑料等都具有良好的应用前景。对于动态性能要求不太高的普通开关式液压阀，在当前技术条件下塑料对金属是较为合适的选择。塑料摩擦件在很大的范围内正在逐渐取代金属摩擦件。如经过填充改性的聚四氟乙烯塑料得到了广泛的应用，不但保留了原有的自润滑、耐腐蚀等特性外，而且其机械强度低、耐磨性差、导热性差、工件结构尺寸不稳定、抗蠕变能力差等缺点也得到了大大改善。 3)阀芯和阀口的结构设计

阀芯和阀口的结构设计对于纯水液压传动是非常重要的。阀芯和阀口处是气穴的发生根源，因此需要对其结构进行改进，从而降低气蚀的发生率。常用的结构有：多级节流和高压引流的组合结构、阀的下游腔室采用特殊结构、阀芯头部采用特殊结构、阀芯锥角适当地比阀座的锥角大等来控制气穴的发生。 4)气蚀与气蚀磨损

水的汽化压力高，节流口处的流速也很高，所以在水压阀中很容易产生气蚀。气蚀对材料表面的破坏作用主要是气泡崩溃后产生的压力波对零件表面产生很强的冲击作用，由于水的密度大，可压缩性小，同矿物油相比，水在气泡破裂时产生的压力冲击更大，破坏力更强，这种冲击压力最高时甚至可以超过1 MPa。气蚀的破坏速度与材料的机械性能密切相关，此外水中氧气的含量、水的温度、液流速度、阀芯的形状、阀口开度、出口背压等对气蚀都有影响。阀口开度越大，气蚀侵蚀越严重，这可能是由于开度增大而使流量增加的缘故。而阀芯比阀座所受的气蚀侵蚀更严重l引。 5)拉丝侵蚀和冲蚀

由于水的黏度低，在相同的条件下阀口的流速比油压阀高。高的流速流过节流口时，会对阀芯与阀座产生严重的冲刷作用，久而久之会在上面形成一道道沟痕。而冲蚀则是水流以一定的角度冲向零件表面所造成的。拉丝侵蚀最严重的地方是在阀芯的中心，因为此处流速最高。当阀口开度越小，拉丝侵蚀越严重，而阀的开度越大，则气蚀侵蚀越严重。材料的硬度对拉丝侵蚀有很大的影响，一般来说，材料的硬度越高，抗拉丝侵蚀和冲蚀的能力就越强。高速水流造成的拉丝侵蚀与流体的能量密度有关，亦即和单位体积所携带的能量有关。 6)腐蚀

液压元件在水介质中主要发生磨损腐蚀和电偶腐蚀两种电化学腐蚀；磨损腐蚀即元件在高速流动的腐蚀介质中及摩擦副在腐蚀介质中的腐蚀；电偶腐蚀即元件中异种金属在腐蚀介质中接触时电位较低金属的加速腐蚀。腐蚀表现为材料由于环境作用引起的破坏或变质，材料的损失或转移。其解决措施有：

(1)根据材料的自然抗腐蚀能力，正确地选择与水介质环境相容的金属或非金属材料。工程陶瓷、复合材料、炭纤维增强塑料、不锈钢等材料均具有优异的抗腐蚀性能。

(2)合理进行结构设计。选择合理的结构形式和表面状态，以防止磨损腐蚀和电偶腐蚀发生。

(3)选择适用的表面工艺或电化学防护措施。如表面喷涂、表面化学镀、表面堆焊等。 7)泄漏与效率

由于水的黏度大约只有油的1／30～1／40，在相同过流面积和压差作用下比油的泄漏量大，导致系统的容积效率下降。而为了减小配合问隙，势必要提高加工精度，这将使加工难度和加工成本提高。 8)水击、振动与噪声

水的压缩性小、刚性大，压力冲击波在水中传递速度快而衰减慢，当系统中液流速度及方向突变时会产生压力冲击，并形成压力冲击波在系统中快速传递，同时产生剧烈的振动和噪声，即水击现象。水击会降低元件和系统的性能，导致元件误动作，引起接口松动，促使零件的磨损加快。甚至引起突然灾难性事故。

当气蚀和水击现象发生时，会产生较大的噪声。国际标准化组织(ISO)已经提出了噪声标准，液压传动中的噪声级规定一般不得超过70—80 dB 。因此解决数字式纯水液压阀噪声的问题也是极其关键的。

4．2 控制系统及其他方面的技术问题

(1)步进电机的影响：由于步进电机惯性引起滞后，在启动、停止时会产生失步现象；存在零位死区；步进电机步距角相等，分辨率受限制。

(2)控制程序的影响：数字式纯水液压阀的静动态特性与控制程序有着直接关系。如脉宽调制式数字阀有死区和饱和区问题存在，而只要在程序编制时把死区和饱和区消除，则控制系统就不会出现死区和饱和区现象。在气蚀多发区设置动态检测口，通过程序的设置进行适当补偿，如对阀口的开度进行调节，或采用压力补偿等措施。 (3)机械转换器的主要作用是将步进电机的转动 步距角转换为阀芯或弹簧的直线位移。正确选用机械转换器对于确定步进电机的步距角、改变电机轴上的负载情况和改善阻尼等非常重要。 (4)其他方面的影响：① 线圈结构参数：匝数越少，线径越粗，开启时间就越短；但是匝数越少、线径越大，流过线圈的电流值也越高，而过高的最大电流值会使整个驱动模块的可靠性降低；② 动铁芯结构参数：质量越小，吸合作用面积越大，电磁阀的响应速度就越快；但是关闭时问会随着动铁芯的电磁力作用面积的增大而延长；③ 阀芯行程：数字开关阀的开启时问随阀芯行程的增大而加长；但行程越小，阀流量就会相应减小；④ 弹簧预紧力：回位弹簧预紧力越大，阀的关闭速度越快，而阀的开启响应越慢。 5 结论

有关数字式纯水液压阀研究的关键技术问题的解决需要从合理选用材料、合理设计结构、采用正确设计理论和方法、运用先进的加工手段和制造工艺以及科学的控制程序入手，有效克服水压传动面临的严重腐蚀、泄漏、摩擦磨损、气蚀、水击和控制精度等问题，才能研制出高性能的数字式纯水液压元件和系统。