阀研发的趋势-[德] 博士工程师 H. Murrenhoff 教授* 张海平 编译
一个流体技术系统无非是由能量源（泵和压缩机）、连接元件如管道、阀及其附件等、以及由缸和旋转马达构成的执行器组成，即使在一些领域已在研究用带速度调节的电机来取代信号和能量回路中的比例阀[L1]，但阀始终可以被看作流体技术的心脏。
1. 引言
用现代的和时髦的话来说，阀也可以称为机电子系统 (Mechatronic System)，因为大多数阀都有一个电-机能量转换器。现代的阀把数字化的传动控制技术和压力、流量及阀芯行程传感器结合为一体。很容易看出来，这些阀涵盖了机电子系统的所有元素。但仍有理由使用流体技术界已熟悉的词汇。
为什么液压或气动阀对流体技术那么重要？为了回答这一问题，必须来看看阀在流体技术中所承担的任务。它们负责控制液压中的压力和流量、气动中的质量流。在加压和快速的流体技术传动系统，如注塑机或飞行模拟器工作时，总是由阀来调节压力和流量，以达到需要的速度和力。
与此相比，机械系统要通过例如丝杆螺母系统才能把旋转能量转化为线性运动。这始终会伴随着作用在这些部件上很高的力和磨损。还有噪声不可忽视，特别是在高速时。流体技术有一个明显的优点：用阀来控制几到几百千瓦功率，而没有一个寿命限制。甚至更高的功率也可用阀来控制，此时，阀被用在信号回路中，调节泵的变量机构，以提高系统效率。
以下介绍液压和气动阀研发方面的最新发展和趋势。
2. 液压阀
在液压阀方面可以看到许多改进：从必不可少的电-机转换器的新构思，到一个全新的机械设计；另一方面，也有一些经过考验的结构形式，已与数字电子技术相结合。同时，现代的一体化电子技术，已经能直接与区域总线系统相连接。除了这些发展以外，还出现了一些全新的方案，例如，应用电滞液来取代传统的控制棱边。
2.1 直接作用式阀
直动阀通常使采用一个比例电磁铁或一个线性马达来推动控制阀芯。一个四通阀为了获得好的静态特性需要有四个精确的控制棱边。图 2.1.1 为一个各个控制棱边可以分别调节的伺服阀[B2]。图右下方的步进马达转动轴，从而推动阀的中心体。这中心体与四个各带一个控制棱边的可调控制滑阀相连。通过这种结构，各个开口的重叠量可以根据具体应用的要求加以调节。轴对阀芯左端产生一个执行器到阀的机械反馈。这个阀被用在机床中作线性和旋转运动的稳定结构。
图 2.1.1 各个控制棱边可以分别调节的伺服阀
图 2.1.2 是在 IFAS 开发的一个压电晶体推动的滑阀[L2]（10 通径、70 升/分、70 巴）。一个压电晶体仅能产生一个很小的位移，只有晶体长度的千分之一。因此，需要有一个位移放大器，见该图下半部。这是一个由液体硅填充的液压放大器，可以把位移放大 40 倍。为了降低驱动器所需的力，控制滑阀是压力平衡的。由于阀芯位移不能直接测量，研发了一种特殊的连在阀芯套上的涡流传感器。所有的电子控制部分都在阀体内。另外，该系统还通过两个压电晶体驱动器来达到热补偿。
图 2.1.2 压电晶体推动的滑阀
图 2.1.3 为该阀在输入信号电平为 50 时的频率响应。-3 分贝界限为 340Hz，-900 衰减限为270Hz。这项研究表明，这个直接驱动的阀可以达到十分可观的动特性。除动特性外，压电晶体驱动还有一个优点，停留在一个位置时能量消耗很少。
图 2.1.3 频率响应
图 2.1.4 介绍了一个应用在行走液压中的阀，步进马达取代了传统的比例电磁铁[B1] ， 通过一根齿条，直接调整控制滑阀芯。由于步进马达的步进力矩，在定位后表现为一很硬的系统。因此就不再需要阀芯位移传感器。
图 2.1.4 步进马达直接控制阀
图 2.1.5 以一两相步进马达说明该马达的结构和工作原理。A 相与 B 相就可以达到 4 步。考虑到每一步推动齿条移动 0.124mm，就不难认识该系统的优点了。在各步间，系统具有很高的刚性，如力-位移图中正弦曲线的切线所示。这一特性不受步进马达电源的影响，仅取决于定位力矩。因此可以保持一个位置而不消耗电能。就这点而言，相对传统比例电磁铁，步进马达与压电晶体驱动有相同的优点。
图 2.1.5 步进马达的工作原理
2.2先导控制的阀
先导控制的阀用于改善阀的特性，或增高从输入电能到流体力的放大比。图 2.2.1 所示的例属于第一类。
图 2.2.1 先导控制和压力补偿的阀
该阀是先导控制和压力补偿的。其图形符号见该图右下角。在这个阀里隐藏的创新思想在于，避免使用传统阀时常见的压力峰[Z1]。如果系统压力超过调定的阀开启压力，先导腔就会被压力油充满，这就等于增加了原调定的弹簧的予紧力。阀的开启时间约为 300ms。同时这阀由于出现的洩漏就在回路中起了一个阻尼器的作用。
一般的压力阀在压力阶跃时都会出现一个压力尖峰。使用这个设计，压力呈斜坡上升，就可使负载柔和地起动。这就避免了一个会引起噪声和加大系统载荷的震动。
先导控制的伺服阀经常用在工业和航空的大功率场合。这类阀是液压阀中动态特性最高的。有喷嘴一档板和射流管两种形式。因为采用了力矩马达来推动先导级[MI] ，因此，输入的电功率一般都很小。但这是以静止时始终存在的第一级的洩漏为代价的。
在 IFAS 新开发了一个先导阀(图 2.2.2)，以超越目前这两个限制。1、通过使用压电-弯曲转换器来改善动特性。
2、通过使用两个互相独立可控的喷嘴来避免静止时的洩漏。
为了改善压电-弯曲转换器，喷嘴作用在其上的静态力通过一个充有供油压力的小液压缸来抵消。
图 2.2.2 先导压电阀
在静态工作条件下，因为在两个活塞腔里的压力升高，两个喷嘴几乎被关闭。这样就降低了静止时的洩漏。滑阀阀芯经过优化，以减少其质量。静态液动力也被补偿了。阀芯位移通过一个小的涡流传感器监测，这也是在 IFAS 开发的。
图 2.2.3 是该阀的阶跃响应和频率响应。从响应过程可以看出，即使在 80 输入信号强度时，只需要 2 到 3ms 就可达到期望值。-900 频响在输入信号 20 和 40 时约 500Hz，80 时接近400Hz。这个原型试验表明，压电技术为流体技术创造了一些新的可能性，以突破现有的界限。这个压电阀是为高动态驱动器开发的，用在机床主动轴承上降低噪声。
图 2.2.3 先导压电阀的阶跃响应和频率响应。
图 2.2.4 为另一个例子。这是一个先导控制的插装阀，目标在于，以低成本取得较好的性能[P1]。该阀由 Vickers 公司研制，被称为 Valvistor(Valve+Transistor)，基于一个带内部压力反馈的流量放大器，可以是单级，也可以是带先导控制的。插装阀的阀芯和阀套上部含
有一个可变节流口，用作压力反馈。为了在压力下降时保持平衡，二通阀可变节流处的压降就要相应调整。这样就可实现所希望的阀开口与输入电信号的比例关系。为了达到较大的流量和较好的动特性，可以把两个 Valvistor 串联成二级阀，如图 2.2.4 左下角。由于压力反馈就不再需要位置传感器。图示的不同的变形，-900 频响都在 100Hz 左右。此例表明，用低成本元件也能在功能方面达到明显改进。
图 2.2.4 Valvistor 插装阀
图2.3机械电子一体化的阀
在工业界，伺服阀与比例阀的开发的一个趋势是电子系统与阀结合在一起。现在大多数一体化的信号回路由带功能很强的数字电子系统组成，在元件里形成分散智能。下述几个例子深一步介绍这一发展。
图 2.3.1 为一以线性马达为电-机转换器的直接控制伺服阀[NN1]。使用一个 LVDT 和一个压力传感器来测量位置，以及压力。一体化的微处理器与 DSP 一起负责所有的内部数据处理。此外还处理压力与位置调节的算法。模拟和数字接口允许能量输入和传感器通讯。
它有一个特殊的区域总线接口，达到了 ISO11898 的高速要求，并接受 CANopen408 号格式。如图 2.3.2 所示，该阀的静态和动态特性至少与模拟阀相当。
这个阀方案的优点可以概括如下：
阀参数和放大倍数可以通过总线来改变，从而具有极大的灵活性，只需很少的产品类型。有较好的维护可能性和状况监控功能。
在没有区域总线的环境中，该阀也可通过模拟方式来驱动。
图 2.3.1 传感器一体化的直接控制伺服阀
图 2.3.2 静态和动态特性
图 2.3.3 所示的伺服阀[NN2]是另外一例，该阀含有第二代数字一体化电路 OBE-D2，它可以通过数字信号处理和区域总线接口形成一体化控制轴。位置、压力和同步的调节算法是随时可调用的，与前例一样，有大量可视化和诊断选项供支配。
图 2.3.3 数字电路一体化伺服阀
图 2.3.4 数字控制一体化伺服阀
图 2.3.4 所示的 VNC 具有附加的一体化数值控制功能，主要在机床中使用。用于功能性过程的数控程序可以输入进去，从而显示了分散智能的价值。该阀与专业总线-DP 和 CAN-open 相兼容。
最后一例来自行走机械液压[K1，W1]，图 2.3.5 和 2.3.6。该阀所含有的一体化电子系统， 具有大多数迄今所讨论的功能。因为应用在行走液压中，这类阀被做成片状。该阀用于拖拉机，对耕作器作位移与力综合调节。下降运动采用一个单电磁铁插装式座阀，提升运动通过一个与压力平衡阀共同作用的先导电磁阀来实现。
图 2.3.5 含一体化电子系统阀
图 2.3.6 阀的剖面
2.4流体技术的区域总线格式
本节旨在唤起注意，努力使区域总线格式标准化。一些 VDMA 成员企业与 IFAS 合作，制定了一个通用格式，以描述调节阀、液压泵和智能液压驱动[B3，NN3]的功能。
图 2.4 例示了一个阀的系统环境。流体技术总线格式描述了仪器的构造，它的控制和程序结构。它也包含了在流体技术中应用的一些典型的调节算法。关于阀还有专门一节，其中叙述一般功能的段落包括了典型的传感器的实际值，定义了流体技术中适用的斜坡格式。在这里不便过于谈论细节。感兴趣的读者可以去读附录中的参考文献。
图 2.4 阀的系统环境-流体技术总线格式
2.5非常规阀方案
至此，介绍了一些关于液压阀的研究和革新，它们都是在已经实践考验的格式上发展起来的，或者以压电晶体作为电-机转换器。
图 2.5.1 展示了一个全新的结构形式[F1]。这里使用电滞性液体作为压力介质。如果加一电场，这种液体的性能就会改变，液体的剪切张力与电场强度成正比，表现出似粘度改变了。这个比例关系可以用于构建没有机械控制棱边的阀。
类似于带可变液阻的伺服液压全桥[M1]，在这里用了四个电滞液阻，每个液阻都由很容易制造的环状间隙组成，并分别由一个高电压源控制。图 2.5.2 显示了该阀的带程序可控的正复盖的压力-流量特性曲线。电滞液阀的一个优点就在于，毋需改动硬件就可以改变遮盖量。
图 2.5.1 电滞液伺服阀
图 2.5.2 正复盖的压力一流量特性曲线
电滞效应的另一个优点是具有很高的动特性。因为，由于它的作用原理，几乎不需要推动会降低动态特性的质量。一个在 IFAS 研发和使用的伺服液压驱动器可以推动一个扩音喇叭， 播放出一张 CD 的音乐，就证明了这一点。
3.气动阀
自动化技术的需求推动了气动阀的开发。气动成为了推动流体技术革新的发动机。小型化趋势、动特性改善、应用压电技术和应用区域总线技术在气动中都明显早于在液压。在阀发展方面的一个新趋势集中在微功率，采用硅蚀刻技术的微型阀。由于通过应用脉宽调制（PWM） 控制，可以实现几乎连续可调的功率特性，因此本章也将介绍快速气动阀。
3.1阀小型化
如已述及，市场上对小型阀需求很强，所有大生产厂都在最近以相应的研发作答。一个技术解决的可能在于把常规的电驱动小型化。图 3.1.1 为第一个例子，显示了一个在电子和机电子元件工业中应用的阀。这是一个用于基板安装插头型阀。它的流量为 10NL/min，用于半导体制造工业。
图 3.1.1 直接控制小型阀
图 3.1.2 快速切换阀
小型化的需求是与改善动特性联在一起的。图 3.1.2 为两个先导控制的阀。图左上角所示的集成岛上的阀，流量为 100NL/m，切换时间为 2~6ms。图右所示的也是一个先导阀，它的流量为四倍，切换时间为 6ms。所需的电功率，取决于切换时间。在切换时间 6ms 时两者均为约3w。
图 3.1.3 显示了其他一些非常规设计的例子[F2]。它们避免了许多小型化阀的缺点：弹性密封装在衔铁上，从而限制了衔铁的有效力范围。
图 3.1.3 直接控制小型阀的动态特性
图上部显示了不同结构的剖面图。它们的动态特性可以根据图下方所示的阶跃响应来评定。叶片型阀是一个脉冲阀，带有一个结合在切换回路中的永久磁铁，以产生一予紧力。一个装在壳体之间的弹性架把流体部分与电-机驱动部分完全隔开。所有阀的标准通径为 0.6mm， 叶片型阀的流量为 7.5NL/m。电功率为 1 到 1.5w。
3.2电子元件一体化
与在液压比例阀中所述的相似，在气动阀的研发中也可看到数字电子技术一体化的趋势。图 3.2.1 展示了两个例子：左边为压力调节阀。右边为一三位五通比例方向阀。压力调节阀带有一压力传感器，最大流量在 120L/min，电功率消耗为 2w。三位五通比例阀是直动型的，通流量在 1000 到 4000L/min。
图 3.2.1 数字电子技术一体化的阀
它们可以带区域总线接口。参数可以通过附带的按键和显示或通过一个与之相连的 PC 来调整，因此它是既可离线也可在线调整参数的。这个灵活的接口进一步保证了诊断和状况监控功能。
图 3.2.2 带状况监控功能的阀
图 3.2.2 为一数字电子技术一体化及状况监控功能的实例。为了自动化和数字控制，总线模块-阀单元与区域总线相连。其他阀单元及输入-出模块与总线系统的独立分枝相连。 这样诊断功能可以一直伸展到阀和线圈的层次。系统层面上可以识别输入电平、传送和构造出错。在阀层面上可以识别电压波动或输入输出错误（短路、断路）。
对带反馈功能的阀，如压力调节阀，一个不允许的偏差会引起一个出错报告。这样就可以准确地判定错误，以便迅速更换元件或停止工作。
3.3借助调制达到连续可调的功率特性
借助于空气的高压缩性，得以应用开关阀实现近乎连续可调的工作过程。一个典型的调节实例就是脉宽调制，这里幅度和最大周期保持恒定。脉宽调制从 Tmin 到 Tmax，Tmin 取决于采样频率和阀的动特性。
图 3.3.1 高控制频率变电压幅度的质量流调制
在 IFAS 进行了研究，以改善这项当前技术的调节算法[C1]。为此，控制频率被提高到超过为了完全打开阀所界定的。这时，阀位移可以通过加入的电压幅度来影响，因为磁场的拉牵速度很大程度上取决于输入电压。图 3.3.1 展示了最后的效应。
在输入信号为 150到 250阀的额定控制电压时可以得到几乎线性的特性。
使用不同的脉冲模式和控制频率可以获得流量调制的另一个可能性。图 3.3.2 图示了控制信号与阀芯位移之间在高频和低频时的关系。在低频时脉冲模式 1100 和 1010 都导致阀的完全打开。但换到高频以后，阀在脉冲模式 1100 时还可以完全打开，而模式 1010 就导致阀芯只有部分位移。
图 3.3.2 脉冲模式和阀特性
图 3.3.3 流量线性化的结果
这种脉冲模式变形（PWV）可以与脉冲幅度调制（PAM）结合起来，图 3.3.3 展示了与脉宽调制（PWM）相比较结果。这里使用了相同的阀和相同的控制频率。压力为 4bar。为了比较， 时间离散的 PWM 的结果也同时画出。这个例子说明了通过在控制算法中附加的智能所具有的潜力。忽略压力水平对流量上升下降的影响，改变气源压力±2 巴，对线性化特性没有影响。
3.4低功耗阀
图 3.4.1 压电驱动低功耗阀的结构示意图
图 3.4.2 压电驱动低功耗阀的内部结构
如果阀的能源供应仅仅来自区域总线或自保险的电流回路，那么降低阀的功耗就很重要。最适于这一要求的就是压电驱动器，如前已述及，当停在一个位置时，它几乎不消耗能量。因为在气动中力的要求比高压液压系统要低得多，所以可以使用压电-弯曲转换器， 它可以提供比压电-垛式驱动器更大的位移。图 3.4.1 为一目前市场上已可购到的低功耗阀 [V1]的结构示意图。这是一个二位三通阀，喷嘴和控制电路略作改动的话，它既可作为切换阀，也可用作比例阀。图下部为其特性曲线。考虑到它的工作压力范围，它被用作先导阀。切换时间少于 2ms，切换能量仅 0.014 毫瓦。该阀的通径为 0.33mm，额定流量为 1.5NL/min。
图 3.4.2 可以帮助了解该产品的内部结构，了解该技术所需要的元件尺寸和允差。
图 3.4.3 低功耗压电阀
图 3.4.3 为另外一个使用压电弯曲转换器的阀。该阀大一些，最大流量 3L/min，压力至 7 bar。电功率消耗 0.11w，切换时间 55 到 85ms。
图右部为其动特性。该阀也可用作比例阀。它还可安装到一带双膜的主级上。
低功耗阀的最后一个例子是目前 IFAS 正在研发的[B4]。该阀可以工作在满压力的气动网络中。图 3.4.4 为该阀的结构示意图。压电弯曲转换器垂直安装在可上下移动的立方体形滑阀阀芯上。该部件带有一与气源相连的软管。一个横向孔与分别同腔 A、腔 B 相通的孔，组成两个控制棱边。因为该阀在中位是关闭的，所以中位洩漏很低。
该阀的额定流量为 6NL/min，电功耗取决于阀的工作频率及所使用的控制电路。静态消耗几乎为零。图 3.4.5 所示为其在 8bar 时的频率的响应，输入信号电平分别为 20，50 和 100。即使在 100 信号时-900 的相移也超过 100Hz。这表明这个低功耗阀具有高的动特性。
图 3.4.4 低功耗压电阀
图 3.4.5 控制特性
3.5微型阀
随着硅蚀刻技术的进步，现在已可能形成三维结构。以此，可以构造喷嘴和类似元件。这样就可以利用半导体工业积累的经验和发明开发和生产微结构。从车辆的机电子部件，例如加速度和压力传感器中，可以获得很多借鉴。至今，由于材料强度的限制，仅可用于控制低压， 如气动系统中。
下面介绍两个使用不同物理原理驱动的作用器的实例。图 3.5.1 为第一例，应用静电驱动。
图 3.5.1 静电驱动的微型阀
图 3.5.2 带主阀和电子回路的微型阀
这个阀具有三通功能。阀体加电压后切换，使工作腔与压力腔或回流腔相连。阀芯是弹簧对中的，可以停在各个位置。不消耗能量。从电子技术来看，它如同一个电容。基于物理原理， 它的位移限于 5 微米。通径为 0.2，流量为 0.3NL/min，这个小流量推动一个主级，也是气动的，通径为 1.7，流量可达到 80NL/min。
图 3.5.2 为这个带主阀和电子回路的阀的照片，可以看出它的尺寸。右图为一装在陶瓷基座上的微阀片。其背景为一整张微阀硅片。
图 3.5.3 热推动的微型阀
图 3.5.4 热推动阀的动特性
第二例为一热推动的微型阀。这是 IFAS 和应用科学院硅工艺研究所合作研制的。图 3.5.3 展示了其内部结构和所应用的工艺。一条预紧的镍桥被加热，从而伸长弯曲，关闭或开启一个喷嘴。基于这个作用原理，这个阀需要至少一瓦功率输入才能控制 10bar 压力。这种阀可以设计成二位二通，或二位三通比例阀。这种阀的优点在于较大的位移，达 40 微米。虽然该阀是热驱动的，还是表现出如图 3.5.4 所示的极好的动特性。阶跃响应时间为 16ms。由于阀芯位移较大，该阀的最大流量比静电阀高一个数量级。
3.6微模块的联结
图 3.6.1 一个一体化的微系统的例子
如前已述及，最初的研发和生产微型系统是为大批量应用，主要是汽车工业进行的。由于顾客所要求的数量，专门设计满足了相应的市场需求。考察一下其他市场，情况就不同了。由于除汽车工业以外的机器制造业对传感器和阀的需求不够大，不足以进行顾客专用的机电子单元的设计。因此出现了这样的主意，提供模块或积木系统，以满足机电子系统的要求[S1]。图3.6.1展示了一个压力传感器为例。使用了一个标准化的外壳和标准化的接口，但只有与要求相应的元件被装入壳内。在此例中为一个压力传感器、一个温度传感器、一个信号转换器、一个程序和数据信息储存器、一个总线接口，所有这些元件一起组成一个智能压力温度传感器。
这个标准化是由应用科学院的 IPA、IZM 研究所和 VDMA 合作研发的。他们为把电子、机械和流体等不同技术连在一起所需的接口提出了一个解决方案。图 3.6.2 展示了一个总线方案， 它可以把微模块联成一个结构系统。这个系统由例如光学、射流和电子系统组成。特殊的总线联结元件，以传输能量和信号。一组 VDMA 成员企业的专家参与了这个项目并协助定义接口界面与联结。
图 3.6.2 连接微模块的总线方案
4.总结
尽管有倾向，更多地应用泵调节，通过排量调节或转速调节的定量泵，但为控制液压功率， 阀始终是今天液压系统的心脏，这对气动也适用。为了调节泵和马达的变量机构，阀是不可少的，只是这时它工作在控制回路。它也可以直接用在主回路中以控制流量和压力。比例阀和带智能控制算法的快速切换阀代表了电-流体转换器。在世界范围内要和电气、机械传动竞争， 意味着必须不断地挖掘流体技术的潜力。
考察一下那些为介绍在比例阀的结构和控制棱边革新而举的例子，就知道解决方法分布多广。通过改善传统的结构形式，插入新的部件还可以取得很多效果。但是最大的革新在于在阀和驱动电子系统中结合入更多的智能，以及和阀的周围环境通讯，带附加计算能力的分散智能， 用以诊断，结合入控制回路，已成为当前技术水平，为用户提供了新的可能性。
新材料，如压电陶瓷，电滞液和新的制造工艺，如硅蚀刻技术为新的解决方案提供了土壤。流体技术工业及高校正积极地走出新路，以增强流体技术的竞争力。
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