多电压复合驱动的高速开关阀性能研究 | JME文章推荐
高速开关阀是数字液压技术的核心元件，其动态特性是决定数字液压技术响应速度和控制精度的关键。针对现有高速开关阀，优化控制算法是提升其动态性能的最佳途径。
浙江工业大学钟麒、谢耿等提出多电压复合驱动策略，通过预加载方法优化了高速开关阀启闭初始电流，并结合电流反馈和数字逻辑触发机制，实现了5个驱动电压的自适应切换，最大程度上确保了高速开关阀的快响应切换和低功耗驱动。
他们在《机械工程学报》2021年第4期发表了《多电压复合驱动的高速开关阀性能研究》一文。
ZHONG Qi, XIE Geng, WANG Xiele, LI Yanbiao, YANG Huayong, ZHANG Bin, CHEN Bo. Performance Analysis of High Speed on/off Valve by Multi-voltages Compound Excitation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(4): 191-201.
本文提出的多电压复合驱动策略能有效提升高速开关阀动态特性。但由于被试开关阀结构紧凑，难以通过安装位移传感器来获取其位移状态，从而无法直接验证本文提出的驱动策略在提升动态特性方面的有效性。故本文采用一种动态压力测试方法来间接获取高速开关阀的阀芯状态，从而研究其动态特性，测试方法如图1。
该方法在高速开关阀的A口设置压力传感器，当阀开启时，油液从P口流入压力测试腔，此时A口压力上升至供油压力；当阀关闭时，油液从压力测试腔流回油箱，此时A口压力降低至油箱压力。根据测试腔压力的动态变化间接测试得到高速开关阀的动态特性。
传感器测试
peca 300 Hz
300 Hz
采用24V双电压驱动方法驱动高速开关阀进行动态压力测试实验。在高速开关阀开启阶段，测试腔压力的上升滞后时间为3.0ms，测试腔压力上升时间为3.7ms。在高速开关阀关闭阶段，测试腔压力下降滞后时间为1.2ms，测试腔压力下降时间为3.0ms。
采用多电压复合驱动方法时驱动高速开关阀进行实验。在高速开关阀开启阶段，测试腔压力的上升滞后时间为0.8ms，测试腔压力上升时间为3.4ms。在高速开关阀关闭阶段，测试腔压力下降滞后时间为0.5ms，测试腔压力下降时间为2.6ms。
对比24V双电压驱动方法下的实验结果，多电压复合驱动方法有效地减少测试腔压力上升滞后时间73.3%、压力下降滞后时间58.3%。对比仿真结果中阀芯位移曲线和测试腔压力动态曲线可知，测试腔压力变化整体滞后与阀芯位移变化，导致该现象的原因为阀口的启闭控制着油液进出测试腔的过程，开关阀打开时，油液才能进入测试腔，同理，开关阀关闭时，油液才会从测试腔流出。因此，油腔中的压力建立过程将不可避免地滞后与阀芯位移。另外，测试腔压力变化的实验曲线无论在开启还是关闭阶段均提前于仿真曲线，这主要是由于实验中油液因测试腔结构或油液自身粘性导致油液无法完全排出测试腔，以及重力对油液的作用所产生的。但仿真曲线的整体变化趋势和实验曲线相同。
本文以目前市场上成熟的高速开关阀为研究对象，进行了理论分析、仿真研究和实验验证，仿真和实验结果符合理论分析结论，且与高速开关阀官方样本数据吻合，验证了数学模型和仿真模型的准确性，为此类高速开关阀的进一步工业化应用提供了有力的数据支撑，也为提高高速开关阀动态性能提供了行之有效的方法。根据本文的研究结果，可以得到如下结论：
(1) 多电压复合驱动通过预加载方法生成更为理想的启闭初始电流，在不改变启闭驱动电压的情况下，能大幅提高了高速开关阀的响应速度。仿真数据表明可缩短高速开关阀开启滞后时间66.7%，关闭滞后时间87.5%。实验数据表明可缩短测试腔压力上升滞后时间73.3%、压力下降滞后时间58.3%。
(2) 多电压复合驱动分别在高速开关阀开启和关闭阶段采用正向大电压和反向大电压对线圈进行激励，提升了电流动态特性，进一步优化了高速开关阀启闭性能。
(3) 多电压复合驱动能有效提升高速开关阀流量控制特性，将工作占空比对应的流量线性范围扩大了17.1%，死区范围缩小了61.5%，饱和范围缩小了33.3%。
(4) 多电压复合驱动能在确保动态特性的前提下，降低电磁力，从而减小对工作钢球的冲击，延长高速开关阀使用寿命。
(5) 基于电流反馈和数字信号逻辑触发的多电压切换功能有效确保了线圈电流始终处于能维持高速开关阀启闭的最节能状态，相比较双电压驱动方法，其热损耗降低了64.8%。
数字液压技术是当下流体传动与控制领域的研究热点。高速开关阀作为数字液压技术的核心控制元件，是决定离散流体生成频率的关键。现有研究已经证明了离散流体频率的提高可以改善高速开关阀控系统的控制精度。因此，研究如何提高开关阀的动态特性以获得更高频率的离散流体具有十分重要的意义。而改进高速开关阀的驱动策略正是提高现有高速开关阀动态特性的主要手段。目前主要通过增大驱动电压来提高其动态特性，但驱动电压的增大必然会导致更大的能力损耗，更高的工作温度，更短的使用寿命。
本文提出的多电压复合驱动控制策略，能在不增加电压的前提下，通过优化高速开关阀启闭初始电流来提高其动态特性。该项技术在高速开关阀驱动控制领域中的应用，可以加快高速开关阀启闭速度，改善流量控制特性，降低工作温度，延长使用寿命，并能提高高速开关阀阀控系统的控制精度。
数字液压技术是当下流体传动与控制领域的研究热点。高速开关阀作为数字液压技术的核心控制元件，是决定离散流体生成频率的关键。现有研究已经证明了离散流体频率的提高可以改善高速开关阀控系统的控制精度。因此，研究如何提高开关阀的动态特性以获得更高频率的离散流体具有十分重要的意义。而改进高速开关阀的驱动策略正是提高现有高速开关阀动态特性的主要手段。目前主要通过增大驱动电压来提高其动态特性，但驱动电压的增大必然会导致更大的能力损耗，更高的工作温度，更短的使用寿命。
本文提出的多电压复合驱动控制策略，能在不增加电压的前提下，通过优化高速开关阀启闭初始电流来提高其动态特性。该项技术在高速开关阀驱动控制领域中的应用，可以加快高速开关阀启闭速度，改善流量控制特性，降低工作温度，延长使用寿命，并能提高高速开关阀阀控系统的控制精度。
团队带头人：
钟麒，男，1991年出生，浙江杭州人，2019年9月毕业于浙江大学，获工学博士学位。现为浙江工业大学机械工程学院讲师，主要从事数字液压技术和液压阀可编程控制技术的研究。
Email：zhongqi@zjut.edu.cn
团队研究方向：
实验室拥有一批先进的实验设备和测试仪器，仪器设备原值达3000余万元，现有用房的总建筑面积达7300m2，建有办公室、会议室、小型学术交流室、成果展厅和各研究方向的实验室等，具备本领域国内一流的研究条件。实验室以机电装备先进设计与控制方法及其关键实现技术研究为核心，以机电装备设计方法学理论研究为基础，形成了“工艺-控制-设计-装备”的完整研究体系。主要研究方向包括：
（1）特种与专用装备设计与制造；
（2）精密与超精密加工技术与装备；
（3）高能束加工与绿色再制造技术；
（4）装备的数字化设计与控制技术。
实验室先后承担各类科研项目280余项，累计科研经费达1.6亿元，其中，国家级科研项目50余项，经费2590余万元；省部级科研项目120余项，经费4600余万元；国防军工项目10余项，经费4200余万元；企业委托科研项目100余项，经费4500余万元。实验室一大批研究成果已在生产中得到应用，取得了显著的社会效益和经济效益，部分研究成果达到国际先进水平，荣获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖3项、省部级科技奖励21项。
实验室以“瞄准国际前沿、围绕国家目标、结合地方经济、强化自身特色、全面开放合作”为发展战略，努力将实验室建成国内一流、国际上有一定影响、研究特色鲜明的开放式实验室, 使之成为浙江省乃至全国机械制造与自动化领域的技术创新、科技成果转化和人才培养的重要基地。发表学术论文500余篇，其中三大索引收录200余篇；获得授权发明专利50余项，已培养博士、博士后研究人员20余人、硕士360余人。
编辑：恽海艳 校对：向映姣
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