引言
阶梯圆柱形的阀芯在阀孔中具有两个运动自由度，即旋转运动自由度和滑动自由度，从机械运动的观点看一个运动自由度可以实现一种机械（流体）信号的转换。因而任何双级导控阀的主阀及导阀的功能皆可以利用一个阀芯双运动自由度实现。我们将按照阀芯的双运动自由度设计的流量控制元件称为双自由度（简称2D）结构的控制元件。由于阀芯的轴向运动在设计上容易实现大的阀开口面积梯度，因而常常利用其控制主阀的阀口，而利用旋转运动实现对导阀阀口的控制〔3〕，〔4〕。
1 2D数字换向阀的工作原理及控制方法
2D数字换向阀的结构如图1所示。步进电机通过传动机构驱动阀芯在一定的角度范围内正、 反向转动。在阀芯的左端台肩上轴对称地开设两对与进油相通的高压孔和回油相通的低压孔 ，在阀孔左端的内表面上轴对称地开设一对螺旋槽，其左端与阀左腔相通。当阀芯在阀孔中处于正常的工作位置时，高压孔与低压孔分别处于螺旋的两侧，并且与螺旋槽之间形成微小的弓形缝隙，这两个微小的弓形面积串联而成阻力半桥，阀的右腔与进油相通，其面积为阀芯左端面一半。当阀芯相对静止时，阀左腔的压力近似为进油压力的1/2，这时高低压孔与螺旋槽之间所形成的微小的弓形面积相等。当步进电机驱动阀芯转动使得高压孔与螺旋槽之 间形成的弓形面积增大、低压孔与螺旋槽之间形成的弓形面积减小，则左敏感腔的压力升高 ，阀芯所受的轴向力失去平衡，阀芯向右移动直到高低压孔又回到静止时与螺旋槽之间所处 的相对位置。当步进电机驱动阀芯反方向转动，则左敏感腔的压力下降、阀芯左移。
图1 2D数字换向阀
为了解决以往步进式数字阀所存在的量化误差与响应速度之间的矛盾，2D数字换向阀完全放 弃了步进的控制方式，而采用一种对步进电机输出角位移的连续跟踪的控制方法。其核心思 想是将一个步进周期或离散信号的保持周期T分为T1和T2两个时间段，分别对 步进电机相邻相序通电，使步进电机输出的角位移得以连续控制，T1和T2根据 输入信号的力离散值由固化于单片机控制器内的特殊跟踪算法实时计算得到。由该跟踪算法 所获得的步进电机的控制信号见图2。
图2 2D数字换向阀的控制信号
2 实验研究
（1）试验系统
试验系统如图3所示。在该试验系统中采用节流阀作为被试阀的加载元件；采用电涡流位移传感器作阀芯位移检测元件，该位移信号可由电涡流位移传感器的数显表直接读出，也可通过光线记录议进行记录。系统压力及被试阀进、出口压力由进、出口压力表读出。将PC作为数字信号发生器，并通过 其并口（打印机口）向2D数字换向阀的控制器发送控制信号。2D数字换向阀的技术参数见表1。
图3 试验系统
表1 2D数字换向阀的技术参数
电压（V）
电流（A）
工作压力
（MPa）
流量（L/min，压力差=0.8MPa）
阀芯最大位移
（mm）
24
1.5
21
60
0.804
输入数字信号范围
数字信号的传送方式
采样时间或读取信号的时间间隔（ms）
对应最大开口的工作步数
脉冲当量
±2047（二进制12位）
并口
0.5
16
128（2047/16步）
（2）阀的静态控制特性
在静态的工况下所获得的阀芯的轴向位移与输入信号之间的关系称为阀的静态控制特性。通过描点得到的2D阀的静态控制特性见图4（a）。通过PC机的并口向阀控制器发送低频三角波的数据可以得到图4(b)所示的阀芯运动的连续波形，由于阀芯运动的速度较慢，该波形可近似 作为阀的静态控制特性曲线。从图4(b)中可以看出阀芯处于连续运动而不是传统步进式数字阀的步进工作状态；另外阀芯的运动曲线呈现微小的调制波纹，这是数字信号的作用的结果，该调制波纹对消除阀芯的摩擦力的卡紧力有利。
(a) (b)
图4 阀的静态控制特性
（3）供油压力、流量及温度对阀芯位置精度的影响
控制阀芯到达某一位置，改变系统的供油压力可以得到与表2的阀芯的位置精度的关系。从表2中可以看出阀芯的位置精度不受压力变化的影响。
表2 阀芯的位置精度与压力之间的关系
供油压力（MPa）
阀芯的位置(mm)
1
2
3
4
5
1
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20
5
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20
10
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20
15
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20
21
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20
在恒定的输入下，不同的温度对应的阀芯位置见表3。从表3可以看出阀芯的位置精度不受温度的影响。这是因为在静态工况下螺旋槽与高低压孔之间形成的弓形面积相等，其阻力-温度特性一致的缘故。
表3 温度对阀芯位置精度的影响
温度（C°）
20
31
46
51
阀芯位置（mm）
0.43
0.43
0.43
0.43
在恒定的输入信号下，通过调整加载节流阀改变流量可以得到阀芯位置与流量之间的关系，见表4。 从表4中可以看到阀芯的位置基本不受流量变化的影响。这是因为在阀的设计中高 低压孔与螺旋槽之间相交的弓形面积的弓高取得非常小，几乎接近于零，阀芯的轴向刚度很小，使得由于流量变化而引起的液动力的变化对阀芯的位置精度的影响很小的缘故。
表4 流量变化对阀芯位置精度的影响
流量(L/min)
10
20
30
40
50
60
阀芯位置(mm)
0.35
0.35
0.35
0.35
0.34
0.34
（4）阀芯的阶跃响应
阀的0～100%的阶跃响应过渡过程见图5。从图5可以看出，当阀芯经过2～3个周期的振荡后稳定，整个过程大约持续15～18ms。在该阶跃响应过程中步进电机以2000Hz的频率运行16步，理论上响应时间应在10ms左右，由于出现振荡响应时间有所延长。
图5 0～100%的阶跃特性
nextpage （5）对正弦波信号的动态响应
通过PC机的并口向阀的控制器发送正弦波信号的数值，由光线示波器记下阀芯的动态响应波形。在不同频率正弦波信号的作用下阀芯的动态响应波形见图6。从图6中可以看出在10%满 幅值正弦信号作用下阀的频响超过100Hz。
图6 阀芯对正弦波信号的响应
表5 2D数字换向阀与比例阀主要性能对照表
单位
名称
型号
控制驱
动方式
滞环
线性度
重复
精度
响应时间
（100%信
号变化）
美国Vickers公司
LFDG5V-5
KFDG5V-5
带位置电反馈式
直动式
双级 带位置电反馈式
直动式
1%
1%
<0.679%
<0.108%
30ms
30ms
德国Bosch公司
NG10
NG10
带位置电反馈式
直动式
双级带双级位置电反馈
＜0.75%
＜0.1%不可测
＜0． 5%
＜0．5%
55ms
[ JZ〗40ms
日本油研公司
EHDFG-04
双级带主阀级位置电反馈
1%
1%
50Hz（90度相位差）
实验还包括对阀的流量-压力特性、压力增益及频率特性的测量，由于受文章篇幅的限制，在此暂不讨论。
3 结论
由实验得知2D数字阀具有如下特点：
（1）结构简单，无需弹簧；
（2）不存在任何固定阻力小孔，抗污染力强；
（3）直接接受数字信号控制，符合控制技术数字化发展的趋势；
（4）具有较理想的动、静特性。将2D数字换向阀的主要动、静特性与国外液压元件生产厂家的同规格不同驱动和控制方式的比例阀性能的比较列于表5（表中2D数字换向阀的主要性能指标为浙江省产品质量检测中心提供的检测结果，并于1997年10月通过浙江省科委组织的专家鉴定；比例阀性能为1995年前后相应厂家的产品样本上查得的性能参数）。从表中可看出2D电液数字换向阀的主要性能超过国外同规格的各类位置检测型比例阀的性能指标。
