新型高速数字开关阀为导阀的多路换向阀

数字式多路换向阀采用高速数字开关阀取代比例减压阀作为先导级，控制多路换向阀主阀心的位移，主阀控制口可获得与主阀心位移成比例的输出流量，从而实现对工作装置运动速度及方向的控制。利用数字式多路换向阀可以构成高可靠性，适用于工程机械的数字电液比例控制系统，成为计算机应用于液压系统的最佳组成形式之一，而且价格只是传统电液比例控制系统的1/10～1/5，因此，该种控制系统在实际工程中将会得到越来越广泛的应用。

1．数字式多路换向阀的工作原理

数字式多路换向阀采用高速数字开关阀作为先导级。高速数字开关阀与传统伺服阀和比例闷的连续控制方式有着本质的区别，比例阀和伺服阀是连续输出、输入与电流成比例的流量，而高速数字开关阀输出的不是连续量，而是采用脉宽调制信号( PWM)控制。电控单元输入系列脉冲电压阀在工作过程中总是不停地开关动作，输出系列脉冲流量。如果调节脉宽占空比，输出脉冲流量的大小可以控制，可以得到与占空比成比例的脉冲流量。该脉冲流量作为先导阀的控制量，输入主阀心的左、右控制容腔，经过控制容腔的积分过程使主阀心产生成比例的位移，主阀出口就获得了与先导阀输入占空比成比例的流量。高速开关输入、输出及工作方式都与比例阀有本质的区别，由于脉宽调制(PWM）信号可直接由计算机输出，因此高速开关阀能够直接以数字的方式进行控制，不必经D/A转换。计算机可以根据控制要求发出的脉宽调制信号，控制电机械转换器电磁铁动作，从而带动高速开关阀开或关，以控制液压缸液流的流量大小和流向。数字式多路换向阀简化模型如图28所示。

2. 高速数字开关阀的PWM控制

理想高速开关阀只有“开”与“关”两个状态，脉冲调制式数字开关阀无任何开启与关闭延时，流量的变化都在瞬间完成(见图29)。

当阀口打开时，流量为最大流量，即

式中：C_d，0为数字阀流量系数；A₀为数字阀过流面积；ΔP₀为数字阀进出口油压压差；ρ为油液密度。

当阀口关闭时，流量为零，所以开关阀控制的流量是非连续的。流量只有两种状态：或最大，或为零。在PWM控制方式中，载波周期T不变，通过改变导通脉宽T_p来改变占空比τ=T_p/T，则在一个载波周期内的平均流量为

qv=qvT_p/T=qvτ

从阀的静特性方程不难看出，数字阀的负载流量不仅与阀的面积梯度最大开口量成正比，而且与电磁铁通断电占空比的大小有关，因此在压力恒定的情况下，可以通过改变占空比来控制阀的平均流量，即供油压力p_s一定时，qv与τ呈线性关系。

这样给出一个通电脉冲，数字阀就会通过一定体积的油，对应的主阀阀心位移为血。如果给出一系列脉冲，每次通电时间为t_w，周期为T，控制腔有效截面积为A_k，则每次的通油体积为

ΔV=t_wq_v,hτ

多路阀主阀心每一脉冲周期内走过的位移为

Δx=ΔV/A_k=t_wqv,hτ/A_k

每一脉冲周期内主阀通过的流量为

式中；Cd，Z为多路阀主阀流量系数；△p_z为多路阀主阀进出口油压压差。

数字多路换向阀的流量q_V,z与脉宽占空比τ成正比，脉宽占空比τ越大，通过高速开关阀进人多路阀主阀控制腔的平均流量越大，通过主阀的流量也越大。实际上，脉宽调制式数字开关阀存在开启/关闭延时，流量从零到最大也需要时间。高速开关阀的实际特性如图30所示。

设阀的开启延时为D₀，关闭延时为D_c。当通电脉冲宽度t_w＜D₀时，阀不能打开，其通油时间tp=0，多路阀主阀阀心的位移为零，即为控制的死区。死区范围为O≤t_w≤D₀，减小D₀可以减小死区范围；当t_w＞T₀-D_c时，阀在本周期内还未关闭，下一个通电脉冲又到，故在T₀-D_c到T₀段，主阀阀心开度一直最大，并不随t_w的变化而变化，这是开关阀控制速度的饱和区，减小D_c可以减小饱和区。多路阀主阀流量特性如图31所示。

脉冲调制式数字开关阀的线性脉宽范围为

D₀≤t_w≤T₀-D_c

对数字开关阀的优化设计，减小开启延时D₀和关闭延时D_c，可以改善多路阀流量特性，使多路阀主阀出口更好地获得与先导阀输入占空比成线性比例的流量，得到更高精度的控制数字多路阀系统。

2．技术特点

采用数字高速开关阀作为多路阀的先导阀，由计算机直接控制，同时保留多路阀的操作手柄，在自动控制部分出问题时可以实现手动操作。经改造的数字式多路阀工作可靠、维修方便、成本低、易于实现自动化，是一种很有发展前途的多路阀。而用PWM控制高速数字阀，进而控制多路阀阀心，不仅具有计算机控制的各项优点，还大大减少了系统设计的工作量，不存在各接口信号的匹配问题，提高了系统的可靠性，增加了系统的抗干扰能力。