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摘要：水压控制阀是水压传动系统中的关键控制元件，是水压传动技术研究的重要内容。本文介绍了国内外一些主要的水压控制阀产品种类和性能，分析了水压控制阀的一些典型结构型式及特点，总结了目前水压控制阀中采用的主要工程材料，并对水压控制阀的发展及应用前景进行了展望。
关键词：水压控制阀；典型产品；结构型式；工程材料；发展现状
1、引言
水压传动技术是直接以天然淡水或海水代替矿物油作为液压系统工作介质的一门新型传动技术。水具有来源广泛、清洁、安全等优点，用它作为液压系统工作介质符合环境保护和可持续发展的要求。目前，水压传动技术已受到国外各发达国家的广泛重视，成为21世纪国际流体传动及控制技术领域的研究热点之一[1]。水压控制阀作为水压传动系统中的关键控制元件，其性能的优劣直接影响到水压传动系统的可靠性和使用寿命。因此，研制与开发性能优良的水压控制元件成为目前水压传动系统研究的关键技术之一。
2、水压控制阀的主要产品介绍
国外一些发达国家如丹麦、德国、美国、日本、英国、芬兰等从上世纪80年代初就开始了水压传动技术的研究，目前已研制和开发出一些水压控制阀产品，其性能已达到或接近同类油压控制阀产品的性能，并在工业生产中得到推广应用。
（1）压力控制阀
图1所示为德国Hauhinco公司生产的直动式溢流阀，该阀的最大工作压力为35MPa，压力调节范围为2～32MPa。此外，该公司生产的直动式减压阀，最大工作压力可达50MPa，压力调节范围为3~50MPa [2]。丹麦Danfoss公司生产的VRH系列压力控制阀，有VRH30、VRH60和VRH120三种类型，最大流量分别为30L/min、60L/min、120L/min，其中VRH30阀的压力调节范围为2.5～14MPa；VRH60阀和VRH120阀都有两种压力调节范围，分别为2.5～8MPa和8～14MPa [3]。
（2）流量控制阀
图2所示为丹麦Danfoss公司生产的VOH 30PM压力补偿式手动节流阀。该阀内置一个压力补偿器，可使阀的稳态流量保持恒定，并与系统的压力变化无关，从而可以稳定控制系统中水的流量，其最大入口压力为14MPa，流量调节范围为2～30L/min，阀的最大和最小压降分别为14MPa和1.5MPa[3]。此外，美国ELWOOD公司生产的流量控制阀工作压力达41.5MPa [4]。
（3）方向控制阀
图3所示为丹麦Danfoss公司生产的VDH 60EC三位四通方向控制阀。该阀由四个座阀组合而成，两个进水阀，两个出水阀，且每个座阀均由独自的先导阀控制。阀的最大压力为14MPa，最小入口压力为0.5MPa，最大流量为60L/min，最小流量为1L/min，最大泄露量为5mL/min，换向时的阀口开启与关闭时间分别为110ms和130ms[3]。
德国Hauhinco公司研制的两位三通先导式电磁方向阀，阀芯采用陶瓷材料，最大工作压力达32MPa[2]。美国Elwood公司生产的三位四通手动滑阀式换向阀，最大压力为42MPa，最大流量为42L/min [1]。
（4）比例控制阀
图4所示为日本Ebara公司生产的水压比例控制阀。该阀阀芯两端采用静压支撑，并开有相应的阻尼孔，补偿了水介质较差的润滑性和粘性，提高了阀芯的运动精度，并减少了阀的泄露，该阀的额定压力为7MPa，额定流量为35L/min，内泄露量低于0.7L/min，换向频率为25ms[5]。
丹麦Danfoss公司生产的VOH 30PE比例流量控制阀，可由PC和PLC控制，阀的额定流量为30L/min，最大和最小工作压力分别为14MPa和1.5MPa。该阀具有较好的静、动态特性，最小和最大流量之间的转换滞后量小于8%，0%～100%控制信号间的转换时间小于150ms [3]。
（5）伺服控制阀
图5所示为日本Ebara公司生产的水压伺服控制阀，阀体及主要部件由SUS 304不锈钢制成。该伺服控制阀由一个喷嘴挡板式先导阀和一个三位四通功率级主阀组成，阀芯两端采用静压支撑，静压工作腔与喷嘴挡板阀口相通，有效的减小了流量损失，并使阀的非线性工作状态的得到有效衰减和抑制。阀芯由喷嘴压力驱动，电感式位移传感器检测阀芯位置，并将电信号反馈到伺服放大器，形成闭环回路，阀的额定流量为80L/min，额定压力为14MPa[6]。
美国Moog公司研制出的海水伺服控制阀，工作压力为7MPa，额定流量为2.3L/min，死区小于1%，滞环小于5%[7]。
我国从上世纪90年代起开始水压传动技术的研究，目前尚处于基础技术研究阶段。华中科技大学于上世纪90年代初在国家自然科学基金的资助下，率先开展了海水液压传动技术的研究，目前已研制出额定流量40L/min、额定压力14MPa的海水溢流阀和流量控制阀[8]。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室在教育部“211”工程的支持下也开展了水压传动技术的研究，目前研制出一系列额定压力14MPa、额定流量100L/min的水压溢流阀、换向阀和节流阀[9]。此外，北京工业大学、西南交通大学、昆明理工大学等部分高校也开始了水压传动技术的研究 。
3、水压控制阀的典型结构型式及特点
水具有和矿物油截然不同的理化性能，传统油压控制阀的结构型式不能直接用于水压控制阀的设计。因此，必须研究和设计能与水的理化性能相适应的新型结构，以满足水压传动技术发展的要求，提高水压控制阀的使用性能和寿命。
（1）由现有气动阀改进成低压水压控制阀
水压控制阀的价格很高，是影响其推广和应用的一个重要因素。气动阀元件的价格较低，压力水平与低压水压传动系统相当，而且气动阀所采用的材料通常是耐腐蚀的。因此，通过对现有的气动阀进行改进来生产低压水压控制阀，可降低成本。芬兰坦佩雷科技大学将一个先导式二位五通开关式气动阀改进成一个水压比例控制阀，实验表明该阀可应用于大多数低压水压系统，如图6所示。该阀由一个比例电磁铁取代原来的先导阀，并在比例电磁铁和阀体间装一个调整片，用一个刚度更大的弹簧取代原有的复位弹簧。坦佩雷科技大学对该阀进行了性能实验，并与一个已应用在高压水压系统的水压控制阀进行比较。实验表明，改进的水压控制阀可通过较大的流量，除延迟较大外，阀的多数性能均与另一个参照阀性能接近，可在低压水压传动系统中应用[10]。
（2）一种新型的二级结构
二级结构是电磁阀经常采用的一种结构，由于电磁铁的输出力及输出功率有限，用电磁铁直接驱动阀芯只能用在小流量的低压系统中，当系统的流量和压力较大时，需要增加一个功率级，构成二级或多级结构的阀。
比例电磁铁调整片阀芯阀体阀套弹簧
阀芯行程挡板 阀芯行程挡板
图7a所示为传统二级油压控制阀的结构原理图。从图中可以看出，油压控制阀在辅助活塞上开有阻尼孔，使主阀芯上下两侧产生压差，从而控制主阀的动作。由于水的粘度较低，直接将这种结构应用到水压控制阀中，会导致阀产生很大的泄漏量，并使主阀芯上下两侧的压差变得很不稳定。日本东京科技学院机械控制工程系研制出一种水压高速电磁阀，采用了一种新型的二级结构，如图7b所示。该阀去掉了辅助活塞，直接利用主阀阀芯与阀套之间的泄漏量作为先导阀的控制流量。实验表明，该阀内泄漏量为零，而且稳态流量特性非常好，阀的启闭转换时间约为2ms，最大流量为9L/min，最大压力为14MPa，通过PWM控制该阀，可以实现对水压马达的速度控制[11]。
（3）静压技术的应用
水的润滑性较差，水压控制阀中阀芯与阀套之间的摩擦磨损问题尤为严重，使阀的控制精度降低。目前在一些水压比例控制阀和水压伺服控制阀中均采用静压技术来支撑阀芯，提高了阀的控制精度。图8所示为水压控制阀中采用的静压支撑结构原理图，由水压泵供给一定压力的水。如果阀芯与阀套之间产生如图所示向下的偏心，则由于阀芯上部阀芯与阀套间隙变大，压力变小；阀芯下部阀芯与阀套间隙变小，压力增大，上下两侧的压差会产生一个向上的力，将阀芯推向中央。采用静压可使阀芯与阀套中间始终充满水，从而将两摩擦面隔开，减小了阀芯运动时的摩擦力，提高了阀芯的运动精度。此外，文献[5、6]中提到的水压控制阀，静压支撑腔均与各自的阀腔相通，不仅有效地减小了阀的流量损失，而且通过阀口的流量又对系统起
(a) 传统油压阀用二级结构
(b) 新型水压阀用二级结构
图7 两种二级结构对比先导球阀主阀阀芯主流量弹簧泄漏先导流量辅助活塞弹簧先导流量主流量主阀阀芯先导球阀阀套阻尼孔阀芯到一定的阻尼作用，使系统变得更加稳定[5、6]。
（4）多级节流结构的应用
多级节流结构是一种可以有效减轻气蚀和侵蚀的结构，图9所示为两种常用的二级节流结构。该结构由两个节流口串连，共同分担一个节流部位的压差，从而降低了每个节流口处的压差，减轻了气蚀和侵蚀的发生[12]。浙江大学流体传动与控制国家重点实验室研制的一种先导式水压溢流阀即采用了这种结构，实验表明该阀的抗气蚀性能良好[13]。
图9 二级节流结构
除上面提到的几种典型结构型式外，还有一些其他结构型式，如在阀芯和阀套间采用组合密封圈进行密封，将阀芯做成特殊形状以减轻气蚀和侵蚀等现象的发生等[7，9]。因此，采用新的结构能够有效地提高水压控制阀的工作性能和使用寿命，是研制水压控制阀的必要和有效途径。
4 水压控制阀的材料选用[7，14]
由于水具有较强的腐蚀性，传统油压控制阀所采用的材料将不能被直接用于水压控制阀的制作，目前水压控制阀中常用的工程材料有不锈钢、耐蚀合金、工程陶瓷和工程塑料等。其中不锈钢材料的价格相对较低，可用来制造阀体；耐蚀合金有极高的耐蚀能力，但价格较高，一般用来制造水压控制阀的关键部件。工程陶瓷具有较高的强度和硬度，耐腐蚀耐磨损性能良好，可用来制造阀芯、阀套等元件。工程塑料的摩擦系数很小，而且具有优异的自润滑性能，也可被用来制造水压元件。此外，采用一些有效的表面防护技术和改性技术也能够提高水压控制元件的抗磨性和耐蚀性。目前，在水压控制阀中多采用表面喷涂陶瓷工艺。
5 展望
水压传动技术以水作为工作介质，对环境零污染，有很大的发展潜力。但水压传动技术的发展时间较短，水压传动技术的理论尚未成熟，一些关键技术亟待解决。目前，多数水压控制阀产品的性能还没有达到同类油压控制阀产品的水平，工作压力和流量较小，控制精度低，使用寿命短，性能不稳定。因此，研制性能优良的水压控制阀，是水压传动技术发展的关键，需要选择耐腐蚀性好的材料，进行新的结构设计，并采用先进的加工工艺以保证加工精度。同时，还要降低设计、制造和流通过程中的成本，降低水压控制阀产品价格，以利于水压传动技术的推广和应用。
参考文献
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Status Quo & Prospects of Water Hydraulic Control Valve
Wen Yanjie Wang Xinhua Liu Chunbo
(College of Mechanical Engineering & Applied Electronics Technology,
Beijing University of Technology, Beijing 100022, China)
Abstract
As a key control component in water hydraulic system, water hydraulic control valve is a vital part in study of water hydraulic technology. The author firstly introduces some main types of domestic and overseas water hydraulic control valve products as well as their performance, secondly analyses some typical structures and characteristics, finally summarizes main engineering materials currently used in water hydraulic control valve, and predicts its development and application prospects.
Keywords: water hydraulic control valve; typical products; structures; engineering materials; status quo |
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水压控制阀的发展现状与展望
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