錢錦遠(yuǎn)，姚懷宇，吳嘉懿，金志江

(浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，浙江 杭州 310027)

引言

閥門作為一種流體控制元件，按動作原理可分為直動式閥門和先導(dǎo)式閥門。相比于直動式閥門直接開啟主閥，先導(dǎo)式閥門多了一個中間的先導(dǎo)環(huán)節(jié)，即通過開啟先導(dǎo)結(jié)構(gòu)，來開啟主閥。先導(dǎo)結(jié)構(gòu)通常比主閥要小，具有維修方便、驅(qū)動能耗低、動作精度高等優(yōu)點(diǎn)。即使不同類型的先導(dǎo)式閥門在結(jié)構(gòu)和使用工況上差異較大，但先導(dǎo)結(jié)構(gòu)所起到的功能均類似。因此先導(dǎo)結(jié)構(gòu)在液壓系統(tǒng)用閥和化工裝備用閥中均得到了廣泛應(yīng)用。例如：化工裝備用的截止閥采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)后，電源僅需驅(qū)動更小的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)就能打開主閥芯，顯著降低了驅(qū)動能耗[1]；液壓系統(tǒng)用的比例流量閥采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)后，在先導(dǎo)結(jié)構(gòu)與主閥之間建立反饋?zhàn)饔?，使主閥輸出一定的流量，提高了對流量的控制精度[2]；化工裝備用的安全閥采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)后，利用先導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了主閥的緩慢關(guān)閉，解決了安全閥反復(fù)彈跳的問題[3]。液壓系統(tǒng)用的減壓閥采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)后，僅需控制先導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的彈簧預(yù)緊力就可得到不同大小的出口壓力，操作更方便[4]。

使用先導(dǎo)結(jié)構(gòu)不僅可以提升閥門的整體性能，還可以拓寬閥門的使用范圍。隨著工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，先導(dǎo)式閥門已開始在超高壓、深冷、高溫、大流量等復(fù)雜工況下使用。如果閥門的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，極易引起先導(dǎo)式閥門出現(xiàn)振動噪聲、閥芯卡死、響應(yīng)慢、發(fā)熱、泄漏等問題，導(dǎo)致閥門失效，甚至引起系統(tǒng)癱瘓。

先導(dǎo)式閥門的主閥啟閉由先導(dǎo)結(jié)構(gòu)控制，因此先導(dǎo)結(jié)構(gòu)在很大程度上影響著整個閥門的性能。本研究對先導(dǎo)式閥門中的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，可為先導(dǎo)式閥門的設(shè)計和選用提供參考，對提升先導(dǎo)式閥門的整體性能，減少設(shè)計周期和創(chuàng)新難度，具有一定的工程借鑒意義。

1 先導(dǎo)式閥門的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)

先導(dǎo)式閥門的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要由四大核心單元組成，分別是驅(qū)動部件、彈簧組件、先導(dǎo)閥芯和阻尼孔，如圖1所示。

圖1 先導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 驅(qū)動部件

先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動部件按選擇的驅(qū)動方式不同，可分為手動驅(qū)動部件、電磁驅(qū)動部件、磁流變驅(qū)動部件和壓電執(zhí)行部件。值得注意的是，當(dāng)驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動和氣動驅(qū)動時，先導(dǎo)結(jié)構(gòu)無驅(qū)動部件。

手動驅(qū)動部件存在調(diào)節(jié)精度低[5]、無法遠(yuǎn)程調(diào)控、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。電磁驅(qū)動部件通常包括動鐵芯、線圈、擋板等[6]，通過接收電流產(chǎn)生電磁力進(jìn)行驅(qū)動。電磁驅(qū)動部件具有響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樾枰獢y帶通電裝置，存在成本較高、體積較大、攜帶不方便等缺點(diǎn)。磁流變驅(qū)動部件與電磁驅(qū)動部件基本相同，區(qū)別在于前者需要利用磁場控制磁流體由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，從而控制先導(dǎo)閥芯的壓差，具有響應(yīng)較快和能耗較低的優(yōu)點(diǎn)[7]。壓電執(zhí)行部件通常是利用壓電晶體或壓電陶瓷等智能材料制作的，其結(jié)構(gòu)有彎曲片和壓電堆等形式，具有輸出力大、成本低和抗電磁干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但對電源要求較高[8]。在四類驅(qū)動部件中，手動驅(qū)動部件的缺點(diǎn)明顯而逐漸被代替。其余類型的驅(qū)動部件得到了大量研究者的關(guān)注。

使用電磁驅(qū)動部件時，先導(dǎo)閥芯在開啟和關(guān)閉時存在響應(yīng)延遲。開啟延遲是電磁力太小不足以推動閥芯引起的；關(guān)閉延遲是電磁線圈存在感應(yīng)電動勢，電磁力無法立刻消失引起的。針對以上問題，高翔等[9]研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大彈簧剛度、降低銜鐵質(zhì)量、減小線圈匝數(shù)，可減小閥芯啟閉延遲時間。唐兵等[10]利用布置在先導(dǎo)閥芯兩側(cè)的雙電磁鐵，代替彈簧-單電磁鐵驅(qū)動結(jié)構(gòu)，縮短了開啟延遲時間；利用TVS二極管大量吸收電磁鐵斷電時的電流，縮短了關(guān)閉延遲時間。

磁流變驅(qū)動部件和壓電執(zhí)行部件均為智能材料驅(qū)動結(jié)構(gòu)，在使用中要與電源配套使用，同樣會出現(xiàn)響應(yīng)延遲的問題。針對磁流變驅(qū)動部件，陳文等[11]證明了利用雙線圈反向通電代替單線圈，可提高響應(yīng)速度，但發(fā)現(xiàn)響應(yīng)速度會隨著系統(tǒng)壓力的增大而增大。針對壓電執(zhí)行部件，宋佳星[12]設(shè)計了一種以圓環(huán)彎曲片為壓電驅(qū)動部件的伺服閥，并提出前饋電壓補(bǔ)償和反饋控制策略，輸出特性誤差小于5%。

目前，對降低驅(qū)動部件的響應(yīng)延遲已經(jīng)獲得了較大突破，但在高參數(shù)工況條件下的啟閉延遲問題依舊存在，要完全消除啟閉延遲困難較大。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在降低響應(yīng)延遲的同時，如何提高驅(qū)動部件的驅(qū)動力、降低能耗和減小體積應(yīng)引起重視。

1.2 彈簧組件

彈簧組件包括彈簧和彈簧調(diào)節(jié)裝置，是維持先導(dǎo)結(jié)構(gòu)密封和控制閥門啟閉的關(guān)鍵部件。利用彈簧調(diào)節(jié)裝置可改變彈簧的初始壓縮量，其結(jié)構(gòu)形式通常為調(diào)節(jié)螺釘、調(diào)節(jié)螺母、調(diào)節(jié)手輪或凸輪。

對彈簧組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，可以提高人工操控的效果。針對彈簧容易產(chǎn)生疲勞失效的情況，蔣佳駿[13]利用永磁材料制成永磁彈簧，提高了閥的動態(tài)性能。陳超[14]利用活塞代替彈簧作為先導(dǎo)結(jié)構(gòu)，避免了彈簧在高壓大流量工況下失效，增加了調(diào)壓范圍。針對彈簧調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)費(fèi)力的情況，張龍濤等[15]利用液壓平衡裝置來減小操作力矩，及采用雙頭螺紋減小旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來降低人工操控力。

彈簧應(yīng)用在高參數(shù)工況下時易出現(xiàn)失效，發(fā)展新材料和新結(jié)構(gòu)替代現(xiàn)有彈簧，或改進(jìn)結(jié)構(gòu)以降低彈簧的必要預(yù)緊力是重要的研究方向。利用手輪作為彈簧調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，存在手柄角度調(diào)節(jié)間隔過大及開啟不方便的缺點(diǎn)。對調(diào)節(jié)精度和遠(yuǎn)程調(diào)控裝置的研究將是未來的研究重點(diǎn)。

1.3 先導(dǎo)閥芯

先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的閥芯主要有錐形閥芯、滑閥閥芯、插裝式閥芯、球形閥芯和噴嘴擋板式閥芯。表1展示了不同閥芯的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 不同先導(dǎo)閥芯之間的對比

錐形閥芯結(jié)構(gòu)如圖2a所示，常用于先導(dǎo)式溢流閥、先導(dǎo)式減壓閥和先導(dǎo)式開關(guān)閥的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。錐形閥芯開啟時，通過閥芯進(jìn)口處的流體若產(chǎn)生不同的流速或引起氣蝕，錐形閥芯則會受到不平衡力，產(chǎn)生振動，影響系統(tǒng)正常工作?；y閥芯的結(jié)構(gòu)如圖2b所示，常用于先導(dǎo)式比例方向閥的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。利用滑閥閥芯的滑動可以改變流體的流動方向。滑閥閥芯通過與閥套之間的緊密貼合實(shí)現(xiàn)密封，但閥芯與閥套之間的間隙無法消除，且在長時間磨損后間隙會變大，因此泄漏問題出現(xiàn)較多。當(dāng)滑閥閥芯控制的開口較多時，滑閥閥芯的長度就要增加，因此也常會出現(xiàn)閥芯卡死的現(xiàn)象。插裝式閥芯的常見結(jié)構(gòu)如圖2c所示。插裝式閥芯出現(xiàn)較晚，因此研究主要集中在使用上，在先導(dǎo)式溢流閥、先導(dǎo)式比例流量閥和先導(dǎo)式安全閥中均有應(yīng)用。球形閥芯作為先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動部件，常見結(jié)構(gòu)為連桿連接雙球，常用于電磁先導(dǎo)換向閥的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)中。圖2d為使用球形閥芯的電磁先導(dǎo)閥，球2的關(guān)閉會帶動球1的開啟[16]。噴嘴擋板式閥芯的結(jié)構(gòu)和使用原理最復(fù)雜，常見結(jié)構(gòu)如圖2e所示，常用于先導(dǎo)電液伺服閥的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，在噴嘴口處常存在空化現(xiàn)象。

圖2 先導(dǎo)閥芯示意圖

閥芯是先導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，與閥門的密封、啟閉速度以及穩(wěn)定性緊密相關(guān)，表2展示了各類先導(dǎo)閥芯的相關(guān)研究。對錐形閥芯的改進(jìn)主要集中于改變先導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)口處的流場特性，對錐形閥芯本身的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新研究還不夠深入，未來還需要綜合研究錐角取值對先導(dǎo)結(jié)構(gòu)性能的影響；滑閥閥芯的泄漏問題還未解決，應(yīng)對滑閥閥芯的結(jié)構(gòu)及進(jìn)出口流場進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)新；球形閥芯、插裝式閥芯目前仍處于應(yīng)用階段，結(jié)構(gòu)尺寸對使用性能的研究在初始階段，還需進(jìn)一步研究。在噴嘴擋板式閥芯的噴嘴處容易產(chǎn)生氣蝕，需進(jìn)一步研究噴嘴和擋板尺寸對使用性能的影響。

表2 先導(dǎo)閥芯的結(jié)構(gòu)改進(jìn)案例

1.4 阻尼孔

為了控制流入先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的流量，增加先導(dǎo)閥芯的穩(wěn)定性和降低負(fù)面影響，通常在先導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)口前和出口后布置阻尼孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)流。阻尼孔的節(jié)流方式可分為固定節(jié)流和可調(diào)節(jié)流。固定節(jié)流是指阻尼孔的節(jié)流作用維持不變的節(jié)流方式，其具有加工方便的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛；可調(diào)節(jié)流是指阻尼孔的節(jié)流作用可根據(jù)需要進(jìn)行變化，常見結(jié)構(gòu)為環(huán)形縫隙，可通過調(diào)節(jié)縫隙的長度獲得不同的節(jié)流量[26]。

表3總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者對阻尼孔結(jié)構(gòu)做出的改進(jìn)。固定節(jié)流口的使用效果不易控制，相較受工況的限制。未來，還需要研究固定節(jié)流的阻尼孔在不同長度處截面積的大小對該流體的節(jié)流效果的影響。采用可調(diào)節(jié)流可提高閥門對工況的適應(yīng)性，但目前對可調(diào)節(jié)流的研究較少。對可調(diào)節(jié)流進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)引起重視。通過結(jié)合固定節(jié)流和可調(diào)節(jié)流在先導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)出口及內(nèi)部設(shè)置阻尼網(wǎng)絡(luò)是未來的研究重點(diǎn)。

表3 阻尼孔的結(jié)構(gòu)改進(jìn)案例

2 先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的控制功能

不同的主閥結(jié)構(gòu)對應(yīng)的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)也有所不同，但先導(dǎo)結(jié)構(gòu)對主閥實(shí)現(xiàn)的控制功能有相似之處，其控制功能可分為壓力控制、流量控制和方向控制三類。

圖3 阻尼孔結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)

2.1 壓力控制

壓力控制是指通過系統(tǒng)壓力控制先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的開啟，進(jìn)而對主閥流體壓力進(jìn)行控制的功能。壓力控制的控制方式又可分為超壓控制、穩(wěn)壓控制和比例控制。超壓控制是指當(dāng)系統(tǒng)壓力超過安全值時，維持系統(tǒng)壓力恢復(fù)正常的壓力控制方式。先導(dǎo)式卸壓閥、先導(dǎo)式安全閥和先導(dǎo)式溢流閥屬于超壓控制；穩(wěn)壓控制是指當(dāng)系統(tǒng)壓力下降或上升時，維持系統(tǒng)壓力在定值或某一區(qū)間的壓力控制方式，先導(dǎo)式減壓閥和先導(dǎo)式平衡閥屬于穩(wěn)壓控制；比例控制是指主閥出口壓力與輸入變量之間為比例關(guān)系的控制方式，減壓式先導(dǎo)閥屬于比例控制。

針對超壓控制中的頻繁啟閉現(xiàn)象，季宇軒等[31]將閥芯動密封結(jié)構(gòu)設(shè)置成雙道O形圈密封，增加了開啟時的穩(wěn)定性。鄭積泉等[32]優(yōu)化了先導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)出口的面積比，調(diào)整了回座壓力，提升先導(dǎo)式安全閥的整體性能。

針對穩(wěn)壓控制的壓力波動現(xiàn)象，劉洪生[33]通過在先導(dǎo)式穩(wěn)壓閥出口管路中增加流量控制元件，并將壓差反饋到先導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，使出口壓力保持穩(wěn)定。針對穩(wěn)壓控制中動作遲緩現(xiàn)象，朱陽陽[34]通過在液壓系統(tǒng)多路閥的尾聯(lián)處增加減壓閥，增大了先導(dǎo)通道的流量，提升了壓力控制的穩(wěn)定性。

針對比例控制的壓力波動現(xiàn)象，姚蘅等[35]利用壓力傳感器檢測出口壓力來反饋控制排氣和供氣先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的開啟，進(jìn)而控制主閥芯的開度，使出口壓力保持穩(wěn)定。

頻繁啟閉現(xiàn)象主要在于回座壓力的選擇，通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)可有效改善該現(xiàn)象，目前的改進(jìn)方式比較局限，未來應(yīng)考慮對改進(jìn)方案進(jìn)行量化，形成與回座壓力有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計公式，并確定參數(shù)的最優(yōu)值。壓力波動現(xiàn)象目前的主流解決方案是設(shè)計反饋控制方案或壓力補(bǔ)償算法，但往往會增加成本，而且當(dāng)流量較大時，控制效果會下降。針對高精度的補(bǔ)償算法進(jìn)行研究是本領(lǐng)域的重要方向。

2.2 流量控制

流量控制是指先導(dǎo)結(jié)構(gòu)對通過主閥的流量進(jìn)行控制的功能。流量控制的方式可分為比例控制和通斷控制。比例控制是指通過反饋?zhàn)饔檬瓜葘?dǎo)結(jié)構(gòu)的壓力比例控制主閥芯的位移，進(jìn)而控制主閥的出口流量。應(yīng)用比例控制的典型閥門為先導(dǎo)式比例流量閥。通斷控制是先導(dǎo)結(jié)構(gòu)控制主閥芯的啟閉，其典型閥門為開關(guān)式先導(dǎo)閥和先導(dǎo)式截止閥。

為了獲得更優(yōu)的流量控制效果，研究對控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如表4所示。在實(shí)現(xiàn)比例控制時，經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)載壓力波動引起流量變化的現(xiàn)象。主流的解決方案有兩種，分別為提出新的控制方案及提升先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的控制功能。前者會增加功率消耗，但控制精度往往會比后者更好。在實(shí)現(xiàn)通斷控制時，目前主要限制在于對高壓大流量流體的控制效果不佳。

表4 流量控制的改進(jìn)案例

當(dāng)下實(shí)現(xiàn)流量的比例控制時仍會出現(xiàn)較大波動，還需繼續(xù)研究提高流量穩(wěn)定性的控制方案和控制算法。開關(guān)式先導(dǎo)閥允許通過的最大流量較小，但開關(guān)式先導(dǎo)閥具有與計算機(jī)連接方便的特點(diǎn)，利用開關(guān)式先導(dǎo)閥控制比例閥來替代數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)低成本精確比例控制，但目前研究較少。還需進(jìn)一步研究開關(guān)式先導(dǎo)閥對整體性能的影響及設(shè)計新的對主閥流量的控制方法。

2.3 方向控制

方向控制是指通過控制主閥芯的移動，進(jìn)而切換主閥通道的連通狀態(tài)，對流體流動方向進(jìn)行控制的功能。先導(dǎo)結(jié)構(gòu)和主閥的閥芯通常采用滑閥閥芯，有助于實(shí)現(xiàn)多通道的切換。方向控制根據(jù)對主閥芯移動的控制方式不同可分為比例控制和非比例控制，相對應(yīng)的典型先導(dǎo)式閥門分別為先導(dǎo)式比例方向閥和電磁先導(dǎo)換向閥。

在方向控制中，采用的滑閥閥芯在使用時存在一定范圍的死區(qū)，會出現(xiàn)響應(yīng)延遲。圖4中的遮蓋量是死區(qū)范圍。

圖4 滑閥死區(qū)范圍

針對比例控制，ZHANG等[41]在不改變閥門主要結(jié)構(gòu)的前提下，將先導(dǎo)結(jié)構(gòu)分成相同的兩部分，減小了滑閥的死區(qū)范圍，顯著提升閥的動態(tài)特性。楊浩等[42]利用4個開關(guān)閥組成先導(dǎo)系統(tǒng)來控制比例方向閥，提高了主閥芯的響應(yīng)速度和方向控制精度。陳俊翔等[43]提出了先導(dǎo)結(jié)構(gòu)變增益死區(qū)補(bǔ)償算法，提高了主滑閥閥芯的方向控制精度。張佳旭等[44]提出電流階躍和位置指令跳躍2種開啟時刻死區(qū)補(bǔ)償方案，死區(qū)時間減少87%以上。

針對非比例控制，吳萬榮等[45]提出了新的方向控制策略，通過反饋油路使主閥芯位移反饋到先導(dǎo)閥芯上，在高頻切換狀態(tài)下增大了主閥芯行程。

當(dāng)下對響應(yīng)延遲和換向速度慢等問題尚未有好的解決方案。研究中多采用改進(jìn)控制策略的方法對滑閥死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，但很難消除存在的死區(qū)，還增加了成本。未來可嘗試研究使用其他類型的閥芯代替滑閥閥芯進(jìn)行方向控制。此外，對新的方向控制策略進(jìn)行研究也是本領(lǐng)域的重點(diǎn)。

3 先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對先導(dǎo)式閥門性能的影響

為獲得更好的閥門性能，一方面可在先導(dǎo)結(jié)構(gòu)形式上進(jìn)行改進(jìn)，另一方面還可調(diào)整先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)。即使先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的組成相同，但若先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的參數(shù)選取不同，先導(dǎo)式閥門也會表現(xiàn)出截然相反的性能，其中最主要的就是靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

3.1 靜態(tài)特性

靜態(tài)特性是指在進(jìn)口壓力或進(jìn)口流量未發(fā)生變化時，穩(wěn)定流動狀態(tài)下先導(dǎo)式閥門所表現(xiàn)出來的性能。靜態(tài)特性主要考慮輸出壓力特性和主閥出口流量。輸出壓力特性指在穩(wěn)態(tài)工況下主閥輸出壓力的大小。主閥出口流量是指在穩(wěn)態(tài)工況下，即主閥芯開度穩(wěn)定時，通過主閥流量的大小。

表5總結(jié)了改變先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對主閥靜態(tài)特性的影響，其中，正相關(guān)是指隨著先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的增加，特性指標(biāo)的數(shù)值增大；負(fù)相關(guān)是指隨著先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的增加，特性指標(biāo)的數(shù)值減?。粺o影響是指改變這個參數(shù)對這個主閥性能指標(biāo)無影響；未知是指還未有該方面的研究。

表5 先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對靜態(tài)特性的影響

由表5可知，通過改變先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以同時獲得主閥穩(wěn)態(tài)時較高的輸出壓力值和較大的流量，但在先導(dǎo)式減壓閥中，若想獲得更好的減壓效果，需要降低主閥輸出壓力值，此時的靜態(tài)特性指標(biāo)之間就存在著矛盾，無法同時獲得最優(yōu)的控制效果。因此，需要根據(jù)不同的使用場合和不同的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)功能對先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選擇。

3.2 動態(tài)特性

動態(tài)特性是指當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)擾動或主閥出現(xiàn)階躍響應(yīng)時，先導(dǎo)式閥門所表現(xiàn)出來的性能，主要考慮壓力穩(wěn)定性和主閥響應(yīng)時間。

壓力穩(wěn)定性包括壓力過渡時間、主閥出口壓力波動頻率及主閥壓力超調(diào)量。壓力過渡時間是指從主閥穩(wěn)態(tài)壓力值0.9倍開始，到穩(wěn)態(tài)壓力增加5%和減小5%之間時所經(jīng)歷的時間。主閥出口壓力波動頻率是指主閥壓力波動一個周期的時間值的倒數(shù)。主閥壓力超調(diào)量是指主閥壓力的最大值與穩(wěn)態(tài)壓力的差。主閥響應(yīng)時間是指從主閥起始穩(wěn)態(tài)壓力與最大壓力差的0.1倍到0.9倍時的時間。

表6總結(jié)了先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對主閥動態(tài)特性的影響，表中使用的正相關(guān)、負(fù)相關(guān)、無影響、未知與表5表達(dá)的意思相同。由表6可知，同一種先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對不同的動態(tài)特性指標(biāo)的影響趨勢不同，通過改變先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)無法獲得全部的最優(yōu)解。

關(guān)于不同先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對同一種動態(tài)特性指標(biāo)的影響程度的研究仍處在初始階段。魏巍等[59]對先導(dǎo)比例電磁閥的輸出壓力特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)壓力超調(diào)量與響應(yīng)時間之間是互相矛盾的，先導(dǎo)閥芯直徑、先導(dǎo)彈簧預(yù)緊力、先導(dǎo)彈簧剛度、閥芯質(zhì)量對壓力超調(diào)量的影響程度依次減弱。

綜上所述，雖然不同學(xué)者對不同先導(dǎo)式閥門的動靜態(tài)特性建立了不同的模型，但是得到的同一種先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對動靜態(tài)特性指標(biāo)的影響基本一致。這是因?yàn)橄葘?dǎo)結(jié)構(gòu)對主閥的控制原理均相同，即使先導(dǎo)式閥門的種類不同，先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對主閥的影響趨勢也相同。對比表5和表6可知，靜態(tài)特性和動態(tài)特性之間的指標(biāo)也存在著矛盾。因此，為了使先導(dǎo)式閥門能更好地滿足系統(tǒng)的使用要求，在設(shè)計時需篩選出不同工況下最重要的指標(biāo)，對先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行選擇性的改進(jìn)。目前，對于先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對閥門性能影響的研究還不夠完整，表5和表6中還存在未知的影響效果。對于先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對閥門動靜態(tài)特性影響的分析大多針對先導(dǎo)式減壓閥和先導(dǎo)式溢流閥，其他閥門涉及較少。未來應(yīng)加強(qiáng)對其他類型先導(dǎo)式閥門動靜態(tài)特性的研究。

表6 先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對動態(tài)特性的影響

4 結(jié)論

先導(dǎo)結(jié)構(gòu)在先導(dǎo)式閥門中起著控制主閥啟閉的作用，若先導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)，會影響先導(dǎo)式閥門的正常使用，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)的安全運(yùn)行。本研究從先導(dǎo)式閥門的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)、先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的控制功能，以及先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對先導(dǎo)式閥門性能的影響三個方面，分析和總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者對先導(dǎo)式閥門的研究進(jìn)展，得到的結(jié)論與展望如下：

(1)先導(dǎo)式閥門的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動部件、彈簧組件、先導(dǎo)閥芯和阻尼孔。先導(dǎo)閥芯結(jié)構(gòu)以及阻尼孔的種類相比于驅(qū)動部件和彈簧組件對先導(dǎo)結(jié)構(gòu)性能的影響更大。目前，對電磁驅(qū)動的啟閉延遲、滑閥結(jié)構(gòu)的泄漏和死區(qū)問題尚未解決，對球形閥芯、插裝式閥芯和噴嘴擋板式閥芯的關(guān)注較少，其結(jié)構(gòu)尺寸對性能影響的研究尚在初始階段；

(2)先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用廣泛，其功能可分為壓力控制、流量控制和方向控制。在三種控制方式中，為了提升控制效果及穩(wěn)定性，均存在引入傳感器的反饋控制方案，但傳感器信號的獲取方式、控制精度、能耗及成本大小需要進(jìn)一步研究和評估。此外，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化是降低成本和提升控制效果的重要思路，未來應(yīng)繼續(xù)研究；

(3)先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對閥門動靜態(tài)性能的影響較大，但閥門靜動態(tài)指標(biāo)之間的關(guān)系往往并不統(tǒng)一，無法同時獲得全部指標(biāo)的最優(yōu)解。因此要根據(jù)使用場合以及使用要求的不同，選擇合適的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前對閥門動靜態(tài)性能的分析集中在先導(dǎo)式減壓閥和先導(dǎo)式溢流閥上，對其他類型的先導(dǎo)式閥門涉及較少；

(4)針對先導(dǎo)結(jié)構(gòu)組件，對電磁驅(qū)動高驅(qū)動力，低能耗和小體積的要求需要引起重視。結(jié)合固定節(jié)流和可調(diào)節(jié)流在先導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)出口及內(nèi)部設(shè)置阻尼網(wǎng)絡(luò)是研究重點(diǎn)。針對控制功能，壓力控制應(yīng)考慮形成與回座壓力有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計公式，并針對高精度的補(bǔ)償算法進(jìn)行研究。方向控制應(yīng)嘗試研究使用其他類型的閥芯代替滑閥閥芯進(jìn)行控制效果的研究。針對先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)對閥門動靜態(tài)特性的影響，對其進(jìn)行量化分析將是未來重要的研究方向。由此可得到對同一種特性參數(shù)影響最大的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)類型，這有助于更有針對性的設(shè)計。