一种高速脉冲阀动态特性

　　0 前言

　　现有的高速阀存在高频响与高压、大流量之间的矛盾[1]，解决该矛盾是提高高速阀性能的关键。为了实现高响应大流量，此类高速阀普遍采用了多级组合的结构。

　　在主阀采用插装式阀的结构^[2-4]中，一般采用两级形式，主阀阀芯的开关动作速度完全依赖于先导阀工作性能，而作为先导阀的高速开关阀流量普遍偏小^[3,5]，影响了主阀芯的开关响应性能，尤其是关阀过程响应较慢^[5]。在采用滑阀形式的大流量伺服阀中，为同时达到高响应的要求，其结构普遍采用三级形式^[6]，且不同级阀芯动作间是严格的串行关系，即先导级控制次阀芯运动，而次级控制主阀芯运动。对于传统液压脉冲阀^[7]，其功能以提供压力脉动为主，频率响应较低，流量需求不高。结合液压自由活塞发动机活塞高速运动控制对控制阀高响应大流量的要求，同时考虑到活塞压缩冲程受到了一定的阻力^[8-10]，即控制阀造成的压力损失要求尽量小，本文给出了一种三级高速脉冲阀结构，具有阀芯动作速度快、开阀瞬间开度大和关阀过程稳定可靠的特点，为液压自由活塞发动机活塞运动控制提供了基本的硬件支持。

　　1 动作过程

　　1.1 基本结构

　　三级高速脉冲阀基本结构如图1 所示，其主体由主阀、次阀和先导阀构成。主阀和次阀均为插装式锥阀，以利用其密封性好、过流能力和抗污染能力强的优点^[11]，先导阀是两位三通高速电磁阀，其特点是额定流量小但响应快。

　　在所设计的高速脉冲阀中，次阀叠加在主阀之上。主阀芯与次阀芯之间有微小的间隙，以确保主阀和次阀都能可靠关闭。主阀和次阀回位弹簧所在容腔相连通并共同构成了高速脉冲阀的背压腔。次阀的背压腔排油口与主阀出油口连接，在次阀关闭时，背压腔排油口与背压腔断开。

　　根据高速脉冲阀不同的工作环境，其有两种连接方式：共压连接——先导阀进油口和主进油口使用同一压力的液压油，此种连接下主阀芯的关闭动作快慢与其控制件运动状态有关;差动连接——先导阀进油口和主进油口使用不同压力的液压油且背压腔工作压力高，此种连接阀芯开关过程与其控制件运动状态无关。

　　1.2 工作原理

　　高速脉冲阀工作过程可以分为开启和关闭两个过程。当先导阀换位并通过先导阀回油口泄压时，背压腔压力降低，随着背压腔压力的减小，主阀芯可在主进油口压力作用下缓慢开启，此时主阀芯与次阀芯之间还有微小间隙，主阀芯开度较小;当主阀芯运动到与次阀芯相接触后，依靠主进油口压力产生的巨大作用力，主阀芯将和次阀芯一起向开启方向运动，此时主阀和次阀的背压腔压力油将通过背压腔排油口迅速泄流到主出油口，主阀芯的开启速度将迅速增大，此时主阀芯完成了开启过程。当先导阀换位回到初始状态时，高速脉冲阀将重复开启过程的逆向过程。