刘国文，金亮亮，路 瑶，左希庆

（1.湖州职业技术学院 机电与汽车学院，浙江 湖州313000；2.嘉兴恒创电力设计研究院有限公司 明绘分公司，浙江 嘉兴314000）

摘 要：电液比例换向阀控制着液压油路的开关及切换，它由比例电磁铁和阀体两部分组成，在滞环、重复精度等主要稳态特性上已与伺服元件相当，对油液过滤精度要求低，阀压力内损小，且价格低，其性能接近开关阀，已成为液压元件必不可少的重要组成部分，在工程领域应用日益广泛。该文介绍了比例电磁铁的发展概况，概述了几种典型换向阀的原理结构，最后展望了电液比例换向阀的应用及发展趋势。

关键词：比例电磁铁；电液；工作原理；研究现状

引言

在电液比例控制系统中，电液比例控制阀是主要的控制元件。电液比例控制阀的应用关系到系统整体性能的好坏，因此国内外学者对电液比例控制阀的研究非常重视。它通常有电液比例压力阀、电液比例流量阀、电液比例换向阀和电液比例复合阀三种类型。其中电液比例换向阀的研究最为广泛，这是由于油路开关、切换在液压系统中最为普及，且电液比例换向阀兼有换向、节流双重功能。

从20世纪90年代的中后期以来，随着挖掘机等移动行走式工程机械的大量投入使用，其节能要求日益迫切，移动型液压设备的控制性能和精度要求愈来愈高，电液比例换向阀的发展对于提高液压系统整体控制精度、远距离控制和遥控等方面，应用前景广阔。

1 发展现状

1.1 比例电磁铁

电液比例换向阀在工程领域中的应用和功能日益突出，其中电-机械转换器（即比例电磁铁）功不可没，具有推力大、结构简单、价格低及性能可靠等优点，比例电磁铁是电液比例换向阀的重要组成部分，且对整个电液比例控制系统的发展都有着十分重要的影响。

图1是极化式双向比例电磁铁。控制线圈、励磁线圈分别在它两边，两侧通电后产生磁场。左、右对称有两个线圈，通励磁电流后，左右两线圈产生相等磁力，但方向相反，因此不输出力；控制线圈接通后，左右总磁通量变化，衔铁受力失衡，产生输出力，其值与控制电流成比例。

图1 耐高压双向比例电磁铁

图2为套管双向比例电磁铁结构原理。其线圈左右并行排列，中间有隔磁环分隔，左右任一线圈通电后驱使衔铁轴向左右运动，该电磁铁尤其适合插装阀。

图2 套管式双向比例电磁铁

1.2 直动式电液比例换向阀

直动电液比例换向阀结构如图3所示，比例电磁铁输出推力，作用在弹簧上，弹簧调整到最佳线性段位置，从而将推力线性转换成阀心位移，输入电流比例控制阀口开度。但在高压时，其稳态液动力变大，阀比例特性显著下降。直动电液比例换向阀的控制方式比较简单。

图3 直动式电液比例换向阀

工程中一般采用电反馈来提高其控制精度和动态性能，其方法为：先由位移传感器检测阀心位移，并反馈给比例放大器，在很大程度上提高了阀芯的定位刚度和控制精度。

1.3 先导式电液比例换向阀

当高压、大流量工况时，阀心上稳态液动力增大，但由于磁饱和作用，比例电磁铁输出推力受限，从而限制了电液比例换向阀的过流能力，不能用于高压大流量的工况，一般需采用导控技术来克服液动力对主阀的干扰，获得足够的稳定裕度，保证负载变化时系统稳定工作。

先导阀可详细分为以下几种

1）不带内反馈闭环型先导式电液比例换向阀

该阀结构见图4，它是一个位置开环控制系统，先导级与功率级之间无反馈，电信号由比例放大器放大，作用在比例电磁推杆上，所形成的推力驱动先导阀心，先导阀输出液压力，驱动主阀心轴向运动，直到主阀液动力与弹簧力平衡，主阀心静止，其位移比例电磁铁输入电流成比例。

图4 双作用减压阀先导比例换向阀

2）带内反馈闭环型先导式电液比例换向阀

（1）直接位置反馈型。直接位置反馈型见图5。两级阀心都是四边滑阀控制结构，不同的是，先导阀心包在主阀心内，主阀上有一弹簧杆，用来转换比例电磁铁驱动力，同时对中两级阀心。初始时，主阀芯径向孔与先导阀心四控制边对齐，先导阀心输出压力，并与主阀心上敏感腔相联。两级之间通过位置闭环反馈，因此该阀是位置随动系统。

图5 直接位置反馈型比例换向阀

（2）位移-力反馈型。结构原理见图6。先导级主要包括两单边控制滑阀，主阀为四控制边滑阀，在主阀两端有一对弹簧，起对中作用，中部反馈弹簧杆由先导阀心平头夹住，用来转换两级阀心位移。

图6 级间位移-力反馈型比例换向阀

（3）位移-电反馈型。近年来传感器、微电子技术飞速发展，高精度控制的集成机电一体化元件层出不穷。其应用简便，结构简单，性能可靠、成本和使用期限能满足大多工业使用要求。为进一步提高电液比例换向阀的控制精度，多应用位移-电反馈控制方式。

图7为主级带位移-电反馈比例换向阀。其先导级由全桥正开口型四控制边滑阀组成，用控制双向作用阀主阀心。主阀心上固联位移传感器，检测位移信号经控制器转为可识别电信号，反馈给比例放大器，形成闭环位置检测控制。主阀不设对中弹簧，工作中阀芯靠电信号对中，通电流时，偏差信号（为输入信号减反馈信号）控制先导级构成A型半桥，驱使阀心运动，控制器比较检测与给定信号，直到二者相等，达到强制定位的目的。

图7 主级带位移-电反馈比例换向阀

双级位移-电反馈比例方向阀如图8所示，一级位移传感器安装在先导阀比例电磁铁上，二级安装在主阀心左端，电机械转换器为单位置调节型比例电磁铁，极大提高了该阀的工作可靠性和动态品质，先导阀同样无对中弹簧，但可通过机械结构实现先导阀心自动调零。

图8 双级位移-电反馈型比例换向阀

1.4 2D电液比例换向阀

2D阀控制技术是液压行业中一种新兴阀控技术，它将阀心的旋转与轴向运动结合为一体，实现高压大流量控制，是一种比较先进的阀控方式。近年来，2D控制技术应用于电液比例换向阀上，研发出一系列2D电液比例换向阀。它主要包括比例电磁铁、压扭联轴器与2D换向阀三部分，压扭联轴器作为力与位移之间的转换元件，实现电磁铁推杆直线运动与阀芯旋转运动的转换，同时放大其推力，该装置创造性的应用于电液比例换向阀，可有效克服阀心与阀心孔之间的摩擦力，提高阀的比例特性；先导级和功率级融合为一体，简化了结构，并极大提高了阀芯的轴向定位刚度。

图9中所用的是弹性双向压扭联轴器，而图10和图11是刚性单向压扭联轴器。弹性压扭由簧片复位，摩擦力的非线性影响小，静态特性和稳定性良好，但簧片材质较软，不能传递大的扭矩，且线性度和重复精度较差；刚性压扭联轴器的定位精度和刚度较高，且预紧弹簧的使用（消除间隙）增大了自身摩擦力，不利于滞环特性的提高。

图9 弹性压扭型2D电液比例换向阀

图10 大流量2D电液比例换向阀

图11 小流量低功耗2D电液比例换向阀

结合上述三种阀的优缺点，又研发了滚轮压扭型2D电液比例换向阀，如图12所示，其压扭联轴器兼具两者优点，克服其不足，且滚轮为点接触滚动，减小机械摩擦力，提高了比例特性，直槽敏感通道简化了加工工艺，降低了加工成本并提高了抗污染能力。

图12 滚轮压扭型2D电液比例换向阀

2 创新结构

由于电液比例换向阀在工程控制领域的重要性日益凸显，国内外学者对其性能的改进和结构的创新进行了大量研究与探索：瑞典林雪平大学的Anderson教授提出了一种流量反馈二通流量阀，见图13，压力小槽开设在主阀心表面，利用液阻桥路控制原理，控制主阀心位移变化，同时主阀敏感腔的压力由该液阻和导阀构成的液阻半桥控制着，主阀心由于受力平衡，保持位置不变，进出口压力成比例关系变化。但其特性受温度变化影响较大，实际中常采用电反馈手段来获得较好比例特性。

图13 流量闭环控制型先导比例阀

太原理工大学在图13基础进行改进，将其原理应用在双向三通、四通比例换向阀上。

另外，权龙教授借鉴博世力士乐多路阀的结构原理，研发出位移-流量反馈型比例换向阀。其先导和功率共用阀体，先导级是二通插装阀，可达到位移-流量闭环反馈目的，结构原理如图14所示。

图14 流量闭环控制先导比例换向阀

3 前景与展望

电液比例换向阀主要发展趋势为：

1）高精度、高可靠性

电液比例控制技术价格低、性能可靠、控制精度和响应特性高；通常采用电反馈方案，即可提高阀的控制精度，但液压系统中外部影响因素较多，电反馈性能精度不能保证，加之微电子和传感器技术飞速发展，机电液一体化集成元器件的不断涌现，为降低电液伺服技术成本提供了可能，因此，高精度和高可靠性仍然是电液比例换向阀的主要发展方向。

2）高压小型化

液压系统以其输出力大、功率密度高而著称，其关键指标在于采用高压。液压系统压力越高，液压元件的体积就可以做的越小、重量做的越轻，而电液比例控制系统在工程机械等移动设备中的使用也日益广泛，从节能和实用角度来看，高压小型化也是其是发展的必然趋势。而小型化的主要方式之一是插装型电液比例换向阀。

3）高频响、大流量

电液比例控制系统如果要全面替代电液伺服系统，其频率响应与伺服系统还有一定差距，随着微电子集成技术的飞速发展，工业生产中的液压控制系统对电液比例换向阀频宽和流量也提出了更高的要求，作动系统的载荷变得越来越大、作动速率也变快，随着高集成化的机电液一体化器件的发明生产，大流量、高频响电液比例换向阀也成为替换电液伺服阀的发展方向。