数字液压阀及其阀控系统生长和展望

引言

液压传动具有功率密度比大、输着力大、易于实现直线运动等优点，因此广泛应用于工业液压以及工程

机械等领域。从1648年法国人帕斯卡(B.Pascal)提出静止液体压力通报的基本定律开始，至今已生长近

四个世纪。20世纪，控制理论与工程实践的飞速生长，为电液控制工程的进步提供了理论基础和技术支

持。随着微电子技术的不绝进步，微处理器、电子功率放大器、传感器与液压控制单位的相互集成，形

成了机械-电子-液压一体化产品，不但提高了系统的静态动态控制精度，并且提升了系统智能化水平及

可靠性和鲁棒性，提高了系统对负载、情况以及自身变革的自适应能力。进入21世纪，人力与能源成

本的提高，对工业生产、制造与加工的现代化和智能化要求越来越高。然而，液压元件的本钱远高于机

械传动元件。据统计，液压传动元件本钱高达40~80英镑/千克，而机械传动元件的平均本钱只有15英

镑/千克。现有液压元件另一个致命的弱点是效率低下。虽然一些液压泵和液压马达可以抵达97%以上

的效率，可是在负载端的利用效率却不高，大宗的能量以节流或者溢流的方法消耗掉。在挖机系统中，

甚至80%的能量耗散是在液压系统中。残酷的市场竞争与现实需求标明，液压传动如果想要生存下去，

必须开发与推广更高效、更低本钱的液压元件与液压系统。因此，在工业与研究领域，科研人员提出电

液流量匹配系统、负载口独立控制系统、二次调理系统、混淆动力系统、液压变压器和新型的液压泵与

液压阀等新研究偏向。

作为液压系统中最重要的控制元件，液压阀卖力实现整个系统的控制功效，是最敏感的元件，往往也是

最贵的液压元件。数值盘算仿真、动态响应剖析、线性或非线性建模等技术的应用使得液压阀的设计方

法与制造技术获得很大进步。数字阀的泛起是液压阀技术生长的最典范代表，其极大的提高了控制的灵

活性，直接与盘算机接口，无需D/A转换元件，机械加工相对容易，本钱低、功耗小，且对油液不敏感

。

目前，关于数字液压的界说海内外比较主流的看法有如下几种。坦佩雷理工大学(Tampere University

of Technology)的Matti Linjiama多年致力于数字液压元件的研究，他认为“Digital fluid power

means hydraulic and pneumatic systems having discrete valued component(s)actively

controlling system output”。海内学者从上世纪80年代开始研究数字液压元件和系统，一些研究人

员认为，数字液压技术是将液压终端执行元件直接数字化，通过接受数字控制器发出的脉冲信号和盘算

机发出的脉冲信号，实现可靠事情的液压技术，将控制还回给电，而数字化的功率放大留给液压。从以

上的主流看法可以将数字阀归结为狭义的数字阀(坦佩雷理工大学的看法)与广义的数字阀。据此，液压

元件具有流量离散化(Fluid flow discretization)或控制信号离散化(Control signal discretization)特征

的液压元件，称为数字液压元件(Digital hydraulic component)，具有数字液压元件特征的液压系统称

为数字液压系统(Digital hydraulic system)。

1 数字液压阀研究现状与生长

如图1所示为现有数字阀产品及分类。从现有的液压阀元件来看，狭义的数字阀特指由数字信号控制的

开关阀及由开关集成的阀岛元件。广义的数字阀则包括由数字信号或者数字先导控制的具有参数反响和

参数控制功效的液压阀。

从数字液压阀的生长历程可以将数字阀的研究分为两个偏向：增量式数字阀与

高速开关式数字阀。增量式数字阀将步进电机与液压阀相结合，脉冲信号通过驱动器使步进电机行动，

步进电机输出与脉冲数成正比的步距角，再转换成液压阀阀芯的位移。上世纪末是增量式数字阀生长的

黄金时期，以日本东京计器公司生产的数字调速阀为代表，海内外许多科研机构与工业界都相继推出了

增量式数字阀产品。然而，受制于步进电机低频、失步的局限性，增量式数字阀并非目前研究的热点。

高速开关式数字阀一直在全开或者全闭的事情状态下，因此压力损失较小、能耗低、对油液污染不敏感

。相关于古板伺服比例阀，高速开关阀能直接将ON/OFF数字信号转化成流量信号，使得数字信号直接

与液压系统结合。近些年来，高速开关式数字阀一直是行业研究热点，主要集中在电-机械执行器、高

速开关阀阀体结构优化及立异、高速开关阀并联阀岛以及高速开关阀新应用等方面。

1.1 高速开关电-机械执行器的生长

上世纪中期开始，关于高速开关电磁铁的研究就一直是高速开关阀研究的重点。英国LUCAS公司，美国

福特公司，日本Diesel Kiki公司，加拿大多伦多大学等对古板E型电磁铁进行革新，提高了电磁力与响

应速度。浙江大学研发了一种并联电磁铁线圈提高电磁力。试验显示电磁铁的开关转换时间与延迟都得

到了明显的缩短。芬兰Aalto工程大学(Aalto University School of Engineering)研究了5种软磁质料用

于电磁铁线圈的效果以及差别的匝数及尺寸对驱动力的影响。奥地利林茨大学(Johannes Kepler

University Linz)对因加工误差、摩擦力和装配倾斜造成的电磁铁性能差别进行了详细的剖析。

超磁滞伸缩质料与压电晶体质料的应用为高速开关阀的研发提供了新的思路。瑞典用超磁致伸缩质料开

发了一款高速燃料喷射阀。通过控制驱动线圈的电流，使超磁滞伸缩棒爆发伸缩位移，直接驱动使阀口

开启或关闭，抵达控制燃料液体流动的目的。这种结构省去了机械部件的联接，实现燃料和排气系统快

速、精确的无级控制。超磁致伸缩质料对温度敏感，应用时需要设计相应的热抑制装置和热赔偿装置。

中国航天科技集团公司利用PZT质料锆钛酸铅二元系压电陶瓷的逆压电效应，研发了一款由PZT压电材

料制作的超高速开关阀，如图2所示。该阀在额定压力10MPa下流量为8L/min，翻开关闭时间均小于

1.7 ms。压电质料脆性大，本钱高，输出位移小，容易受温度影响，因此其运用受到限制。浙江大学欧

阳小平等与南京工程学院许有熊等就压电高速开关阀大流量输出和疲劳强度问题设计了新的结构，并进

行了仿真与实验剖析。

美国Purdue大学研制了一种立异型的高速开关阀电-机械执行器EAC(Energy coupling actuator)，如

图3所示。其包括一个连续运动的转盘和一个压电晶体耦合装置。转盘一直在顺时针运动，通过左右两

个耦合机构分时耦合控制主阀芯的启闭。试验标明5ms内抵达2mm的输出行程。

1.2 高速开关阀阀体结构优化与立异

高速开关阀常用的阀芯结构为球阀式和锥阀式。浙江大学周盛研究了差别阀芯阀体结构液动力的影响及

赔偿要领。通过对阀口射流流场进行试验研究，对流场内气穴现象及压力漫衍进行视察和丈量。美国

BKM公司与贵州红林机械有限公司相助研爆发产了一种螺纹插装式的高速开关阀(HSV)，使用球阀结构

，通过液压力实现衔铁的复位，制止弹簧复位时由于疲劳带来复位失效的影响。推杆与疏散销可以调理

球阀开度，且具有自动对中功效。该阀接纳脉宽调制信号(占空比为20%~80%)控制，压力最高可达

20MPa，流量为2~9L/min，启闭时间≤3.5ms。该高速开关阀代表了海内工业化高速开关阀的先进水

平，如图4所示。

美国Caterpillar公司研发了一款锥阀式高速开关阀，如图5所示。该阀的阀芯设计为中空结构，降低了

运动质量，提高了响应速度与加速度。其将复位弹簧从衔铁位置移动至阀芯中间部位，使得阀芯在尾部

受到电磁力，中间部位受到弹簧回复力，在运动历程中越发稳定。可是此设计使得阀芯前后座有较高的

同轴度要求，初始气隙与阀芯行程调理较难，加工难度高，制造本钱大。该阀开启、关闭时间为1ms左

右，目前已经在电控燃油喷射系统中获得运用。美国Sturman Industries公司开发了基于数字阀的电喷

系统，其系统所用高速开关阀最小响应时间可达0.15ms。

除了接纳古板结构的高速开关阀，新型的数字阀结构一ㄇ研究的重点。明尼苏达大学(University of

Minnesota)设计了一种通过PWM信号控制的高速开关转阀，如图6所示。该阀的阀芯外貌呈螺旋形，

PWM信号与阀芯的转速成比例。古板直线运动阀芯运动需要克服阀芯惯性而造成的电机械转换器功率

较大，而该阀的驱动功率与阀芯行程无关。从实验结果可知，在试验压力小于10 MPa的情况下，该阀

流量可以抵达40L/min，频响100Hz，驱动功率30 W。

浙江工业大学在2D电液数字换向阀方面展开研究，如图7所示。其利用三位四通2D数字伺服阀，在阀套

的内外貌对称的开一对螺旋槽。通过低压孔、高压孔与螺旋槽组成的面积，推动阀芯左右移动。步进电

机通过传动机构驱动阀芯在一定的角度规模内转动。该阀利用旋转电磁铁和拨杆拨叉机构驱动阀芯作旋

转运动;由油液压力差推动阀芯作轴向移动，实现阀口的高速开启与关闭。当用旋转电磁铁驱动时，在

28 MPa事情压力下，阀芯轴向行程为0.8mm，开启时间约为18ms，6mm通径阀流量高达60L/min。

1.3 高速开关阀并联阀岛研究

上述研究都是针对数字信号控制的高速开关阀。然而，由于阀芯质量、液动力和频响之间的相互制约关

系，单独的高速开关阀都面临着压力低、流量小的限制，在挖掘机、起重机工程机械上应用还具有一定

的局限性。为解决在大流量场合情况下的应用问题，外洋研究机构提出了使用多个高速开关阀并联控制

流量的数字阀岛结构。以坦佩雷理工大学为代表，丹麦奥尔堡大学(Aalborg University)与巴西圣卡塔

琳娜州联邦大学(Federal University of Santa Catarina)都在这方面有深入的研究。

坦佩雷理工大学(Tampere University of Technology)研究的SMISMO系统。接纳4*5个螺纹插装式开

关阀控制一个执行器，使油路从P-A，P-B，A-T，B-T处于完全可控状态，每个油路包括5个高速开关阀

，每个高速开关阀后有巨细差别的节流孔，如图8所示。通过控制高速开关阀启闭的逻辑组合，实现对

流量的控制。通过仿真和实验研究，接纳SMISMO的液压系统越发节能。

由此生长的DVS(Digital hydraulic valve system)将数个高速开关阀集成标准接口的阀岛，如图9所示

。其接纳层合板技术，把数百层2mm厚的钢板电镀后热处理融合，解决了高速开关阀与标准液压阀接

口匹配的问题。目前，已经乐成的在一个阀岛上最高集成64个高速开关阀。关于数字并联阀岛，最新的

研究进展关注在数字阀系统的容错及系统中单阀的故障对系统性能的影响。

1.4 高速开关阀应用新领域

高速开关阀的快速性和灵活性使得其迅速应用在工业领域。目前在汽车燃油发动机喷射、ABS刹车系统

、车身悬架控制以及电网的切断中，高速开关阀都有着广泛的应用。维也纳技术大学(Vienna

University of Technology)将高速开关阀应用于汽车的阻尼器中，剖析了接纳并联和串联计划的区别。

并且通过实验与古板阻尼器的性能进行比照，比较结果说明了数字阀应用的优点。

英国巴斯大学(University of Bath)利用流体的可压缩性以及管路的感抗效应建立了SID(Switched

inertance device)以及SIHS系统。其最主要的元件为两位三通高速开关阀和一细长管路，如图10所示

。SIHS系统有两种模式：流量提升和压力提升，压力的升高对应流量的减小，反之流量的增加对应压力

的降低。在流量提升时，首先是高压端与事情油口联通使得在细长管路内的流体速度升高。高速开关阀

此时快速切换使得低压端与事情油口联通，因为细长管在液压回路中呈感性，会将流量从低压端拉入细

长管，实现提高流量降低压力的效果。关于压力提升，供油端通过细长管与高速开关阀相连。初始细长

管与事情油口相连，高速开关阀换向使得细长管的出口连接回油端。因回油压力远小于供油压力，此时

细长管中的流体开始加速。今后再将高速开关阀切换到初始位置，因流体的可压缩性使得事情油口的压

力升高。通过仿真和实验证实了使用高速开关阀快速切换性带来压力和流量提升的正确性。功率剖析结

果与实验标明，如果进一步提高参数优化和控制方法，此计划能够提升液压传动效率。

将高速开关阀作为先导级控制主阀的运动，获得高压大流量是目前工业界研究和推广的重点。Sauer-

Danfoss公司开发了PVG系列比例多路阀，其先导阀接纳如图11所示电液控制�？�(PVE)，将电子元件

、传感器和驱动器集成为一个独立单位，然后直接和比例阀阀体相连。电液控制�？�(PVE)包括4个高速

开关阀组成液压桥路控制主阀芯两控制腔的压力。通过检测主阀芯的位移爆发反响信号，与输入信号做

比较，调理4个高速开关阀信号的占空比。主阀芯抵达所需位置，调制停止，阀芯位置被锁定。电液控

制�？�(PVE)控制先导压力为13.5×105Pa，额定开启时间为150ms，关闭时间为90ms，流量为

5L/min。

Parker公司所生产的VPL系列多路阀同样接纳这种先导高速开关阀计划，区别是使用两个两位三通高速

开关阀作为先导，如图12所示。其先导控制接纳PWM信号，额定电压/电流为12V/430mA或24

V/370 mA，控制频率为33Hz

2 数字阀控制技术

阀控液压系统依靠控制阀的开口来控制执行液压元件的速度。液压阀从早期的手动阀到电磁换向阀，再

到比例阀和伺服阀。电液比例控制技术的生长与普及，使工程系统的控制技术进入了现代控制工程的行

列，组成电液比例技术的液压元件，也在此基础上有了进一步生长。古板液压阀容易受到负载或者油源

压力波动的影响。针对此问题，负载敏感技术利用压力赔偿器坚持阀口压差近似稳定，系统压力总是和

最高负载压力相适应，最大限度地降低能耗。多路阀的负载敏感系统在执行机构需求流量凌驾泵的最大

流量时不可实现多缸同时操作，抗流量饱和技术通过各联压力赔偿器的压差同时变革实现各联负载事情

速度坚持原设定比例稳定。

数字阀的泛起，其与传感器、微处理器的紧密结合大大增加了系统的自由度，使阀控系统能够更灵活的

结合多种控制方法。

数字阀的控制、反响信号均为电信号，因此无需特别梭阀组或者压力赔偿器等液压元件，系统的压力流

量参数实时反响控制器，应用电液流量匹配控制技术，凭据阀的信号控制泵的排量。电液流量匹配控制

系统由流量需求命令元件，流量消耗元件执行机构，流量分派元件数字阀，流量爆发元件电控变量泵和

流量盘算元件控制器等组成。电液流量匹配控制技术接纳泵阀同步并行控制的方法，可以基本消除古板

负载敏感系统控制中泵滞后阀的现象。电液流量匹配控制系统致力于结合古板机液负载敏感系统、电液

负载敏感系统和正流量控制系统各自的优点，充分发挥电液控制系统的柔性和灵活性，提高系统的阻尼

特性、节能性和响应操控性。

相关于古板液压阀阀芯进出口联动调理、出油口靠平衡阀或单向节流阀形成背压而带来的灵活性差、能

耗高的缺点，目前海内外研究的高速开关式数字阀基本都使用负载口独立控制技术，从而实现进出油口

的压力、流量划分调理。瑞典林雪平(Linkping)大学的Jan Ove Palmberg教授凭据Backé教授的插装

阀控制理论首先提出负载口独立控制(Separate controls of meter-in and meter-out orifices)看法。

在液压执行机构的每一侧用一个三位三通电液比例滑阀控制执行器的速度或者压力。通过对两腔压力的

解耦，实现控制目标速度控制。别的，在负载口独立偏向阀控制器设计上，接纳LQG最优控制要领。在

其应用于起重机液压系统的试验中获得了良好的压力和速度控制性能。丹麦的奥尔堡(Aalborg)大学研

究了独立控制战略以及阀的结构参数对负载口独立控制性能的影响。美国普渡(Purdue)大学用5个锥阀

组合，研究了鲁棒自适应控制战略实现轨迹跟踪控制和节能控制。其中4个锥阀实现负载口独立控制功

能，一其中间锥阀实现流量再生功效。德国德累斯顿工业大学(Technical University Dresden)在执行器

的负载口两边划分使用一个比例偏向阀和一个开关阀的结构，并研究了阀组的并联串联以及控制参数对

执行器性能的影响。德国亚琛工业大学(RWTH Aachen University)研究了负载口独立控制的种种方法

，并提出了一种单边出口控制战略。美国明尼苏达(Minnesota)大学设计了双阀芯结构的负载口独立控

制阀，并对其建立了非线性的数学模型和仿真。海内学者从20世纪90年代开始对负载口独立控制技术

进行深入研究，浙江大学、中南大学、太原理工大学、太原科技大学、北京理工大学等均在此技术研究

与工程应用方面取得相关进展。

负载口独立控制系统，如图13所示，其优点主要体现在：负载口独立系统进出口阀芯可以划分控制，因

此可以通过增大出口阀阀口开度，降低背腔压力，以减小节流损失;由于控制的自由度增加，可凭据负载

工况实时修改控制战略，所有事情点均可抵达最佳控制性能与节能效果;使用负载口独立控制液压阀可以

便当替代多种阀的功效，使得液压系统中使用的阀种类减少。

电液比例控制技术、电液负载敏感技术、电液流量匹配控制技术与负载口独立控制技术的研究和应用进

一步提高了液压阀的控制精度和节能性。数字液压阀的生长一定会与这些阀控技术相结合以提高控制的

精确性和灵活性。

3 可编程阀控单位

以高速开关阀为代表的数字流量控制技术接纳数字信号控制阀或者阀组，使得阀控系统输出与控制信号

相应的离散流量。高速开关阀只有全开和全关两种状态，节流损失大大减小;增加了控制的灵活性和功效

性;阀口开度牢固，对油液污染的敏感度降低。然而，正因为这些特性，这种数字阀要大规模的应用于工

业，另有许多问题需要解决：首先，高速开关阀在开启和关闭的瞬间，对系统造成的压力尖峰和流量脉

动，执行器的运动泛起不连续的现象。其次，高速开关阀的响应必须进一步提高，稳定长时间的切换寿

命也是必须的。第三，在数字阀岛的应用中，所选择的高速开关阀的启闭需要同步。在数字流量控制技

术生长成熟之前，外洋一些厂家综合了数字信号控制的灵活性以及比例阀在高压大流量工业场合的成熟

应用，开发出阀内自带压力流量检测方法，结合电液流量匹配控制技术与负载口独立控制技术，阀的功

能依靠盘算机编程实现的可编程阀控单位(Programmable valve control unit)。

伊顿(Eaton)公司开发的ZTS16系列多路阀，额定压力是35 MPa，单片流量为130L/min，单个阀最多

包括6片阀，12个阀芯，如图14所示。接纳CAN总线进行通讯，每片阀自带DSP数字信号处理器完成信

号的收罗与上位机信号的处理，生成相应的PWM数字信号，直接驱动先导音圈电机事情。该阀每个工

作油口自带溅射薄膜压力传感器，每个阀芯装有LVDT位移传感器，能够将事情油口的压力流量情况实

时的反响至DSP，实现压力流量的完全可控。该阀接纳负载口独立控制技术，使得执行器的行动越发灵

活。阀的功效完全通过编程来实现，不必添加其他压力赔偿元件或者先导回路即可实现压力控制或者流

量控制及事情模式的切换。关于多执行器的应用场合，可以通过程序实现负载敏感和三种抗流量饱和的

计划。目前已在JCB、Deere、DAWOO、CASE等公司的挖掘机、叉车和装载机上示范应用。

Husco公司研发了接纳螺纹插装阀结构的EHPV液压阀，接纳双向两位控制阀，且带压力赔偿机构，如

图15所示。通过4个阀组形成的液压桥式回路控制执行器端口的运动状态。该阀使用CANJ1939总线进

行信号的通报和控制，可以凭据操作者的指令，通过执行器端口的压力来调理阀的开度。使用该阀可以

省去平衡阀组，使得系统的控制功效增加。在庞大运动控制中，接纳协调控制算法，提高了操作者的操

作效率。EHPV的PWM控制信号频率为100Hz，额定压力为350×105Pa，有75 L/min、150 L/min和

800L/min三种规格。佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的Amir Shenouda对其应用

在小型挖掘机上的性能进行了实验[67] 。其实验特点在于，将装有插装阀阀组的集成阀块装置在近执行

器端，制止了液压管路对控制系统的影响和液压容腔对控制性能的延迟作用。关于EHPV可编程阀在流

量模式切换上和节能性方面的优点给予了理论和实验证明。另外，此系列阀还应用于JLG公司的登高车

上，并进行了系列化生产，动臂下降速度增加12%，泄漏点减少27%，流量增加25%，系统稳定性增加

[68] 。

虽然可编程阀控单位(Programmable valve control unit)并不可算严格意义上的数字阀，但其接纳数字

信号直接控制，能够实现高压大流量的应用。内置传感器且与数字控制器相配合使用。通过程序，可以

自主的决定阀的功效，使得多种多样的功效阀和先导阀可以用同一种阀控单位的形式替代。在数字液压

元件真正工业化之前，是现有工业应用升级换代和研究的重要偏向。关于可编程阀控单位的研究，目前

的研究重点在于：①嵌入式传感器技术与数字信号处理技术;②控制战略开发与古板功效阀等效技术;③

负载功率匹配和多执行器流量分派控制技术。

4 总结与展望

液压阀的生长经历了如图16所示生长历程，从最开始手动控制只有油路切换功效的液压阀到接纳数字信

号能够进行压力流量闭环控制的可编程阀再到流量离散化的数字阀，这些元件的爆发是液压、机械、电

子、质料、控制等学科交叉生长的结果。而液压阀的智能化与数字化又增进了工业设备及工程机械的自

动化、控制智能化、能量利用效率

数字阀的生长和应用可以使从事液压领域事情的技术人员和研究人员从庞大的机械结构和液压流道中解

放出来，专注于液压功效和控制性能的实现。与传感器及控制器相结合，可以通过程序与数字阀的组合

简化现有庞大的液压系统回路。�？榛氖址枰洳问⒐娓裼虢涌谕骋�，让液压系统的设计与电

路设计一样标准化。

数字阀的重要应用就是利用其高频特性抵达快速启闭的开关效果或者生成相对连续的压力和流量。目前

，接纳新形式、新质料的电-机械执行器，降低阀芯质量和合理的信号控制方法，使得数字阀的频响提

高，应用规模越来越广。然而，关于高压力、大流量系统，普遍保存电-机械转换器推力缺乏、阀芯启

闭时间保存滞环等问题。因此，在确保数字阀稳定性的情况下如何提高响应，尤其是在高压大流量的液

压系统中的使用一直是数字阀的研究重点。

随着人类社会责任感的提高，工业界能量利用效率、对情况的影响都是亟需关注的问题。不可做到节能

减排的工业必将会被替代和淘汰。相对而言，液压传动的效率并不高，但这也恰恰说明其具有较大的提

升空间。与新型的控制方法与电子技术相结合，数字阀事情的历程可以监控其事情端的压力流量参数、

减少背压、凭据工况反响调理泵参数甚至发动机的参数，以抵达节能效果。

本文从液压传动领域面临的机缘与挑战出发，说明研发数字液压元件的重要性。从海内外主流的看法中

总结对数字液压元件的界说。分四个方面(电-机械执行器、高速开关阀阀体结构优化及立异、高速开关

阀并联阀岛、高速开关阀新应用)介绍了数字阀研究和生长偏向。同时，关于数字阀元件接纳的新型阀控

系统，特别论述了负载口独立控制技术的原理、优点。最后，目前高速开关阀目前很少应用在高压大流

量系统中的问题，提出了一种数字信号控制的可编程阀。其综合了数字信号控制与高压大流量的特点，

是工业领域的应用的重要偏向。新技术的泛起和与其他领域生长结果相结合，使得数字阀的加工制造成

本的下降，控制方法越发智能，其应用必将越发普及，关于提高液压技术的生长具有至关重要意义。

- 本文出自爱液压论坛

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