隨著氣動(dòng)技術(shù)的普遍使用，一臺(tái)機(jī)器上往往需要大量的電磁閥，由于每個(gè)閥都需要單獨(dú)的連接電纜和管路，因此如何減少連接電纜與管路就成為了一個(gè)不容忽視的問題,通常采用的集成氣路板安裝方式已不能滿足要求了。由此，F(xiàn)esto公司率先發(fā)明了新一代的電氣一體化智能控制元件—閥島，它從根本上簡(jiǎn)化了氣動(dòng)系統(tǒng)接口的硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性，并完善了系統(tǒng)的功能[1] [2]。
雖然**代閥島的問世距今已有二十年的時(shí)間，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于閥島的研究卻非常有限，國(guó)內(nèi)的氣動(dòng)廠家?guī)缀踹€沒有推出過成熟的閥島產(chǎn)品，比起國(guó)外產(chǎn)品的電氣一體化設(shè)計(jì)或是模塊化設(shè)計(jì)還有很大的距離。而與此同時(shí)，閥島產(chǎn)品也越來越得到廣大用戶的認(rèn)可，得到越來越大的市場(chǎng)份額，早在91年Festo推出02型閥島時(shí)，它的銷量就已達(dá)到數(shù)十萬套。而國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)卻一直依賴于進(jìn)口的閥島產(chǎn)品，同時(shí)由于其高昂的售價(jià)，許多中小企業(yè)用戶對(duì)閥島都敬而遠(yuǎn)之，使閥島的銷售在國(guó)內(nèi)氣動(dòng)市場(chǎng)所占的份額非常的小，與國(guó)外閥島銷售占主體的情況截然相反，這樣的局面亟待改變。因此，閥島技術(shù)的研究有著積極的意義和廣闊的市場(chǎng)前景[3]。
1 閥芯密封結(jié)構(gòu)的確定
圖1 傳統(tǒng)氣動(dòng)滑閥過盈密封的結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的氣動(dòng)滑閥所采用的過盈密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，其密封圈安裝在閥芯上，隨之帶來的問題是對(duì)閥體加工精度的要求較高，尤其是閥體臺(tái)階的圓角部分。因?yàn)樗c密封圈是過盈配合，如果加工達(dá)不到要求就會(huì)切掉密封圈，大大縮短閥的使用壽命。而在內(nèi)孔壁上加工這樣高要求的圓角是很有難度的，工藝也比較復(fù)雜[4]。
在研究了幾種國(guó)外的緊湊型閥島之后，我發(fā)現(xiàn)了幾種全新的過盈密封結(jié)構(gòu)，它們的密封圈不再安裝于閥芯上，而是通過不同的緊固件安裝在閥體上。采用這樣的結(jié)構(gòu)就可以避免閥體臺(tái)階圓角的加工，只需要對(duì)閥芯臺(tái)階圓角的加工提出要求。而閥芯上圓角的加工要遠(yuǎn)遠(yuǎn)簡(jiǎn)單于閥體上圓角的加工，這樣既可以簡(jiǎn)化加工的工藝，又可以大大提高閥的使用壽命，可謂一舉兩得。
圖2 新型閥芯過盈密封的結(jié)構(gòu)
*終在綜合考慮了加工和裝配的難易程度以及**保護(hù)之后，選擇并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)出了如圖2所示的閥芯密封結(jié)構(gòu)。它采用前后兩個(gè)閥套來固定和保護(hù)密封圈，而且閥套和密封圈的安裝與更換也十分方便，因?yàn)樗鼈儾⒎鞘峭ㄟ^過盈配合來固定的，所以與閥體之間幾乎沒有摩擦力，只需要把閥套和密封圈按次序放入或取出閥體即可。
1 先導(dǎo)閥的選擇
緊湊型閥島因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)緊湊、空間有限，難以采用大功率的電磁鐵，所以一般采用低功耗的電磁鐵加上先導(dǎo)氣控的形式，因此，先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)往往決定了氣路的布局和閥片的整體結(jié)構(gòu)。
圖3 Festo-CPV型閥島與Norgren-VM型閥島的先導(dǎo)閥
在研究和比較了多種國(guó)外緊湊型閥島之后，發(fā)現(xiàn)它們所采用的先導(dǎo)閥主要有兩類，如圖3所示，一類以Festo-CPV型閥島為代表，采用的是自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)閥，一類以Norgren-VM型閥島為代表，采用的是標(biāo)準(zhǔn)的螺線管閥。個(gè)人認(rèn)為Festo-CPV型閥島所采用的一體式設(shè)計(jì)的先導(dǎo)閥是結(jié)構(gòu)*為簡(jiǎn)單和緊湊的，它使整個(gè)閥片的氣路做到了*簡(jiǎn)單和*合理的布局。不過其一體式的設(shè)計(jì)也為加工和制造帶來了許多麻煩，先導(dǎo)電磁鐵需要特別定制，與市面上可以買到的電磁鐵有很大的不同，同時(shí)側(cè)面板的結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜，如果不開模具則難以加工。因此從加工周期和成本考慮，暫時(shí)放棄一體式先導(dǎo)閥的設(shè)計(jì)。
相比之下，采用標(biāo)準(zhǔn)的螺線管閥就要方便許多，直接購(gòu)買現(xiàn)有產(chǎn)品即可，這樣便可以大大縮短閥島的研制周期。*終本文選用的是韓國(guó)基士氣動(dòng)的產(chǎn)品。
1 閥體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
閥體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整個(gè)閥島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，依靠閥體、側(cè)板、閥芯和密封墊的不同組合可以實(shí)現(xiàn)不同的機(jī)能，大約有兩位五通，兩個(gè)兩位三通，三位五通以及常開、常閉、中封組合而來的十幾種機(jī)能。其中側(cè)板、閥芯和密封墊可以根據(jù)不同的機(jī)能來更換，而閥體則無法更換。因?yàn)殚y體與閥體的組合構(gòu)成了整個(gè)閥島的氣路，它必須是統(tǒng)一而連貫的，有一片閥體的氣路不通就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)閥島無法工作，所以閥體必須有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)，并且能通用于各種機(jī)能。
圖4 Festo-CPV型閥島和Norgren-VM型閥島的閥體
比較Festo-CPV型閥島和Norgren-VM型閥島的閥體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。雖然Norgren的閥體結(jié)構(gòu)便于加工，而且更適合于通用型螺線管閥，但它所采用的是彈簧復(fù)位，而Festo-CPV型閥島所采用的是氣復(fù)位。雖然Norgren的使用壽命也在兩千萬次左右，但距離Festo數(shù)千萬次的使用壽命還是有一定的差距，我想其中的原因彈簧的使用壽命必定是一個(gè)重要的因素。而且，多一個(gè)零件始終會(huì)多一個(gè)可能損壞的環(huán)節(jié)。縱觀整個(gè)閥島的運(yùn)動(dòng)部件，就只有閥芯和彈簧，而閥芯與密封圈的過盈量是非常小的，通常在0.1mm以內(nèi)，如果潤(rùn)滑充分的話，磨損是非常有限的，所以說彈簧就很可能成為整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，彈簧的使用壽命就間接決定了整個(gè)閥島的使用壽命。而且緊湊型閥島由于結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸較小，其復(fù)位彈簧在工作時(shí)多處于壓縮的極限狀態(tài)，其疲勞斷裂的可能性也會(huì)大大增加，如果再遇上某些供應(yīng)商提供的彈簧質(zhì)量不穩(wěn)定的話，就會(huì)對(duì)閥島整體的可靠性產(chǎn)生很大的影響[5] [6]。
雖然并非所有機(jī)能的閥都需要使用到彈簧復(fù)位或是氣復(fù)位，而且實(shí)現(xiàn)氣復(fù)位在閥體結(jié)構(gòu)和氣路布局上也遠(yuǎn)比彈簧復(fù)位來的復(fù)雜，但是從整個(gè)閥島的使用壽命和可靠性來說，避免使用彈簧而實(shí)現(xiàn)氣復(fù)位是至關(guān)重要的，而且閥體的設(shè)計(jì)必須從整體上考慮，滿足所有機(jī)能的需要，所以說本文所設(shè)計(jì)的閥體必須是可以實(shí)現(xiàn)氣復(fù)位，并能滿足其他機(jī)能需要的通用型閥體。
圖5 本文所設(shè)計(jì)的閥體
*終，經(jīng)過一段時(shí)間的思考，終于設(shè)計(jì)出一種比較理想的閥體結(jié)構(gòu)，如圖5所示，它的主體結(jié)構(gòu)類似于Norgren-VM型閥島的閥體結(jié)構(gòu)，但同時(shí)實(shí)現(xiàn)了所有機(jī)能的氣復(fù)位，在理論上有了很高的使用壽命和可靠性，而且經(jīng)過巧妙的布局，它的結(jié)構(gòu)并沒有因?yàn)樵黾恿藲鈴?fù)位功能而變的比Norgren-VM型閥島的閥體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，而與Festo-CPV型閥島的閥體結(jié)構(gòu)相比也可以說是不相上下。下面通過兩位五通單電控閥來簡(jiǎn)單說明氣復(fù)位的工作原理。
開始工作時(shí)，電磁鐵得電，閥芯便會(huì)運(yùn)動(dòng)到如圖8剖面圖B所示的位置。電磁鐵得電后P1腔通過閥體內(nèi)的流道同時(shí)連通P8與P6腔。由于P9腔是永遠(yuǎn)連通P1腔的，它的壓力一直與供氣壓力相同，所以P8腔活塞的面積設(shè)計(jì)為P9腔活塞面積的2倍，這樣先導(dǎo)級(jí)閥芯在向左或是向右運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的力都是一樣的。此時(shí)P8與P9腔同時(shí)受到壓力，由于面積差的關(guān)系，推動(dòng)先導(dǎo)級(jí)閥芯向右運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)差動(dòng)回路。先導(dǎo)級(jí)閥芯移動(dòng)到右邊以后，便斷開了P5腔與P7腔的氣路，使P7腔與P3腔相連通。這樣在P6腔接通壓縮空氣以后主閥芯便向右運(yùn)動(dòng)，此時(shí)P7腔的受壓縮空氣便通過T2腔排出閥體外。閥芯向右移動(dòng)以后主氣路便開始工作，此時(shí)P與A通，B與T通，這時(shí)整個(gè)閥芯開啟的過程便已完成。
圖9 兩位五通單電控閥的原理圖
以上便是兩位五通單電控閥的工作原理，可以用圖9來簡(jiǎn)單的表示，由于實(shí)現(xiàn)了氣復(fù)位，取消了彈簧，在理論上大大提高了閥的使用壽命和可靠性。
1 實(shí)驗(yàn)
圖10 加工完成的閥島
*終加工完成的閥島如圖10所示，不過它僅僅是閥島的硬件氣路部分，并不包括控制和電路部分，此部分留待以后做進(jìn)一步的研究。對(duì)已完成的閥島做進(jìn)一步的測(cè)試，可得到它的啟動(dòng)壓力在1bar左右，對(duì)比國(guó)外產(chǎn)品0.5bar左右的啟動(dòng)壓力還是顯得過高，同時(shí)各口的泄漏量都非常小，可見密封的過盈量還有減小的余地，可進(jìn)一步降低啟動(dòng)壓力。