高速开关阀是20世纪80年代发展起来电液数字控制元件,具有体积小、切换速度快、控制灵活、可靠性高、无需D/A转换接口就可由计算机直接控制等特点,广泛应用于航空航天、工程机械、冶金机械、煤矿机械、农业机械等设备中。近年来,虽然高速开关阀的功率、流量成两级分化趋势,但对快速响应都提出了极高的要求。微型高速开关阀因其阀芯质量低、行程和流量小,响应速度很快,但大流量高速开关阀因流量、阀芯质量、阀芯行程和工作压力等因素的影响,提高响应速度难度极大。高速开关阀响应速度的提高,不仅能提高控制系统速度、控制精度,也能在紧急情况下保证系统安全可靠地运行。随着液压系统朝着高压、大功率和高速方向发展,对高速开关阀的性能提出了更高的要求。为满足弹射系统和大功率快速锁紧液压系统对高速开关阀的性能要求,提高高速开关阀的流量和响应速度,本课题从两个方面进行大流量高速开关阀的关键技术研究：是高速开关阀阀芯、阀体的结构创新与优化设计；二是电-机械转换器结构创新与优化设计。主要研究内容如下：(1)液压伺服螺旋机构具有响应速度快、固有频率高、动态性能好、结构简单等优点,可作为提高大流量高速开关阀流量和快速性的设计方案。为克服传统直动式单级电液阀难以实现高压大流量控制和导控型电液阀结构复杂的缺点,阀芯采用液压伺服螺旋机构的设计方案,实现阀芯大行程、大推力控制,以提高高速开关阀流量和响应速度。研究工作压力、初始弓高、面积梯度、敏感腔容积等结构参数对液压伺服螺旋机构快速性的影响,研究结果表明液压伺服螺旋机构在-3dB幅值衰减下的频响约160Hz,阶跃响应上升时间约2ms。(2)针对2D阀的驱动要求,为提高高速开关阀的流量与响应速度,提出六叶片转子结构旋转电磁铁的设计方案,其具有转惯量低、角位移大、响应速度快的特点,特别适合作为2D阀的电-机械转换器。建立了理论模型,设计了实验方案,进行旋转电磁铁的静态特性和动态特性仿真分析和实验研究,结果表明：旋转电磁铁转矩转矩基本恒定,六叶片转子的旋转电磁铁转矩约为0.04N.m；旋转电磁铁转子角位移满行程为12.5°,上升时间约为5ms。(3)针对液压弹射系统对高速开关阀的性能要求,提出旋转电磁铁驱动2D液动开关阀的设计方案,为减轻阀总重量,采用无阀套结构,阀体外表面镂空；进行了动态特性的数学建模和仿真分析,设计了实验方案,进行了样机研制,仿真和实验研究结果表明：系统工作压力为28MPa,阀芯行程0.8mm时,阶跃响应的上升时间约为5ms,6mm通径阀的流量高达60L/min; 2D电液高速开关阀在-55℃-+135℃工作温度范围能稳定工作,在42MPa的工作压力下,开关20万次后性能稳定,满足4代机(J20)的工作要求。(4)鉴于大功率液压快速锁紧系统要求高速开关阀流量高达450L/min,动态关闭时间小于8ms的性能要求,提出2D电液高速开关阀控大流量锥阀的设计方案,增大锥阀导控流量和压力,提高阀芯关闭速度。为降低大流量锥阀关闭时的阀芯冲击和消除阀芯振荡,提出阀芯挤压油膜缓冲的设计方案,设计结构,建立理论模型,并进行仿真研究,结果表明：挤压油膜缓冲器阻尼和缓冲力与挤压油膜厚度的三次方成反比,与阀芯运动速度成正比,在阀芯前97.5%的行程内,阀芯所受缓冲力极小,缓冲器的使用对阀芯速度几乎没有影响,在阀芯末端2.5%行程内,阀芯产生极大的缓冲力与阻尼,大大减小阀芯末速度,实现阀芯缓冲。(5)为提高大流量锥阀的锁紧速度,在建立动态特性数学模型的基础上,研究关键参数对大流量锥阀关闭性能的影响,优化结构参数；仿真结果表明：在6mm行程内,阀芯动态关闭时间约为8ms；挤压油膜缓冲器的初始厚度越小,阀芯缓冲效果越好,当挤压油膜的初始厚度约为0.1mm时,挤压油膜的最大输出力可达到43KN,阀芯在最后0.15mm的行程内平均阻力高达3T,阀芯速度迅速从3.4m/s降低到0.1m/s,大大减小阀芯冲击,消除阀芯振荡。(6)设计2D电液高速开关阀和大流量高速开关阀的静态特性和动态特性实验方案,研制样机,搭建实验平台,实验研究阀的动态特性和静态特性。实验结果表明：2D电液高速开关阀的动态性能良好,-3dB、-90°的频宽约为120Hz,阶跃上升时间约为5ms；大流量高速开关阀的流量高达450L/min,动态关闭时间约为8ms。当锥阀阀芯无挤压油膜缓冲器时,100次开关实验后其泄漏量为8.249mL/h；当挤压油膜缓冲器初始厚度为0.1mm时,阀芯基本无冲击,且振荡消失,经过5000次开关实验,泄漏为3.85mL/h,相对于无挤压油膜缓冲器的锥阀来说,使用寿命和工作可靠性大大提高,满足大功率液压快速锁紧系统的性能要求。