隨著氣動技術的普遍使用，一臺機器上往往需要大量的電磁閥，由于每個閥都需要單獨的連接電纜和管路，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，Festo公司率先發明了新一代的電氣一體化智能控制元件—閥島，它從根本上簡化了氣動系統接口的硬件結構，提高了系統的可靠性，并完善了系統的功能[1] [2]。
雖然**代閥島的問世距今已有二十年的時間，但是國內對于閥島的研究卻非常有限，國內的氣動廠家幾乎還沒有推出過成熟的閥島產品，比起國外產品的電氣一體化設計或是模塊化設計還有很大的距離。而與此同時，閥島產品也越來越得到廣大用戶的認可，得到越來越大的市場份額，早在91年Festo推出02型閥島時，它的銷量就已達到數十萬套。而國內的市場卻一直依賴于進口的閥島產品，同時由于其高昂的售價，許多中小企業用戶對閥島都敬而遠之，使閥島的銷售在國內氣動市場所占的份額非常的小，與國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，閥島技術的研究有著積極的意義和廣闊的市場前景[3]。
1 閥芯密封結構的確定
圖1 傳統氣動滑閥過盈密封的結構
傳統的氣動滑閥所采用的過盈密封結構如圖1所示，其密封圈安裝在閥芯上，隨之帶來的問題是對閥體加工精度的要求較高，尤其是閥體臺階的圓角部分。因為它與密封圈是過盈配合，如果加工達不到要求就會切掉密封圈，大大縮短閥的使用壽命。而在內孔壁上加工這樣高要求的圓角是很有難度的，工藝也比較復雜[4]。
在研究了幾種國外的緊湊型閥島之后，我發現了幾種全新的過盈密封結構，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。采用這樣的結構就可以避免閥體臺階圓角的加工，只需要對閥芯臺階圓角的加工提出要求。而閥芯上圓角的加工要遠遠簡單于閥體上圓角的加工，這樣既可以簡化加工的工藝，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構
*終在綜合考慮了加工和裝配的難易程度以及**保護之后，選擇并簡化設計出了如圖2所示的閥芯密封結構。它采用前后兩個閥套來固定和保護密封圈，而且閥套和密封圈的安裝與更換也十分方便，因為它們并非是通過過盈配合來固定的，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 先導閥的選擇
緊湊型閥島因為結構緊湊、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氣控的形式，因此，先導閥的結構往往決定了氣路的布局和閥片的整體結構。
圖3 Festo-CPV型閥島與Norgren-VM型閥島的先導閥
在研究和比較了多種國外緊湊型閥島之后，發現它們所采用的先導閥主要有兩類，如圖3所示，一類以Festo-CPV型閥島為代表，采用的是自行設計的非標準閥，一類以Norgren-VM型閥島為代表，采用的是標準的螺線管閥。個人認為Festo-CPV型閥島所采用的一體式設計的先導閥是結構*為簡單和緊湊的，它使整個閥片的氣路做到了*簡單和*合理的布局。不過其一體式的設計也為加工和制造帶來了許多麻煩，先導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，同時側面板的結構也相對復雜，如果不開模具則難以加工。因此從加工周期和成本考慮，暫時放棄一體式先導閥的設計。
相比之下，采用標準的螺線管閥就要方便許多，直接購買現有產品即可，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基士氣動的產品。
1 閥體結構的設計
閥體結構的設計是整個閥島結構設計的關鍵，依靠閥體、側板、閥芯和密封墊的不同組合可以實現不同的機能，大約有兩位五通，兩個兩位三通，三位五通以及常開、常閉、中封組合而來的十幾種機能。其中側板、閥芯和密封墊可以根據不同的機能來更換，而閥體則無法更換。因為閥體與閥體的組合構成了整個閥島的氣路，它必須是統一而連貫的，有一片閥體的氣路不通就會導致整個閥島無法工作，所以閥體必須有統一的設計，并且能通用于各種機能。
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型閥島的閥體結構，如圖4所示。雖然Norgren的閥體結構便于加工，而且更適合于通用型螺線管閥，但它所采用的是彈簧復位，而Festo-CPV型閥島所采用的是氣復位。雖然Norgren的使用壽命也在兩千萬次左右，但距離Festo數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重要的因素。而且，多一個零件始終會多一個可能損壞的環節。縱觀整個閥島的運動部件，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，如果潤滑充分的話，磨損是非常有限的，所以說彈簧就很可能成為整個運動系統的薄弱環節，彈簧的使用壽命就間接決定了整個閥島的使用壽命。而且緊湊型閥島由于結構緊湊，尺寸較小，其復位彈簧在工作時多處于壓縮的極限狀態，其疲勞斷裂的可能性也會大大增加，如果再遇上某些供應商提供的彈簧質量不穩定的話，就會對閥島整體的可靠性產生很大的影響[5] [6]。
雖然并非所有機能的閥都需要使用到彈簧復位或是氣復位，而且實現氣復位在閥體結構和氣路布局上也遠比彈簧復位來的復雜，但是從整個閥島的使用壽命和可靠性來說，避免使用彈簧而實現氣復位是至關重要的，而且閥體的設計必須從整體上考慮，滿足所有機能的需要，所以說本文所設計的閥體必須是可以實現氣復位，并能滿足其他機能需要的通用型閥體。
圖5 本文所設計的閥體
*終，經過一段時間的思考，終于設計出一種比較理想的閥體結構，如圖5所示，它的主體結構類似于Norgren-VM型閥島的閥體結構，但同時實現了所有機能的氣復位，在理論上有了很高的使用壽命和可靠性，而且經過巧妙的布局，它的結構并沒有因為增加了氣復位功能而變的比Norgren-VM型閥島的閥體結構更加復雜，而與Festo-CPV型閥島的閥體結構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單說明氣復位的工作原理。
開始工作時，電磁鐵得電，閥芯便會運動到如圖8剖面圖B所示的位置。電磁鐵得電后P1腔通過閥體內的流道同時連通P8與P6腔。由于P9腔是永遠連通P1腔的，它的壓力一直與供氣壓力相同，所以P8腔活塞的面積設計為P9腔活塞面積的2倍，這樣先導級閥芯在向左或是向右運動時所受的力都是一樣的。此時P8與P9腔同時受到壓力，由于面積差的關系，推動先導級閥芯向右運動，形成一個差動回路。先導級閥芯移動到右邊以后，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動，此時P7腔的受壓縮空氣便通過T2腔排出閥體外。閥芯向右移動以后主氣路便開始工作，此時P與A通，B與T通，這時整個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來簡單的表示，由于實現了氣復位，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 實驗
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一步的研究。對已完成的閥島做進一步的測試，可得到它的啟動壓力在1bar左右，對比國外產品0.5bar左右的啟動壓力還是顯得過高，同時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，可進一步降低啟動壓力。