随着气动技术的普遍使用，一台机器上往往需要大量的电磁阀，由于每个阀都需要单独的连接电缆和管路，因此如何减少连接电缆与管路就成为了一个不容忽视的问题,通常采用的集成气路板安装方式已不能满足要求了。由此，Festo公司率先发明了新一代的电气一体化智能控制元件—阀岛，它从根本上简化了气动系统接口的硬件结构，提高了系统的可靠性，并完善了系统的功能[1] [2]。
虽然**代阀岛的问世距今已有二十年的时间，但是国内对于阀岛的研究却非常有限，国内的气动厂家几乎还没有推出过成熟的阀岛产品，比起国外产品的电气一体化设计或是模块化设计还有很大的距离。而与此同时，阀岛产品也越来越得到广大用户的认可，得到越来越大的市场份额，早在91年Festo推出02型阀岛时，它的销量就已达到数十万套。而国内的市场却一直依赖于进口的阀岛产品，同时由于其高昂的售价，许多中小企业用户对阀岛都敬而远之，使阀岛的销售在国内气动市场所占的份额非常的小，与国外阀岛销售占主体的情况截然相反，这样的局面亟待改变。因此，阀岛技术的研究有着积极的意义和广阔的市场前景[3]。
1 阀芯密封结构的确定
图1 传统气动滑阀过盈密封的结构
传统的气动滑阀所采用的过盈密封结构如图1所示，其密封圈安装在阀芯上，随之带来的问题是对阀体加工精度的要求较高，尤其是阀体台阶的圆角部分。因为它与密封圈是过盈配合，如果加工达不到要求就会切掉密封圈，大大缩短阀的使用寿命。而在内孔壁上加工这样高要求的圆角是很有难度的，工艺也比较复杂[4]。
在研究了几种国外的紧凑型阀岛之后，我发现了几种全新的过盈密封结构，它们的密封圈不再安装于阀芯上，而是通过不同的紧固件安装在阀体上。采用这样的结构就可以避免阀体台阶圆角的加工，只需要对阀芯台阶圆角的加工提出要求。而阀芯上圆角的加工要远远简单于阀体上圆角的加工，这样既可以简化加工的工艺，又可以大大提高阀的使用寿命，可谓一举两得。
图2 新型阀芯过盈密封的结构
*终在综合考虑了加工和装配的难易程度以及**保护之后，选择并简化设计出了如图2所示的阀芯密封结构。它采用前后两个阀套来固定和保护密封圈，而且阀套和密封圈的安装与更换也十分方便，因为它们并非是通过过盈配合来固定的，所以与阀体之间几乎没有摩擦力，只需要把阀套和密封圈按次序放入或取出阀体即可。
1 先导阀的选择
紧凑型阀岛因为结构紧凑、空间有限，难以采用大功率的电磁铁，所以一般采用低功耗的电磁铁加上先导气控的形式，因此，先导阀的结构往往决定了气路的布局和阀片的整体结构。
图3 Festo-CPV型阀岛与Norgren-VM型阀岛的先导阀
在研究和比较了多种国外紧凑型阀岛之后，发现它们所采用的先导阀主要有两类，如图3所示，一类以Festo-CPV型阀岛为代表，采用的是自行设计的非标准阀，一类以Norgren-VM型阀岛为代表，采用的是标准的螺线管阀。个人认为Festo-CPV型阀岛所采用的一体式设计的先导阀是结构*为简单和紧凑的，它使整个阀片的气路做到了*简单和*合理的布局。不过其一体式的设计也为加工和制造带来了许多麻烦，先导电磁铁需要特别定制，与市面上可以买到的电磁铁有很大的不同，同时侧面板的结构也相对复杂，如果不开模具则难以加工。因此从加工周期和成本考虑，暂时放弃一体式先导阀的设计。
相比之下，采用标准的螺线管阀就要方便许多，直接购买现有产品即可，这样便可以大大缩短阀岛的研制周期。*终本文选用的是韩国基士气动的产品。
1 阀体结构的设计
阀体结构的设计是整个阀岛结构设计的关键，依靠阀体、侧板、阀芯和密封垫的不同组合可以实现不同的机能，大约有两位五通，两个两位三通，三位五通以及常开、常闭、中封组合而来的十几种机能。其中侧板、阀芯和密封垫可以根据不同的机能来更换，而阀体则无法更换。因为阀体与阀体的组合构成了整个阀岛的气路，它必须是统一而连贯的，有一片阀体的气路不通就会导致整个阀岛无法工作，所以阀体必须有统一的设计，并且能通用于各种机能。
图4 Festo-CPV型阀岛和Norgren-VM型阀岛的阀体
比较Festo-CPV型阀岛和Norgren-VM型阀岛的阀体结构，如图4所示。虽然Norgren的阀体结构便于加工，而且更适合于通用型螺线管阀，但它所采用的是弹簧复位，而Festo-CPV型阀岛所采用的是气复位。虽然Norgren的使用寿命也在两千万次左右，但距离Festo数千万次的使用寿命还是有一定的差距，我想其中的原因弹簧的使用寿命必定是一个重要的因素。而且，多一个零件始终会多一个可能损坏的环节。纵观整个阀岛的运动部件，就只有阀芯和弹簧，而阀芯与密封圈的过盈量是非常小的，通常在0.1mm以内，如果润滑充分的话，磨损是非常有限的，所以说弹簧就很可能成为整个运动系统的薄弱环节，弹簧的使用寿命就间接决定了整个阀岛的使用寿命。而且紧凑型阀岛由于结构紧凑，尺寸较小，其复位弹簧在工作时多处于压缩的极限状态，其疲劳断裂的可能性也会大大增加，如果再遇上某些供应商提供的弹簧质量不稳定的话，就会对阀岛整体的可靠性产生很大的影响[5] [6]。
虽然并非所有机能的阀都需要使用到弹簧复位或是气复位，而且实现气复位在阀体结构和气路布局上也远比弹簧复位来的复杂，但是从整个阀岛的使用寿命和可靠性来说，避免使用弹簧而实现气复位是至关重要的，而且阀体的设计必须从整体上考虑，满足所有机能的需要，所以说本文所设计的阀体必须是可以实现气复位，并能满足其他机能需要的通用型阀体。
图5 本文所设计的阀体
*终，经过一段时间的思考，终于设计出一种比较理想的阀体结构，如图5所示，它的主体结构类似于Norgren-VM型阀岛的阀体结构，但同时实现了所有机能的气复位，在理论上有了很高的使用寿命和可靠性，而且经过巧妙的布局，它的结构并没有因为增加了气复位功能而变的比Norgren-VM型阀岛的阀体结构更加复杂，而与Festo-CPV型阀岛的阀体结构相比也可以说是不相上下。下面通过两位五通单电控阀来简单说明气复位的工作原理。
开始工作时，电磁铁得电，阀芯便会运动到如图8剖面图B所示的位置。电磁铁得电后P1腔通过阀体内的流道同时连通P8与P6腔。由于P9腔是永远连通P1腔的，它的压力一直与供气压力相同，所以P8腔活塞的面积设计为P9腔活塞面积的2倍，这样先导级阀芯在向左或是向右运动时所受的力都是一样的。此时P8与P9腔同时受到压力，由于面积差的关系，推动先导级阀芯向右运动，形成一个差动回路。先导级阀芯移动到右边以后，便断开了P5腔与P7腔的气路，使P7腔与P3腔相连通。这样在P6腔接通压缩空气以后主阀芯便向右运动，此时P7腔的受压缩空气便通过T2腔排出阀体外。阀芯向右移动以后主气路便开始工作，此时P与A通，B与T通，这时整个阀芯开启的过程便已完成。
图9 两位五通单电控阀的原理图
以上便是两位五通单电控阀的工作原理，可以用图9来简单的表示，由于实现了气复位，取消了弹簧，在理论上大大提高了阀的使用寿命和可靠性。
1 实验
图10 加工完成的阀岛
*终加工完成的阀岛如图10所示，不过它仅仅是阀岛的硬件气路部分，并不包括控制和电路部分，此部分留待以后做进一步的研究。对已完成的阀岛做进一步的测试，可得到它的启动压力在1bar左右，对比国外产品0.5bar左右的启动压力还是显得过高，同时各口的泄漏量都非常小，可见密封的过盈量还有减小的余地，可进一步降低启动压力。