在工业4.0和中国制造2025背景下,气动数字控制技术得到了快速发展,作为核心控制元件的高速开关阀也受到越来越多的关注。高速开关阀是通过数字控制进行工作的,因此不需要数模转换和放大器件,直接由控制器或计算机控制,使用简便,而且它体积小、耗能低、成本低、响应快,广泛应用于航空航天、汽车、自动化工业等领域,使得高速开关阀在气动控制技术中成为非常重要的元器件,得到前所未有的重视与发展。早期的开关阀大多将电磁铁作为驱动装置,通过电磁效应实现电信号与机械位移的转换,实现高速开关阀的正常工作,这种开关阀成本低、使用简便,但由于其响应慢、耗能多、发热较为严重等缺陷导致其应用范围较小,已经逐渐不能满足如今气动数字控制的发展需求。针对上述问题,本文采用压电材料作为高速开关阀的驱动装置设计了一种高速开关阀,以此来提高高速开关阀的响应速度;并针对阀结构参数引入优化设计理念改善高速开关阀的特性。本文的主要内容如下:（1）压电式高速开关阀结构设计。以高速开关阀的性能指标为出发点,进行了阀的开闭原理及结构设计。进一步,对于高速开关阀的关键参数利用相关设计方法及准则进行了初步设计,并完成了压电驱动器的选型与计算,确定了各零部件的结构尺寸与标准件的型号。（2）压电式高速开关阀的特性分析与结构优化。分析阀口质量流量、压电驱动动力学原理、阀芯运动学过程,建立了高速开关阀的静动态数学模型。利用ANSYS的FLUENT模块对高速开关阀进行了流场仿真,分析了压力、速度及湍流动能的基本特性,初步验证了设计的合理性。利用AMESim建立高速开关阀的仿真模型,对于影响高速开关阀的动静态特性的参数进行了分析与优化。基于优化后的结构参数,分析高速开关阀的响应速度、流量等特性,验证动态性能的提升。（3）压电式高速开关阀试验验证。参考气动开关阀相关标准,设计并搭建了高速开关阀性能测试试验台。在不同工作压力下,测试了阀的响应速度、流量变化、泄漏等动力学指标。设计不同频率的PWM信号,验证了阀出口流量特性,分析了响应特性、稳定性与占空比之间的关系。试验结果表明,本文设计的压电式高速开关阀在供气压力为5bar时,高速开关阀的响应时间为5.5ms,最大流量可达170L/min,声速流导为0.58L/s/bar,临界压力比为0.37;泄漏量为44.89cm~3/min,在50Hz、40Hz、30Hz、20Hz的工作频率下占空比与流量的线性度分别为50%、60%、70%、80%,流量与PWM信号有良好的线性关系,易于实现比例控制。验证了本文所设计的高速开关阀符合最初的设计指标,能够满足当前气动数字控制的应用需求,为未来气动工业自动化的发展奠定了良好的理论基础和指导意义,具有较强的实际应用价值。