礦用電磁先導(dǎo)閥換向特性低功耗測試平臺設(shè)計(jì)

李俊士

（北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

0 引言

電磁先導(dǎo)閥是煤礦綜采工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)的核心元部件之一，可將電信號轉(zhuǎn)換為液壓信號，控制主閥換向動(dòng)作，再通過電液換向閥控制液壓支架油缸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)有序工作[1-2]。隨著煤礦開采不斷向智能化方向發(fā)展，快速響應(yīng)、低功耗的電磁先導(dǎo)閥成為未來發(fā)展趨勢，這就需要相應(yīng)的測試平臺和方法來支撐新產(chǎn)品的研發(fā)。

GB 25974.3?2010《煤礦用液壓支架 第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥》規(guī)定了液壓支架用換向閥的一般測試要求和方法，主要包括特性試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)等。諸多研究人員根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)了礦用電磁先導(dǎo)閥測試平臺。楊衛(wèi)書[3]開發(fā)了電磁先導(dǎo)閥專用測試平臺，但其液源采用大流量泵，采用可調(diào)節(jié)流閥穩(wěn)定被試閥流量，能耗較大，而且其目的是滿足出廠試驗(yàn)要求，并未對電磁先導(dǎo)閥的換向特性進(jìn)行深入測試。翟京[4]、趙銳[5]采用乳化液泵配合蓄能器進(jìn)行儲能，對被試電磁先導(dǎo)閥供液，降低了測試過程中的能耗，并通過專用工裝實(shí)現(xiàn)多種型號電磁先導(dǎo)閥同時(shí)測試，提升了測試效率，但該試驗(yàn)臺無法對電磁先導(dǎo)閥換向過程中的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，如電壓、電流、進(jìn)出口壓力、頂桿位移、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間、實(shí)時(shí)能耗等，不能很好地服務(wù)于新產(chǎn)品研發(fā)?，F(xiàn)有的測試標(biāo)準(zhǔn)和方法主要存在以下問題：① 國家標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了支架用換向閥類產(chǎn)品的一般性通用標(biāo)準(zhǔn)和方法，相應(yīng)的測試方法和測試指標(biāo)無法滿足快速響應(yīng)、低功耗新產(chǎn)品研發(fā)和測試需要。② 現(xiàn)有測試方法均采用乳化液泵作為液源，能耗較大。③現(xiàn)有測試平臺自動(dòng)化水平較低。

針對上述問題，結(jié)合快速響應(yīng)、低功耗電磁先導(dǎo)閥研發(fā)和測試需要，設(shè)計(jì)了礦用電磁先導(dǎo)閥換向特性低功耗測試平臺。采用基于氣液增壓泵和電氣比例閥的壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)壓，極大降低了能耗，提升了測試平臺的自動(dòng)化程度和測試安全性。

1 原理分析

1.1 礦用電磁先導(dǎo)閥工作原理

礦用電磁先導(dǎo)閥主要由本安型電磁鐵和先導(dǎo)閥兩大部分構(gòu)成，如圖1所示。本安型電磁鐵主要由銜鐵、頂桿等組成，先導(dǎo)閥主要由放大頂桿、先導(dǎo)閥閥芯等組成。先導(dǎo)閥閥芯則主要由彈簧、球閥、推桿等組成。

圖1 礦用電磁先導(dǎo)閥及其閥芯結(jié)構(gòu)Fig.1 Structureof mine solenoid pilot valve and its valvecore

電磁先導(dǎo)閥的整個(gè)工作過程分為2個(gè)階段。第1階段：控制系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)電流，線圈產(chǎn)生磁場，驅(qū)動(dòng)電磁鐵工作，產(chǎn)生推動(dòng)頂桿的推力，使頂桿向下動(dòng)作，頂桿作用到先導(dǎo)閥的放大頂桿，推動(dòng)先導(dǎo)閥閥芯的推桿2向下動(dòng)作，推動(dòng)球閥2、推桿1動(dòng)作，進(jìn)而推動(dòng)球閥1及閥芯向下壓縮彈簧，使進(jìn)液口和工作口導(dǎo)通。第2階段：控制系統(tǒng)切斷驅(qū)動(dòng)電流，本安型電磁鐵頂桿復(fù)位，作用在推桿上的力消失，球閥1、推桿1、球閥2、推桿2等在彈簧力的作用下復(fù)位，工作口和回液口導(dǎo)通[6-8]。

1.2 礦用電磁先導(dǎo)閥換向特性測試原理

在電磁先導(dǎo)閥換向過程中，隨工況變化且可直接測量的主要參數(shù)包括本安電磁鐵的電壓、電流，頂桿位移，先導(dǎo)閥進(jìn)液口和工作口壓力等，這些參數(shù)可以較好地反映電磁先導(dǎo)閥換向過程中的動(dòng)態(tài)特性[9-11]。結(jié)合電磁先導(dǎo)閥的工作原理，得到換向過程中各參數(shù)變化時(shí)序，如圖2所示。

圖2 換向過程中各參數(shù)變化時(shí)序Fig.2 Time sequence of each parameter in the process of reversing

通過時(shí)序圖可總結(jié)電磁先導(dǎo)閥換向過程中各參數(shù)的變化情況。對電磁先導(dǎo)閥的電磁鐵發(fā)送電壓信號時(shí)，電流逐漸增大，當(dāng)電流達(dá)到某一值時(shí)，電磁鐵頂桿開始向下動(dòng)作。在電磁鐵頂桿接觸到先導(dǎo)閥放大頂桿并逐漸壓縮先導(dǎo)閥閥芯的過程中，電磁先導(dǎo)閥進(jìn)液口和工作口通道逐漸增大，直到閥芯中的彈簧無法壓縮為止。此時(shí)，電流和頂桿位移也幾乎同時(shí)達(dá)到最大值。在上述過程中，工作口壓力也逐漸升高。對于快速響應(yīng)、低功耗的電磁先導(dǎo)閥，主要關(guān)注其換向響應(yīng)時(shí)間和功耗。功耗可通過實(shí)時(shí)電壓和電流直接計(jì)算。結(jié)合時(shí)序圖，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓和電磁先導(dǎo)閥工作口壓力變化，根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)提取時(shí)間節(jié)點(diǎn)，計(jì)算本安電磁鐵的響應(yīng)時(shí)間，可得到電磁先導(dǎo)閥的換向響應(yīng)時(shí)間[12-13]。

2 測試平臺設(shè)計(jì)

2.1 平臺結(jié)構(gòu)

礦用電磁先導(dǎo)閥換向特性低功耗測試平臺包括液壓系統(tǒng)和測控系統(tǒng)2個(gè)部分，結(jié)構(gòu)如圖3所示。液壓系統(tǒng)主要包括電氣比例閥、雙頭氣液增壓泵、被試閥、蓄能器等部件。電氣比例閥用于調(diào)節(jié)氣液增壓泵入口氣壓，將被試閥入口壓力調(diào)節(jié)至所需值。蓄能器用于存儲一定容積高壓液，滿足被試閥用液需求。測控系統(tǒng)包括上位機(jī)、采集卡、程控電源、電氣比例閥控制器（PID控制器）、多種傳感器等。采集卡負(fù)責(zé)采集各傳感器信號并上傳至上位機(jī)。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)各類傳感器數(shù)據(jù)的顯示、存儲、分析。程控電源根據(jù)上位機(jī)指令控制被試閥的電壓，以測試不同電壓下的換向特性。

圖3 礦用電磁先導(dǎo)閥換向特性低功耗測試平臺結(jié)構(gòu)Fig.3 Structureof reversing characteristic test platform with lowpower consumption for minesolenoid pilot valve

2.2 液壓系統(tǒng)液源設(shè)計(jì)

為了完成電磁先導(dǎo)閥的換向特性測試，傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)多采用乳化液泵作為液源，為系統(tǒng)提供動(dòng)力。由于乳化液泵公稱流量較大，而礦用電磁先導(dǎo)閥公稱流量非常小，電液換向閥用電磁先導(dǎo)閥公稱流量僅為0.4 L/min，若直接采用乳化液泵作為液源，會(huì)產(chǎn)生大量溢流，導(dǎo)致較大能耗。此外，對于乳化液泵而言，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)的自動(dòng)化程度也相對較低。

氣液增壓泵是用氣體（氣源壓力為0.2～0.8 MPa）驅(qū)動(dòng)、增壓高的一種小流量泵，輸出壓力可達(dá)100 MPa，適用于油介質(zhì)、水介質(zhì)、乳化液介質(zhì)等。其流量小的特點(diǎn)可滿足電磁先導(dǎo)閥類產(chǎn)品測試需求。由于采用氣體驅(qū)動(dòng)，在一般的廠房內(nèi)很容易獲取，且用氣量較少，所以氣液增壓泵幾乎不產(chǎn)生能耗，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。此外，通過調(diào)節(jié)氣壓可以控制氣液增壓泵出口壓力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力自動(dòng)化控制，提高測試效率。因此，本文采用一種雙頭氣液增壓泵作為液壓系統(tǒng)的液源，結(jié)合電氣比例閥實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)。

雙頭氣液增壓泵結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用活塞連桿將大直徑氣體驅(qū)動(dòng)活塞與小直徑加壓活塞直連，利用2個(gè)活塞的面積比產(chǎn)生壓力比。通過1個(gè)二位四通氣控滑閥與2個(gè)二位二通導(dǎo)閥共同組成自動(dòng)換向機(jī)構(gòu)，2個(gè)導(dǎo)閥不斷填充和排出滑閥控制腔內(nèi)的氣體，使壓縮空氣交替進(jìn)入驅(qū)動(dòng)氣腔的前后腔，從而在增壓腔實(shí)現(xiàn)吸液和排液過程。由于雙頭氣液增壓泵有2個(gè)增壓腔，所以可實(shí)現(xiàn)泵的連續(xù)工作和流量的持續(xù)供給[14]。由于驅(qū)動(dòng)活塞與增壓活塞的增壓比是確定的，通過電氣比例閥調(diào)節(jié)氣體供給壓力，可實(shí)現(xiàn)不同壓力的液壓輸出。

圖4 雙頭氣液增壓泵Fig.4 Double-headed gas liquid boost pump

2.3 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測控系統(tǒng)中的壓力傳感器用于測試被試閥進(jìn)口和工作口壓力，電壓和電流傳感器用于測試被試閥換向過程中的實(shí)時(shí)電壓和電流，以計(jì)算實(shí)時(shí)功率，位移傳感器用于測試被試閥換向過程中電磁鐵頂桿的實(shí)時(shí)位移。由于電磁鐵頂桿直徑非常小，約為4 mm，傳統(tǒng)的接觸式位移傳感器很難安裝使用。頂桿的總位移量在電磁先導(dǎo)閥的動(dòng)作周期內(nèi)較小，因此，要求位移傳感器具有非常高的精度。

本文選用激光位移傳感器測試電磁鐵頂桿位移，如圖5所示。激光位移傳感器是一種利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的非接觸式傳感器，其發(fā)射激光束到被測物體，接觸面僅有一個(gè)激光點(diǎn)，適用于電磁鐵頂桿直徑小的工況。此外，激光位移傳感器具有測試精度高的特點(diǎn)，其重復(fù)精度可達(dá)1μm。

圖5 電磁鐵頂桿位移測試方法Fig.5 Test method for displacement of electromagnete ejector rod

為了驗(yàn)證不同工作壓力下的換向特性，需要對電磁先導(dǎo)閥進(jìn)液口的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，本文采用PID控制壓力調(diào)節(jié)，控制流程如圖6所示。輸入目標(biāo)壓力值，PID控制器開始工作，電氣比例閥驅(qū)動(dòng)器控制電氣比例閥不斷調(diào)節(jié)供氣壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣液增壓泵出口壓力，通過壓力傳感器進(jìn)行壓力反饋，直至將系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)至目標(biāo)值。

圖6 電磁先導(dǎo)閥進(jìn)液口壓力控制流程Fig.6 Control flow of inlet pressure of solenoid pilot valve

測試平臺自動(dòng)控制流程如圖7所示。首先啟動(dòng)測試平臺，輸入測試壓力值和測試電壓值，PID控制器進(jìn)行壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，到達(dá)設(shè)定目標(biāo)壓力值后，控制電磁先導(dǎo)閥換向，測試并記錄壓力、電壓、電流、頂桿位移等參數(shù)，并生成曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖7 測試平臺自動(dòng)控制流程Fig.7 Automatic control processof test platform

由于測試平臺采用氣液增壓泵作為液源，僅有工控機(jī)、程控電源、控制器等電氣元部件作為能耗單元，總功率僅為800 W，與傳統(tǒng)測試方法相比能耗大大降低。

3 測試平臺換向性能測試

在上述研究基礎(chǔ)上，最終完成測試平臺和上位機(jī)軟件開發(fā)，如圖8所示。考慮到測試平臺設(shè)計(jì)的初衷是研究礦用電磁先導(dǎo)閥換向性能，而不是可靠性檢測，測試平臺共設(shè)計(jì)有3個(gè)測試工位，最多可同時(shí)滿足3種礦用電磁先導(dǎo)閥換向性能測試需求。氣液增壓泵、電氣比例閥、工控機(jī)、采集卡、程控電源等設(shè)備嵌入測試臺內(nèi)部，傳感器則通過航空插頭與采集卡連接，防止液壓管路漏液對測控系統(tǒng)造成影響，通過觸控顯示屏可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

圖8 礦用電磁先導(dǎo)閥換向特性低功耗測試平臺Fig.8 Low-power consumption test platform for reversing characteristic of mine solenoid pilot valve

以某型號電磁先導(dǎo)閥為例進(jìn)行換向性能測試，在入口工作壓力為16 MPa工況下，記錄各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9 電磁先導(dǎo)閥換向特性測試曲線Fig.9 Reversing characteristic test curves of solenoid pilot valve

從圖9可得到測試過程中電磁先導(dǎo)閥的部分參數(shù)及動(dòng)態(tài)變化過程，包括進(jìn)出口壓力、電壓、電流、頂桿位移等，而功率、換向響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)則無法直接獲得。由于采集了電壓和電流的實(shí)時(shí)參數(shù)，可通過兩者相乘得到功率實(shí)時(shí)曲線。對于電磁先導(dǎo)閥換向響應(yīng)時(shí)間的獲取，由于測試平臺采用了高速采集卡，采樣頻率達(dá)到100 kHz，可將特性曲線放大，從時(shí)間軸獲取對應(yīng)特征的時(shí)間戳，計(jì)算出相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間。

以電磁先導(dǎo)閥的通電響應(yīng)時(shí)間為例，該時(shí)間通常是指從通電開始到出口壓力達(dá)到入口壓力90%之間的時(shí)間。為了更好地獲取所需數(shù)據(jù)，可通過上位機(jī)軟件對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行局部放大，獲得更詳盡的電磁先導(dǎo)閥的特性測試曲線，如圖10所示?？煽闯?，1 000 ms時(shí)電磁先導(dǎo)閥開始通電，1 267.38 ms時(shí)電磁先導(dǎo)閥出口壓力14.4 MPa，約為入口壓力的90%，因此，該電磁先導(dǎo)閥的通電響應(yīng)時(shí)間約為267 ms。此外，從激光位移傳感器的位移曲線可看到1 104.56 ms時(shí)，電磁鐵頂桿位移達(dá)到最大值，約為1.47 mm，因此，該電磁鐵的通電響應(yīng)時(shí)間約為104 ms。電磁先導(dǎo)閥的其他動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間可采取相同的方式確定。

圖10 電磁先導(dǎo)閥特性局部放大測試曲線Fig.10 Partial amplification test curvesof solenoid pilot valve characteristics

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)了礦用電磁先導(dǎo)閥換向特性低功耗測試平臺，采用雙頭氣液增壓泵作為液源，克服了傳統(tǒng)電磁先導(dǎo)閥測試需要大流量乳化液泵供液的弊端，大大降低了系統(tǒng)能耗。同時(shí)，配合電氣比例閥實(shí)現(xiàn)了壓力遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，提升了測試效率和安全性。該平臺可高效完成電磁先導(dǎo)閥換向過程中的各項(xiàng)性能指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為快速響應(yīng)、低功耗的新產(chǎn)品研發(fā)提供了可靠的測試驗(yàn)證條件。