電磁閥可編程供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 寧，鄭 瑤

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065）

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)是飛機(jī)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，而液壓加載控制則是完成強(qiáng)度試驗(yàn)最重要的部分。強(qiáng)度試驗(yàn)的液壓加載控制要求高，可靠性高，且對(duì)加載過(guò)程中的任何特殊環(huán)節(jié)都要有應(yīng)急預(yù)案，在完成試驗(yàn)的同時(shí)也要最大限度地保護(hù)試驗(yàn)件的完整性[1]。

液壓加載控制主要包含控制器、液壓泵、子站、分配器、液壓作動(dòng)筒等。其中，液壓作動(dòng)筒的控制主要包含電磁閥與伺服閥。電磁閥的開(kāi)關(guān)控制液壓油的通斷；伺服閥則用來(lái)控制液壓油的方向及進(jìn)量大小。

在大規(guī)模飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，因?yàn)橛卸鄠€(gè)試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的情況，所以需要成百個(gè)液壓作動(dòng)筒，并且隨著我國(guó)飛機(jī)型號(hào)任務(wù)量的增加而增加[2]。通過(guò)液壓作動(dòng)筒電磁閥通電使試驗(yàn)正常進(jìn)行，斷電則切斷了液壓作動(dòng)筒的油路，對(duì)暫停的試驗(yàn)不能再進(jìn)行加載?，F(xiàn)階段，由于電磁閥供電設(shè)備交叉使用，常因試驗(yàn)人員的疏忽而導(dǎo)致未加載試驗(yàn)件破壞的后果。

文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了多路液壓作動(dòng)缸電磁閥供電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[3]完成了一種電磁閥與液壓子站控制裝置的設(shè)計(jì)。上述的電磁閥供電方式較為刻板，且一套系統(tǒng)僅能用于一個(gè)試驗(yàn)，造成了資源的浪費(fèi)，并且其可移植性較差。本文設(shè)計(jì)可編程的電磁閥供電設(shè)備，使得供電設(shè)備的輸出編程可調(diào)，明確了電磁閥控制區(qū)域的劃分，保證了試驗(yàn)的安全高效。

1 液壓系統(tǒng)

全機(jī)靜力試驗(yàn)復(fù)雜多樣，一架飛機(jī)完整的靜力試驗(yàn)過(guò)程涉及多項(xiàng)技術(shù)的支持，比如C919飛機(jī)全機(jī)靜力試驗(yàn)，其綜合加載平臺(tái)[5]如圖1所示。

雖然針對(duì)特定的加載要求選用特定的加載方式，但每一個(gè)加載點(diǎn)都是靠載荷傳感器的反饋來(lái)控制液壓作動(dòng)缸的載荷輸出。整個(gè)加載系統(tǒng)保證了飛機(jī)中每個(gè)加載點(diǎn)載荷正確的施加，加載點(diǎn)載荷的具體施加由液壓作動(dòng)缸完成。

圖1 ??C919飛機(jī)綜合加載平臺(tái)

1.1 加載系統(tǒng)

靜力試驗(yàn)加載系統(tǒng)主要由上位機(jī)、控制器、電源、油源、子站、液壓作動(dòng)缸和力/位移傳感器構(gòu)成[6，7]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ??加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，油源是加載系統(tǒng)的能源單元，是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源。液壓子站具有過(guò)濾、保護(hù)等功能，在液壓油經(jīng)過(guò)液壓子站分配器后，輸送至各個(gè)加載點(diǎn)液壓作動(dòng)缸。液壓作動(dòng)缸是載荷施加的執(zhí)行器，完成加載點(diǎn)拉/壓載荷的施加?？刂破魇羌虞d系統(tǒng)的控制核心單元，通過(guò)伺服閥精確控制載荷的施加值。傳感器完成力或位移信號(hào)的采集，并反饋至控制器，完成閉環(huán)控制。

1.2 液壓作動(dòng)缸

液壓作動(dòng)缸是靜力試驗(yàn)中載荷施加的直接執(zhí)行單元，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括以下幾個(gè)部分：1連接桿、2墊圈、3模塊、4伺服閥、5缸體、6通油管、7通油塊以及8底座。作動(dòng)缸正常工作所涉及的控制部分主要由電磁閥以及伺服閥來(lái)完成。

圖3 ??液壓作動(dòng)缸結(jié)構(gòu)圖

液壓作動(dòng)缸正常工作時(shí)，電磁閥通電，液壓油經(jīng)由伺服閥進(jìn)入作動(dòng)缸的拉壓油腔，控制器通過(guò)調(diào)節(jié)伺服閥，控制各油腔的進(jìn)油量，使得作動(dòng)缸的活塞桿伸出或者收回，進(jìn)而完成載荷的施加[4]。

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)應(yīng)急狀況時(shí)，首先將電磁閥斷電，切斷向作動(dòng)缸供油，其次作動(dòng)缸的壓腔與回油連通，使得載荷卸至零，從而達(dá)到保護(hù)試驗(yàn)件的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁閥在液壓作動(dòng)缸加載過(guò)程中有著不可或缺的作用，現(xiàn)階段電磁閥供電系統(tǒng)多較為固定，可移植性較差，無(wú)法滿(mǎn)足多試驗(yàn)、多任務(wù)同時(shí)運(yùn)行等要求。新型電磁閥供電系統(tǒng)在滿(mǎn)足試驗(yàn)運(yùn)行要求外，增加了可編程功能，增強(qiáng)了供電系統(tǒng)的適用性，有效提高了設(shè)備使用率。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)所設(shè)計(jì)的電磁閥可編程供電系統(tǒng)，最大滿(mǎn)足4個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，液壓子站與指示燈均為4組，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

CPLD為可編程系統(tǒng)的微處理器，靜力試驗(yàn)控制器將電磁閥的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)傳輸至CPLD，然后根據(jù)試驗(yàn)前CPLD中液壓子站與電磁閥的輸出設(shè)置，驅(qū)動(dòng)繼電器組中對(duì)應(yīng)的繼電器打開(kāi)，進(jìn)而使得大功率電源輸出24 V至對(duì)應(yīng)的液壓子站與液壓作動(dòng)缸電磁閥，控制電磁閥的打開(kāi)，使得靜力試驗(yàn)正

圖 4??硬件結(jié)構(gòu)圖

為滿(mǎn)足4個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的要求，CPLD微處理器唯一，液壓子站信號(hào)與指示燈具有4組，滿(mǎn)足基本的要求，繼電器組中有多路繼電器，保證多路的電磁閥輸出，且電磁閥輸出可任意劃分組。該裝置同樣可以滿(mǎn)足大型試驗(yàn)的要求，當(dāng)一個(gè)大型靜力試驗(yàn)需要多個(gè)液壓子站時(shí)，根據(jù)CPLD編程，可以在一個(gè)試驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或以上液壓子站信號(hào)的輸出。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用quartus II 9.0軟件Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)，針對(duì)特定的試驗(yàn)，進(jìn)行輸入輸出的配置，配置需要的液壓子站以及對(duì)應(yīng)的電磁閥輸出，使得輸出與對(duì)應(yīng)試驗(yàn)的輸入相匹配。由于需滿(mǎn)足4個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)，故需要4組對(duì)應(yīng)關(guān)系，在特殊的試驗(yàn)要求情況下，可以?xún)H配置所需單個(gè)試驗(yàn)的通道，其余通道空置。

圖 5??軟件流程圖

試驗(yàn)過(guò)程中，軟件工作流程如圖5所示。當(dāng)控制器給出信號(hào)后，CPLD根據(jù)試驗(yàn)前配置，驅(qū)動(dòng)繼電器組中對(duì)應(yīng)液壓子站以及電磁閥信號(hào)的電源輸出，當(dāng)控制器信號(hào)置零后，繼電器斷開(kāi)，24 V停止輸出。

3 功能驗(yàn)證

該電磁閥可編程供電裝置最大可滿(mǎn)足4個(gè)獨(dú)立試驗(yàn)同時(shí)運(yùn)行，且能滿(mǎn)足任意組合的要求，其功能驗(yàn)證如表1所示。每個(gè)試驗(yàn)?zāi)K均能正常工作，且滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，同時(shí)對(duì)于任意組合的形式，也滿(mǎn)足要求。

表 1??功能驗(yàn)證

在同一型號(hào)試驗(yàn)的不同工況試驗(yàn)中，液壓子站的需求往往是一樣的，但是所需液壓作動(dòng)缸不一樣，如圖6所示，輸出面板中有4組液壓子站信號(hào)以及4路指示燈，同時(shí)有多個(gè)電磁閥電源輸出，其中多組電磁閥電源輸出可根據(jù)具體試驗(yàn)要求，具體設(shè)置，可任意組合。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，均滿(mǎn)足要求。

圖 6??輸出面板

4 結(jié)????語(yǔ)

現(xiàn)階段，飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，液壓子站以及液壓作動(dòng)缸電磁閥供電多采用固定式的電源箱等，此電源箱一經(jīng)設(shè)計(jì)制作，每個(gè)接口功能固定，且不可改變，已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)如今大量試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的要求。本文通過(guò)CPLD設(shè)計(jì)了可編程的供電系統(tǒng)，滿(mǎn)足試驗(yàn)中供電要求，且接口功能可以改變，使用更加便捷，提高了電源的使用率，且滿(mǎn)足了多型號(hào)試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的要求，提高了強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)芰?，為后續(xù)超大型、復(fù)雜的型號(hào)試驗(yàn)提供了參考。