电磁阀可编程供电系统设计

张 宁，郑 瑶

（中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065）

结构强度试验是飞机设计制造过程中不可或缺的重要环节，而液压加载控制则是完成强度试验最重要的部分。强度试验的液压加载控制要求高，可靠性高，且对加载过程中的任何特殊环节都要有应急预案，在完成试验的同时也要最大限度地保护试验件的完整性[1]。

液压加载控制主要包含控制器、液压泵、子站、分配器、液压作动筒等。其中，液压作动筒的控制主要包含电磁阀与伺服阀。电磁阀的开关控制液压油的通断；伺服阀则用来控制液压油的方向及进量大小。

在大规模飞机结构强度试验中，因为有多个试验同时进行的情况，所以需要成百个液压作动筒，并且随着我国飞机型号任务量的增加而增加[2]。通过液压作动筒电磁阀通电使试验正常进行，断电则切断了液压作动筒的油路，对暂停的试验不能再进行加载。现阶段，由于电磁阀供电设备交叉使用，常因试验人员的疏忽而导致未加载试验件破坏的后果。

文献[4]设计了多路液压作动缸电磁阀供电系统，文献[3]完成了一种电磁阀与液压子站控制装置的设计。上述的电磁阀供电方式较为刻板，且一套系统仅能用于一个试验，造成了资源的浪费，并且其可移植性较差。本文设计可编程的电磁阀供电设备，使得供电设备的输出编程可调，明确了电磁阀控制区域的划分，保证了试验的安全高效。

1 液压系统

全机静力试验复杂多样，一架飞机完整的静力试验过程涉及多项技术的支持，比如C919飞机全机静力试验，其综合加载平台[5]如图1所示。

虽然针对特定的加载要求选用特定的加载方式，但每一个加载点都是靠载荷传感器的反馈来控制液压作动缸的载荷输出。整个加载系统保证了飞机中每个加载点载荷正确的施加，加载点载荷的具体施加由液压作动缸完成。

图1   C919飞机综合加载平台

1.1 加载系统

静力试验加载系统主要由上位机、控制器、电源、油源、子站、液压作动缸和力/位移传感器构成[6，7]，其结构如图2所示。

图2   加载系统结构图

其中，油源是加载系统的能源单元，是整个系统的动力源。液压子站具有过滤、保护等功能，在液压油经过液压子站分配器后，输送至各个加载点液压作动缸。液压作动缸是载荷施加的执行器，完成加载点拉/压载荷的施加。控制器是加载系统的控制核心单元，通过伺服阀精确控制载荷的施加值。传感器完成力或位移信号的采集，并反馈至控制器，完成闭环控制。

1.2 液压作动缸

液压作动缸是静力试验中载荷施加的直接执行单元，其基本结构如图3所示，包括以下几个部分：1连接杆、2垫圈、3模块、4伺服阀、5缸体、6通油管、7通油块以及8底座。作动缸正常工作所涉及的控制部分主要由电磁阀以及伺服阀来完成。

图3   液压作动缸结构图

液压作动缸正常工作时，电磁阀通电，液压油经由伺服阀进入作动缸的拉压油腔，控制器通过调节伺服阀，控制各油腔的进油量，使得作动缸的活塞杆伸出或者收回，进而完成载荷的施加[4]。

当系统出现应急状况时，首先将电磁阀断电，切断向作动缸供油，其次作动缸的压腔与回油连通，使得载荷卸至零，从而达到保护试验件的目的。

2 系统设计

电磁阀在液压作动缸加载过程中有着不可或缺的作用，现阶段电磁阀供电系统多较为固定，可移植性较差，无法满足多试验、多任务同时运行等要求。新型电磁阀供电系统在满足试验运行要求外，增加了可编程功能，增强了供电系统的适用性，有效提高了设备使用率。

2.1 硬件设计

针对所设计的电磁阀可编程供电系统，最大满足4个独立试验同时进行，液压子站与指示灯均为4组，其硬件结构图如图4所示。

CPLD为可编程系统的微处理器，静力试验控制器将电磁阀的开关控制信号传输至CPLD，然后根据试验前CPLD中液压子站与电磁阀的输出设置，驱动继电器组中对应的继电器打开，进而使得大功率电源输出24 V至对应的液压子站与液压作动缸电磁阀，控制电磁阀的打开，使得静力试验正

图 4  硬件结构图

为满足4个独立试验同时进行的要求，CPLD微处理器唯一，液压子站信号与指示灯具有4组，满足基本的要求，继电器组中有多路继电器，保证多路的电磁阀输出，且电磁阀输出可任意划分组。该装置同样可以满足大型试验的要求，当一个大型静力试验需要多个液压子站时，根据CPLD编程，可以在一个试验中，实现两个或以上液压子站信号的输出。

2.2 软件设计

该系统采用quartus II 9.0软件Verilog HDL语言编写，针对特定的试验，进行输入输出的配置，配置需要的液压子站以及对应的电磁阀输出，使得输出与对应试验的输入相匹配。由于需满足4个独立试验，故需要4组对应关系，在特殊的试验要求情况下，可以仅配置所需单个试验的通道，其余通道空置。

图 5  软件流程图

试验过程中，软件工作流程如图5所示。当控制器给出信号后，CPLD根据试验前配置，驱动继电器组中对应液压子站以及电磁阀信号的电源输出，当控制器信号置零后，继电器断开，24 V停止输出。

3 功能验证

该电磁阀可编程供电装置最大可满足4个独立试验同时运行，且能满足任意组合的要求，其功能验证如表1所示。每个试验模块均能正常工作，且满足试验要求，同时对于任意组合的形式，也满足要求。

表 1  功能验证

在同一型号试验的不同工况试验中，液压子站的需求往往是一样的，但是所需液压作动缸不一样，如图6所示，输出面板中有4组液压子站信号以及4路指示灯，同时有多个电磁阀电源输出，其中多组电磁阀电源输出可根据具体试验要求，具体设置，可任意组合。经试验验证，均满足要求。

图 6  输出面板

4 结    语

现阶段，飞机结构强度试验中，液压子站以及液压作动缸电磁阀供电多采用固定式的电源箱等，此电源箱一经设计制作，每个接口功能固定，且不可改变，已无法满足现如今大量试验同时进行的要求。本文通过CPLD设计了可编程的供电系统，满足试验中供电要求，且接口功能可以改变，使用更加便捷，提高了电源的使用率，且满足了多型号试验同时进行的要求，提高了强度试验能力，为后续超大型、复杂的型号试验提供了参考。