液压支架电液换向阀动态特性测试系统

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液压传动及控制技术是机电-体化技术的核心组成之- 。而 电液控制是该 门技术 中最具生命 力的-个 分支 。液压阀是压力测试器液压系统中的重要元件 .用各种液压阀来控制液压油的流动方 向、压力 、流量等来实现仪器的-系列动作 ，从而取得液压系统的实况信息 ，所 以液压 阀的工作性能对整个液压系统有着直接的影响。换向阀是液压 系统中用量最大、品种和名称最复杂的-类 阀 ，能够实现各油路连通 、切断或改变液流方向。因此换向阀的动力性能研究十分重要。

修稿 日期 ：2012-12-29作者简介：高智 (1990-)，男，安徽人，本科在读。研究方向：机械制造及 自动化、机 器人 ；吴勇 (1958-)，男，山西石灵人，工学博士学位，副教授。研究方向：机电-体化，流体传 动与控制 。测试技 术与智能化仪 器。已完成和正进行的项目，数字控制电液伺服 多通道加载试验 系统，液压支架阀类研究等。曾获能源部科技进步二等奖和煤炭部科技进步二等奖各- 项。获中国矿业大学-等奖-项，中国实用新型专利两项。

现有的换向阀对介质清洁度要求不高，价廉，所提供 的静 、动态响应能够满 足大部分工业领域 的使用要求 ，换 向阀性能 的检测 技术也 得到了广泛的关注和发展。随着液压技术的发展 ，在液压元件 的设计 、生产 、制造 中，对其动态性能指标的要求越来越高 。如何准确反映并检测出液压元件的动态性能指标 。就成为液压元件试验台设计 的关键 。只有提高试验台系统本身的动态特性指标 ，才能准确地检测到元件的动态特性 。

目前 ，电液换 向阀的动态特性测试研究工作主要集中在常规压力和流量范围内。本文研究-种基于液压支架电液换 向阀的动态测试技术，实现了在对被试阀施加典型信号后 ，阀门的进液 口和回液 口压力流量以及阻力损失的特性等多种电液换向阀的动态参数的测试 。研制- 套针对液压支架电液换向阀的专用测试系统 ，测试系统模拟液压支架电液换向阀的实际工况.采用乳化液泵供液，乳化液泵的压力由压力控制阀控制。用多传感器对多参数进行测量后进而通过 Labview分析阻力损失 。

· 测试与控制·1 概述与要求1.1 液压支架概述液压支架是用来控 制采煤工作 面矿 山压力 的结构物。采面矿压以外载的形式作用在液压支架上 。在液压支架和采面围岩相互作用的力学系统 中.若液压支架的各支承件合力与顶板作用在液压支架上的外载合力正好同-直线，则该液压支架对此采面围岩十分适应液压支架是综采设备的重要组成部分。它能可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板 ，隔离采空 区。防止矸石进入 回采工作 面和推进输送 机。它与采煤机配套 使用 ，实现采煤综合机械化 ，解决机械化采煤工作 中顶板管理落后于采煤工作的矛盾，进-步改善和提高采煤和运输设备的效能，减轻煤矿工人的劳动强度 ，最大限度保障煤矿工人的生命安全。

1.2 电液换 向阀概述电液换向阀是利用阀芯和阀体相对位置 的不 同。来改变 阀体上各主油 门的通断关系 ，实现各油路连通、切断或改变液流方 向的阀类。电液换 向阀是液压系统 中用量最大、品种和名称最复杂的-类阀。

1.3 对 电液换向阀的基本要求根据换 向阀的作 用 ，对换 向阀性 能的基本要求有 ：①流量通过换向阀时压力损失要小；②液流在各关闭油口之间的缝隙泄漏量少；③换向可靠，动作灵敏；④换向平稳无 冲击 。

1.4 电液换 向阀的动态特性电液换向阀动态特性是指主阀中液流在换向过程中所涉及的系统流量、压力以及与电控信号(电磁先导阀的线 圈电压和电流)等物理量之间的关系。电液换向阀的动态特性用频率响应(频域特性 )和瞬态响应(时域特性 )表示 。电液换向阀的频率响应特性用伯德图表示。并以换向阀的幅值 比为-3dB (即输出流量为基准频率时输 出流量的 70.7%)时的频率定义为幅频宽 ，将相位滞后达到-90。时的频率定义为相频宽。应取幅频宽和相频宽中较小者作为阀的频宽值。频宽是换向阀动态响应速度的度量 ，频宽过低会影响系统的响应速度 ，过高会使高频传到负载上去。电液换 向阀的瞬态响应特性也是指通过对阀施加-个典型输入信号 (通常为阶跃信号)，阀的输出流量在 阶跃输入电流的跟踪过程中所表现 的振荡衰减特性 。反映电液换 向阀瞬态响应快速性 的时域性能指标有超调量、峰值时间、响应时间和过渡过程时间。

2 测试系统的设计2.1 测试系统的组成结构本 实验台依据《MT 419-1995液压支架用阀》设计制造而成。包括乳化液泵站，压力控制阀，传感器检测部分 ，信号采集部分 ，数控部分 ，负载。本实验 台由乳化液泵供液 ，乳化液泵的压力 由压力控制 阀控制 测试部分根据(MT 419-1995液压支架用阀》中表 8《换向阀性能要求指标及试验方法》设计而成 ，测试部分由两个流量计 ，四个压力传感器和被试 阀(电液换向阀)组成 ，流量计和压力传感器都是集测量，显示，信号输出-体的，输 出通道通过现 场总线与 USB数据采集 卡直接相 连。

信号采集部分由USB采集卡组成，USB采集卡为前置放大器 ，AD，采样保持部分和信号处理电路组 成 ，USB卡与控制台(手提电脑)相连。系统的组成框图如图 1所示。

图 1 结构示意图Fig.1 Schematic demonstration of structure2.2 测试 系统的测量原理本实验 台测试部分的设计基于数字化 ，自动化 的目的设计的。流量计安装在被试阀的进液I1，测量进液时的流量 。-个压力传感器安装在被试阀进液 口.-个安装在被试阀的回液口。还有两个压力传感器安装在安全阀和单 向阀附近的回液通道上。刚开始测量换 向阀的换向性能 。调节控制 阀，使乳化液泵的输出压力和流量为被试 阀的公称压力和公称流量。往复开 闭电液控制阀的控制 电源 ，回液的压力传感器采集信号后通过数据采集卡输入到控制 台，控制台对数据进行响应分析 .当响应时间达到秒级时 ，表明被试 阀的动作灵活-启与关闭正常。由于差压计相比两个压力传感器 的价格和还高 。

而且在被试阀的进液 口必须安装-个压力传感器 ，在 回液 口安装-个压力传感器即可测量被试阀的阻力损失 。

安装-个差压计 因而不合算 。通过控制 阀调节乳 化液泵，使其输出压力为公称压力，输出流量在公称流量范围变化 ，通过进液 口和回液 口的两个压力传感器记 录流量在公称流量范围内变化时两个位置的压力▲而通过labview分析阻力损失，描绘流量特性 曲线 。

3 基于 Labview的电液换向阀动态性能测试为了检验电液换向阀是否达到设计指标 ，是否满足使用要求 ，需要对其进行试验。其 中型式试验可以全面掌握 电液换向阀的结构完整性 、工作性能和耐久性。型式试验的条件严格、测试精度高。实验项 目不仅包括静态特性也包括动态特性。而动态特性试验对于测试 系统的频率响应特性有很高的要求 ，过去-般采用模拟示波器等传统仪器。但是传统仪器在数据的分析、存储、传91· 测试与控制 ·输等方面都存在很多不足。因此研究基于虚拟仪器的电液换向阀动态性能测试技术具有很重要的意义。

3.1 电液换向阀动态特性测试原理由于其复杂性，需要研究的特性有：①动态测试：对主阀的压力和流量进行实时检测，以研究主阀换向的动作有效性和实时性：②冲击测试：检测系统压力随时间变化的关系，以研究系统换向压力冲击响应特性 ；③阻力损失测试 ：研究系统压力与主阀工作腔压力之 间的压差与流量之间的关系。总之，对于电液换 向阀的动态特性测试同时涉及到对电控信号(电磁先导阀的控制电压与电流)、系统压力、换向阀的工作腔压力、系统流量等物理量的实 时检测与分析，本文提到的动态特性测试系统就是为了满足该要求而研究设计的。

3.2 电液换向阀动态特性测试 的虚拟仪器结构根据 电液换向阀动态特性测试对于灵敏度 、精度和动态响应特性的要求 ，系统选用硅压阻传感器 。它的体积小 、重量轻 ，硅材料具有极高的弹性模数 ，敏感元件固有频率很高，因此在动态应用时精度高、频带宽，多采用合理的官腔结构形式时使用频率可达到数百 kHz。

信号采集部分由 USB采集卡组成 ，USB采集 卡为前置放大器 ，AD及采样保持部分和信号处理电路组成 ，USB卡与控制台(手提电脑)相连。

进行 电液换 向阀动态特性测试 时采样频 率设 置为10ks/s.采样间隔等于 0.1ms.这样足够捕捉到电液阀对于节跃激励的瞬态响应压力信号。采样数设置为 4k，即每次采集400ms的数据。并且设置循环缓存区保证信号采集的连续性 。

3.3 测试数据处理实际测试系统中难免会混进各种干扰和噪声 ，对于动态测试的高速数据采集系统 ，这种现象会更加突 出。

要把反映测试对象真实本质的信号分离出来 。又不破坏信号的本质特征，系统采用了小波降噪技术。

首先用分析滤波器组将信号分解为位于不同频带的成分 ，将干扰和噪声信号所对应的那-阶小波系数置零，然后用综合滤波器粗进行信号重构，达到清除干扰的目的。

4 结束语本文针对液压支架中电液换向阀的动态测试进行研究。研制了电液换 向阀性能测试 系统，能够接近真实地模拟电液换向阀实际工作环境。动态测试系统采用了先进传感器并借助计算机技术和 Labview软件的功能实现测试的各项要求。分析了阀门的进液口和回液口压力流量以及阻力损失的特性等多种电液换 向阀的动态参数 的测试方法。为了模拟液压支架电液换向阀的实际工作特性采用了乳化液泵供液 ，乳化液泵的压力由压力控制 阀控制 。并用多传感器对多参数进行测量后进而通过 lab。

view分析阻力损失 ，描绘出了流量特性 曲线 。该测试 系统在实际的测试中获得了预期 的理想结果 ，可以为电液换 向阀的测试提供可靠的实验数据 。