电磁阀综合性能测试台的研制

□ 张为荣 □ 马建光 □ 章 良 □ 陆润杰

中核苏阀科技实业股份有限公司 江苏苏州 215000

1 研制背景

随着核电站隔离阀气液联动驱动装置的国产化进程稳步推进,驱动装置关键元器件的核级提升迫在眉睫,其中以安全相关电磁阀最为重要。安全相关电磁阀由电磁阀阀体和线圈组成,电磁阀阀体采用国内厂家按照SUN公司孔型定制生产的二位二通和二位三通螺纹插装阀产品,所配套的线圈也是国内厂家生产的产品[1]。

安全相关电磁阀在驱动装置的启闭回路和快关回路中起控制作用。快关回路中的安全相关电磁阀为螺纹插装式常闭直动型二位二通锥阀,在断电状态下,弹簧力将阀芯顶开,阀芯密封锥面与阀座密封锥面形成可靠的密封,实现双向隔离。当线圈通电时,铁芯吸合,推动阀芯克服弹簧力移动,阀芯密封锥面和阀座密封锥面分离,形成流道,实现双向流通。

安全相关电磁阀如图1所示。安全相关电磁阀尽管已随驱动装置通过了整机核级鉴定,但是自身的技术性能、运行寿命及可靠性还需通过进一步的核级鉴定试验进行验证，以30 MPa下的20 000次循环老化试验最为困难[2]。

▲图1 安全相关电磁阀

根据试验需求,笔者自主研制了一套多通道、多功能的集成式电磁阀综合性能测试台[3]。这一测试台除了可以对安全相关电磁阀的一些技术指标进行试验验证外,还可以通过扩展满足其它螺纹插装电磁阀、压力开关、油缸的一些试验要求。

2 电磁阀综合性能测试台组成

2.1 气液系统

电磁阀综合性能测试台气液系统原理如图2所示。除框架外,电磁阀综合性能测试台气液系统由气压模块、主油路模块、循环测试模块、压力测试模块、流量测试模块等组成。

▲图2 电磁阀综合性能测试台气液系统原理

在气液系统中,气压储能元件是一组囊式蓄能器。囊式蓄能器具有质量轻、响应速度快、油气不易混合的优点。液压储油元件为油箱,动力元件为气液增压泵,配套气源处理元件。气液增压泵使用压缩空气进行驱动,适合在连续重复启停工况下使用,满足压力试验的高压需求,并且在高压情况下流量比较小,安全风险比较低[4]。

电磁阀综合性能测试台的气压模块、主油路模块、循环测试模块、压力测试模块、流量测试模块均采用集成阀组和外接管道形式,具有高集成度、安装维护方便的特点。气压模块中设计有压力变送器,对氮气压力进行监测,并使用安全阀进行超压保护。主油路模块也设计有压力变送器,对泵出口油压进行监测。使用溢流阀进行超压保护,并设计有先导式比例溢流阀,可使电气控制系统对油压进行精确调控。流量测试模块分别使用压力变送器、流量传感器测量压力和流量。循环测试模块同样使用压力变送器对压力进行监测,并使用贴片式温度传感器对线圈温度进行监测。

2.2 电气控制系统

基于安全相关电磁阀的试验需求,电气控制系统采用上下位机结构。上位机为工业平板计算机,下位机以高速ARM控制器为核心,上下位机通过总线进行通信,实现系统数据采集和实时控制。系统响应速度快,集成度高,柔性好,可以满足各项试验的多功能控制需求[5]。

上位机采用工业平板计算机,面板安装结构紧凑，防护性好，可靠性高。上位机软件采用Labview软件图形化编程设计,实现压力、温度、流量等传感器图形化显示,并实现每个电磁阀、气液泵的单独控制,显示每一路电磁阀开启和关闭响应时间。系统具有寿命试验功能,能够进行自动循环模式工作,可以设定循环次数及间隔周期。

下位机以STM32F407 ARM处理器为核心,主频为168 MHz,带16位外部并行总线、多路串行接口,具有直接内存存取功能。采用50 Hz交流220 V供电,具有内部直流24 V、150 W开关电源输出。模拟信号采用16位AD7606 ADC转换芯片,八路同步采样,采样速率为每秒20万个采样点。温度采集应用MAX 31865电阻温度探测转换器,具有电阻温度探测故障检测和输入电压保护功能。采用标准U2机箱,可实现面板安装或机架安装,具有结构牢固、防护性好的优点。背板采用插拔端子接口,使用方便灵活。

由于计算机和通信均无法满足实时性要求,因此为实现实时性采样,系统采用自定义通信协议来合理分配上下位机功能。下位机主要执行计时任务,上位机主要实现显示和操作功能。

2.3 电气控制策略

根据试验要求,电气控制系统采用工业平板计算机和ARM控制器,组成上下位机结构,兼具计算机控制的灵活性和数据采集的实时性。上位机实现人机界面操作,包括数据显示、电磁阀操作、参数设定等。下位机实现变送器信号处理、数据采集、开关控制、电磁阀驱动、反馈补偿控制。由于电磁阀组件响应时间快,要求电气控制系统的响应时间不长于0.1 ms,而计算机操作系统和串行通信都无法满足系统实时性要求,因此实时性任务由下位机ARM控制器实现。上位机发送任务指令,下位机解析指令并执行电磁阀开关动作,同时实时监测压力。当压力达到指定值后,表明电磁阀开关动作完成,同时通过内部的高速计时器计时。下位机执行任务完成后,将测试结果发送至上位机。以上控制策略采用专门设计的通信协议和数据采集系统,可避免计算机操作系统和通信产生延迟。

电气控制系统结构模型如图3所示,电气控制策略框图如图4所示。

2.4 实物

电磁阀综合性能测试台实物如图5所示,操作界面如图6所示。

▲图3 电气控制系统结构模型

▲图4 电气控制策略框图

3 试验内容

3.1 绝缘电阻值试验

绝缘电阻值试验中,电磁阀不接通电源,将线圈接线端短路,对线圈施加500 V直流电压并保持60 s,进行多次测量。

验收标准为在正常大气条件下,绝缘电阻值应大于100 MΩ,事故条件下,绝缘电阻值应大于10 MΩ。

3.2 介电强度试验

介电强度试验在正常大气条件下进行,电磁阀线圈处于冷态且不通介质。试验时,将额定频率50 Hz正弦波交流电压施加在电磁阀线圈电路上。

验收标准为满足制造商规定值。

3.3 动作电压与释放电压试验

介质温度保持低于50 ℃,供电电压从零增大至使电磁阀状态发生改变时的电压值。记录这一动作电压,继续使供电电压增大至动作范围的上限值。然后立即使供电电压逐渐减小,减小至使电磁阀返回初始状态时的电压值。记录这一释放电压,继续使供电电压减小至零。电压每秒变化速度在任何情况下不应小于UN/30,UN为额定供电电压。直流供电电压允差为额定值的±10%。

▲图5 电磁阀综合性能测试台实物▲图6 电磁阀综合性能测试台操作界面

试验在冷态下连续三次测量,然后在UN下通电30 min,之后在热态下测量。

验收标准为满足制造商的给出值,动作电压小于等于动作范围的下限值,释放电压大于等于5%UN。

3.4 响应时间试验

对电磁阀通入额定电压通断信号,使电磁阀开或闭,由压力传感器测量电磁阀出口侧的压力变化,同时由快速响应时间测量仪测量从电压通断瞬间开始至压力增大至90%最大值，或压力减小至10%最大值的间隔时间,前者为动作响应时间,后者为释放响应时间,重复三次,取算术平均值作为动作响应时间或释放响应时间。

验收标准为响应时间不长于0.5 s。

3.5 泄漏率试验

试验介质为68号抗燃液压油,分别在系统最大工作压力与最小工作压力下进行。

在电磁阀的出口侧用容积法测量,测量累计时间为1 min,记录泄漏量。

验收标准为满足制造商的给出值,泄漏率不高于0.7 mL/min。

3.6 密封性试验

电磁阀处于开启状态,出口侧封闭,入口侧通1.1倍公称压力的试验介质,保持时间为1 min。

验收标准为电磁阀无泄漏现象。

3.7 线圈允许温度试验

系统工作介质温度低于120 ℃时,电磁阀线圈允许温度的试验环境温度要求为10～40 ℃。

测量冷态电阻时,电磁阀不通介质,置于不通风的自然环境保持2 h,试验环境温度变化应在±2 ℃内,记录试验环境温度和线圈冷态电阻。

测量热态电阻时,电磁阀以额定电压连续通电,直到温度稳定为止。断开电源,迅速测量电磁阀配套线圈的热态电阻,按式(1)计算温升。计算所得线圈温升加上电磁阀工作环境温度范围上限值,即为线圈的最高温度。

T=(R2-R1)(234.5+t1)/R1+(t1-t2)

(1)

式中:T为线圈温升;R1为冷态电阻;R2为热态电阻;t1为冷态电阻试验环境温度;t2为热态电阻试验环境温度。

验收标准为线圈允许温度不高于表1规定。

表1 线圈允许温度 ℃

3.8 额定流量系数试验

电磁阀按规定位置安装,与试验管道相连,管道中心线与电磁阀组件出入口中心线同轴。

试验过程中,介质温度变化在±2 ℃以内。电磁阀前后压差给定不小于35 kPa,且不应小于产品规定的最小工作压差。

测量时,电磁阀全开,在不小于35 kPa且不小于电磁阀最小工作压差的三个压差下测定电磁阀的流量值,压差增量大于15 kPa。各测量两次,对求得的六次流量系数取算术平均值,保留三位有效数字。流量系数Kv按式(2)计算。

(2)

式中:Q为实测介质流量;ΔP为安全阀前后压差;ρ/ρ0为相对密度。

验收标准为满足制造商规定值。

3.9 工作介质压力试验

在正常大气条件下,电磁阀施加的介质压力等于1.5倍最大使用压力,压力保持时间为1 h,然后介质压力恢复至额定值。

试验后测试电磁阀响应时间和泄漏率。

3.10 循环老化试验

气动泵动作至30 MPa,通过囊式蓄能器的循环蓄能、释压,以及电磁阀的通断电来进行循环老化试验,并使用计数器进行计数。电磁阀属于开关型,循环老化试验次数为20 000次。

试验后测试电磁阀的绝缘电阻值、动作电压、释放电压、响应时间和泄漏率。

4 结束语

通过自主研制的电磁阀综合性能测试台对安全相关电磁阀进行试验,可以全面、严苛地验证安全相关电磁阀是否满足核电工况条件的鉴定要求,从而为核电站隔离阀气液联动驱动装置提供满足核电要求的电磁阀产品。

经过长时间的不懈努力,历经电磁阀综合性能测试台的设计、制造、装配,以及测试程序的功能调试,完成了安全相关电磁阀的测试工作,效果良好。