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42液压与气动2020年第8期 doi 10.11832/j. issn . 1000-4858.2020. 08.007 矿用电磁阀动静态特性分析 柴玮锋1,廖瑶瑶2,廉自生12,董建麟1 1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西太原030024； 2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西太原030024 摘 要以液压支架矿用电磁先导阀上的电磁铁作为研究对象，通过An so f t Ma x w el l软件搭建电磁铁仿 真模型并分析电磁铁的动静态特性。通过研究电磁铁极靴凸起高度对电磁铁初始吸力及力位移特性的影 响，得出最优的极靴凸起高度值；同时分析不同磁极形状对电磁铁力位移特性的影响，得出平面形磁极的力 位移特性好，更适合行程短的电磁铁；最后通过仿真与实验分别研究电磁铁在空载和有负载时的动态特性， 分析其动态响应过程，并得出相应的最快动态响应频率。 关键词电磁先导阀；电磁铁；力位移特性;动态响应 中图分类号TH137 文献标志码B 文章编号1000-48582020 08-0042-07 An a l ysis o f Dyn a mic a n d St a t ic Ch a r a c t er ist ic s o f Min e-u sed El ec t r o ma gn et ic Va l v e CHAI Wei-f en g1, LIAO Ya o -ya o1，2, LIAN Zi-sh en g1，2, DONG Jia n -l in1 1. Co f ege o f Mec h a n ic a l a n d Veh ic l e En gin eer in g, Ta iyu a n Un iv er sit y o f Tec h n o l o gy, Ta iyu a n, Sh a n x i 030024； 2. Sh a n x i Key La bo r a t o a o f Fu l l y Mec h a n ized Co a l Min in g Equ ipmen i, Ta iyu a n, Sh a n x i 030024 Abstract Wit h t h e el ec t r o ma a n et o n t h e el ec t r o ma a n et ia pil o i v el v e o f t h e h yd r a u Va su ppo i a t t h e st u d y o bjec i, t h e simu l a t io n mo d el o f t h e el ec t r o ma a n et is c a n st r n c t ed by t h e An so o Ma x w eH so f t w a r o a n d t h e d yn a mic a n d st a t ic c h a r a c t er ist ic s o f t h e el ec t r o ma a n et a r o a n a l yzed . By st u d yin g t h e meu en c c o f t h e c o n v ee h eigh t o f t h e ma a n et ic po eeo 4ih eeeet io o ma gn eio n ih ec n c ic a esu t ic o n a n d o o t e-d c spea t emen it h a o a t ieo c sic t so 4ih eeeet io o ma gn ei, ihe o pt c ma eea eu eo 4t h eh ec gh t o 4t h epo eesh o epo o t o u sc o n c so bt a c n ed .An a d d c t c o n, t h o o u gh t h ea n a eysc so 4t h ec n eu en t e o 4d c eo en t po eeso n t h e o o t e-d c spea t emen t t h a o a t t eo c st c t so 4t h eeeet t o o ma gn et, t h epea n a o po eeh a sgo o d o o t e- d c spea t emen t t h a o a t t eo c st c t sa n d c smo o esu c t a bee o o t h eeeet t o o ma gn et w c t h sh o o t t o a eeea o eo bt a c n ed .Fc n aey, t h o o u gh sc mu ea t c o n a n d ex peo c men t, t h ed yn a mc t t h a o a t t eo c st c t so 4eeet t o o ma gn et w c t h o u t a n d w c t h eoa d a n d t h e d yn a mc t o espo n sepo o t eso 4t h eeeet t o o ma gn et a o ea n a eyeed, a n d t h e t ooespo n d c n g a st est d yn a mc t o espo n se o equ en t ya o eo bt a c n ed . Key wordt el ec t r o ma a n et ic v el v e, el ec t r o ma a n et, f o r c c -d ispl a c emen t c h a r a c t er ist id, d yn d mit r espo n ss 引言 液压支架电液控制系统是综采工作面的重要组成 部分,对工作面的高产高效起着决定性的作用。矿用 电磁先导阀是液压支架电液控制系统中的重要组成部 分，通过控制主阀的通断使液压支架完成既定动 作［1］反之 励磁线圈断电，电磁力不断减小，当电磁力小于负载时 衔铁进行释放运动，完成释放过程。吸合过程和释放 过程总的时间即为电磁铁的动态响应时间。 1推杆2极靴3线圈4壳体5衔铁6骨架7导套 图1电磁铁结构图 经设计计算，电磁铁的关键尺寸如图1所示，线圈 的匝数为2800,电阻为110 Qo电磁铁行程为2.4 mm， 作用在先导阀上的负载约为35 N,因采用杠杆放大机 构，放大系数为10，故电磁铁最小开启力约为3.5 N而 衔铁内锥形磁极经过衔铁的磁力线有所减少;衔铁外 锥形磁极经过衔铁的磁力线最少，所以，三种磁极下作 用在衔铁上的电磁力也就有所区别。因此，平面形磁 极更适合这种行程短的电磁铁。由图8可得,衔铁位 移相同的情况下，电磁力由大到小依次为平面形磁 极、衔铁内锥形磁极、衔铁外锥形磁极。取相同位置 （2 mm）的磁力线分布图分析可以得到原因。 衔铁平面形 图6衔铁为平面形磁极时的磁力线 衔铁外圆锥形 图8不同磁极形状下的力位移特性 2.2 电磁铁动态特性研究 为研究该电磁铁的动态特性，采用不同周期的 PWM信号去驱动电磁铁8一10打电磁铁的响应时间可 以通过励磁线圈中电流的变化来确定11（。在Ma x w el l 中建立电磁铁模型，参数与静态场相同,求解域设置为 瞬态场,激励源设置为外部激励,将电磁铁等效为电阻 和电感，并用周期不同、占空比为50的DC 12 V电 压信号作为激励源,外置电路如图9所示。 经过多组仿真，选取周期为800,500, 300 ms下 的PWM信号驱动电磁铁时仿真得到的动态响应，空 载时电磁铁动态特性曲线仿真结果如图10所示。 2020年第8期液压与气动45 图10周期为800 ms时的仿真动态特性曲线 如图10所示为周期为800 ms时的仿真动态特性 曲线，以该图分析动态响应过程。整个动态响应过程 分为吸合过程和释放过程12（（段为吸合运动过程，这段时间由于衔铁开始运 动导致气隙发生变化，同时引起磁阻和电感发生变化， 回路中产生感应电动势使电流减小；be段为维持阶 段，这段时间内位移不再发生变化，磁阻和电感也不再 变化，电流继续增加直到达到稳定电流，对应图中的点 c,释放运动与吸合运动相对应；c d段为释放触动过 程，这时励磁电压消失，电流开始减小，电磁力减小，当 减小到衔铁开始释放时，对应的电流为释放触动电流， 对应图中的点d；d 段为释放运动过程,该过程衔铁开 始释放导致气隙、电感及磁阻发生变化，产生感应电动 势，使电流增大，直到衔铁运动完后，电流减小为0，一 次响应完成。以上即为电磁铁的动态响应过程。 如图11所示为周期为500 ms时的仿真动态特性 曲线，电磁铁仍可以进行完整的动态响应过程，但 PWM周期再短则无法取驱动。如图12所示为周期为 300 ms时的仿真动态特性曲线,在释放阶段电流还没 下降到0时便开始上升，在第二个周期中电流先上升 再下降，没有电流的波动,无法完成吸合运动。因此通 过仿真得到，空载下电磁铁动态响应频率最快为 图11周期为500 ms时的仿真动态特性曲线 图12周期为300 ms时的仿真动态特性曲线 2. 3 试验研究 选定平面形磁极及确定极靴凸起高度为1 mm 后，加工出样品，进而研究该电磁铁在空载及有负载时 的动态响应特性。 如图13所示，实验分为三个部分控制部分、加载 部分、信号采集部分。控制部分由单片机组成,加载部 分由主阀和被试先导阀组成，信号采集部分由NI主机 和6251数据采集卡组成。 O 口被试先导阀P 口 A 口 NI主机 数据采集卡控制器电源 图13电磁铁试验台 1 ）空载时电磁铁的动态频率响应 使用单片机发出不同频率的PWM信号去驱动空 46液压与气动2020年第8期 载情况下的电磁铁，通过实验,测通电磁铁在周期最短 为500 ms的PWM信号驱动下可以完成完整的吸合释 放过程。如图14所示,周期为500 ms时的PWM信号 驱动下电磁铁的实际动态特性曲线如下 由图11、图14可以得到，试验得到的动态特性曲 线与仿真结果基本相似,该电磁铁在空载下的频率最 快为2 Hz,开启电流约为70 mA。 图14周期为500 ms时的实际动态特性曲线 2）有负载时电磁铁的动态频率响应 电磁铁在有负载的情况下，由于受到多因素影响， 动态响应过程会与空载不同，电磁铁的频率受到多因 素影响。因此通过实验去分析有负载下电磁铁的动态 响应。 整个实验过程为，首先通过单片机发出不同周期 的PWM信号去控制直流12 V电压，从而控制电磁铁 的通断当电磁铁通电时，先导阀打开，主阀通入 31.5 MPa的乳化液，从P 口进液,A 口出液，并在A 口 出口处加上负载；当电磁铁断电时,先导阀关闭,A 口 关闭，0 口打开，通过0 口回液;最后通过6251数据采 集卡与NI主机采集上述过程中的PWM信号、压力信 号以及电流信号。 通过多组实验测试，选取周期为175, 200, 800 ms 下的PWM信号驱动电磁铁时测得的动态响应，有负 载时电磁铁动态特性曲线仿真结果如下 如图15所示为周期为175 ms时的试验动态特性 曲线,PWM为高电平信号时，可以看到电流由0先上 升至点，然后开始下降，由之前分析动态响应过程可 以得到点对应的电流即为吸合触动电流,阶段为 吸合运动过程,PWM进入低电平信号时，电流由（点 开始骤降随后减缓为0,完成释放过程。并且结合压 力曲线，压力先增大后减小,说明电磁铁完成了吸合和 释放过程。但是，已知在完整的一次动态响应过程中， 电磁铁在完全吸合后电流应继续上升，而图15中电流 在 阶段开始下降后并没有上升，因此可以分析得到 此时电磁铁并没有完全吸合,衔铁并没有达到最终位 置的时候就已经开始释放了。在周期为175 ms的 PWM信号驱动下,电磁铁可以开启、关闭，但并不能完 全吸合。 图15周期为175 ms时的试验动态特性曲线 如图16所示为周期为200 ms时的试验动态特性 曲线，同样段为吸合运动过程，但在（点后，电流继 续上升至c点,可以判断电磁铁完全吸合,但可以看到 在c点处电流仍处于上升的趋势，并没有达到稳定电 流就开始下降，从而电磁铁开始释放。同样结合压力 曲线，压力先增大后减小，电磁铁同样可以完成吸合释 放过程。因此在周期为200 ms的PWM信号驱动下， 电磁铁可以完成完全的吸合与释放过程，即1次完整 的动态响应。 图16周期为200 ms时的试验动态特性曲线 如图17所示为周期为800 ms时的试验动态特性 曲线，与图16相似,（段为吸合运动过程,（点后继续 上升，但不同的是,（点后电流可以持续上升直到基本 稳定在点c,即为峰值电流。因此在周期为800 ms的 PWM信号驱动下，电磁铁可以完成完全的吸合与释放 2020年第8期液压与气动47 120 100 40 20 0 1- 80 601 图17周期为800 ms时的试验动态特性曲线 通过实验,得到该电磁铁启动电流为图中的点， 约为85 mA,比空载下的启动电流高，这是因为负载的 影响使开启需要的电磁力增大，所以启动电流也增大。 且电磁铁的稳定电流约为100 mA,最快频率约为 5.7 He。可以看到在有负载的情况下，电磁铁动态响 应过程比空载时候更快,这是因为在吸合阶段由于负 载增大而导致吸合时间增加,但在释放阶段负载克服 剩余磁力又加速释放运动过程,所以在众多因素的影 响下频率反而更快。 3结论结论 通过分析矿用电磁先导阀上的本安型电磁铁的动 静态特性，得出以下结论 1 分析电磁铁极靴凸起高度对电磁铁初始吸力 的影响及极靴凸起高度不同时的电磁铁对应的力位移 特性，得到在凸起高度为1-4 mm时，初始吸力最大; 且在开始阶段,极靴凸起高度值大的的电磁吸力大，在 结束阶段,极靴凸起高度值小的电磁吸力大。综合考 虑,选择极靴凸起高度为1 mm； 2 分析不同磁极对电磁铁力位移特性的影响， 得到在短行程内电磁力由大到小依次为平面形磁极、 衔铁内锥形磁极、衔铁外锥形磁极。短行程内采用平 面形磁极时电磁铁力位移特性最好，因此采用平面形 磁极; 3 分析电磁铁在空载和有负载下的动态特性及 其动态响应过程，通过仿真与实验，得出该电磁铁在空 载下最快动态响应频率约为 2 He, 有负载下最快动态 响应频率约为5.7 He。 参考文献 1 廖瑶瑶,任怀伟,张德生，等液压支架换向阀的液动力计 算方法及其应用J].煤炭学报，2019,44 5 1609 -1615. 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Wa shington Univer sity in St. Louis 工科研究生培养模式 探析与启示三一中国矿业大学 谢方伟教授 对博士研究生的要求 博士研究生同样要求修满一定的学分，然后完成一个研究课题，课题的理论性和创新性一定要强，我们 知道美国大部分高校都是私立的，自负盈亏，所以高校会想尽办法招生，申请读博士很简单，也就是说门槛很 低，即使你是本科学历，也可以读博士，因为学生一旦进入校门就要交学费，每年每个学生的学费大约4万美 金；同时，学校有严格的考核体制，保证学生的培养质量，也就是“宽进严出”，最后很多人拿不到学位，这在 美国属于正常现象。 国內特别是最近几年，有些学校的本科和硕士毕业答辩简直是走过场，如此直接导致很多学生上学就是 “混”，最后随便混混也就毕业了 o 科研训练方式的比较 在美国高校工作的老师只要有科研项目，不管是教授、副教授、讲师都可以指导硕士研究生和博士研究 生，但是导师并不是一成不变的，没有课题也就没有资格指导研究生。 所以每个老师都非常珍惜作为导师的机会，对待科研既严谨认真又勤奋实干，导师有这样的科研态度， 自然会影响到所指导的研究生，而且很多研究生都会在这样的体制下努力学习、做课题。以我为例，本人的 合作导师，现在是学院终身教授，是美国著名的流体动力学专家，曾是美国麦克唐纳-道格拉斯飞机公司项目 主管。虽然已经年过古稀，但是科研时间绝不低于年轻人，工作热情奇高、思路清楚、视野开阔、学术造诣极 深。2014年获得美国国家航空航天局112.5万美元的课题资助，研究飞行器湍流模型和理论计算。 （未完,待续）