CN108414439B - 阀芯和阀套界面时变粘附力特性测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了阀芯和阀套界面时变粘附力特性测试方法与装置。已有阀芯阀套粘附力测试方法无法模拟实际粘附情况。本发明方法：第一拉压传感器对硫化在阀芯工作面的密封层和阀套进行预压；第二拉压传感器推动密封层与阀套分开；两传感器示数第二次相等时，第二伺服电机停转；绘制两传感器压力随时间变化曲线；曲线中两传感器示数两次相等的时间段，密封层对阀套的弹性力即为两者的粘附力，粘附力为第二拉压传感器示数减去第一拉压传感器示数；重复测三次，求均值即为阀芯阀套间的测试粘附力。本发明可获得优化设计阀芯阀套微纳表界面形貌的方法，提高阀芯阀套的响应速度、可靠性和使用寿命。

Description

阀芯和阀套界面时变粘附力特性测试方法与装置

技术领域

本发明属于表界面粘附特性测试领域，特别涉及一种测量阀芯和阀套间时变粘附力特性的方法与装置。

背景技术

阀作为流体输送的核心组件，具有截止、调节、导流等功能，用于流体的控制，主要应用在化工、机械等领域。目前，由于阀芯和阀套间的时变粘附力特性，使得阀芯开启力会随着时间而发生变化，影响到阀的响应特性和可靠性，从而使得化工管道连接处的流体出现截流状态，或者使汽车空气干燥器的阀芯不能开启导致汽车制动系统出现故障。因此，有必要研制一种测量阀芯和阀套间时变粘附力，并可进一步分析粘附力特性的装置及方法。

目前，测量界面间粘附力的方法主要是通过离心力测量和拉压实验的方法来获得，如专利申请号为201110100523.X的专利公开了一种测量物体间粘附力的装置及其测试方法。该装置主要由待测样品安装固定装置、平衡块安装固定装置和旋转测速装置组成，该装置能够通过测得样品分离时的离心力，从而间接得到样品间的粘附力。但由于该装置不能给阀芯提供预紧力，所以无法模拟多种工况下阀芯阀套的粘附情况，此外，通过离心抛出工件会对工件造成损伤。申请专利号为201320732433.7的专利公开了一种界面拉伸实验装置，该装置包括可伸缩的试验台支架、驱动装置、S型拉压传感器、样品安装固定装置和采集装置，该装置通过伸缩支架上的驱动装置对连接样品的S型拉压传感器进行拉伸，通过采集装置采集到的传感器数据得到界面间的粘附力，但是该装置同样只能测定单一粘附力数据，无法模拟实际阀芯阀套的粘附情况，更无法有效分析界面间的粘附力特性。

发明内容

本发明针对目前阀芯端面密封层和阀套之间时变粘附力特性测试尚无较好解决方案的现状，提供一种基于模拟实际使用工况的阀芯端面密封层和阀套间时变粘附力特性测试方法与装置。该发明是一种可设置阀芯端面密封层与阀套表面压力和接触时间的方法；是一种可进行阀芯端面密封层与阀套脱离过程中粘附力实时反馈及记录的方法；是一种可进行多次测量结果汇总，进行阀芯端面密封层与阀套粘附力特性统计分析的方法。

本发明阀芯和阀套界面时变粘附力特性测试方法，具体如下：

步骤一、将待测工件的弹簧套置在待测工件的阀芯上，然后放入阀芯套筒内，弹簧的底端与压套的顶端端面接触；将阀套工作面置于硫化在阀芯工作面的密封层上，再将阀套与阀芯套筒固定。

步骤二、第一伺服电机正转，驱动第一丝杠滑台的滑动台带动第一加载压块向上匀速移动，第一拉压传感器通过压套对弹簧进行压缩，阀芯的底端嵌入压套的预紧作用孔内；压缩的弹簧作用于阀芯，为密封层与阀套提供预压力，然后第一伺服电机停转；数据采集仪采集第一拉压传感器测得的预压力。对阀芯上的密封层和阀套进行时间大于24小时的预压。

步骤三、第二伺服电机正转，同时数据采集仪继续采集第一拉压传感器和第二拉压传感器的压力。第二伺服电机驱动第二丝杠滑台的滑动台带动第二加载压块和第二拉压传感器向下匀速移动，使得推杆嵌入阀套的中心孔推动密封层与阀套分开。数据采集仪采集到第二拉压传感器与第一拉压传感器的示数第二次相等时，第二伺服电机停转。

步骤四、数据采集仪将采集到的第一拉压传感器和第二拉压传感器的压力传给工控机，工控机绘制出第一拉压传感器及第二拉压传感器的压力随时间变化的曲线；将曲线中密封层和阀套的分离过程分为四个阶段，在这四个阶段中第一拉压传感器的示数F₁与第二拉压传感器的示数F₂之间的关系为

F₁＝F₂+F_弹

其中，F_弹为密封层对阀套的弹性力；第一阶段，第二拉压传感器下降直至推杆接触密封层，该阶段第二拉压传感器的示数为F₂＝0，第一拉压传感器的示数为F₁＝F_预，其中，F_预为第一拉压传感器测得的预压力；第二阶段，推杆继续下降，直至第二拉压传感器和第一拉压传感器的示数第一次相等，该阶段中F_弹的方向与第二拉压传感器的受力方向相同，且F_弹逐渐减小，直至F_弹＝0，第一拉压传感器的示数F₁与第二拉压传感器的示数F₂同时增大，但F₂增加的比F₁快；第三阶段，推杆继续下降，直至第二拉压传感器和第一拉压传感器示数第二次相等，该阶段中F_弹的方向与第二拉压传感器的受力方向相反，且F_弹逐渐增大，第一拉压传感器的示数F₁与第二拉压传感器的示数F₂继续同时增大，且F₁增加的比F₂快，该阶段中F_弹即为密封层对阀套的粘附力F_粘，且粘附力为第二拉压传感器的示数减去第一拉压传感器的示数；第四阶段，密封层和阀套分离，第一拉压传感器和第二拉压传感器的示数保持相等。

步骤五、第二伺服电机反转带动推杆复位，第一伺服电机反转带动第一拉压传感器复位。

步骤六、重复步骤二至步骤五三次，得到三次粘附力F_粘，求平均值后即为阀芯和阀套间的测试粘附力。

所述密封层的材料采用橡胶。

本发明阀芯和阀套界面时变粘附力特性测试装置，由工况加载模块、夹具模块和粘附力特性分析模块组成。所述的工况加载模块包括第一伺服电机、第二伺服电机、第一丝杠滑台、第二丝杠滑台、第一加载压块和第二加载压块；所述的第一丝杠滑台和第二丝杠滑台均包括底座、丝杆和滑动台；所述的丝杆通过轴承支承在底座上，并与滑动台构成滑动副；第一丝杠滑台和第二丝杠滑台的底座均固定在机架上，第一丝杠滑台和第二丝杠滑台的丝杆与第一伺服电机和第二伺服电机的输出轴分别通过联轴器连接；第一伺服电机和第二伺服电机分别通过电机座固定在第一丝杠滑台和第二丝杠滑台的底座上；第一加载压块和第二加载压块分别与第一丝杠滑台和第二丝杠滑台的滑动台固定；

所述的夹具模块包括压套、阀芯套筒、阀套和固定角座；所述的固定角座固定在机架上；阀芯套筒固定在固定角座上；压套顶端套置在阀芯套筒内，底端伸出阀芯套筒外；所述的压套顶端开设有预紧作用孔；所述的阀套与阀芯套筒可拆卸连接。

所述的粘附力特性分析模块包括第一拉压传感器、第二拉压传感器、数据采集仪和工控机；所述的第一拉压传感器和第二拉压传感器分别固定在第一加载压块和第二加载压块上，且第一拉压传感器、第二拉压传感器和阀芯套筒同轴设置；第一拉压传感器位于第二拉压传感器下方；所述的第二拉压传感器底部固定有推杆；第一拉压传感器和第二拉压传感器的信号输出端均连接数据采集仪的输入端，数据采集仪的输出端连接工控机。

本发明有益之处在于：可实现不同材料阀芯端面密封层和阀套各种表面形貌下的粘附力特性数据统计测试分析，获得优化设计阀芯阀套微纳表界面形貌的方法，以及通过对比数据优化设计出选用的阀芯端面密封层材料(不同材料组分和配比对阀芯阀套间的粘附力有很大影响)，以提高阀芯阀套的响应速度、可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为待测工件的阀芯、橡胶密封层和阀套在本发明中的装配剖视图。

图3为图2中A部分的放大图。

图4为本发明某次采集的两个拉压传感器的压力随时间变化的曲线图。

图5为图4中矩形框部分的曲线放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

如图1和2所示，阀芯和阀套界面时变粘附力特性测试装置，由工况加载模块、夹具模块和粘附力特性分析模块组成。工况加载模块包括第一伺服电机5、第二伺服电机7、第一丝杠滑台4、第二丝杠滑台8、第一加载压块3和第二加载压块9；第一丝杠滑台4和第二丝杠滑台8均包括底座、丝杆和滑动台；丝杆通过轴承支承在底座上，并与滑动台构成滑动副；第一丝杠滑台4和第二丝杠滑台8的底座均固定在机架上，第一丝杠滑台4和第二丝杠滑台8的丝杆与第一伺服电机5和第二伺服电机7的输出轴分别通过联轴器连接；第一伺服电机5和第二伺服电机7分别通过电机座固定在第一丝杠滑台4和第二丝杠滑台8的底座上；第一加载压块3和第二加载压块9分别与第一丝杠滑台4和第二丝杠滑台8的滑动台固定；

夹具模块包括压套12、阀芯套筒16、阀套17和固定角座15，阀芯套筒16和阀套17一起用于模拟实际待测工件的阀座；固定角座15固定在机架上；阀芯套筒16固定在固定角座15上；压套12顶端套置在阀芯套筒16内，底端伸出阀芯套筒16外；压套12顶端开设有预紧作用孔；阀套与阀芯套筒可拆卸连接；阀芯套筒16的主要作用是为了给阀芯13起导向作用。

粘附力特性分析模块包括第一拉压传感器11、第二拉压传感器6、数据采集仪1和工控机2；第一拉压传感器11和第二拉压传感器6分别固定在第一加载压块3和第二加载压块9上，且第一拉压传感器11、第二拉压传感器6和阀芯套筒16同轴设置；第一拉压传感器11位于第二拉压传感器6下方；第二拉压传感器6底部固定有推杆10；第一拉压传感器11和第二拉压传感器6的信号输出端均连接数据采集仪1的输入端，数据采集仪1的输出端连接工控机2。工控机2实时监测力的波形图，记录并保存采集到的波形图，通过分析两个拉压传感器的波形图得到待测工件的橡胶密封层18(如图3所示)对阀套17的粘附力。

该阀芯和阀套界面时变粘附力特性测试装置测试粘附力的方法，具体如下：

步骤一、将待测工件的弹簧14套置在待测工件的阀芯13上，然后放入阀芯套筒16内，弹簧14的底端与压套12的顶端端面接触；将阀套17工作面置于硫化在阀芯工作面的橡胶密封层上，再将阀套与阀芯套筒固定。

步骤二、第一伺服电机5正转，驱动第一丝杠滑台4的滑动台带动第一加载压块3向上匀速移动，第一拉压传感器11通过压套12对弹簧14进行压缩，阀芯13的底端嵌入压套12的预紧作用孔内；压缩的弹簧作用于阀芯13，为橡胶密封层18与阀套17提供一个预压力，然后第一伺服电机5停转；数据采集仪1采集第一拉压传感器11测得的预压力。对阀芯13上的橡胶密封层18和阀套17进行一段时间(本实施例中为48小时)的预压。

步骤三、第二伺服电机7正转，同时数据采集仪1继续采集第一拉压传感器11和第二拉压传感器6的压力。第二伺服电机7驱动第二丝杠滑台8的滑动台带动第二加载压块9和第二拉压传感器6向下匀速移动，使得推杆10嵌入阀套17的中心孔推动橡胶密封层18与阀套17分开。数据采集仪1采集到第二拉压传感器6与第一拉压传感器11的示数第二次相等时，第二伺服电机7停转。

步骤四、数据采集仪1将采集到的第一拉压传感器11和第二拉压传感器6的压力传给工控机2，工控机2绘制出第一拉压传感器11及第二拉压传感器6的压力随时间变化的曲线，如图4和5所示；曲线中，橡胶密封层18和阀套17的分离过程分为四个阶段，在这四个阶段中第一拉压传感器11的示数F₁与第二拉压传感器6的示数F₂之间的关系为

F₁＝F₂+F_弹

其中，F_弹为橡胶密封层对阀套17的弹性力；第一阶段，第二拉压传感器下降直至推杆10接触橡胶密封层18，在此之前第二拉压传感器6的示数为F₂＝0，第一拉压传感器11的示数为F₁＝F_预，其中，F_预为第一拉压传感器11测得的预压力；第二阶段，推杆10继续下降，直至第二拉压传感器6和第一拉压传感器11的示数第一次相等，该阶段中F_弹的方向与第二拉压传感器的受力方向相同，且F_弹逐渐减小，直至F_弹＝0，第一拉压传感器11的示数F₁与第二拉压传感器6的示数F₂同时增大，但F₂增加的比F₁快；第三阶段，推杆10继续下降，直至第二拉压传感器6和第一拉压传感器11示数第二次相等，该阶段中F_弹的方向与第二拉压传感器的受力方向相反，且F_弹逐渐增大，第一拉压传感器11的示数F₁与第二拉压传感器6的示数F₂继续同时增大，且F₁增加的比F₂快，该阶段中F_弹即为橡胶密封层18对阀套的粘附力F_粘，且粘附力为第二拉压传感器6的示数减去第一拉压传感器11的示数；第四阶段，橡胶密封层18和阀套17分离，第一拉压传感器11和第二拉压传感器6的示数保持相等。

步骤五、第二伺服电机7反转带动推杆10复位，第一伺服电机5反转带动第一拉压传感器11复位。

步骤六、重复步骤二至步骤五三次，得到三次粘附力F_粘，求平均值后即为阀芯13和阀套17间的测试粘附力。

Claims (2)

1.阀芯和阀套界面时变粘附力特性测试方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一、将待测工件的弹簧套置在待测工件的阀芯上，然后放入阀芯套筒内，弹簧的底端与压套的顶端端面接触；将阀套工作面置于硫化在阀芯工作面的密封层上，再将阀套与阀芯套筒固定；

步骤二、第一伺服电机正转，驱动第一丝杠滑台的滑动台带动第一加载压块向上匀速移动，第一拉压传感器通过压套对弹簧进行压缩，阀芯的底端嵌入压套的预紧作用孔内；压缩的弹簧作用于阀芯，为密封层与阀套提供预压力，然后第一伺服电机停转；数据采集仪采集第一拉压传感器测得的预压力；对阀芯上的密封层和阀套进行时间大于24小时的预压；

步骤三、第二伺服电机正转，同时数据采集仪继续采集第一拉压传感器和第二拉压传感器的压力；第二伺服电机驱动第二丝杠滑台的滑动台带动第二加载压块和第二拉压传感器向下匀速移动，使得推杆嵌入阀套的中心孔推动密封层与阀套分开；数据采集仪采集到第二拉压传感器与第一拉压传感器的示数第二次相等时，第二伺服电机停转；

步骤四、数据采集仪将采集到的第一拉压传感器和第二拉压传感器的压力传给工控机，工控机绘制出第一拉压传感器及第二拉压传感器的压力随时间变化的曲线；将曲线中密封层和阀套的分离过程分为四个阶段，在这四个阶段中第一拉压传感器的示数F₁与第二拉压传感器的示数F₂之间的关系为

F₁＝F₂+F_弹

其中，F_弹为密封层对阀套的弹性力；第一阶段，第二拉压传感器下降直至推杆接触密封层，该阶段第二拉压传感器的示数为F₂＝0，第一拉压传感器的示数为F₁＝F_预，其中，F_预为第一拉压传感器测得的预压力；第二阶段，推杆继续下降，直至第二拉压传感器和第一拉压传感器的示数第一次相等，该阶段中F_弹的方向与第二拉压传感器的受力方向相同，且F_弹逐渐减小，直至F_弹＝0，第一拉压传感器的示数F₁与第二拉压传感器的示数F₂同时增大，但F₂增加的比F₁快；第三阶段，推杆继续下降，直至第二拉压传感器和第一拉压传感器示数第二次相等，该阶段中F_弹的方向与第二拉压传感器的受力方向相反，且F_弹逐渐增大，第一拉压传感器的示数F₁与第二拉压传感器的示数F₂继续同时增大，且F₁增加的比F₂快，该阶段中F_弹即为密封层对阀套的粘附力F_粘，且粘附力为第二拉压传感器的示数减去第一拉压传感器的示数；第四阶段，密封层和阀套分离，第一拉压传感器和第二拉压传感器的示数保持相等；

步骤五、第二伺服电机反转带动推杆复位，第一伺服电机反转带动第一拉压传感器复位；

步骤六、重复步骤二至步骤五三次，得到三次粘附力F_粘，求平均值后即为阀芯和阀套间的测试粘附力。

2.根据权利要求1所述的阀芯和阀套界面时变粘附力特性测试方法，其特征在于：所述密封层的材料采用橡胶。

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