CN113252486A - 一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，包括：底盘；呈等边三角形分布并定位布置在底盘上的三组被测球阀；固定在底盘上的压电促动器；从上到下依次设置在压电促动器与三组被测球阀之间的连接杆、压力传感器和加载杆。与现有技术相比，本发明可对多对阀球结构同时进行加载实验，在保证实验精度的前提下显著提高了实验的效率。

Description

一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置
技术领域
本发明属于磨损测试技术领域，涉及一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置。
背景技术
球形卸荷阀是缸内直喷式燃油系统中的高压泵的重要安全阀，起到了建压、保压的作用。球形卸荷阀阀球端为低压端，阀座端为高压端，阀球受到低压端弹簧预紧力和交变油液压力作用以及高压端的固定压力作用被紧紧压在阀座上。在直喷式系统供油压力整体提高后，阀球与阀座接触部分由于微动磨损作用出现了环形溃损，为了对这一磨损现象进行研究，需要设计一种能够模拟阀球阀座微动过程的实验装置。由于微动磨损是一种长期交变作用力下发生的溃损，现有技术一次只能对一个阀球进行加载实验，实验耗时较大。若考虑同时对多个阀球进行加载，可以让每个阀球的平均实验时间大大减小，但多对阀球同步加载仍存在下列问题：加载过程中如何让每个阀球循环受力条件相同或者基本接近以及保证误差尽可能的最小。
中国专利201310509149.8公开了一种基于压电陶瓷激振器的薄壁结构件振动测试装置及方法，该装置利用压电陶瓷激振器产生稳定的、指定激振力和激振频率的线性激振信号，附加质量低，装置使用方便；中国专利201910642339.4公开了一种压电陶瓷促动器驱动的三足平台及控制方法，该三足平台使用精度高、成本低、体积小、控制简便；中国专利202020205620.X公开了一种新型的自平衡竖向加载试验装置，该装置用于桩基等工程结构物的竖向加载试验，装置可以通过轻微的倾斜来避免装置的倾覆，同时保持对加载点的力矩平衡。但以上各装置不适用于解决多个高压泵卸荷阀阀球同时加载问题，因此需要设计一种能够解决对多个高压泵卸荷阀阀球同时加载问题的装置。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，以解决多个高压泵卸荷阀阀球同时加载问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，包括：
底盘；
呈等边三角形分布并定位布置在底盘上的三组被测球阀；
固定在底盘上的压电促动器；
从上到下依次设置在压电促动器与三组被测球阀之间的连接杆、压力传感器和加载杆。
进一步的，所述的底盘包括从上到下依次连接组装的上底盘、中底盘和下底盘，其中，所述的中底盘与上底盘之间还加工有用于容纳所述连接杆、压力传感器和加载杆的加载空腔，所述的压电促动器的底端伸入所述加载空腔中并与连接杆相连接，所述的加载杆则与三组被测球阀相接触。
更进一步的，所述的加载空腔的高度满足：连接杆与加载空腔的上表面之间留有调整空间。
更进一步的，所述的下底盘上加工有与被测球阀的底部间隙配合的定位凹槽，每组被测球阀则定位放置在定位凹槽处。
更优选的，所述的中底盘上还加工有连接所述定位凹槽与加载空腔的连通孔，所述的被测球阀与所述连通孔间隙配合，且被测球阀的上部穿过所述连通孔并伸入加载空腔中。
更进一步的，所述的压电促动器与上底盘之间通过法兰盘对中固定连接。可选的，所述的压电促动器通过外螺纹与法兰盘固定，所述的法兰盘通过若干螺钉与上底盘固定连接。
更进一步的，所述的上底盘、中底盘、下底盘与被测球阀和压电促动器的位置装配满足：压电促动器的施力点刚好位于三组被测球阀所围成的等边三角形的中心法线上。
进一步的，每组被测球阀由沿加载方向串联的若干球阀结构组成，每个球阀结构包括阀座和安置在阀座上的阀球。
更进一步的，每组被测球阀由沿加载方向串联的两个球阀结构组成。
进一步的，两组被测球阀的水平间距不小于0.844mm。
与现有技术相比，本发明通过设置压电促动器模拟微动磨损的交变载荷，设计球阀串并联结构形式并实际计算了可以忽略倾斜误差的球阀等边三角形并联结构的最小安装距离，实现了对多个(6个)阀球进行同时加载实验的驱动装置，大大提高了单个球阀的平均实验时间，结构简单，安全可靠，易于维护更换。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的加载杆倾斜后球心坐标图。
图中标记说明：
1-下底盘，2-阀座，3-阀球，4-中底盘，5-加载杆，6-压力传感器，7-连接杆，8-上底盘，9-压电促动器，10-法兰盘，11-垫片，12-螺钉，13-加载空腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。
为了实现对多个高压泵卸荷阀阀球3同时加载，本发明提供了一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其结构参见图1所示，包括：
底盘；
呈等边三角形分布并定位布置在底盘上的三组被测球阀；
固定在底盘上的压电促动器9；
从上到下依次设置在压电促动器9与三组被测球阀之间的连接杆7、压力传感器6和加载杆5，即压电促动器与被测球阀之间采用“连接杆7-压力传感器6-加载杆5”的“三明治”结构。
在一些实施方式中，请再参见图1所示，所述的底盘包括从上到下依次连接组装的上底盘8、中底盘4和下底盘1，其中，所述的中底盘4与上底盘8之间还加工有用于容纳所述连接杆7、压力传感器6和加载杆5的加载空腔13，所述的压电促动器9的底端伸入所述加载空腔13中并与连接杆7相连接，所述的加载杆5则与三组被测球阀相接触。
更具体的实施方式中，所述的加载空腔13的高度满足：连接杆7与加载空腔13的上表面之间留有调整空间。
更具体的实施方式中，所述的下底盘1上加工有与被测球阀的底部间隙配合的定位凹槽，每组被测球阀则定位放置在定位凹槽处。定位凹槽经过设计，可以确保三组被测球阀呈等边三角形布置，从而可以忽略由于板倾斜造成的误差。
更优选的，所述的中底盘4上还加工有连接所述定位凹槽与加载空腔13的连通孔，所述的被测球阀与所述连通孔间隙配合，且被测球阀的上部穿过所述连通孔并伸入加载空腔13中。
更具体的实施方式中，所述的压电促动器9与上底盘8之间通过法兰盘10对中固定连接。可选的，所述的压电促动器9通过外螺纹与法兰盘10固定，所述的法兰盘10通过若干螺钉12与上底盘8固定连接。
更具体的实施方式中，所述的上底盘8、中底盘4、下底盘1与被测球阀和压电促动器9的位置装配满足：压电促动器9的施力点刚好位于三组被测球阀所围成的等边三角形的中心法线上。
在一些实施方式中，请再参见图1所示，每组被测球阀由沿加载方向串联的若干球阀结构组成，每个球阀结构包括阀座2和安置在阀座2上的阀球3。更具体的实施方式中，每组被测球阀由沿加载方向串联的两个球阀结构组成。
进一步的，两组被测球阀的水平间距不小于0.844mm。并联结构实验过程中由于阀球硬度不同，长时间实验之后可能导致板轻微的倾斜，以每组被测球阀仅含有一个阀球为例进行说明，三个阀球受力发生变化，导致其中某个阀球受力可能不在8-80N这一要求范围内，于是对阀球受力进行建模分析。
参见图2，由于阀球安装位置和压电促动器安装位置均不变，所以三个球在磨损后的x、y坐标均保持不变，以硬度最大的阀球A为原点建立坐标系，设阀球间安装距离(即初始等边三角形边长)为l，阀球B、C相对阀球A的磨损深度为h1、h2，可得板倾斜后三个球的球心位置坐标。
1)首先确定阀球的受力误差范围，规定阀球受力误差不超过5％，当同一平面内的三个阀球受力最大的一个阀球受力为80N时，计算可允许的其他两个阀球受力范围：
80×(1-5％)＝76N
因此在受力最大的阀球的受力为80N时，其他阀球受力范围为76N-80N。
2)然后求倾斜后三个球心所在平面的法向量，通过法向量将平面的方程表示出来，设三个球心所在平面的法向量
Figure BDA0003024303450000057
可得：
Figure BDA0003024303450000051
解得：
Figure BDA0003024303450000052
所以法向量
Figure BDA0003024303450000053
3)接下来求三个球与板接触点的坐标，由于板倾斜后仍然与三个球相切，所以从球心到切点的向量与该法向量共线，由此可求出切点坐标，A球切点坐标满足
Figure BDA0003024303450000054
将法向量代入得
Figure BDA0003024303450000055
解得
Figure BDA0003024303450000056
从而求得A球与板接触点坐标A1
Figure BDA0003024303450000061
由于三个球半径相同，所以可以得出B球、C球作用点位置B1、C1
A1(x1,y1,z1)
B1(x1,l+y1,-h1+z1)
Figure BDA0003024303450000062
4)根据三个球与板接触点的坐标，可以求出倾斜板与球的接触平面的方程，由平面经过A1点且平面法向量已知，可以求出平面的点法式方程即板与球实际接触平面的方程：
a(x-x1)+b(y-y1)+c(z-z1)＝0 (8)
代入法向量得
Figure BDA0003024303450000063
5)然后可以求出板倾斜后压电促动器作用点的坐标由于压电促动器安装位置始终位于等边三角形的中心，即
Figure BDA0003024303450000064
将数值代入平面方程即可求出压电促动器作用点位置坐标
Figure BDA0003024303450000065
解得
Figure BDA0003024303450000071
6)根据已求得的三个球作用点坐标和压电促动器作用点坐标A1、B1、C1、O，可以求出三个向量
Figure BDA0003024303450000072
为方便表示令
Figure BDA0003024303450000073
则
Figure BDA0003024303450000074
Figure BDA0003024303450000075
Figure BDA0003024303450000076
根据向量我们可以求出OA1、OB1、OC1的长度以及夹角：
Figure BDA0003024303450000077
Figure BDA0003024303450000078
Figure BDA0003024303450000081
Figure BDA0003024303450000082
Figure BDA0003024303450000083
7)然后将我们需要比较的力用代数式表示出来，设
Figure BDA0003024303450000084
与
Figure BDA0003024303450000085
夹角为θ1，
Figure BDA0003024303450000086
与
Figure BDA0003024303450000087
夹角为θ2，
Figure BDA0003024303450000088
与
Figure BDA0003024303450000089
夹角为θ3，A、B、C三个球受到的力分别为F1、F2、F3
则由力矩平衡原理可得：
Figure BDA00030243034500000810
Figure BDA00030243034500000811
其中
Figure BDA00030243034500000812
Figure BDA00030243034500000813
代入得
Figure BDA00030243034500000814
由于实验中阀球的变形量最大值为110μm，最小值为32.8μm，所以阀球的相对变形量最大值为：
110-32.8＝77.2μm
即h1、h2最大值为77.2μm，最小值为0，阀球的安装距离l在厘米级单位上，因此在公式中含有h1、h2的高次项在结果中的影响极小可以忽略不计，按这种思路将最终的结果进行化简可以得到
Figure BDA0003024303450000091
代入误差允许范围F1/F2＝1.05可以化简得到：
Figure BDA0003024303450000092
代入h1＝77.2μm，h2＝0，r＝0.794mm可得阀球安装距离的最小值l，解得
l＝0.844mm
因此当两组被测球阀的安装距离大于0.844mm时，由于板倾斜造成的误差即可忽略不计。
本发明的压电促动器9所产生的高频交变加载力通过加载杆5传递给压力传感器6，记录下交变载荷的数据，并通过连接杆7将交变载荷继续传递给被测球阀，使阀球3与阀座2之间产生微动。具体测试中，压力传感器6还连接外部放大设备进行数据处理。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
为了实现对多个高压泵卸荷阀阀球同时加载，本发明提供了一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其结构参见图1所示，包括：
底盘；
呈等边三角形分布并定位布置在底盘上的三组被测球阀；
固定在底盘上的压电促动器9；
从上到下依次设置在压电促动器9与三组被测球阀之间的连接杆7、压力传感器6和加载杆5。
本实施例的压电促动器9，采用的是类压电陶瓷元件(采用常规市售产品即可)，该材料的逆压电效应具有高频响、高精确度的优点，能够精确控制出力并实现较高的加载频率。
请再参见图1所示，底盘包括从上到下依次连接组装的上底盘8、中底盘4和下底盘1，其中，中底盘4与上底盘8之间还加工有用于容纳连接杆7、压力传感器6和加载杆5的加载空腔13，压电促动器9的底端伸入加载空腔13中并与连接杆7相连接，加载杆5则与三组被测球阀相接触。加载空腔13的高度满足：连接杆7与加载空腔13的上表面之间留有调整空间。下底盘1上加工有与被测球阀的底部间隙配合的定位凹槽，每组被测球阀则定位放置在定位凹槽处。定位凹槽经过设计，可以确保三组被测球阀呈等边三角形布置，从而可以忽略由于板倾斜造成的误差。中底盘4上还加工有连接定位凹槽与加载空腔13的连通孔，被测球阀与连通孔间隙配合，且被测球阀的上部穿过连通孔并伸入加载空腔13中。
请再参见图1所示，压电促动器9与上底盘8之间通过法兰盘10对中固定连接。优选的，压电促动器9通过外螺纹与法兰盘10固定，法兰盘10通过若干螺钉12与上底盘8固定连接，可选的，螺钉12设有四个，螺钉12上还套有垫片11。
上底盘8、中底盘4、下底盘1与被测球阀和压电促动器9的位置装配满足：压电促动器9的施力点刚好位于三组被测球阀所围成的等边三角形的中心法线上。
请再参见图1所示，每组被测球阀由沿加载方向串联的若干球阀结构组成，每个球阀结构包括阀座2和安置在阀座2上的阀球3。本实施例中，每组被测球阀由沿加载方向串联的两个球阀结构组成。
本实施例的压电促动器9所产生的高频交变加载力通过加载杆5传递给压力传感器6，记录下交变载荷的数据，并通过连接杆7将交变载荷继续传递给被测球阀，使阀球3与阀座2之间产生微动。具体测试中，压力传感器6还连接外部放大设备进行数据处理。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其特征在于，包括：
底盘；
呈等边三角形分布并定位布置在底盘上的三组被测球阀；
固定在底盘上的压电促动器；
从上到下依次设置在压电促动器与三组被测球阀之间的连接杆、压力传感器和加载杆。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其特征在于，所述的底盘包括从上到下依次连接组装的上底盘、中底盘和下底盘，其中，所述的中底盘与上底盘之间还加工有用于容纳所述连接杆、压力传感器和加载杆的加载空腔，所述的压电促动器的底端伸入所述加载空腔中并与连接杆相连接，所述的加载杆则与三组被测球阀相接触。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其特征在于，所述的加载空腔的高度满足：连接杆与加载空腔的上表面之间留有调整空间。
4.根据权利要求2所述的一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其特征在于，所述的下底盘上加工有与被测球阀的底部间隙配合的定位凹槽，每组被测球阀则定位放置在定位凹槽处。
5.根据权利要求4所述的一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其特征在于，所述的中底盘上还加工有连接所述定位凹槽与加载空腔的连通孔，所述的被测球阀与所述连通孔间隙配合，且被测球阀的上部穿过所述连通孔并伸入加载空腔中。
6.根据权利要求2所述的一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其特征在于，所述的压电促动器与上底盘之间通过法兰盘对中固定连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其特征在于，所述的压电促动器通过外螺纹与法兰盘固定，所述的法兰盘通过若干螺钉与上底盘固定连接。
8.根据权利要求2或6所述的一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其特征在于，所述的上底盘、中底盘、下底盘与被测球阀和压电促动器的位置装配满足：压电促动器的施力点刚好位于三组被测球阀所围成的等边三角形的中心法线上。
9.根据权利要求1所述的一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其特征在于，每组被测球阀由沿加载方向串联的若干球阀结构组成，每个球阀结构包括阀座和安置在阀座上的阀球。
10.根据权利要求1所述的一种基于压电促动器的阀球串并联加载驱动装置，其特征在于，两组被测球阀的水平间距不小于0.844mm。
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