CN113218800A - 一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***及方法,***包括电源散热模块、加载驱动模块和数据采集模块,数据采集模块连接到加载驱动模块,电源散热模块包括空压机和空气过滤器,加载驱动模块包括压电促动器驱动电源、压电促动器试验台和被测球阀,压电促动器试验台上设有压电促动器、力传感器和阀座,数据采集模块包括放大器、数据采集器和数据处理器;方法包括对被测球阀进行模拟微动磨损过程的测试,对压电促动器加载力信号数据的采集与处理。与现有技术相比,本发明具有提高测试***的散热能力、提高测试***的测试精度、减少实验时间等优点。
Description
技术领域
本发明涉及磨损测试技术领域,尤其应用于行走机械、汽车发动机传动***液压元件的磨损,具体涉及一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***及方法。
背景技术
缸内直喷技术是燃油汽车供油的一个新技术,该技术能使燃油喷射量更精确,达到更好的经济性、动力性和环保性,是未来汽油汽车技术的发展趋势之一。在缸内直喷技术发展过程中,提高喷油压力,能使燃油雾化效果更好,燃烧更充分,故缸内直喷技术的高压化是燃油汽车供油***的一个重要发展方向。
高压情况下,部分液压元件出现结构损伤问题,尤其是高压泵中球型卸荷阀,其球阀和阀座接触部分出现环形损伤,导致无法实现正常保压、卸荷功能。针对汽油直喷高压泵球阀损伤问题,结合理论和仿真研究的结果认为该损伤是由于球阀和阀座之间的微动磨损造成的。
微动磨损是接触部件之间由于剪切力振荡和较小的相对滑动幅度(通常在5~100μm范围内)发生微动导致的材料损失,要研究针对球阀微动损伤的优化方案,需要进行相应的试验来进行测试和验证。而进行微动磨损的测试最为关键的就是如何产生高频小位移的交变载荷,传统的液压驱动和电机驱动方式均无法达到很好的加载效果。
压电促动器广泛应用于光学、物理及生物医学等方面研究,利用压电促动器响应快、位移精确的优点对球阀进行加载能够实现对加载力的精确控制和及时调整并且能够实现两倍于原型加载频率的提升。
但是,现有的磨损测试中应用的压电促动器***尚未有针对微动磨损测试的具体实现,并且微动磨损由于其高频、小位移的特点对测试***的散热能力以及测试的精确度均提出了较高的要求。
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,但是该技术不适用于微动磨损测试的情形;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,但是该技术没有针对驱动器以外的结构进行具体设计,并且不适用于微动磨损测试的情形。以上各装置均不适用于解决汽油直喷高压泵卸荷阀球阀微动磨损测试的问题,因此需要设计一种能够解决汽油直喷高压泵卸荷阀球阀微动磨损测试问题的装置。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的测试***的散热能力以及测试的精确度不足的缺陷而提供一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***及方法。
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球阀微动磨损测试***,包括电源散热模块、加载驱动模块和数据采集模块,所述数据采集模块连接到加载驱动模块,所述电源散热模块包括空压机和空气过滤器,所述加载驱动模块包括压电促动器驱动电源、压电促动器试验台和被测球阀,所述压电促动器试验台上设有压电促动器、力传感器和阀座,所述数据采集模块包括放大器、数据采集器和数据处理器。
所述空压机的排气口连接所述空气过滤器的进气口。
进一步地,所述空压机的功能包括压缩和冷却空气,冷却后的空气通过所述进气口进入空气过滤器。
进一步地,所述空气过滤器的功能包括过滤空气中的油水。
所述空气过滤器的排气口对准所述压电促动器驱动电源,将清洁的冷却空气吹向压电促动器驱动电源用于通风散热。
所述压电促动器驱动电源的输出端连接到所述压电促动器试验台的压电促动器的两极。
一种使用所述的基于压电促动器的球阀微动磨损测试***的方法,具体包括以下步骤:
S1、将所述被测球阀固定在所述压电促动器试验台上,所述电源散热模块启动进行散热;
S2、所述压电促动器驱动电源产生高频振动信号至压电促动器,所述压电促动器生成高频交变的加载力并施加到被测球阀上;
S3、所述力传感器计算所述加载力对应的加载力信号,并转换为电荷信号输入到放大器中,经过所述放大器的信号放大处理后将相应的信号数据传送到数据采集器和数据处理器。
所述数据处理器对加载力信号进行处理分析,得到球阀微动磨损测试数据,并形成球阀微动磨损测试数据的数据库。
进一步地,测试过程中由于球阀以及阀座的微动磨损现象,加载力会出现随时间增加的不等幅衰减,所述数据处理器进行处理分析的过程包括通过Archard磨损公式将加载力对应的衰减力加载作用的次数折算为预设的加载力加载作用的次数。
所述Archard磨损公式具体如下所示:
其中,V为磨损体积,S为滑移距离,P为正压力,H为材料硬度,K为磨损系数。
所述压电促动器驱动电源根据预设的输出频率、幅值以及加载时间来产生高频振动信号。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1.本发明的电源散热模块通过使用进介质的冷却结构对压电促动器驱动电源进行通风散热,提高了测试***的散热能力,因此使得整个测试***可以持续稳定地工作,提高了测试***的稳定性。
2.本发明的数据处理器利用Archard磨损公式解决了加载力信号数据采集过程中出现的不等幅衰减现象,准确地获得压电促动器激励的高频交变载荷信号,提高了测试***的测试精度,并利用压电促动器高频激振的特点大大减少了实验时间。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明实施例中误差放大式驱动电源原理图的结构示意图;
图3为本发明实施例中驱动电路的架构流程框图。
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。
实施例
如图1所示,一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***,包括电源散热模块、加载驱动模块和数据采集模块,数据采集模块连接到加载驱动模块,电源散热模块包括空压机和空气过滤器,加载驱动模块包括压电促动器驱动电源、压电促动器试验台和被测球阀,压电促动器试验台上设有压电促动器、力传感器和阀座,数据采集模块包括放大器、数据采集器和数据处理器。
空压机的排气口连接空气过滤器的进气口。
空压机的功能包括压缩和冷却空气,冷却后的空气通过进气口进入空气过滤器。
空气过滤器的功能包括过滤空气中的油水。
空气过滤器的排气口对准压电促动器驱动电源,将清洁的冷却空气吹向压电促动器驱动电源用于通风散热。
本实施例中,空压机采用风豹750×3-65型号的空压机,该空压机可以将空气压缩到0.7MPa,流量可以达到0.135m3/min,具体的散热量如以下公式所示:
φ=ρ·c·Q·Δt
其中,φ为散热量,ρ为空气密度,取1.293Kg/m3(20℃,标准大气压下),c为空气定压比热容,取1.064KJ/(kg/k),Q为空压机空气流速0.135m3/min,Δt为温度变化,压电促动器驱动电源的工作温度最大值与环境温度的差值为25℃,代入上式得到:
φ=1.293×1.064×0.135×25=4643J/min=77.38W
由于压电促动器驱动电源的输入功率小于100W,输出功率在70W左右,因此发热功率在30W左右,小于77.38W,因此本实施例的空压机符合要求。
本实施例中,空气过滤器采用JB-05双联三及空气过滤器,该空气过滤器可以处理流量为1.0m3/min、压力为0.8MPa的空气。
压电促动器驱动电源的输出端连接到压电促动器试验台的压电促动器的两极。
本实施例中,压电促动器驱动电源采用迈客荣HPV-1C0150A0500型号的压电驱动电源,能够驱动单路压电陶瓷,属于误差放大式电源,可以对电压和电流进行实时监控,保证电路工作在正常范围内,并有着优秀的正弦波响应频率和输出电压稳定性,驱动原理图如图2所示;压电促动器驱动电源的架构设计采用PWM脉宽调制模块与DC-DC电路配合使用来提供可变的电压输出,并且可以实现电压的频率可调,对应的驱动电路具体流程结构框图如图3所示。
一种使用基于压电促动器的球阀微动磨损测试***的方法,具体包括以下步骤:
S1、将被测球阀固定在压电促动器试验台上,电源散热模块启动进行散热;
S2、压电促动器驱动电源产生高频振动信号至压电促动器,压电促动器生成高频交变的加载力并施加到被测球阀上;
S3、力传感器计算加载力对应的加载力信号,并转换为电荷信号输入到放大器中,经过放大器的信号放大处理后将相应的信号数据传送到数据采集器和数据处理器。
步骤S1具体包括以下步骤:
S101、将被测球阀安装在压电促动器试验台的下底座的凹槽中,盖上中底座,依次对中安装上第二连接杆、力传感器和第一连接杆,盖上上底座,将已经套上法兰件的压电促动器用四个止推螺栓固定在上底座上;
S102、用螺帽堵上中底座水平方向的两个螺纹通孔,向竖直方向导油孔注入润滑油,启动空压机以及空气过滤器,启动空压机以及空气过滤器。
本实施例中,压电促动器采用迈客荣PZT 150 10/40VS15型号的压电陶瓷致动器,长度为46mm,标称位移为40μm,静电容量为6.1μF,输出推力为1800N,远大于所需的125N,标称行程满行程下工作频率可以达到1kHz,满足所需100Hz工作频率的要求。
本实施例中,放大器采用KYOWA的DPM-911B型号的动态应变放大器,可以确保高稳定性、高精度测量。
数据处理器对加载力信号进行处理分析,得到球阀微动磨损测试数据,并形成球阀微动磨损测试数据的数据库。
本实施例中,数据采集器和数据处理器均为电脑端,数据采集和处理的软件具体为NR-600/500软件。
测试过程中由于球阀以及阀座的微动磨损现象,加载力会出现随时间增加的不等幅衰减,数据处理器进行处理分析的过程包括通过Archard磨损公式将加载力对应的衰减力加载作用的次数折算为预设的加载力加载作用的次数。
Archard磨损公式具体如下所示:
其中,V为磨损体积,S为滑移距离,P为正压力,H为材料硬度,K为磨损系数。在微动磨损试验中认为滑移距离、材料硬度和磨损系数是没有发生变化的,因此磨损体积与正压力成正比,比例系数为滑移距离与磨损系数的乘积比上材料硬度。
压电促动器驱动电源根据预设的输出频率、幅值以及加载时间来产生高频振动信号。
具体实施时,在某一组微动磨损测试试验中,未出现加载力衰减的试验均在P加载力下进行了n万次加载,出现加载力衰减的试验在P加载力下进行了m万次加载,在Q加载力下进行了n-m次加载,这里我们认为在其它条件相同时,同样的加载力下重复实验将形成相同的磨损深度。于是Q加载力下的n-m万次加载用Archard公式可以转化为P加载力下的(Q/P)(n-m)次加载。只要对这组试验的所有样本均截取前m+(Q/P)(n-m)次的加载数据,就可以得到理论上磨损深度相同的一组实验数据。
此外,需要说明的是,本说明书中所描述的具体实施例,所取名称可以不同,本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化,均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法,只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***,其特征在于,包括电源散热模块、加载驱动模块和数据采集模块,所述数据采集模块连接到加载驱动模块,所述电源散热模块包括空压机和空气过滤器,所述加载驱动模块包括压电促动器驱动电源、压电促动器试验台和被测球阀,所述压电促动器试验台上设有压电促动器、力传感器和阀座,所述数据采集模块包括放大器、数据采集器和数据处理器。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***,其特征在于,所述空压机的排气口连接所述空气过滤器的进气口。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***,其特征在于,所述空压机的功能包括压缩和冷却空气,冷却后的空气通过所述进气口进入空气过滤器。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***,其特征在于,所述空气过滤器的功能包括过滤空气中的油水。
5.根据权利要求4所述的一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***,其特征在于,所述空气过滤器的排气口对准所述压电促动器驱动电源。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电促动器的球阀微动磨损测试***,其特征在于,所述压电促动器驱动电源的输出端连接到所述压电促动器试验台的压电促动器的两极。
7.一种使用如权利要求1所述的基于压电促动器的球阀微动磨损测试***的方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
S1、将所述被测球阀固定在所述压电促动器试验台上,所述电源散热模块启动进行散热;
S2、所述压电促动器驱动电源产生高频振动信号至压电促动器,所述压电促动器生成高频交变的加载力并施加到被测球阀上;
S3、所述力传感器计算所述加载力对应的加载力信号,并转换为电荷信号输入到放大器中,经过所述放大器的信号放大处理后将相应的信号数据传送到数据采集器和数据处理器。
8.根据权利要求7所述的一种使用基于压电促动器的球阀微动磨损测试***的方法,其特征在于,所述数据处理器对加载力信号进行处理分析,得到球阀微动磨损测试数据,并形成球阀微动磨损测试数据的数据库。
9.根据权利要求8所述的一种使用基于压电促动器的球阀微动磨损测试***的方法,其特征在于,所述数据处理器进行处理分析的过程包括通过Archard磨损公式将加载力对应的衰减力加载作用的次数折算为预设的加载力加载作用的次数。
10.根据权利要求7所述的一种使用基于压电促动器的球阀微动磨损测试***的方法,其特征在于,所述压电促动器驱动电源根据预设的输出频率、幅值以及加载时间来产生高频振动信号。
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