[发明专利]一种控制阀颤振特性测试装置及方法

说明书

本发明公开了一种控制阀颤振测试装置及测试方法，能够模拟不同压力、不同角度、不同距离下进油道冲击控制阀的振动形式，探究，获得不同工况、不同喷射模式下、不同表面形状的控制阀的颤振特性。石英玻璃容器中具备透明液体，液体中分布示踪粒子。控制阀的尖端位于容器中且被液体浸没。喷嘴设置于容器液面以上。压电陶瓷嵌入控制阀的中心，连接示波器。光源和超高速相机分别设置于石英玻璃容器的两侧壁，光源的中心、控制阀的尖端和超高速相机视场中心三者位于同一直线，此直线垂直容器侧壁。超高速相机采集石英玻璃容器中流场图像送入计算机中。本发明还提供了测试方法方便分析计算获得控制阀的颤振特性。

技术领域

本发明涉及控制阀颤振测试技术领域，具体涉及一种控制阀颤振特性测试装置及方法。

背景技术

在柴油机喷油嘴的高压瞬变湍流场中，控制阀在轴向往复运动控制喷油的过程中，往往伴随着径向高频、无规律、往复颤振的异常运动，即控制阀在高压力梯度并伴随强烈空穴的瞬变流场中容易发生径向颤振失稳现象。控制阀颤振时，其侧向摆动会形成一个附加力矩，引起控制阀的变形弯曲，一方面使得控制阀导向段摩擦力增大，造成开启和关闭的速率降低，响应速度变慢，另一方面会使控制阀体下端喷孔的有效流通面积发生变化，这种颤振行为可能持续整个喷雾过程，控制阀的颤振失稳会极大地影响压力室内的拟序结构和流场特性，从而对喷油器流量特性、寿命、各孔喷油均匀性和油束破碎雾化等产生显著影响。探究高压强瞬变异重湍流场中的控制阀阀颤振失稳机制，可以有效控制其运动特性及喷雾特性、完善油束破碎雾化理论，同时为控制阀、喷孔结构设计奠定理论基础。因此，对控制阀颤振问题进行调查研究具有非常实际且重要的意义。

控制阀的颤振来源可以分为外激振动和流激振动。外激振动指控制阀所在系统或系统其他部件引发的控制阀振动，如柴油机喷嘴进油道中高压燃油对控制阀的冲击；流激振动指的是由控制阀内流体流动引发的振动，如不同螺旋槽的控制阀，其内部流体流动存在较大差异。表面光滑的控制阀在运动过程中仅有轴向运动和横向振动，但表面设置螺旋槽的控制阀在运动过程中还会周向旋转，螺旋槽的存在可以增大控制阀流通面积，增大燃油流量，同时，周向运动对阀体的横向振动具有一定的抑制作用，能使控制阀更快更稳定的落座。因此探究控制阀表面形状对其颤振特性的时空演化规律对设计出品质优秀的控制阀具有重要意义。

控制阀颤振失稳是空化演化、湍流发展、涡团演变、激波下作用粘性层突变等多个因素共同作用的结果。随着喷油压力的升高，流体中的湍流强度持续增大，针阀失稳振幅亦愈大；喷嘴压力室内除了空化湍流引起的小尺度涡团和流场的拟序结构外，还存在因控制阀颤振而引起的类似于鱼尾摆动所产生的反卡门涡街(如图1所示)，反卡门涡街的生成、剥离、脱落等过程会使压力室内的局部压力发生变化，造成控制阀受力失衡，从而进一步加强控制阀尖部的颤振；而控制阀的失稳又将产生更强的反卡门涡街，二者相互诱导促进。对比分析不同表面形状、不同工况下控制阀颤振产生的反卡门涡街涡量强度，可以得出颤振特性与反卡门涡街之间的关系。研究控制阀颤振所引起的反卡门涡街现象对抑制控制阀失稳、优化喷嘴结构设计等多方面具有关键性的意义。

由于柴油机喷嘴处传统的控制阀均为铁制的，只能利用传感器检测控制阀的升程，无法检测其横向振荡情况；现有的测试控制阀颤振特性的方法大都利用可视化透明喷嘴并结合先进成像技术来获得控制阀横向振动的信息。美国Argonne国家实验室利用X射线相位对比成像技术来获得柴油机喷嘴内控制阀的径向振动信息，此种方式成本极高，技术难度大。而可视化透明喷嘴一般由亚克力材料制成，其强度较低，在喷嘴喷射压力超过80MPa，则有开裂破碎的风险，而目前的电控高压共轨喷油压力高达160-200Mpa，亚克力材料的强度无法满足高压力下控制阀颤振的试验探究。过去研究中所使用的喷嘴，其进油道与压力室接口处距针阀的长度以及进油道与针阀所成夹角都是固定的，二者对于控制阀颤振产生的影响未曾被探究。现有技术大多通过加工不同形状的螺旋槽或直槽，对控制阀的表面形状进行改造，用以抑制控制阀的横向振动、增强其稳定性；不同控制阀表面形状对其颤振特性的影响程度亦不同，此项影响在过去的研究中并未被探究，控制阀表面形状对控制阀的时空演化特性影响规律仍未被得出。同时，当前的研究也并没有对控制阀尖端处的反卡门涡街现象进行捕捉和分析。