一种航空燃油计量调节压电阀及其工作方法

1.本发明涉及压电驱动及流量控制领域，尤其涉及一种航空燃油计量调节压电阀及其工作方法。


背景技术：

2.目前，航空领域所用的燃油流量控制阀，各有优劣。电磁式的流量调节范围小，计量精度低；机械式计量精度比电磁式高，但结构体积较大。高速开关电磁阀又有着响应滞后、响应慢等问题，一种计量精度高，结构紧凑，高频响的计量阀被人们所需求。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种航空燃油计量调节压电阀及其工作方法，利用材料的纵向振动和振动叠加，放大了阀芯端部的振幅，实现了阀门动态打开、阀门闭合，其设计结构简单、紧凑，易于实现流量的精确控制。
4.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种航空燃油计量调节压电阀，包含阀盖、换能器和阀座；所述阀盖为一端开口一端封闭的空心圆柱体；所述阀座为包含底座和壳体，其中，底座成圆盘状，壳体为两端开口的空心圆柱体，壳体的一端和底座同轴固连；所述底座中心设有燃油出口，所述燃油出口为圆形通孔；所述底座或者壳体上还设有使得阀座内外联通的燃油进口；所述换能器采用兰杰文振子，包括预紧螺栓、配重块、压电陶瓷组件、法兰盘和阀芯；所述预紧螺栓用于配重块、压电陶瓷组件、法兰盘和阀芯固定连接；所述配重块为圆柱体，其沿轴线设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述压电陶瓷组件包含2n个层叠的纵向振动压电陶瓷片，n为大于等于1的自然数，所述纵向振动压电陶瓷片呈圆环状、均沿厚度方向极化，且相邻纵向振动压电陶瓷片的极化方向相反；所述阀芯包含连接部、变幅部、传导部和接触部，其中，所述连接部为圆柱体；所述传导部为呈圆柱状的杆体，其端面直径小于连接部端面的直径；所述变幅部呈圆台状，其较大端面的直径和连接部端面的直径相等、较小端面的直径和传导部端面的直径相等；所述变幅部面积较大的一端和所述连接部的一端同轴固连，变幅部面积较小的一端和所述传导部的一端同轴固连；所述接触部呈圆台状，其较大端面的直径和传导部端面的直径相等并大于所述燃油出口的直径、较小端面的直径小于所述燃油出口的直径；所述接触部面积较大的一端和所述传导部的另一端同轴固连；所述阀芯在其连接部远离变幅部的端面中心设有和所述预紧螺栓相匹配的螺纹盲孔；所述法兰盘呈圆盘状，其中心设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；
所述预紧螺栓的螺柱依次穿过所述配重块、压电陶瓷组件、法兰盘后和所述阀芯的螺纹盲孔螺纹相连，将压电陶瓷组件压紧；所述法兰盘一端和所述壳体远离底座的一端密闭同轴固连，使得阀芯位于阀座内且阀芯的接触部和阀座底座的燃油入口相抵；所述法兰盘的另一端和所述所述阀盖同轴固连，使得换能器的配重块、压电陶瓷组件位于阀盖内；所述换能器的一阶纵向振动模态频率是法兰盘面外弯曲振动模态频率的倍频。
5.作为本发明一种航空燃油计量调节压电阀进一步的优化方案，所述法兰盘一端和所述壳体之间设有密封圈，用于阻隔燃油外泄，同时调节阀芯的接触部和阀座底座燃油出口之间过盈配合的过盈量。
6.作为本发明一种航空燃油计量调节压电阀进一步的优化方案，所述法兰盘和阀芯一体成型，以防燃油泄漏至压电陶瓷组件一侧。
7.作为本发明一种航空燃油计量调节压电阀进一步的优化方案，所述法兰盘的两个端面上对称设有用于放大换能器的面外弯曲振动幅值的圆形凹槽。
8.本发明还公开了一种该航空燃油计量调节压电阀的工作方法，包含以下过程：断电时，阀芯的接触部和所述阀座底座的燃油入口锥孔配合同时过盈配合，能够实现断电自锁；工作时，采用电信号驱动压电陶瓷组件，激发换能器的一阶纵向振动模态和法兰盘的面外弯曲振动，两个振动叠加使得阀芯端部产生往复振动，实现阀门的动态打开；此时，通过调节电信号电压的大小，能够改变阀门开合幅度，阀门开合幅度与输入电信号成正比，在给定压差下，阀的流量与阀门开合幅度成正比，由此能够控制阀流量流速比例；通过调节电信号的周期，能够控制阀门开合的频率，实现阀的高频响应。
9.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1. 本发明结构简单，便于小型化；2. 控制方式简单，有广阔的应用前景；3. 生产成本低，可大量制造；4. 可以实现流速和流量的比例控制和精确控制。
附图说明
10.图1为本发明实施例提供的一种航空燃油计量调节压电阀结构爆炸示意图；图2为本发明实施例提供的换能器结构示意图；图3为本发明实施例提供的压电陶瓷组件结构示意图；图4为本发明实施例提供的航空燃油计量调节压电阀结构剖视图；图5为本发明实施例提供的换能器一阶纵向振动示意图；图6为本发明实施例提供的法兰盘面外弯曲振动示意图；图7为本发明实施例提供的航空燃油计量调节压电阀工作周期图；图8为本发明实施例提供的航空燃油计量调节压电阀阀门开合幅度与输入电信号关系；图中，1
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阀盖，2
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换能器，3
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密封圈，4
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阀座，2.1
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预紧螺栓，2.2
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配重块，2.3
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压电
陶瓷组件，2.4
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法兰盘，2.5
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阀芯。
具体实施方式
11.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
12.图1所示，本发明公开了一种航空燃油计量调节压电阀，包含阀盖、换能器和阀座；所述阀盖为一端开口一端封闭的空心圆柱体；所述阀座为包含底座和壳体，其中，底座成圆盘状，壳体为两端开口的空心圆柱体，壳体的一端和底座同轴固连；所述底座中心设有燃油出口，所述燃油出口为圆形通孔；所述底座或者壳体上还设有使得阀座内外联通的燃油进口；如图2所示，所述换能器采用兰杰文振子，包括预紧螺栓、配重块、压电陶瓷组件、法兰盘和阀芯；所述预紧螺栓用于配重块、压电陶瓷组件、法兰盘和阀芯固定连接；所述配重块为圆柱体，其沿轴线设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述压电陶瓷组件包含2n个层叠的纵向振动压电陶瓷片，n为大于等于1的自然数，所述纵向振动压电陶瓷片呈圆环状、均沿厚度方向极化，且相邻纵向振动压电陶瓷片的极化方向相反，如图3所示；所述阀芯包含连接部、变幅部、传导部和接触部，其中，所述连接部为圆柱体；所述传导部为呈圆柱状的杆体，其端面直径小于连接部端面的直径；所述变幅部呈圆台状，其较大端面的直径和连接部端面的直径相等、较小端面的直径和传导部端面的直径相等；所述变幅部面积较大的一端和所述连接部的一端同轴固连，变幅部面积较小的一端和所述传导部的一端同轴固连；所述接触部呈圆台状，其较大端面的直径和传导部端面的直径相等并大于所述燃油出口的直径、较小端面的直径小于所述燃油出口的直径；所述接触部面积较大的一端和所述传导部的另一端同轴固连；所述阀芯在其连接部远离变幅部的端面中心设有和所述预紧螺栓相匹配的螺纹盲孔；所述法兰盘呈圆盘状，其中心设有供所述预紧螺栓穿过的通孔；所述预紧螺栓的螺柱依次穿过所述配重块、压电陶瓷组件、法兰盘后和所述阀芯的螺纹盲孔螺纹相连，将压电陶瓷组件压紧；所述法兰盘一端和所述壳体远离底座的一端密闭同轴固连，使得阀芯位于阀座内且阀芯的接触部和阀座底座的燃油入口相抵；所述法兰盘的另一端和所述所述阀盖同轴固连，使得换能器的配重块、压电陶瓷组件位于阀盖内，如图4所示；如图5、图6所示，所述换能器的一阶纵向振动模态频率是法兰盘面外弯曲振动模态频率的倍频。
13.所述法兰盘一端和所述壳体之间设有密封圈，用于阻隔燃油外泄，同时调节阀芯的接触部和阀座底座燃油出口之间过盈配合的过盈量。
14.所述法兰盘和阀芯优先采用一体成型技术制成，以防燃油泄漏至压电陶瓷组件一
侧。
15.所述法兰盘的两个端面上对称设有用于放大换能器的面外弯曲振动幅值的圆形凹槽。
16.所述阀盖和阀座根据输送液体和工作环境选择性能合适的金属或非金属材料。
17.本发明还公开了一种该航空燃油计量调节压电阀的工作方法，包含以下过程：断电时，阀芯的接触部和所述阀座底座的燃油入口锥孔配合同时过盈配合，能够实现断电自锁；工作时，采用电信号驱动压电陶瓷组件，激发换能器的一阶纵向振动模态和法兰盘的面外弯曲振动，两个振动叠加使得阀芯端部产生往复振动，实现阀门的动态打开，如图7所示；此时，通过调节电信号电压的大小，能够改变阀门开合幅度，阀门开合幅度与输入电信号成正比，在给定压差下，阀的流量与阀门开合幅度成正比，由此能够控制阀流量流速比例；通过调节电信号的周期，能够控制阀门开合的频率，实现阀的高频响应，如图8所示，电信号一个周期，前半周期阀门打开，后半周期阀门闭合。
18.本发明结构简单，便于小型化，控制方式简单，可以实现流速和流量的比例控制和精确控制，有广阔的应用前景。
19.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
20.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。