一种离心泵瞬态水力径向力测量装置及其测量方法

摘要

本发明提供一种离心泵瞬态水力径向力测量装置及其测量方法。公开了一种测量装置，包括壳体1、后固定环2、压紧板3、紧轴承4、轴腔5、紧轴承弹性支撑6、操作孔7、松轴承弹性支撑8、松轴承9，前固定环10。紧轴承4和松轴承9的外环分别利用4个弹性支撑6、8与装置壳体1进行连接固定，弹性支撑间隔90°分布，每个侧面各安装纵向和横向2个应变片。校准采用泵轴的前端安放一个已知质量的物体，分别对电路的输出信号进行放大、采集和组合输出，对装置各个方向上的数据进行记录。改变泵轴前端安装的物体的质量，采用同样方法进行多次的测量，实现装置的校准和测量值的换算。

说明书

技术领域

本发明提供一种用于测量离心泵内部非定常流动引起的作用于叶轮转子的 瞬态水力径向力的测量装置及测量方法，属于与泵类机械内部瞬态水力径向力及 其诱导振动相关的技术领域。

背景技术

泵是重要的能量转换装置和流体输送设备，其中离心泵应用最为广泛。离心 泵不仅应用在石油、化工、水利等工农业领域，而且是航空、舰船、潜艇等高技 术领域的关键设备。离心泵在运行过程中会不可避免地产生振动，振动会影响离 心泵运行的稳定性和安全性，并影响机器寿命。泵是重大工程的关键设备，尽可 能地减小振动可以提高泵机组运行的可靠性，并可以降低重大事故的发生率，从 而保证人身安全，避免国民财产遭受损失，具有重要的社会意义和经济意义。导 致离心泵产生振动问题的因素有很多，除了纯粹机械方面的原因，由泵内部复杂 流动产生的周期性载荷也是导致振动的不可忽视的因素，并且更加难以控制。流 动诱导振动现象已经成为工程实际中亟待解决的问题。因此，为了可以实时监测 离心泵部件所受的振动载荷情况，有效控制流动诱导振动，改善泵机组和管路 系统的整体性能，有必要设计一种能够实时测量离心泵内部瞬态水力径向力的 实验装置。

经检索，目前径向力测量装置相关的申报专利有：一种径向力测量仪，申请 号201020297952；用于测量径向力和/或轴向力的测量设备，申请号01822374.5； 一种测量径向力的传感器，申请号201020628728.6；一种径向力测定仪及其唇 形密封圈径向力值测定方法，申请号201010274222.4；油封径向力动态测量仪， 申请号88217115。目前这些专利中，尚没有针对旋转状态下离心泵叶轮转子瞬 时径向力的测量装置，没有适合普通离心泵轴承座结构安装的测量装置，且没有 完善的旋转坐标系下泵叶轮径向力准确测量和换算的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种结构简单、价格低廉，同时响应频率高、精度高的 可以实现对离心泵旋转机构进行瞬态径向力测量的装置。新的轴承座结构被提出， 新的测量、校准和换算方法被建立。

本发明的装置包括装置壳体、后固定环、压紧板、紧轴承、轴腔、紧轴承性 支撑、操作孔、松轴承弹性支撑、松轴承和前固定环。其中装置壳体与外部固定 端进行连接，后固定环与装置壳体进行连接，压紧板与后固定环进行连接，紧轴 承和松轴承的弹性支撑与壳体进行固定连接，前固定环与装置壳体进行连接。轴 腔用于安装泵轴，操作孔便于安装应变片和布置传感器线缆。轴承外环利用4 个弹性支撑板与装置壳体进行连接固定，弹性板尺寸为：长15cm，宽5cm和厚 1cm，弹性支撑的材料为苯基硅橡胶，它是一种高分子阻尼材料，在材料发生热 变形时可保持稳定的动态模量，材料的绍尔A硬度为50-70度。在径向方向弹性 支撑间隔90°分布，支撑板的5cm*1cm平面分别和轴承以及轴承座相连接。每 个弹性支撑板的每个15cm*5cm侧面各安放2个应变片，且成相互垂直分布，用 来分别测量两个方向的弯曲变形，因此，可以获得弹性支撑在各个方向的变形量， 从而便于分析轴承结构受力。每个弹性支撑上总共4个应变片组成惠斯特电桥测 量电路，该电路响应频率高，且可以消除温度改变和应变单元弯曲的误差。此外， 同时对松轴承和紧轴承处径向力测量的目的是可以利用一个轴承的测量来检验 前一个轴承处变形测量的可靠性。

针对以上的测量装置，特殊的校准和径向力换算方法被提出。将叶轮和泵壳 从该装置上移除，只剩下泵轴安装在该测量装置上，在泵轴的前端安放一个已知 质量的物体，对两个轴承固定支撑上共8组惠斯特电桥的输出信号进行放大、采 集和组合输出。然后将轴和加载物体保持不动，测量机构旋转45°后再进行测 量，待采集完整个圆周(8个位置)的数据后，改变泵轴前端安装的物体的质量， 进行再一次的测量，以此类推共进行多组不同校准质量的测量。这样可以保证测 量装置在径向各个方向上都可以采集信号进行径向力的计算，同时由于所加的质 量已知，可以算出相应的重力值，因此可以绘制出任意径向方向电桥输出电压值 与装置所受径向力的线性关系图，实现装置的校准和测量与实际值的换算。

本发明的优点在于：针对离心泵轴承座的结构进行设计，试验装置结构简单， 应变片传感器价格低廉，但精度较高，电桥电路响应频率高，可以实现对动态信 号的测量，同时实现了在固定坐标系下对旋转体所受径向力的测量和换算。

附图说明

图1为离心泵水力径向力测量装置示意图。

图2为图1的A-A截面

图3为弹性支撑上应变片布置的示意图。

图中，1.装置壳体，2.后固定环，3.压紧板，4.紧轴承，5.轴腔，6.紧轴承 弹性支撑，7.操作孔，8.松轴承弹性支撑，9.松轴承，10.前固定环

图4为利用该方法测量单叶片离心泵径向力的实例结果。

具体实施方式

下面结合利用本装置进行的径向力测量的实例和附图对本发明的测量装置 进行详细地描述：

如图1所示，本发明包括装置壳体(1)、后固定环(2)、压紧板(3)、紧轴 承(4)、轴腔(5)、紧轴承弹性支撑(6)、操作孔(7)、松轴承弹性支撑(8)、 松轴承(9)和前固定环(10)组成。其中装置壳体(1)与外部固定端进行连接， 后固定环(2)与装置壳体(1)进行连接，压紧板(3)与后固定环(2)进行连 接，紧轴承弹性支撑(6)和松轴承弹性支撑(8)与壳体(1)进行固定连接， 前固定环(10)与装置壳体(1)进行连接。轴腔(5)用于安装泵轴，操作孔(7) 便于安装应变片和布置传感器线缆。轴承(4)(9)外环利用4个弹性支撑板(6) (8)与装置壳体(1)进行连接固定，弹性板尺寸为：长15cm，宽5cm和厚1cm， 弹性支撑的材料为苯基硅橡胶，它是一种高分子阻尼材料，在材料发生热变形时 可保持稳定的动态模量，材料的绍尔A硬度为50-70度。在径向方向弹性支撑间 隔90°分布，支撑板的5cm*1cm平面分别和轴承以及轴承座相连接。每个弹性 支撑板的每个15cm*5cm侧面各安放2个应变片，且成相互垂直分布，Q1和Q2 测量轴向变形，L1和L2用于测量径向变形，如图3所示。因此，可以获得弹性 支撑在各个方向的变形量，从而便于分析轴承结构受力，如图2所示。每个弹性 支撑上总共4个应变片组成惠斯特电桥测量电路，该电路响应频率高，且可以消 除温度改变和应变单元弯曲的误差。此外，同时对松轴承和紧轴承处径向力测量 的目的是可以利用一个轴承的测量来检验前一个轴承处变形测量的可靠性。

测量径向力的校准和换算方法为：将叶轮和泵壳从该装置上移除，只剩下泵 轴安装在该测量装置上，在泵轴的前端安放一个已知质量m_cal的物体，分别对每 个轴承固定支撑上的4组惠斯特电桥的输出信号进行放大、采集和组合输出。然 后将轴和加载物体保持不动，测量装置每旋转45°进行一次测量，直至采集完 整个圆周(8个位置)的数据，这样可以保证测量装置在径向各个方向上都可以 采集信号进行径向力的计算。改变泵轴前端安装的物体的质量，使用相同方法进 行再一次的测量，以此类推共进行多组不同校准质量的测量，同时由于所加的质 量m_cal已知，可以根据式(1)

F_g＝m_calg    (1)

算出用于校准的重力值F_g，因此可以得出任意径向方向电桥输出电压值与轴承所 受径向力的线性关系式(2)和(3)

$\frac{F_{\mathrm{fixed}}}{F_{\mathrm{ref}}}=a\times U_{\mathrm{fixed}}---\left(2\right)$

$\frac{F_{\mathrm{loose}}}{F_{\mathrm{ref}}}=b\times U_{\mathrm{loose}}---\left(3\right)$

式中F_fixed和F_loose分别为紧轴承和松轴承所受的径向力大小，可简单地由F_g换算 得出，F_ref为力的参考值，U_fixed和U_loose分别为紧轴承和松轴承电桥电路的输出电 压，a和b为径向力大小和电桥电路输出电压的线性系数。由此，可以实现装置 的校准和测量电信号与实际径向力值的换算。