CN105784230B - 泵类产品叶轮多维力一体化测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泵类产品叶轮多维力一体化测量系统及其测量方法，包括导电滑环及测量装置，测量装置安装在泵主轴靠近叶轮侧，导电滑环安装在测量装置左侧；压电式三向力传感器均匀分布在以泵主轴的中心为圆心的圆周上，左法兰连接盘与泵主轴通过螺栓连接，同时与左盖板固接；左盖板右侧带有凸台与压电式三向力传感器的左端面贴合，压电式三向力传感器的右端面与右盖板左侧的凸台贴合，左盖板、压电式三向力传感器及右盖板三者之间通过预紧螺栓连接；右盖板与右法兰连接盘通过右盖板连接螺栓连接，同时右法兰连接盘与泵主轴连接。本发明可实现泵类产品全工况下叶轮所受动态轴向力、径向力及扭矩的实时测量，测力量程宽，灵敏度高，动态特性好。

Description

泵类产品叶轮多维力一体化测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于工业泵类产品机械量精密测试领域，具体地说是一种泵类产品叶轮多维力一体化测量系统及其测量方法。

背景技术

目前，获取泵类产品叶轮的受力大小主要有三种方法：经验公式法、仿真模拟法、试验法。国内外针对泵装置所受的轴向力计算公式有几十种，彼此间计算结果相差很大，选取一种适合所需的经验公式人为差异因素影响很大。仿真模拟计算方法在一定程度上方便快捷、可节省试验成本，但是在定义边界条件时受到温度、压力及流量等因素制约，仿真结果只能反映某些特殊工况点下的受力信息，无法获知全工况下的受力信息。因此，通常采用试验法对泵装置叶轮产生的多维力(即轴向力、径向力及扭矩)实时测量。

以往针对泵产品叶轮所受的轴向力及径向力的测量采用基于应变式的测量方法，即以电阻应变片作为力敏元件，通过设计测力弹性元件结构，然后将应变片粘贴在弹性元件上进行测量。该方法具有结构简单、体积小、稳定性好等优点。由于其采用弹性元件受力发生形变使应变片电阻值发生变化的原理进行受力测量，通常在几十到两万微应变时应变片电阻值才能发生变化，所以应变式测力弹性元件的灵敏度越高则刚度越低。因此，基于应变式的测量装置静态性能好，一般适用于额定稳态流场下的受力测量，不适宜动态全工况下受力测量。

压电式测量装置通常是基于压电材料的压电效应原理进行测量的，具有很高的灵敏度和刚度，测力量程宽，线性度及重复性高，动态特性好，适于测量泵类产品叶轮所受的动态多维力。传统的叶轮轴向力和径向力的测量方法通常是分别测量的，即根据泵装置内部空间结构分别设计轴向力弹性元件和径向力弹性元件。然而，扭矩则是通过安装在电机输出轴与泵主轴之间的扭矩仪测量的，所得到的扭矩测量结果包含了泵装置内推力轴承的机械摩擦损失。另外，径向力弹性元件容易受到泵主轴自身重力的影响，其测量结果通常是泵主轴自身重力与径向力的合力。

轴向力、径向力及扭矩是泵装置外特性试验中的重要参数，若轴向推力过大，则轴向力就全部由推力盘与滑动轴承的轴向端面来承担，严重时使叶轮与泵壳或定子部件碰撞或摩擦，造成轴承磨损量加大，使用寿命急速降低；径向力使泵轴受到交变载荷作用会产生定向挠度并使轴封间隙不均匀，过大的径向力导致轴封间隙过大将造成泵装置泄漏。因此，精确测量叶轮的动态多维力直接影响着泵装置工作的可靠性和安全性，设计一种能够准确测量泵装置动态轴向力、径向力及扭矩的测量装置是工业发展中的迫切需要。

发明内容

为了克服传统应变式测力弹性元件无法实现动态多维力同时测量的不足，本发明的目的在于提供一种泵类产品叶轮多维力一体化测量系统及其测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的测量系统包括分别安装在所述泵类产品泵主轴上的导电滑环及测量装置，其中测量装置位于所述泵主轴靠近叶轮的一端；所述测量装置包括左法兰连接盘、左盖板、右盖板、右法兰连接盘及多个压电式三向力传感器，该左法兰连接盘及右法兰连接盘的一侧表面分别与所述泵主轴连接，另一侧表面分别与左盖板、右盖板相连，所述左盖板与右盖板相互抵接，中间留有容置所述压电式三向力传感器的空间；多个所述压电式三向力传感器为均匀分布在以所述泵主轴的中心为圆心的圆周上，每个所述压电式三向力传感器的两侧表面分别贴合于左盖板及右盖板上，并与所述左盖板及右盖板相连接，所述左法兰连接盘、左盖板、右盖板、右法兰连接盘及各压电式三向力传感器均随泵主轴旋转；各所述压电式三向力传感器上的输出信号线穿过左盖板、左法兰连接盘，与所述导电滑环的转子接线端相连，并经所述导电滑环的定子接线端引出，通过电荷放大器与数据采集模块电连接。

其中：所述左盖板朝向压电式三向力传感器的表面上沿圆周方向均匀设有多个左盖板凸台，所述右盖板朝向压电式三向力传感器的表面上沿圆周方向均匀设有多个右盖板凸台，左盖板凸台与右盖板凸台数量相同、且一一对应，各所述压电式三向力传感器的两侧表面分别与相对应的左盖板凸台及右盖板凸台贴合；各所述左盖板凸台上均开有左盖板预紧螺栓孔，各所述右盖板凸台上均开有右盖板螺纹孔，各所述压电式三向力传感器上均开有中心通孔，每个所述压电式三向力传感器的中心通孔与其两侧相贴合的左盖板凸台上的左盖板预紧螺栓孔、右盖板凸台上的右盖板螺纹孔的轴向中心线共线，并通过预紧螺栓固接；

所述左盖板及右盖板形状相同，均为圆盘状，该左盖板及右盖板朝向压电式三向力传感器表面的二分之一圆周边缘沿轴向向外延伸，分别形成左盖板壁及右盖板壁，所述左盖板与右盖板通过该左盖板壁及右盖板壁相互啮合；所述左盖板壁及右盖板壁均为二分之一圆环状，所述左盖板与右盖板上下颠倒设置，所述左盖板壁及右盖板壁分别抵接于右盖板及左盖板朝向压电式三向力传感器的表面；所述左盖板及左法兰连接盘上均开有引线孔，各所述压电式三向力传感器上的输出信号线由该引线孔穿出，所述输出信号线随泵主轴同步转动；

所述左法兰连接盘及右法兰连接盘形状相同，均为圆盘状，所述左法兰连接盘上沿圆周方向均布有多个与泵主轴连接的泵主轴左连接螺栓孔及均布有多个与左盖板连接的左法兰连接盘螺栓孔；所述右法兰连接盘上沿圆周方向均布有多个与泵主轴连接的泵主轴右连接螺栓孔及均布有多个与右盖板连接的右法兰连接盘螺栓孔；所述左盖板及右盖板上沿圆周方向分别均布有多个盖板螺纹孔，该左盖板上的盖板螺纹孔数量与所述左法兰连接盘螺栓孔数量相同，且一一对应，相对应的左法兰连接盘螺栓孔与盖板螺纹孔通过左盖板连接螺栓相连；所述右盖板上的盖板螺纹孔数量与所述右法兰连接盘螺栓孔数量相同，且一一对应，相对应的右法兰连接盘螺栓孔与盖板螺纹孔通过右盖板连接螺栓相连；所述导电滑环的转子通过螺栓与泵主轴固接，定子通过止转片与所述泵类产品的外壳固接；

本发明的测量方法为：

所述泵主轴带动叶轮、测量装置及导电滑环的转子旋转，所述叶轮受到的多维力传递至各所述压电式三向力传感器上，各所述压电式三向力传感器受到轴向力、径向力及扭矩，发生压电效应产生电荷，叶轮轴向力的电荷信号由所述压电式三向力传感器内部X0切型石英晶组测量，径向力和扭矩由Y0切型石英晶组测量；所述压电式三向力传感器的输出信号线从测量装置内部向外引出，并与所述导电滑环的转子接线端连接，输出信号线与泵主轴同步转动，经导电滑环的定子接线端引出，再经所述电荷放大器放大后传送到数据采集模块中，经过放大、A/D转换后可得到待测的轴向力、径向力和扭矩信号值，将该信号输送到计算机。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的测量系统通过左右盖板、压电式三向力传感器及左右法兰连接盘实现高刚度连接，利用导电滑环作为测量装置的轴向力、径向力和扭矩信号的输出途径，实现了转动轴上压电式三向力传感器信号的无线传输，使得测量装置可以安装在泵类产品的旋转主轴上，直接测量泵类产品工作过程中叶轮所受的轴向力、径向力和扭矩，所测信号不受泵主轴自重影响，提高了测量准确性。

2.本发明测量装置中的左右盖板通过左右盖板壁相互啮合，将扭矩测量方向进行分载，增大了扭矩的测力量程，同时提高了测量装置的可靠性和安全性。

3.本发明的测量系统测力量程宽，灵敏度高，动态特性好，解决了传统测力弹性元件仅实现单维力测量的问题。

3.本发明的测量方法操作方便，非线性误差和重复性误差小，测试精度高。

附图说明

图1为本发明测量系统的整体结构示意图；

图2为图1中测量装置的内部结构示意图；

图3A为图1中左法兰连接盘的结构示意图；

图3B为图3A中的N—N剖视图；

图4A为图1中左盖板的结构示意图；

图4B为图4A中的O—O剖视图；

图5A为图1中右法兰连接盘的结构示意图；

图5B为图5A中的P—P剖视图；

图6A为图1中右盖板的结构示意图；

图6B为图6A中的Q—Q剖视图；

其中：1为导电滑环，2为左法兰连接盘，3为左盖板，4为右盖板，5为右法兰连接盘，6为泵主轴，7为叶轮，8为预紧螺栓，9为压电式三向力传感器，10为左盖板连接螺栓，11为右盖板连接螺栓，A为引线孔，B为左盖板凸台，C为中心通孔，D为左盖板预紧螺栓孔，E为右盖板螺纹孔，F为左法兰连接盘螺栓孔，G为右盖板凸台，H为盖板螺纹孔，I为左盖板壁，J为右盖板壁，K为泵主轴右连接螺栓孔，L为泵主轴左连接螺栓孔，M为右法兰连接盘螺栓孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明的测量系统包括分别安装在泵类产品泵主轴6上的导电滑环1及测量装置，其中测量装置位于泵主轴6靠近叶轮7的一端，并通过密封件将叶轮7与测量装置分隔，泵类产品工作时测量装置不受工作介质的影响。导电滑环1的转子(内圈)通过螺栓与泵主轴6固接，定子(外圈)通过止转片与泵类产品的外壳固接。

测量装置整体为中心对称结构，包括左法兰连接盘2、左盖板3、右盖板4、右法兰连接盘5及多个压电式三向力传感器9(本实施例为四个)，左法兰连接盘2及右法兰连接盘5的一侧表面分别与泵主轴6连接，另一侧表面分别与左盖板3、右盖板4相连，左盖板3与右盖板4相互抵接，中间留有容置各压电式三向力传感器9的空间；各压电式三向力传感器9为均匀分布在以泵主轴6的中心为圆心的圆周上，每个压电式三向力传感器9的两侧表面分别贴合于左盖板3及右盖板4上，并与左盖板3及右盖板4相连接，左法兰连接盘2、左盖板3、右盖板4、右法兰连接盘5及各压电式三向力传感器9均随泵主轴6旋转；各压电式三向力传感器9上的输出信号线穿过左盖板3、左法兰连接盘2，与导电滑环1的转子接线端相连，并经导电滑环1的定子接线端引出，通过电荷放大器与数据采集模块电连接。

如图3A及图3B所示，左法兰连接盘2为圆盘状，沿圆周方向均布有多个泵主轴左连接螺栓孔L(本实施例为十个)，每个泵主轴左连接螺栓孔L均为通孔、沉孔，用十个高刚度螺栓将左法兰连接盘2固接在泵主轴6上；在各泵主轴左连接螺栓孔L所在圆的外圈沿圆周方向均布有多个左法兰连接盘螺栓孔F(本实施例为八个)，每个左法兰连接盘螺栓孔F均为通孔、沉孔；在左法兰连接盘2上开有引线孔A。

如图5A及图5B所示，右法兰连接盘5与左法兰连接盘2的形状相同、均为圆盘状，沿圆周方向均布有多个泵主轴右连接螺栓孔K(本实施例为十个)，每个泵主轴右连接螺栓孔K均为通孔、沉孔，用十个高刚度螺栓将右法兰连接盘5固接在泵主轴6上；在各泵主轴右连接螺栓孔K所在圆的外圈沿圆周方向均布有多个右法兰连接盘螺栓孔M(本实施例为八个)，每个右法兰连接盘螺栓孔M均为通孔、沉孔。

如图4A及图4B所示，左盖板3为圆盘状，沿圆周方向均布有多个盖板螺纹孔H，左盖板3上的盖板螺纹孔H数量与左法兰连接盘螺栓孔F数量相同(本实施例为八个)，且一一对应，相对应的左法兰连接盘螺栓孔F与盖板螺纹孔H通过左盖板连接螺栓10固接；每个盖板螺纹孔H均为盲孔。左盖板3上，在各盖板螺纹孔H所在圆的内圈沿圆周方向均布有多个左盖板预紧螺栓孔D(本实施例为四个)，每个左盖板预紧螺栓孔D均为通孔、沉孔。左盖板3的一侧表面与左法兰连接盘2贴合，另一侧表面沿圆周方向均布有多个左盖板凸台B，左盖板凸台B的数量与压电式三向力传感器9的数量相同(本实施例为四个、均为正方形)，每个左盖板预紧螺栓孔D均贯穿于一个左盖板凸台B。左盖板3朝向压电式三向力传感器9表面的二分之一圆周边缘沿轴向向外延伸，形成二分之一圆环状的左盖板壁I。在左盖板3上开有引线孔A，左法兰连接盘2上的引线孔A及左盖板3上的引线孔A轴向中心线共线。

如图6A及图6B所示，右盖板4与左盖板3的形状相同、均为圆盘状，沿圆周方向均布有多个盖板螺纹孔H，右盖板4上的盖板螺纹孔H数量与右法兰连接盘螺栓孔M数量相同(本实施例为八个)，且一一对应，相对应的右法兰连接盘螺栓孔M与盖板螺纹孔H通过右盖板连接螺栓11固接；每个盖板螺纹孔H均为盲孔。右盖板4上，在各盖板螺纹孔H所在圆的内圈沿圆周方向均布有多个右盖板螺纹孔E(本实施例为四个)，每个右盖板螺纹孔E均为盲孔。右盖板4的一侧表面与右法兰连接盘5贴合，另一侧表面沿圆周方向均布有多个右盖板凸台G，右盖板凸台G的数量与压电式三向力传感器9的数量相同(本实施例为四个、均为正方形)。右盖板4朝向压电式三向力传感器9表面的二分之一圆周边缘沿轴向向外延伸，形成二分之一圆环状的右盖板壁J。左盖板3与右盖板4上下颠倒设置，通过该左盖板壁I及右盖板壁J相互啮合，左盖板壁I及右盖板壁J分别抵接于右盖板4及左盖板3朝向压电式三向力传感器9的表面。左盖板凸台B与右盖板凸台G数量相同、且一一对应，各压电式三向力传感器9的两侧表面分别与相对应的左盖板凸台B及右盖板凸台G贴合。各压电式三向力传感器9上均开有中心通孔C，每个压电式三向力传感器9的中心通孔C与其两侧相贴合的左盖板凸台B上的左盖板预紧螺栓孔D、右盖板凸台G上的右盖板螺纹孔E的轴向中心线共线，并通过预紧螺栓8固接。各压电式三向力传感器9上的输出信号线由引线孔A穿出，输出信号线随泵主轴6同步转动。

本发明的左法兰连接盘2、左盖板3、右盖板4及右法兰连接盘5的直径相同。

本发明的压电式三向力传感器为市购产品，购置于瑞士Kistler公司，型号为9047C；单个传感器的法向量程为±30kN，切向量程为±15kN。

本发明的测量方法为：

泵类产品工作时，泵主轴6带动导电滑环1、测量装置及叶轮7同步旋转，导电滑环1的转子(内圈)通过螺栓与泵主轴6紧密连接，定子(外圈)通过止转片与泵类产品的外壳固定。各压电式三向力传感器9、预紧螺栓8、左盖板连接螺栓10、右盖板连接螺栓11及引线孔A、泵主轴右连接螺栓孔K、泵主轴左连接螺栓孔L均与泵主轴6同步转动。

测量时，流体与叶轮7相互作用，叶轮7受到的多维力(轴向力、径向力及扭矩)通过泵主轴6、右盖板连接螺栓11及预紧螺栓8传递到各压电式三向力传感器9的左右端面，各压电式三向力传感器9受到轴向力、径向力和扭矩，发生压电效应产生电荷。叶轮7轴向力的电荷信号由压电式三向力传感器9内部X0切型石英晶组测量，径向力和扭矩由Y0切型石英晶组测量。压电式三向力传感器9的输出信号线通过引线孔A从测量装置内部向外引出，并与导电滑环1的转子(内圈)接线端连接，输出信号线与泵主轴6同步转动，经导电滑环1的定子(外圈)接线端引出，经电荷放大器放大后传送到数据采集模块中，压电式三向力传感器9的输出信号线包括四路法向信号和四路切向信号。八路信号经过放大、A/D转换后可得到待测的轴向力、径向力和扭矩信号值，将该信号输送到计算机，在与数据采集模块对应的软件中进行显示、分析、处理和保存。

本发明可以对大型旋转式泵类产品叶轮所受的动态轴向力、径向力和扭矩直接进行测量，刚度及灵敏度高，测力量程宽，非线性误差和重复性误差小，测试精度高。本发明得到的测量结果可为泵类产品的叶轮、推力轴承、径向轴承及平衡装置等关键部件设计提供必要的参考依据。

Claims (8)

1.一种泵类产品叶轮多维力一体化测量系统，其特征在于：包括分别安装在所述泵类产品泵主轴(6)上的导电滑环(1)及测量装置，其中测量装置位于所述泵主轴(6)靠近叶轮(7)的一端；所述测量装置包括左法兰连接盘(2)、左盖板(3)、右盖板(4)、右法兰连接盘(5)及多个压电式三向力传感器(9)，该左法兰连接盘(2)及右法兰连接盘(5)的一侧表面分别与所述泵主轴(6)连接，另一侧表面分别与左盖板(3)、右盖板(4)相连，所述左盖板(3)与右盖板(4)相互抵接，中间留有容置所述压电式三向力传感器(9)的空间；多个所述压电式三向力传感器(9)为均匀分布在以所述泵主轴(6)的中心为圆心的圆周上，每个所述压电式三向力传感器(9)的两侧表面分别贴合于左盖板(3)及右盖板(4)上，并与所述左盖板(3)及右盖板(4)相连接，所述左法兰连接盘(2)、左盖板(3)、右盖板(4)、右法兰连接盘(5)及各压电式三向力传感器(9)均随泵主轴(6)旋转；各所述压电式三向力传感器(9)上的输出信号线穿过左盖板(3)、左法兰连接盘(2)，与所述导电滑环(1)的转子接线端相连，并经所述导电滑环(1)的定子接线端引出，通过电荷放大器与数据采集模块电连接；

所述左盖板(3)及右盖板(4)形状相同，均为圆盘状，该左盖板(3)及右盖板(4)朝向压电式三向力传感器(9)表面的二分之一圆周边缘沿轴向向外延伸，分别形成左盖板壁(I)及右盖板壁(J)，所述左盖板(3)与右盖板(4)通过该左盖板壁(I)及右盖板壁(J)相互啮合；

所述左盖板壁(I)及右盖板壁(J)均为二分之一圆环状，所述左盖板(3)与右盖板(4)上下颠倒设置，所述左盖板壁(I)及右盖板壁(J)分别抵接于右盖板(4)及左盖板(3)朝向压电式三向力传感器(9)的表面。

2.按权利要求1所述的泵类产品叶轮多维力一体化测量系统，其特征在于：所述左盖板(3)朝向压电式三向力传感器(9)的表面上沿圆周方向均匀设有多个左盖板凸台(B)，所述右盖板(4)朝向压电式三向力传感器(9)的表面上沿圆周方向均匀设有多个右盖板凸台(G)，左盖板凸台(B)与右盖板凸台(G)数量相同、且一一对应，各所述压电式三向力传感器(9)的两侧表面分别与相对应的左盖板凸台(B)及右盖板凸台(G)贴合。

3.按权利要求2所述的泵类产品叶轮多维力一体化测量系统，其特征在于：各所述左盖板凸台(B)上均开有左盖板预紧螺栓孔(D)，各所述右盖板凸台(G)上均开有右盖板螺纹孔(E)，各所述压电式三向力传感器(9)上均开有中心通孔(C)，每个所述压电式三向力传感器(9)的中心通孔(C)与其两侧相贴合的左盖板凸台(B)上的左盖板预紧螺栓孔(D)、右盖板凸台(G)上的右盖板螺纹孔(E)的轴向中心线共线，并通过预紧螺栓(8)固接。

4.按权利要求1所述的泵类产品叶轮多维力一体化测量系统，其特征在于：所述左盖板(3)及左法兰连接盘(2)上均开有引线孔(A)，各所述压电式三向力传感器(9)上的输出信号线由该引线孔(A)穿出，所述输出信号线随泵主轴(6)同步转动。

5.按权利要求1所述的泵类产品叶轮多维力一体化测量系统，其特征在于：所述左法兰连接盘(2)及右法兰连接盘(5)形状相同，均为圆盘状，所述左法兰连接盘(2)上沿圆周方向均布有多个与泵主轴(6)连接的泵主轴左连接螺栓孔(L)及均布有多个与左盖板(3)连接的左法兰连接盘螺栓孔(F)；所述右法兰连接盘(5)上沿圆周方向均布有多个与泵主轴(6)连接的泵主轴右连接螺栓孔(K)及均布有多个与右盖板(4)连接的右法兰连接盘螺栓孔(M)。

6.按权利要求5所述的泵类产品叶轮多维力一体化测量系统，其特征在于：所述左盖板(3)及右盖板(4)上沿圆周方向分别均布有多个盖板螺纹孔(H)，该左盖板(3)上的盖板螺纹孔(H)数量与所述左法兰连接盘螺栓孔(F)数量相同，且一一对应，相对应的左法兰连接盘螺栓孔(F)与盖板螺纹孔(H)通过左盖板连接螺栓(10)相连；所述右盖板(4)上的盖板螺纹孔(H)数量与所述右法兰连接盘螺栓孔(M)数量相同，且一一对应，相对应的右法兰连接盘螺栓孔(M)与盖板螺纹孔(H)通过右盖板连接螺栓(11)相连。

7.按权利要求1所述的泵类产品叶轮多维力一体化测量系统，其特征在于：所述导电滑环(1)的转子通过螺栓与泵主轴(6)固接，定子通过止转片与所述泵类产品的外壳固接。

8.一种按权利要求1所述泵类产品叶轮多维力一体化测量系统的测量方法，其特征在于：所述泵主轴(6)带动叶轮(7)、测量装置及导电滑环(1)的转子旋转，所述叶轮(7)受到的多维力传递至各所述压电式三向力传感器(9)上，各所述压电式三向力传感器(9)受到轴向力、径向力及扭矩，发生压电效应产生电荷，叶轮(7)轴向力的电荷信号由所述压电式三向力传感器(9)内部X0切型石英晶组测量，径向力和扭矩由Y0切型石英晶组测量；所述压电式三向力传感器(9)的输出信号线从测量装置内部向外引出，并与所述导电滑环(1)的转子接线端连接，输出信号线与泵主轴(6)同步转动，经导电滑环(1)的定子接线端引出，再经所述电荷放大器放大后传送到数据采集模块中，经过放大、A/D转换后可得到待测的轴向力、径向力和扭矩信号值，将该信号输送到计算机。