CN109506823B - 一种旋转状态下的风机叶片的径向力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转状态下的风机叶片的径向力测量装置，属于测试试验平台领域。径向力测量装置包括叶片驱动系统与测试系统；叶片驱动系统包括旋转驱动轴及旋转驱动电机；测试系统包括信号传输线路、数据采集设备及两个以上的检测单元；其中，检测单元包括测力架、支撑轴承、三个以上用于将支撑轴承悬空地支撑在测力架上的位置调节支杆及压于位置调节支杆与支撑轴承的外圈之间的拉力传感器；两个以上的检测单元上的支撑轴承的内圈过盈配合地套装在旋转驱动轴外；在旋转驱动轴的轴向上，相邻两个检测单元之间间距预定间距。基于前述结构的改进，能实现对叶片径向力测量的同时，减少对旋转驱动轴的改造，可广泛应用于风机叶片等设计领域。

Description

一种旋转状态下的风机叶片的径向力测量装置

技术领域

本发明涉及测试试验平台，具体地说，涉及一种旋转状态下的风机叶片的径向力测量装置。

背景技术

在风机类叶轮机械中，由于风机叶片自身的动不平衡以及旋转过程中与空气介质间的耦合作用，使处于运转过程中的叶片受力异常复杂，容易引起振动和噪声，严重时甚至会降低风机的运行稳定性。

叶片的径向力，作为轴刚度、耐磨环间隙及轴承载荷的重要确定参数，其的测量对叶片设计具有重要的指导意义，由于受限于测量传感器的安装及信号的传输，对风机叶片的径向受力的测量仅在静止状态下进行测量。

为了解决上述技术问题，本申请人申请了名称为一种旋转驱动轴激振力及叶轮激振力的测量方法，申请号为CN2018114433961的专利申请，其采用导电滑环与埋设在轴内的信号线进行构建，以解决了信号传输的技术问题，并采用贴设在旋转驱动轴上的应变片测量旋转驱动轴的形变而反应风机叶片的受力情况，其对旋转驱动轴的结构要求较高，且要对旋转驱动轴进行较大的结构改进。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种旋转状态下的风机叶片的径向力测量装置，不仅能更好地对叶片径向力的测量，且能尽量地减少对旋转驱动轴结构的改造。

为了实现上述主要目的，本发明提供风机叶片的径向力测量装置包括底座及安装在底座上的叶片驱动系统与测试系统；叶片驱动系统包括旋转驱动轴及通过柔性联轴器从一轴端驱使旋转驱动轴转动的旋转驱动电机；旋转驱动轴的另一轴端用于可拆卸地安装待测叶片；测试系统包括检测设备、信号传输线路及数据采集设备；检测设备包括两个以上的检测单元；检测单元包括测力架、支撑轴承、三个以上用于将支撑轴承悬空地支撑在测力架上的位置调节支杆及压于位置调节支杆与支撑轴承的外圈之间的拉压力传感器；拉压力传感器通过信号传输线路向数据采集设备输出检测信号；两个以上的检测单元上的支撑轴承的旋转轴线大致共线布置，且它们的内圈过盈配合地套装在旋转驱动轴外；在旋转驱动轴的轴向上，相邻两个检测单元之间间距为预定间距。

在旋转驱动轴外至少套装两个间隔预设间距的支撑轴承，不仅能为旋转驱动轴提供可转动支撑，以能更好将径向力传递至轴承外圈上，且利用外圈与内圈之间的隔离作用，能通过布设在轴承外圈上的拉压力传感器实现径向力检测；由于旋转驱动轴通常都需要利用支撑轴承进行可转动的安装，能有效地减少对旋转驱动轴的结构改造；并基于柔性联轴器的传动连接，能有效地对旋转驱动电机的径向力的隔离，以提高检测精度。

具体的方案为有两个检测单元的支撑轴承布置在旋转驱动轴的轴向中间位置的两侧。以更好进行力的平衡，尽量避免旋转驱动轴的受力倾斜布置。

另一个具体的方案为检测单元的数量为两个；支撑轴承为深沟球轴承。

再一个具体的方案为旋转驱动轴上设有轴肩，位于同一检测单元上的支撑轴承构成轴承组，轴承组的一个外侧轴承内圈的外端面抵靠轴肩，另一个外侧轴承内圈的外端面由卡合在旋转驱动轴的卡槽上的卡簧所止挡。

优选的方案为测力架为框式测力架，框式测力架包括矩形框部，位置调节支杆的数量为四根，矩形框部的每一框架边部设有沿其长度方向布置的腰圆孔；位置调节支杆包括不等径双头螺杆及旋合在不等径双头螺杆的粗螺杆部上的第一紧固螺母与第二紧固螺母；粗螺杆部穿过腰圆孔；第一紧固螺母抵压在框架边部的内侧面上，第二紧固螺母抵压在框架边部的外侧面上；不等径双头螺杆的细螺杆部与设于拉压力传感器一端上的内螺孔旋合，形成同轴布置；拉压力传感器的另一端上固定有支撑止挡片；支撑止挡片包括长度方向沿旋转驱动轴的轴向布置的止挡片及与止挡片固定连成T型结构的固定螺杆部，固定螺杆部与拉压力传感器的另一端内螺纹孔旋合；不等径双头螺杆、所述拉压力传感器及固定螺杆部均沿旋转驱动轴的径向布置，止挡片与轴承外圈的表面相切地紧压于轴承外圈上。可更好地根据实际需要，例如不同直径的旋转驱动轴，而选用不同规格的支撑轴承，及调整支撑轴承的对中位置，以提高检测精度。

更优选的方案为在同一检测单元中，两个支撑轴承并排布置的套装在旋转驱动轴外；止挡片横跨地支撑在两个支撑轴承的外圈面上，且固定螺杆部与止挡片的连接部位于两个支撑轴承之间的位置上。以提高止挡片与支撑轴承之间的接触均衡，进一步提高检测精度。

另一个更优选的方案为止挡片与支撑轴承的外圈面间由胶水粘接；或，止挡片背离支撑轴承的表面粘接有永磁铁块，用于将止挡片与支撑轴承的外圈之间紧吸而压贴在一起。

进一步的方案为在一个检测单元上，四根不等径双头螺杆的中心轴线大致共面布置，且相邻两根的中心轴线相垂直布置，且其中两根沿X轴向布置，另外两根沿Y轴向布置。

更进一步的方案为待测叶片的径向力为Fx与Fy的合力，其中，

n为检测单元的数量，k为两个以上的检测单元在旋转驱动轴的一个轴向上的排序序号；其中，Fyk＝Fy1k-Fy2k，Fxk＝Fx1k-Fx2k，其中，下标为1表示相对位于X轴正向或Y轴正向的拉压力传感器的检测数据，下标为2表示相对位于X轴负向或Y轴负向的拉压力传感器的检测数据。

再进一步的方案为Y轴向沿垂向布置。从而有效地分解径向力及便于计算与表征径向力的朝向。

附图说明

图1为本发明实施例的立体图；

图2为本发明实施例在略去框式测力架后的立体图；

图3为图2中A局部放大图；

图4为本发明实施例中的检测单元与悬空地支撑在其上的支撑轴承的主视图；

图5为图4中的B局部放大图；

图6为图4中的C局部放大图；

图7为本发明实施例中四根位置调节支杆、四个拉压力传感器、四个支撑止挡片及两个支撑轴承的结构图；

图8为图7中D局部放大图；

图9为本发明实施例中径向力分量的方向示意图，(a)图为径向分量位于第一象限内，(b)图为径向分量位于第二象限内，(c)图为径向分量位于第三象限内，(d)图为径向分量位于第一四象限内。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图8，本发明用于对风机叶片的径向力进行测量的径向力测量装置1包括底座10及安装在该底座10上的叶片驱动系统11与测试系统12。

叶片驱动系统11包括旋转驱动轴2及旋转驱动电机13；在底座10上，通过螺栓与设于底座10上的T型槽100间的配合而固定有支撑座14，旋转驱动电机13的定子通过螺栓而可拆卸地固定在支撑座14上，其转子轴15通过柔性联轴器16与旋转驱动轴2的后端部传动连接，在本实施例中，柔性联轴器16采用柔性弹簧联轴器或八字型联轴器，具体为采用东莞市光之大传动元件有限公司所生产的弹簧联轴器GD或GB八字型联轴器，以使转子轴15驱使旋转驱动轴2转动的同时，仅传递旋转扭矩，而将径向上的力进行隔离；旋转驱动电机13选用伺服电机，以避免转子轴15在旋转过程中的径向力与轴向力传递至旋转驱动轴上，以提高后续检测的精度。待测风机叶片01通过固定螺母208而可拆卸地安装在旋转驱动轴2的前端部上。

测试系统12包括检测设备、信号传输线路及数据采集设备。检测设备包括两个间距为预定间距的检测单元3；每个检测单元3均包括框式测力架4，两个并排布置的支撑轴承30，四个用于将支撑轴承30悬空地支撑在框式测力架4上的位置调节支杆5，支撑止挡片6，及通过支撑止挡片6压于位置调节支杆5与支撑轴承30的外圈31之间的拉压力传感器32；拉压力传感器32通过信号传输线路向数据采集设备输出检测信号，以获取检测数据。在本实施例中，拉压力传感器32采用斯巴拓生产的型号为SB641A的力传感器进行构建。

在旋转驱动轴2的轴向中间位置的两侧各设有轴肩，位于同一检测单元3上的两个支撑轴承30构成轴承组，该轴承组的一个外侧轴承内圈的外端面抵靠该轴肩上，另一个外侧轴承内圈的外端面由卡合在旋转驱动轴2的卡槽21上的卡簧22所止挡，从而将两个支撑轴承30的内圈过盈配合地套装在旋转驱动轴2上，即在同一检测单元3中，两个支撑轴承30并排布置地套装在旋转驱动轴2外；两个检测单元3布置在旋转驱动轴2的轴向中间位置的两侧，即两个检测单元3的支撑轴承30布置在旋转驱动轴2的轴向中间位置的两侧。在本实施例中，支撑轴承30采用深沟球轴承进行构建。

在本实施例中，框式测力架4包括矩形框部40及固定支撑部41，固定支撑部41通过螺栓与设于底座10上的T型槽100间的配合而固定在底座10，且位置沿旋转驱动轴2的轴向可调整，以适配不同类型的旋转驱动轴。

在矩形框部40的每一框架边部400设有沿其长度方向布置的腰圆孔42。位置调节支杆5包括不等径双头螺杆50及旋合在不等径双头螺杆50的粗螺杆部上的第一紧固螺母51与第二紧固螺母52。不等径双头螺杆50的粗螺杆部500穿过腰圆孔42，并通过调节两个紧固螺母在粗螺杆部500上的位置，以使第一紧固螺母51抵压在框架边部400的内侧面上，且使第二紧固螺母52抵压在框架边部400的外侧面上，从而将一根粗螺杆部500固定在一个框架边部400上，以使在一个检测单元上，四根不等径双头螺杆50的中心轴线大致共面布置，且相邻两根的中心轴线相垂直布置。在本实施例中，两根不等径双头螺杆50的轴向沿X轴向布置，另外两根不等径双头螺杆50的轴向沿Y轴向布置，在本实施例中，X轴向与Y轴向为正交坐标系，其具体朝向根据实际需要进行设置，在本实施例选为Y轴向沿垂向布置，即X轴向沿水平方向布置；即在本实施例中，前后两个检测单元3上的支撑轴承30的旋转轴线大致共线布置。不等径双头螺杆50的细螺杆部501与设于拉压力传感器32上的内螺孔320旋合，形成同轴线布置。

在本实施例中，支撑挡片6包括长度方向沿旋转驱动轴2的轴向布置的止挡片60及与止挡片60中部固定连成T型结构的固定螺杆部61，该固定螺杆部61与拉压力传感器32的内螺纹孔旋合，即拉压力传感器32的内端部上固定有支撑止挡片6，以使不等径双头螺杆50与固定螺杆部61的轴向均沿旋转驱动轴2的径向布置，即二者的中心轴线共线布置。

在完成安装之后，止挡片61与外圈31的表面相切地紧压于外圈31上，从而形成线接触结构，从而有效地进行径向力的传递，且使止挡片61横跨地支撑在两个支撑轴承30的外圈31面上，且止挡片60的中心位置位于两个支撑轴承30之间的位置上，以均衡地传递两个支撑轴承30所传递的径向力，即固定螺杆部61与止挡片60的连接部位于两个支撑轴承30之间的位置上。

在测量过程中，沿图中Y轴向布置的两个拉压力传感器32测得数据为径向力Fy引起，沿图中X轴向布置的两个拉压力传感器32测得数据为Fx引起。逆时针方向作为正向，径向力合力F及其旋转之后起始线的相对角度θ计算如下：

如图9所示，其四个相对角度θ对应于位于图9(a)中的第一象限、图9(b)中的第二象限、图9(c)中的第三象限及图9(d)中的第四象限；在本径向力的计算方法中，可确定轴系转动过程中径向力分量Fx与径向力分量Fy的大小和方向，从而确定径向力F的大小与方向。

对于径向力分量Fx与径向力分量Fy的具体计算方法如下：

对于左侧检测单元3上的拉压力传感器32的检测数据，Y轴正向上的拉压压力传感器32测量数据为Fy11，Y轴负向上的拉压压力传感器32测量数据为Fy21，X轴正向上的拉压压力传感器测量数据为Fx11，X轴负向拉压压力传感器32测量数据为Fx21，并定义拉压力传感器压缩受力为正，拉伸受力为负；以Y轴向上的拉压力的合力为Y轴向的合力，记为Fy1；X轴向上的拉压力的合力为X轴向的合力，记为Fx1，即：

Fy1＝Fy11-Fy21

Fx1＝Fx11-Fy21

对于右侧检测单元3上的拉力传感器32的检测数据，Y轴正向上的拉压力传感器32测量数据为Fy12，Y轴负向上的拉压力传感器32测量数据为Fy22，X轴正向上的拉压力传感器测量数据为Fx12，X轴负向拉压力传感器32测量数据为Fx22，并定义拉压力传感器压缩受力为正，拉伸受力为负；以Y轴向上的拉压力的合力为Y轴向的合力，记为Fy2；X轴向上的拉压力的合力为X轴向的合力，记为Fx2，即：

Fy2＝Fy12-Fy22

Fx2＝Fx12-Fy22

对于径向分量Fx＝Fx2+Fx1，Fy＝Fy2+Fy1。对于三个以上的检测单元，其计算公式为

n为检测单元3的数量，k为检测单元3在旋转驱动轴2的一个轴向上的排序序号，例如沿Z轴向正向的排序。其中，Fyk＝Fy1k-Fy2k，Fxk＝Fx1k-Fx2k，其中，下标为1表示相对位于X轴正向或Y轴正向的拉力传感器的检测数据，下标为2表示相对位于X轴负向或Y轴负向的拉力传感器的检测数据。

本发明的主要构思是通过支撑轴承支撑旋转驱动主轴，以实现旋转位移的隔离，且能将径向力传递至拉压力传感器上，从而在实现对径向力的测量的同时，减少对旋转驱动轴的改造量，具有更好的是配性；根据本构思，测力架的结构还有多种显而易见的变化，其仅用于固定位置调节支杆，具体形状可根据位置调节支杆数量的多少及相对之间的位置关系进行测量；位置调节支杆的数量也可采用四根之外的数量，例如三根，相邻连根之间形成120度的夹角，以将支撑轴承悬空地支撑在测力架上，此时，测力架可采用正三角形结构；当然了，也可采用五个以上布置成等夹角结构或不等夹角结构，只需能将支撑轴承进行悬空地支撑在测力架上即可；对于一个检测单元上，可设置一个支撑轴承，也可设置三个以上的支撑轴承，并不局限于上述实施例中的两个结构。此外，止挡片与支撑轴承的外圈面间可采用胶水粘接；或，在止挡片背离支撑轴承的表面粘接有永磁铁块，用于将止挡片与支撑轴承的外圈之间紧吸而压贴在一起；以更好地实现支撑轴承与拉力传感器之间的力传递。

Claims (8)

1.一种旋转状态下的风机叶片的径向力测量装置，其特征在于，包括底座及安装在所述底座上的叶片驱动系统与测试系统；

所述叶片驱动系统包括旋转驱动轴及通过柔性联轴器从一轴端驱使所述旋转驱动轴转动的旋转驱动电机；所述旋转驱动轴的另一轴端用于可拆卸地安装待测叶片；

所述测试系统包括检测设备、信号传输线路及数据采集设备；所述检测设备包括两个以上的检测单元；所述检测单元包括测力架、支撑轴承、三个以上用于将所述支撑轴承悬空地支撑在所述测力架上的位置调节支杆及安装在所述位置调节支杆与所述支撑轴承的外圈之间的拉压力传感器；所述拉压力传感器通过所述信号传输线路向所述数据采集设备输出检测信号；所述两个以上的检测单元上的支撑轴承的旋转轴线大致共线布置，且它们的内圈过盈配合地套装在所述旋转驱动轴外；在所述旋转驱动轴的轴向上，相邻两个检测单元之间间距为预定间距；

有两个所述检测单元的支撑轴承布置在所述旋转驱动轴的轴向中间位置的两侧；在同一所述检测单元中，两个所述支撑轴承并排布置的套装在所述旋转驱动轴外；

所述位置调节支杆包括不等径双头螺杆及旋合在所述不等径双头螺杆的粗螺杆部上的第一紧固螺母与第二紧固螺母；所述不等径双头螺杆的细螺杆部与设于所述拉压力传感器一端上的内螺孔旋合，形成同轴布置；所述拉压力传感器的另一端上固定有支撑止挡片；所述支撑止挡片包括长度方向沿所述旋转驱动轴的轴向布置的止挡片及与所述止挡片固定连成T型结构的固定螺杆部，所述固定螺杆部与所述拉压力传感器的另一端内螺纹孔旋合；所述止挡片与轴承外圈的表面相切并紧压在轴承外圈上；所述止挡片与所述支撑轴承的外圈面间由胶水粘接。

2.根据权利要求1所述的径向力测量装置，其特征在于：

所述检测单元的数量为两个；所述支撑轴承为深沟球轴承；所述柔性联轴器为弹簧联轴器或八字型联轴器。

3.根据权利要求1所述的径向力测量装置，其特征在于：

所述旋转驱动轴上设有轴肩，位于同一检测单元上的支撑轴承构成轴承组，所述轴承组的一个外侧轴承内圈的外端面抵靠所述轴肩，另一个外侧轴承内圈的外端面由卡合在所述旋转驱动轴的卡槽上的卡簧所止挡。

4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的径向力测量装置，其特征在于：

所述测力架为框式测力架，所述框式测力架包括矩形框部，所述位置调节支杆的数量为四根，所述矩形框部的每一框架边部设有沿其长度方向布置的腰圆孔；

所述粗螺杆部穿过所述腰圆孔；所述第一紧固螺母抵压在所述框架边部的内侧面上，所述第二紧固螺母抵压在所述框架边部的外侧面上；

所述不等径双头螺杆、所述拉压力传感器及所述固定螺杆部均沿所述旋转驱动轴的径向布置。

5.根据权利要求4所述的径向力测量装置，其特征在于：

所述止挡片横跨地支撑在所述两个所述支撑轴承的外圈面上，且所述固定螺杆部与所述止挡片的连接部位于所述两个所述支撑轴承之间的位置上。

6.根据权利要求4所述的径向力测量装置，其特征在于：

在一个检测单元上，四根所述不等径双头螺杆的中心轴线大致共面布置，且相邻两根的中心轴线相垂直布置，且其中两根沿X轴向布置，另外两根沿Y轴向布置。

7.根据权利要求6所述的径向力测量装置，其特征在于：

所述待测叶片的径向力为Fx与Fy的合力，其中，

n为所述检测单元的数量，k为所述两个以上的检测单元在所述旋转驱动轴的一个轴向上的排序序号；

其中，Fyk＝Fy1k-Fy2k，Fxk＝Fx1k-Fx2k，其中，下标为1表示相对位于X轴正向或Y轴正向的拉压力传感器的检测数据，下标为2表示相对位于X轴负向或Y轴负向的拉压力传感器的检测数据。

8.根据权利要求7所述的径向力测量装置，其特征在于：

所述Y轴向沿垂向布置。

Images