CN109580071B - 一种旋转驱动轴激振力及叶轮激振力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转驱动轴激振力及叶轮激振力的测量方法，属于监测技术领域。测量方法包括激振力径向分量的测量步骤，具体包括：(1)利用旋转驱动轴驱使叶轮按照预设转速转动，采集布设在旋转驱动轴上的第一应变桥与第二应变桥的应变响应，每个应变桥的两片应变片在旋转驱动轴上的布设位置关于旋转驱动轴的轴线中心对称布置；(2)基于预先标定获得应变桥的应变响应与其所对应方向上的激振力分量之间的综合比例系数，计算激振力在对应方向上的分量，对应方向为对应应变桥的两个应变片的中心连线的延伸方向。通过在转轴上设置应变桥，以间接地对叶轮所受激振力的分量进行测量，实现对径向分量的测量，可广泛应用于水泵叶轮等测试领域。

Description

一种旋转驱动轴激振力及叶轮激振力的测量方法

技术领域

本发明涉及旋转驱动轴及叶轮工作过程的受力状态的监测方法，具体地说，涉及一种旋转驱动轴激振力的测量方法及基于该测量方法对水下叶轮在旋转过程中所受激振力的测量方法。

背景技术

在螺旋桨、水泵等由叶轮充当主要执行部件的叶轮设备中，叶轮在执行推进动作的过程中，其自身的动不平衡以及旋转过程中与水或空气等介质的耦合作用，使叶轮在运转过程中受力异常复杂，不仅易引起振动和噪声，且会对设备的稳定性产生影响。因此，需对叶轮在旋转过程中所受的激振力进行测量，尤其是径向上的激振力分量的测量。

例如，公告号为CN201302499Y的专利文献中公开了一种屏蔽泵轴向推力测量装置。但是，该专利文献紧能对为单向力的轴向分量进行测量，而无法对处于旋转状态中的叶轮的径向激振力分量进行测量，由于径向力作为轴刚度、耐磨环间隙及轴承载荷的重要确定参数，若无法对其进行测量，则难以完整地表征该叶轮在水下的激振力。

此外，与工作状态为处于不断转动的叶轮一样，旋转驱动轴在驱使其他旋转件旋转的过程中，会受到受力情况异常复杂的激振力，其在旋转过程中所受到的激振力的测量也存在上述径向分量难以测量的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种至少能够对叶轮激振力的径向分量进行监测的测量方法；

本发明的再一目的是提供一种至少能够对旋转驱动轴激振力的径向分量进行监测的测量方法。

为了实现上述主要目的，本发明提供的叶轮激振力的测量方法包括轴向分量测量步骤与径向分量测量步骤，径向分量测量步骤包括：

检测步骤，通过旋转驱动轴驱使叶轮按照预设转速转动，叶轮没入水中，采集布设在旋转驱动轴上且均为半桥结构的第一应变桥与第二应变桥的应变响应，每个应变桥的两片应变片在旋转驱动轴上的布设位置关于旋转驱动轴的轴线中心对称布置，第一应变桥与第二应变桥的应变片共转轴横截面且位置不重合地布置；

计算步骤，基于预先标定获得应变桥的应变响应与其所对应方向上的激振力分量之间的综合比例系数，计算激振力在对应方向上的分量，对应方向为对应应变桥的两个应变片的中心连线的延伸方向。

通过在用于驱使叶轮旋转以推进的旋转驱动轴上布置两个共轴横截面布置的应变桥，以对转轴的形变状态进行监测，从而间接地对叶轮所受激振力的径向分量进行测量，以解决了现有技术中不易对叶轮所受激振力的径向分量的测量问题。

具体的方案为轴向分量测量步骤包括以下步骤：

检测步骤，在采集第一应变桥与第二应变桥的应变响应的同时，采集布设在旋转驱动轴上且为全桥结构的第三应变桥的应变响应，第三应变桥的两片应变片在旋转驱动轴上的布设位置关于轴线中心对称布置；

计算步骤，基于预先标定获得第三应变桥的应变响应与激振力分量之间的综合比例系数，计算激振力在轴向上的分量。

基于为全桥结构的第三应变桥对激振力的轴向分量进行测量，可以径向分量的测量数据采用同套信号传输线路及数据采集设备，以减少测量成本。

进一步的方案为，在旋转驱动轴上套装有导电滑环，导电滑环的外环为静环，应变桥与导电滑环的动环的接线端子间通过信号线传输应变响应，静环接线端子向外输出动环接线端子所接收到的应变响应。

更具体的方案为预先标定获得应变桥的应变响应与其所对应方向上的激振力分量之间的综合比例系数的步骤包括：对旋转驱动轴施加一组大小不同的单向力并采集单向力所对应应变桥的应变响应，单向力仅沿旋转驱动轴的第一径向、第二径向或轴向布置，再驱使旋转驱动轴旋转180度并采集一次，线性拟合获取应变响应与单向力之间的比例系数，前后两次所拟合出的比例系数的均值作为该应变桥的应变响应与对应激振力分量之间的综合比例系数。利用对应应变桥所预定测量方向上的正反方向两组测量数据，所拟合出的两个比例系数作为标定结果，有效地提高了计算结果的准确性。

进一步的方案为在获取径向分量所对应的比例系数的步骤包括：(1)使旋转驱动轴的轴向沿水平方向布置，驱使旋转驱动轴旋转至第一径向与第二径向中的一者沿铅垂方向布置，依序将多个质量递增的砝码悬挂在旋转驱动轴的叶轮安装位置上并采集一者所对应的应变桥所输出的应变响应，以砝码重量表征一者上的径向分量，经线性拟合获取应变响应与该径向分量之间的比例放大系数；(2)使旋转驱动轴的轴向沿水平方向布置，驱使旋转驱动轴旋转180度至一者沿反向布置，将步骤(1)中所用砝码依序悬挂在叶轮安装位置上并采集一者所对应的应变桥所输出的应变响应，以砝码重量表征一者上的径向分力，经线性拟合获取应变响应与该径向分力之间的比例放大系数。利用砝码模拟力在径向分量，简单而便于在实验室中实现。

进一步的方案为在获取轴向分量所对应的比例系数的步骤包括：(1)使旋转驱动轴的轴向沿铅垂向布置，通过位于轴端部正上方的滑轮与绳索的配合，而依序地将多个质量递增的砝码悬挂在绳索的另一端，以对旋转驱动轴形成轴向拉伸力，并采集第三应变桥所输出的应变响应，以砝码重量表征轴向分量，经线性拟合获取应变响应与该轴向分量之间的比例放大系数；(2)使旋转驱动轴的轴向沿铅垂向布置，依序地将多个质量递增的砝码悬挂在轴端部上，以对旋转驱动轴形成轴向压缩力，并采集第三应变桥所输出的应变响应，以砝码重量表征轴向分量，经线性拟合获取应变响应与该轴向分量之间的比例放大系数。利用砝码模拟力在径向分量，简单而便于在实验室中实现。

优选的方案为第一应变桥由相对布置的第一应变片与第三应变片相邻布置地和两个固定电阻电连接成，第二应变桥由相对布置的第二应变片与第四应变片相邻布置地和两个固定电阻电连接成；第三应变桥由相对布置的第五应变片与第六应变片相间隔布置地和两个固定电阻电连接成。

更优选的方案为第一径向与第二径向相正交；第一应变片至第四应变片依序环绕旋转驱动轴的中心轴线等圆心夹角且共同一轴横截面布置，第五应变片与第六应变片对应地位于第二应变片与第四应变片背离叶轮安装位置的正后侧。

另一个优选的方案为用于计算应变响应与对应激振力分量之间的比例系数的前后两次所拟合出的比例系数需满足以下条件：

|K1-K2|/K1≤1％或者|K1-K2|/K2≤1％，K1为第一次采集数据所拟合出的比例系数，K2为第二次采集数据所拟合出的比例系数。

再一个优选的方案为在测试过程中，利用箱壁上设有转轴安装孔的试验水箱为叶轮提供水环境，且旋转驱动轴的轴向在测试过程中大致沿水平方向布置；安装轴部与转轴安装孔间为可转动地水密连接，以将旋转驱动轴划分成依序布置的箱外轴部、安装轴部、箱内轴部及位于试验水箱内且用于安装待测试叶轮的轴端部，应变桥均布设在箱内轴部上；在应变桥与数据采集设备之间搭设用于传输应变响应的信号传输路线。

更优选的方案为信号传输线路包括至少部分线段水密地埋设在安装轴部内而穿过转轴安装孔的信号传输线，及套装在箱外轴部上的导电滑环；应变桥通过信号传输线向导电滑环的动环输出应变响应；导电滑环的静环通过信号线向采集设备输出信号。基于导电滑环，能有效地解决了旋转中信号传输的问题。

进一步的方案为安装轴部上设有沿其轴向布置并延伸至箱内轴部上的线槽，信号传输线埋设于线槽内，并由胶水水密封装；或，旋转驱动轴为空心轴，轴端部为密封端部；信号传输线依次穿过设于箱内轴部上的进线孔，轴内孔腔，及设于箱外轴部上的出线孔；信号传输线与进线孔间为水密固接。

为了实现上述另一目的，本发明提供的旋转驱动轴激振力的测量方法包括轴向分量测量步骤与径向分量测量步骤，径向分量测量步骤包括：

检测步骤，采集布设在旋转驱动轴上且均为半桥结构的第一应变桥与第二应变桥的应变响应，每个应变桥的两片应变片在旋转驱动轴上的布设位置关于旋转驱动轴的轴线中心对称布置，第一应变桥与第二应变桥的应变片共转轴横截面且位置不重合地布置；

计算步骤，基于预先标定获得应变桥的应变响应与其所对应方向上的激振力分量之间的综合比例系数，计算激振力在对应方向上的分量，对应方向为对应应变桥的两个应变片的中心连线的延伸方向。

具体的方案为轴向分量测量步骤包括：

检测步骤，在采集第一应变桥与第二应变桥的应变响应的同时，采集布设在旋转驱动轴上且为全桥结构的第三应变桥的应变响应，第三应变桥的两片应变片在旋转驱动轴上的布设位置关于轴线中心对称布置；

计算步骤，基于预先标定获得第三应变桥的应变响应与激振力分量之间的综合比例系数，计算激振力在轴向上的分量。

附图说明

图1为本发明实施例1的工作流程图；

图2为本发明实施例1中测量平台的立体图；

图3为图1中A局部放大图；

图4为本发明实施例1中六个应变片在横截面上的贴设位置示意图；

图5为本发明实施例1中的六个应变片在轴向一侧上的贴设位置示意图；

图6为本发明实施例1中的六个应变片在轴向另一侧上的贴设位置示意图；

图7为本发明实施例1中第一应变桥及第二应变桥的电路结构图；

图8为本发明实施例1中第三应变桥的电路结构图；

图9为本发明实施例1中激振力的径向分量的方向示意图，(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；

图10为本发明实施例2中测量平台的立体图；

图11为本发明实施例2中测量平台局部结构为结构分解状态的立体图；

图12为图11中的B局部放大图；

图13为本发明实施例2中测量平台上的旋转驱动轴、待测叶轮、信号传输先及应变片的结构分解图；

图14为图13中C局部放大图；

图15为本发明实施例3中六个应变片的信号传输线在旋转驱动轴上的布设结构示意图。

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1

在本实施例中，为对旋转驱动轴在驱动其他旋转件执行旋转动作的过程中，例如驱动水下叶轮、带轮等转动件的旋转，所受到激振力的径向分量与轴向分量进行测量的方法。

本发明旋转驱动轴激振力的测量方法包括轴向分量测量步骤与径向分量测量步骤，如图1所示，两个方向上测量步骤均包括检测步骤S1及计算步骤S2，对于径向分量的测量步骤，有：

检测步骤S1，采集布设在旋转驱动轴上且均为半桥结构的第一应变桥与第二应变桥的应变响应，每个应变桥的两片应变片在旋转驱动轴上的布设位置关于旋转驱动轴的轴线中心对称布置，第一应变桥与第二应变桥的应变片共转轴横截面且位置不重合地布置。

计算步骤S2，基于预先标定获得应变桥的应变响应与其所对应方向上的激振力分量之间的综合比例系数，计算激振力在对应方向上的分量，对应方向为对应应变桥的两个应变片的中心连线的延伸方向。

对于轴向分量的测量步骤，有：

检测步骤S1，在采集第一应变桥与第二应变桥的应变响应的同时，采集布设在旋转驱动轴上且为全桥结构的第三应变桥的应变响应，第三应变桥的两片应变片在旋转驱动轴上的布设位置关于轴线中心对称布置。

计算步骤S2，基于预先标定获得第三应变桥的应变响应与激振力分量之间的综合比例系数，计算激振力在轴向上的分量。

本方法基于图2至图9所示的测量平台1进行测量，其包括机架10、转动件驱动系统2及测试系统，在图中未示出被驱动的转动件。转动件固设在旋转驱动轴4远离电机的轴端部43上。

转动件驱动系统2包括旋转驱动轴4及旋转驱动电机20，旋转驱动电机20的定子通过螺栓与设于机架10上的T型槽100间的配合而固定在机架10上，其转子轴通过联轴器22与旋转驱动轴4的后端部传动连接，在本实施例中，联轴器22为刚性联轴器，以使旋转驱动轴4与转子轴能等转速地传动；旋转驱动电机20选用伺服电机，以提高对旋转驱动轴4转速的控制能力及精度。

测试系统包括测试传感器、信号传输线路及数据采集设备。其中，测试传感器包括贴设在旋转驱动轴4的外周面上的第一应变片Y1、第二应变片Y2、第三应变片Y3、第四应变片Y4、第五应变片Y5与第六应变片Y6，及用于获取旋转驱动轴4的转角数据的角度传感器37；在本实施例中，角度传感器37为集成在旋转驱动电机20的定子后端部上的编码器，以通过对转子轴角度的监测，而间接地获取旋转驱动轴4的转角数据，以获取旋转驱动轴4上预定位置在旋转过程中的当前位置及转轴的转速，编码器通过信号线向数据采集设备输出角度监测信号。在本实施例中，编码器主要用于测试前的径向力校准和测试过程中的转速、角度的测量。

如图4至图6所示，对于第一应变片Y1至第六应变片Y6在旋转驱动轴4上的具体贴设位置为，第一应变片Y1、第二应变片Y2、第三应变片Y3及第四应变片Y4依序地环绕旋转驱动轴4的中心轴线420等圆心夹角且共同一轴横截面布置，即四块应变片的长度方向上的中面共面布置，且相邻两块应变片的中心点相对中心轴线420所构建的圆心角α相等，均为90度，而相对的两块应变片的贴设位置关于中心轴线420中心对称布置；第五应变片Y5与第六应变片Y6对应地位于第二应变片Y2与第四应变片Y4背离轴端部43的正后侧，即第五应变片Y5与第二应变片Y2的中面共面布置且沿中心轴线420的轴向布置，第六应变片Y6与第四应变片Y4的中面共面布置且沿中心轴线420的轴向布置。在本实施例中，六块应变片均采用环氧树脂粘接在箱内轴部42上，当然了，也可采用其他胶水进行粘接。信号传输线路包括信号传输线51及套装在旋转驱动轴4上的导电滑环6；在旋转驱动轴4的中部区域上设有四根沿其轴向布置的线槽410，信号传输线51埋设在线槽410内，并由胶水水密封装，具体采用环氧树脂进行水密封装。当然了，也可直接粘接在旋转驱动轴4的表面上。

六块应变片分别通过对应的信号传输线51向导电滑环6的动环60输出检测信号，即信号传输线51的一端与应变片的信号输出端子水密地电连接，另一端与动环60上所对应的输入端子电连接；导电滑环6的静环61的通过安装支架62、63而固定在机架10上，并通过信号线52向数据采集设备输出信号，即利用一端与静环61的输出端子电连接且另一端与数据采集设备的输入端子电连接的信号线52传输信号。其中，导电滑环6又称集电环，作为解决旋转状态径向力测量的关键部件，其动环60与静环61之间通过电刷实现导线连通。它在避免导线缠绕前提下，实现导线与旋转部件连接上传感器相连接，使得旋转状态径向力测量，与静止状态径向力测量相近。6块应变片在轴表面贴牢后，信号传输线51沿轴表面沿轴线方向呈“S”形粘贴，进而与导电滑环6的动环中的导线相连。数据采集设备会根据对应的应变电桥进行数据采集。从而实现轴上传感器在旋转时能与外部相对固定的数据采集设备的通信连接，避免直接导线相连旋转时带来的缠绕问题，尤其是在高速旋转情况下。

如图7及图8所示，第一应变片Y1、第三应变片Y3与两个固定电阻电R连接成为半桥布置的第一应变桥81，用于对激振力在第一径向上的径向分力进行监测；第二应变片Y2、第四应变片Y4与两个固定电阻R电连接成为半桥布置的第二应变桥82，用于对激振力在第二径向上的径向分力进行监测；第五应变片Y5、第六应变片Y6与两个固定电阻R电连接成为全桥布置的第三应变桥，用于对激振力的轴向分量进行监测。如图9所示，第一应变片Y1与第三应变片Y3中点连线的延伸方向为第一径向，第二应变片Y2与第四应变片Y4中点连线的延伸方向为第二径向，旋转驱动轴4由电机轴端指向安装轴端部的方向为轴向，三者构成右手坐标系，即在本实施例中，第二径向与第一径向相正交，从而在如图9所示的结构中划分出四个象限。

数据采集设备具体由动态应变仪和高速计数器组成，利用高速计数器实现高速脉冲采样，从而对应地实现对应变桥输出的应变响应和转轴角度的高速采样，配套的测试系统软件，实现对每个角度下的径向力大小和径向力方向的显示。

组装整个测试系统的过程如下：

一、先在旋转驱动轴4上铣出四条线槽410，且是它们大致环绕中心轴线420均布，并在六个应变片的贴设位置处刻画安装区域，再使用环氧树脂将六个应变片贴设在旋转驱动轴4的刻画位置上，该刻画位置邻近轴端部43。

二、以应变桥中两个应变片为统一对象，对应变片的位置贴设是否合格进行评定。具体分为以下三个步骤：

1、对第一应变桥81中应变片位置贴设是否合格进行评定：

(1)使旋转驱动轴的4轴向沿水平方向布置，利用编码器所输出的角度数据，控制旋转驱动电机20驱使旋转驱动轴4旋转，至第一径向沿铅垂方向布置，即旋转至如图4所示的位置，依序将多个质量递增的砝码悬挂在轴端部43上并采集第一应变桥81所输出的应变响应，以砝码重量表征第一径向上的径向分力，经线性拟合获取应变响应与该径向分力之间的比例放大系数K1。

在本实施例中，砝码的数量为10个，重量分别为1kg，2kg，……，10kg，即质量递增为1kg。对于砝码的悬挂位置为叶轮安装位置，在本实施例中为叶轮的轮毂中间位置。对于砝码的质量，根据旋转驱动轴的尺寸及刚度进行确认，并不局限于本实施中的具体数据。

(2)使旋转驱动轴4的轴向沿水平方向布置，利用编码器所输出的角度数据，控制旋转驱动电机20驱使旋转驱动轴4旋转180度至第一径向沿反向布置，将步骤(1)中所用的10个砝码依序悬挂在轴端部43上并采集第一应变桥81所输出的应变响应，以砝码重量表征第一径向上的径向分力，经线性拟合获取应变响应与该径向分力之间的比例放大系数K2。

(3)若|K1-K2|/K1≤1％或者|K1-K2|/K2≤1％，则第一应变桥上的两个应变片的位置贴设合格。

即通过不同重量称重砝码悬挂在叶轮端，并配合编码器高精度角度位置信号，绘制应变信号和砝码重力的对应关系曲线，通过曲线斜率确定应变和力的比例系数，校准传感器精度和检验应变片粘贴是否到位。可根据具体精度要求设置K1、K2变化率的判断阈值，并不局限于本实施例中的1％。若判断该应变桥的应变片贴设不合格，则对其位置进行测量，以进一步判断贴设位置的不合理处，例如二者表面的平行度、二者外表面至中心轴线420之间的间距等。

2、对第二应变桥82中应变片的位置贴设是否合格进行评定：

(1)使旋转驱动轴4的轴向沿水平方向布置，利用编码器所输出的角度数据，控制旋转驱动电机20驱使旋转驱动轴20旋转，至第二径向沿铅垂方向布置，即将如图4所示位置逆时针旋转90度而获得位置，依序将多个质量递增的砝码悬挂在轴端部43上并采集第二应变桥82所输出的应变响应，以砝码重量表征第二径向上的径向分力，经线性拟合获取应变响应与该径向分力之间的比例放大系数K1。

在本实施例中，砝码的数量为10个，重量分别为1kg，2kg，……，10kg，即质量递增为1kg。对于砝码的悬挂位置为叶轮安装位置，在本实施例中为叶轮的轮毂中间位置。对于砝码的质量，根据旋转驱动轴的尺寸及刚度进行确认，并不局限于本实施中的具体数据。

(2)使旋转驱动轴4的轴向沿水平方向布置，利用编码器所输出的角度数据，控制旋转驱动电机20驱使旋转驱动轴4旋转180度至第二径向沿反向布置，将步骤(1)中所用砝码依序悬挂在轴端部43上并采集第二应变桥所输出的应变响应，以砝码重量表征第二径向上的径向分力，经线性拟合获取应变响应与该径向分力之间的比例放大系数K2。

(3)若|K1-K2|/K1≤1％或者|K1-K2|/K2≤1％，则第二应变桥上应变片的位置贴设合格。

3、对第三应变桥83中应变片的位置贴设是否合格进行评定：

(1)使旋转驱动轴4的轴向沿铅垂向布置，通过位于轴端部正上方的滑轮与绳索的配合，而依序地将多个质量递增的砝码悬挂在该绳索的另一端，以对旋转驱动轴形成轴向拉伸力，并采集第三应变桥83所输出的应变响应，以砝码重量表征轴向分量，经线性拟合获取应变响应与该轴向分量之间的比例放大系数Kz1；

具体可以在螺母14的前端面中心位置处布设环形挂耳，从而将绳索的一端捆绑在其上，而使拉力尽量地沿旋转驱动轴4的轴向布置。

(2)使旋转驱动轴4的轴向沿铅垂向布置，依序地将多个质量递增的砝码悬挂在轴端部43上，以对旋转驱动轴形成轴向压缩力，并采集第三应变桥83所输出的应变响应，以砝码重量表征轴向分量，经线性拟合获取应变响应与该轴向分量之间的比例放大系数Kz2。

具体的，可对阀门的结构进行加工，以使砝码能够更好地悬挂在旋转驱动轴4上，且使压力大致沿其轴向布置，例如在砝码上加工出一个与轴端部43外形相适配的套孔，从而可直接将砝码套装在轴端部43外，对其施加压力。

(3)若|Kz1-Kz2|/Kz1≤1％或者|Kz1-Kz2|/Kz2≤1％，则第三应变桥上两个应变片的位置贴设合格。

通过评定之后，能有效地确保应变片的布置精度和测量精度。

在完成对六个应变片的贴设位置的评定之后，再将导电滑环安装在旋转驱动轴4邻近轴端部43的轴部上，用联轴器22连接旋转驱动轴4与旋转驱动电机20的转子轴，并将待测转动件安装在旋转驱动轴4的轴端部43上。

其中，基于第一应变桥81与第二应变桥82输出的应变响应，利用综合比例放大系数K计算该应变桥所对应的径向分力，该综合比例放大系数K为K1与K2的平均值，K1、K2为位置贴设合格时的值；以第一径向上的径向分力与第二径向上的径向分力的合力作为激振力的径向分量。

在测试过程中，基于第三应变桥83输出的应变响应，利用综合比例放大系数Kz计算激振力的轴向分量，综合比例放大系数Kz为Kz1与Kz2的平均值；Kz1、Kz2为位置贴设合格时的值。

对于转动件所产生的径向力测量，通过圆周方向均布4个应变片实现，如图9所示，其中，径向力Fx分量由第二应变片Y2和第四应变片Y4组成的第二应变桥82进行测量，径向力Fy分量由第一应变片Y1和第三应变片Y3组成的第一应变桥81进行测定。Fx和Fy可求得径向力F及其相位角。对称布置且位于同一横向截面上的径向力测量应变桥具有消除轴向力、转矩和进行温度补偿作用，同时将径向力响应进行2倍增益，提高了测试精度和敏感性。对于转动件所产生的轴向力测量，通过第五应变片Y5和第六应变片Y6组成第三应变桥83测量。轴向力测量应变桥，实现消除弯矩和只保留轴向力作用，并将轴向力响应进行2倍增益。旋转中的径向力角度，通过相位角和编码器获得。

第一应变片Y1和第三应变片Y3应变片测得变形量为径向力Fy引起，并将轴心与Y1方向作为Fy正向，轴心与第三应变片Y3方向作为Fy负向，第二应变片Y2和第四应变片Y4应变片测得变形量为Fx引起，并将轴心与第二应变片Y2方向作为Fx正向，轴心与第四应变片Y4方向作为Fx负向。第五应变片Y5和第六应变片Y6应变片测得变形量为轴向力Fz，并将沿轴线向叶轮方向作为Fz正向，反之负向。将轴线与第二应变片Y2方向作为旋转轴起始线和旋转中的相对0°角度方向。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：

在本激振力计算方法中，可确定轴系转动过程中径向力分量Fx、径向力分量Fy和轴向力Fz的大小和方向，并进一步与编码器角度测量结合得到径向力合力的方向。

在本实施例中，应变片粘贴在导电滑环和转动件中间的无其他额外支撑的转轴上，通过应变片检测到轴系的微弱应变，实现激振力中的径向力和轴向力量测量。本发明旋转驱动件在驱动转动件旋转的过程中，转动件所传递出的激振力。

实施例2

本实施例为对叶轮激振力进行测量，主要为在实施例1中测试平台的基础之上，即通过直接测量旋转驱动轴所受到的激振力，而间接地测量水下叶轮的激振力。下面主要针对为了测量叶轮对测试平台而改进的部分进行说明。

如图10至图14所示的水下叶轮的激振力进行测量的测量平台1，其包括机架10、叶轮驱动系统2、测试系统及布设在机架10侧旁的试验水箱11，试验水箱11用装载预定高度的水，以淹没叶轮而模拟叶轮01的工作环境。在试验水箱11邻近机架10的一箱壁上设有转轴安装孔12。叶轮驱动系统2包括旋转驱动轴4及旋转驱动电机20，其转子轴通过联轴器22与旋转驱动轴4的后端部传动连接。

旋转驱动轴4的前端部穿过转轴安装孔12后，利用轴封13对二者间的间隙进行密封，使旋转驱动轴4与转轴安装孔12间为可转动地水密连接，并根据轴上各部位相对转轴安装孔12的位置，而将旋转驱动轴4沿轴向划分为箱外轴部40、安装轴部41、箱内轴部42及用于安装待测叶轮01的轴端部43；在本实施例中，通过螺母14将待测叶轮01可拆卸地固定在轴端部43上，以使旋转驱动电机20通过旋转驱动轴4驱使没入水面以下的叶轮01按预设转速进行转动，安装轴部41包括套装在转轴安装孔12内及套装在轴封13内的部分轴体。

测试系统的测试传感器上的第一应变片Y1、第二应变片Y2、第三应变片Y3、第四应变片Y4、第五应变片Y5与第六应变片Y6均贴设在箱内轴部42的外周面上。

信号传输线路包括信号传输线51及套装在箱外轴部40上的导电滑环6；信号传输线51埋设在线槽410内，其中，第二应变片Y2与第五应变片Y5的信号传输线共用同一线槽410，第四应变片Y4与第六应变片Y6的信号传输线共用同一线槽410，并由胶水水密封装，具体采用环氧树脂进行水密封装，并将胶水固化所形成的胶块表面打磨至与旋转驱动轴4的表面大致共圆面布置，以能利用轴封13进行水密封。从而能够使信号传输线51中的至少部分线段水密地埋设在安装轴部41内而穿过转轴安装孔12。对于每块应变片，其表面及其与信号传输线51的连接点处均为绝缘处理，例如涂布柔性的绝缘胶水。

在测量过程中，通过旋转驱动轴4驱使没入水中的叶轮01按照预设转速转动，通过导电滑环6的静环61与动环60的配合，而采集布设在旋转驱动轴4上三个应变桥所输出的应变响应，并利用上述旋转驱动轴激振力的计算方法进行计算，即在本实施例中，应变片粘贴在导电滑环6和叶轮01中间的无其他额外支撑的转轴上，通过应变片检测到轴系的微弱应变，实现激振力中的径向力和轴向力量测量。本发明实现了水力机械叶轮在旋转状态时的激振力的实时测量。对于泵、风机、螺旋桨等水力机械的水力分析和设计有重要指导意义。实现轴系旋转中的叶轮激振力的高精度动态测量。

实施例3

作为对本发明实施例3的说明，以下仅对与上述实施例2的不同之处进行说明。

参见图15,旋转驱动轴4为空心轴，且轴端部为密封端部，可利用用于固定叶轮的螺母与密封圈的配合而实现对轴端部的密封；信号传输线51依次穿过设于箱内轴部上的进线孔402，轴内孔腔，及设于箱外轴部上的出线孔401，并利用密封胶填充信号传输线51与进线孔402间间隙，以使二者间为水密固接。

Claims (10)

1.一种叶轮激振力的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括轴向分量测量步骤与径向分量测量步骤，所述径向分量测量步骤包括：

检测步骤，通过旋转驱动轴驱使叶轮按照预设转速转动，所述叶轮没入水中，采集布设在所述旋转驱动轴上且均为半桥结构的第一应变桥与第二应变桥的应变响应，每个应变桥的两片应变片在所述旋转驱动轴上的布设位置关于所述旋转驱动轴的轴线中心对称布置，所述第一应变桥与所述第二应变桥的应变片共转轴横截面且位置不重合地布置；

计算步骤，基于预先标定获得应变桥的应变响应与其所对应方向上的激振力分量之间的综合比例系数，计算所述激振力在所述对应方向上的分量，所述对应方向为对应应变桥的两个应变片的中心连线的延伸方向。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述轴向分量测量步骤包括以下步骤：

检测步骤，在采集所述第一应变桥与所述第二应变桥的应变响应的同时，采集布设在所述旋转驱动轴上且为全桥结构的第三应变桥的应变响应，所述第三应变桥的两片应变片在所述旋转驱动轴上的布设位置关于所述轴线中心对称布置；

计算步骤，基于预先标定获得所述第三应变桥的应变响应与激振力分量之间的综合比例系数，计算所述激振力在轴向上的分量。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，预先标定获得应变桥的应变响应与其所对应方向上的激振力分量之间的综合比例系数的步骤包括：

对所述旋转驱动轴施加一组大小不同的单向力并采集所述单向力所对应应变桥的应变响应，所述单向力仅沿所述旋转驱动轴的第一径向、第二径向或轴向布置，再驱使所述旋转驱动轴旋转180度并采集一次，线性拟合获取应变响应与单向力之间的比例系数，前后两次所拟合出的比例系数的平均值作为该应变桥的应变响应与对应激振力分量之间的综合比例系数。

4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，在获取径向分量所对应的比例系数的步骤包括：

(1)使所述旋转驱动轴的轴向沿水平方向布置，驱使所述旋转驱动轴旋转至所述第一径向与所述第二径向中的一者沿铅垂方向布置，依序将多个质量递增的砝码悬挂在所述旋转驱动轴的叶轮安装位置上并采集所述一者所对应的应变桥所输出的应变响应，以砝码重量表征所述一者上的径向分量，经线性拟合获取应变响应与该径向分量之间的比例放大系数；

(2)使所述旋转驱动轴的轴向沿水平方向布置，驱使所述旋转驱动轴旋转180度至所述一者沿反向布置，将步骤(1)中所用砝码依序悬挂在所述叶轮安装位置上并采集所述一者所对应的应变桥所输出的应变响应，以砝码重量表征所述一者上的径向分力，经线性拟合获取应变响应与该径向分力之间的比例放大系数。

5.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，在获取轴向分量所对应的比例系数的步骤包括：

(1)使所述旋转驱动轴的轴向沿铅垂向布置，通过位于所述旋转驱动轴的轴端部正上方的滑轮与绳索的配合，而依序地将多个质量递增的砝码悬挂在所述绳索的另一端，以对所述旋转驱动轴形成轴向拉伸力，并采集所述第三应变桥所输出的应变响应，以砝码重量表征所述轴向分量，经线性拟合获取应变响应与该轴向分量之间的比例放大系数；

(2)使所述旋转驱动轴的轴向沿铅垂向布置，依序地将多个质量递增的砝码悬挂在所述轴端部上，以对所述旋转驱动轴形成轴向压缩力，并采集所述第三应变桥所输出的应变响应，以砝码重量表征所述轴向分量，经线性拟合获取应变响应与该轴向分量之间的比例放大系数。

6.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：

所述第一径向与所述第二径向相正交；

所述第一应变桥与所述第二应变桥上的应变片依序环绕所述旋转驱动轴的中心轴线等圆心夹角地布置，所述第三应变桥的两应变片与所述第二应变桥的应变片对应地位于它们背离叶轮安装位置的正后侧。

7.根据权利要求3至6任一项权利要求所述的测量方法，其特征在于，用于计算应变响应与对应激振力分量之间的比例系数的前后两次所拟合出的比例系数需满足以下条件：

|K1-K2|/K1≤1％或者|K1-K2|/K2≤1％，K1为第一次采集数据所拟合出的比例系数，K2为第二次采集数据所拟合出的比例系数。

8.根据权利要求1至6任一项权利要求所述的测量方法，其特征在于：

在测试过程中，利用箱壁上设有转轴安装孔的试验水箱为所述叶轮提供水环境，且所述旋转驱动轴的轴向在测试过程中大致沿水平方向布置；所述旋转驱动轴与所述转轴安装孔间为可转动地水密连接，以将所述旋转驱动轴划分成依序布置的箱外轴部、安装轴部、箱内轴部及位于所述试验水箱内且用于安装待测试叶轮的轴端部，应变桥均布设在所述箱内轴部上；

在应变桥与数据采集设备之间搭设用于传输应变响应的信号传输路线；

所述信号传输线路包括至少部分线段水密地埋设在所述安装轴部内而穿过所述转轴安装孔的信号传输线，及套装在所述箱外轴部上的导电滑环；应变桥通过所述信号传输线向所述导电滑环的动环输出应变响应；所述导电滑环的静环通过信号线向所述采集设备输出信号；

所述安装轴部上设有沿其轴向布置并延伸至所述箱内轴部上的线槽，所述信号传输线埋设于所述线槽内，并由胶水水密封装；或，

所述旋转驱动轴为空心轴，所述轴端部为密封端部；所述信号传输线依次穿过设于所述箱内轴部上的进线孔，轴内孔腔，及设于所述箱外轴部上的出线孔；所述信号传输线与所述进线孔间为水密固接。

9.一种旋转驱动轴激振力的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括轴向分量测量步骤与径向分量测量步骤，所述径向分量测量步骤包括：

检测步骤，采集布设在所述旋转驱动轴上且均为半桥结构的第一应变桥与第二应变桥的应变响应，每个应变桥的两片应变片在所述旋转驱动轴上的布设位置关于所述旋转驱动轴的轴线中心对称布置，所述第一应变桥与所述第二应变桥的应变片共转轴横截面且位置不重合地布置；

计算步骤，基于预先标定获得应变桥的应变响应与其所对应方向上的激振力分量之间的综合比例系数，计算所述激振力在所述对应方向上的分量，所述对应方向为对应应变桥的两个应变片的中心连线的延伸方向。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述轴向分量测量步骤包括：

检测步骤，在采集所述第一应变桥与所述第二应变桥的应变响应的同时，采集布设在所述旋转驱动轴上且为全桥结构的第三应变桥的应变响应，所述第三应变桥的两片应变片在所述旋转驱动轴上的布设位置关于所述轴线中心对称布置；

计算步骤，基于预先标定获得所述第三应变桥的应变响应与激振力分量之间的综合比例系数，计算所述激振力在轴向上的分量。

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