CN112145449B - 一种离心泵的活塞式叶轮轴向力测试装置 - Google Patents

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Abstract

一种离心泵的活塞式叶轮轴向力测试装置，属于泵技术检测领域。由叶轮、若干个滚珠、2个挡板、螺栓构成的叶轮转子部件与泵轴同步旋转的同时，叶轮转子部件通过滚珠能在泵轴及其上的键上轴向移动；由缸筒及其上的排气螺栓、缸盖及其上的零件（包括滚动轴承、B组圆螺母和单端面机械密封的动环）、A组圆螺母、活塞及其上的2个O型橡胶密封圈、拉力杆及其上的O型橡胶密封圈和拉紧螺母构成了活塞缸转子部件；在叶轮转子部件和活塞缸转子部件与泵轴同步旋转的同时，由于拉力杆的一端固连在叶轮上，另一端固连在活塞上，实现了叶轮与活塞同步轴向移动，使液体作用在叶轮上的轴向力通过拉力杆传递到活塞上，导致活塞的左油腔和右油腔的压力发生变化，液体作用在活塞两侧的液压力的差值即为叶轮轴向力。

Description

一种离心泵的活塞式叶轮轴向力测试装置
技术领域
本发明属于泵技术检测领域，具体涉及一种离心泵的活塞式叶轮轴向力测试装置。
背景技术
目前，公知的离心泵的叶轮轴向力测试装置，是基于叶轮轴向力使叶轮和泵轴一起产生轴向位移；或者基于叶轮轴向力使叶轮在泵轴及其键上产生轴向位移，在泵轴的非动力输入端设置轴向力的测试装置，使待测的叶轮轴向力与其它力学量(如弹簧拉力、砝码重力、液体压力，等)相平衡；或使待测的叶轮轴向力作用在电阻应变式拉压力传感器上；或使待测的叶轮轴向力作用在泵轴上的滚动轴承两侧的测力环上，测力环上装有电阻应变片或压电元件。上述测试方法中普遍存在以下问题，首先：电机端的半联轴器与泵轴端的半联轴器的接触面上、叶轮与泵轴及泵轴上的键的接触面上都存在很大的接触摩擦力，叶轮轴向力须克服接触摩擦力才能使泵轴（或者叶轮在泵轴及其键上）产生轴向位移，这会使测试结果产生较大误差，因此减小摩擦力对轴向力测试的影响是现有的轴向力测试技术亟待解决的关键问题；其次，泵在运行时存在振动现象，振动信号对电阻应变式拉压力传感器、测力环上的电阻应变片或压电元件的输出信号有较强的干扰，严重时会影响传感器电路的正常工作，并且难以去除。因此，需要对现有的离心泵的叶轮轴向力测试装置进行改进。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种离心泵的活塞式叶轮轴向力测试装置。
所述的一种离心泵的活塞式叶轮轴向力测试装置主要包括叶轮转子部件、活塞缸转子部件、机械密封、测压油腔，其中：叶轮、若干个滚珠、挡板、E组螺栓构成了叶轮转子部件。叶轮的键槽宽度等于1#键的宽度加上2倍滚珠的直径。叶轮以间隙配合安装在泵轴上，若干个滚珠装在泵轴上的1#键与叶轮的键槽的内侧面形成的腔体内，即在1#键的两侧安放两排滚珠。两个挡板通过E组螺栓分别固连在叶轮的左端面和右端面上，且挡板的键槽宽度与1#键的宽度的配合为间隙配合，将1#键两侧的两排滚珠限制在两个挡板之间。泵轴通过1#键带动叶轮转子部件旋转的同时，叶轮转子部件通过滚珠能在泵轴及1#键上轴向移动。
缸筒及其上的1#排气螺栓和2#排气螺栓、缸盖及其上的零件（包括滚动轴承、B组圆螺母和1#单端面机械密封的动环）、A组圆螺母、活塞及其上的两个2#O型橡胶密封圈、拉力杆及其上的零件（包括4#O型橡胶密封圈、6#O型橡胶密封圈、拉紧螺母）构成了活塞缸转子部件。缸筒与缸盖通过C组螺栓固连成一体形成了缸体，缸体通过泵轴及其上的2#键、泵轴的轴肩和A组圆螺母固定在泵轴上，缸体内表面与泵轴的部分外径形成了密闭的油缸腔。其中，1#O型橡胶密封圈和3#O型橡胶密封圈起着密封作用，防止油缸腔内的压力油向外泄漏。拉力杆及其上的两个6#O型橡胶密封圈穿过缸筒，拉力杆的左端通过螺纹固连在叶轮上，拉力杆的右端装有活塞，拉紧螺母使活塞与拉力杆的轴肩靠实，此时活塞位于泵轴及其上的两个5#O型橡胶密封圈上。活塞及其外径上的两个2#O型橡胶密封圈将油缸腔分成左油腔和右油腔，两个2#O型橡胶密封圈、两个5#O型橡胶密封圈和4#O型橡胶密封圈都起密封作用，防止左油腔和右油腔的压力油联通。由于拉力杆的一端固连在叶轮上，另一端固连在活塞上，在叶轮转子部件和活塞缸转子部件与泵轴同步旋转的同时，叶轮与活塞可同步轴向移动。
定位螺栓从泵盖的螺孔穿入并旋入叶轮上的螺纹孔内，使叶轮和活塞处在设计的轴向位置，即叶轮处在泵轴A端面和缸筒左端面之间。
泵盖通过D组螺栓安装在泵体上，轴承支架安装在泵盖和滚动轴承上，轴承支架通过B组螺栓固连在泵盖上。轴承支架上的机械密封的静环与缸盖上的机械密封的动环构成了1#单端面机械密封。闷盖通过A组螺栓固连在轴承支架上，闷盖上的机械密封的静环与泵轴上的机械密封的动环构成了2#单端面机械密封。
2#单端面机械密封的外径、闷盖、缸盖的右端面、轴承支架构成了测压油腔A。闷盖、2#单端面机械密封的右端面、泵轴右端面构成了测压油腔B。缸盖上的小油孔将右油腔与测压油腔A联通，2#压力表通过2#油管与测压油腔A联通。泵轴上的大油孔将左油腔与测压油腔B联通，1#压力表通过1#油管与测压油腔B联通。手压油泵的输出油管分两路，一路通过1#阀门与测压油腔B联通，一路通过2#阀门与测压油腔A联通。叶轮转子部件和活塞缸转子部件与泵轴同步旋转的同时，液体作用在叶轮上的轴向力通过拉力杆传递到活塞上，活塞随叶轮一起发生轴向位移，导致油腔缸的左油腔和右油腔的压力发生变化。由于活塞两侧的有效面积已知，左油腔和右油腔的压力已知，液体作用在活塞两侧的液体压力的差值即为叶轮轴向力，通过比较活塞两侧的液体压力的大小，即可判断出叶轮轴向力方向。
本发明的有益效果是：
1、叶轮转子部件与泵轴同步旋转的同时，叶轮转子部件通过滚珠能在泵轴及1#键上轴向移动，由于滚珠与键的接触摩擦力小，减少了接触摩擦力对轴向力测试的影响；
2、安装在泵轴上的叶轮转子部件和活塞缸转子部件与泵轴同步旋转的同时，液体作用在叶轮上的轴向力通过拉力杆传递到活塞上，活塞随叶轮一起发生轴向位移，导致活塞的左油腔和右油腔的压力发生变化，将叶轮轴向力转换为左油腔和右油腔的液体压力。泵轴的大油孔将左油腔与测压油腔B联通，缸盖的小油孔将右油腔与测压油腔A联通，通过测量测压油腔A与测压油腔B的压力可间接得到叶轮轴向力的大小，且叶轮轴向力测试几乎不受泵振动的干扰；
3、本发明结构简单实用，无液体泄漏，可实时检测叶轮轴向力的大小及方向，能为离心泵的叶轮轴向力的研究提供可靠的实测数据，对促进泵测试技术进步有十分重要的作用。
附图说明
图1是本发明的具体结构和工作原理图。包括的主要零件有：1. 泵轴 2.泵体3. 叶轮 4. 1#键 5. 滚珠 6. 挡板 7. 泵盖 8. 定位螺栓 9. 1#O型橡胶密封圈10. 2#键 11. 缸筒 12. 1#排气螺栓 13. 2#O型橡胶密封圈 14. 2#排气螺栓 15.活塞 16. 轴承支架 17. 缸盖 18. 滚动轴承 19. 1#单端面机械密封 20. 小油孔21. A组螺栓 22. 2#单端面机械密封 23. 闷盖 24. 1#油管 25. 2#油管 26. 1#阀门 27. 2#阀门 28. 1#压力表 29. 2#压力表 30. 手压油泵 31. 测压油腔B 32.测压油腔A 33. A组圆螺母 34. 3#O型橡胶密封圈 35. 大油孔 36. B组圆螺母 37.B组螺栓 38. C组螺栓 39. 右油腔 40. 拉紧螺母 41. 4#O型橡胶密封圈 42. 5#O型橡胶密封圈 43. 左油腔 44. 6#O型橡胶密封圈 45. D组螺栓 46. 拉力杆 47.缸筒左端面 48. E组螺栓 49. 泵轴A端面。
具体实施方式
下面，结合附图1对本发明做进一步说明：
如图1所示，叶轮3、若干个滚珠5、挡板6、E组螺栓48构成了叶轮转子部件。叶轮3的键槽宽度等于1#键4的宽度加上2倍滚珠5的直径。叶轮3以间隙配合安装在泵轴1上，若干个滚珠5装在泵轴1上的1#键4与叶轮3的键槽的内侧面形成的腔体内，即在1#键4的两侧安放两排滚珠5。两个挡板6通过E组螺栓48分别固连在叶轮3的左端面和右端面上，且挡板6的键槽宽度与1#键4的宽度的配合为间隙配合，将1#键4两侧的两排滚珠5限制在两个挡板6之间。泵轴1通过1#键4带动叶轮转子部件旋转的同时，叶轮转子部件通过滚珠5能在泵轴1及1#键4上轴向移动。
如图1所示，泵轴1及其上的叶轮转子部件装在泵体2内。
如图1所示，泵盖7通过D组螺栓45固连在泵体2上。
如图1所示，缸筒11及其上的1#排气螺栓12和2#排气螺栓14、缸盖17及其上的零件（包括滚动轴承18、B组圆螺母36和1#单端面机械密封19的动环）、A组圆螺母33、活塞15及其上的两个2#O型橡胶密封圈13、拉力杆46及其上的零件（包括4#O型橡胶密封圈41、6#O型橡胶密封圈44、拉紧螺母40）构成了活塞缸转子部件。缸筒11与缸盖17通过C组螺栓38固连成一体形成了缸体，缸体通过泵轴1及其上的2#键10、泵轴1的轴肩和A组圆螺母33固定在泵轴1上，缸体内表面与泵轴1的部分外径形成了密闭的油缸腔。其中，1#O型橡胶密封圈9和3#O型橡胶密封圈34起着密封作用，防止油缸腔内的压力油向外泄漏。拉力杆46及其上的两个6#O型橡胶密封圈44穿过缸筒11，两个6#O型橡胶密圈44起密封作用，防止油缸腔内的压力油向外泄漏。拉力杆46的左端通过螺纹固连在叶轮3上，拉力杆46的右端装有活塞15，拉紧螺母40使活塞15与拉力杆46的轴肩靠实，此时活塞15位于泵轴1及其上的两个5#O型橡胶密封圈42上。活塞15及其外径上的两个2#O型橡胶密封圈13将油缸腔分成左油腔43和右油腔39，两个2#O型橡胶密封圈13、两个5#O型橡胶密封圈42和4#O型橡胶密封圈41都起密封作用，防止左油腔43和右油腔39的压力油联通。由于拉力杆46的一端固连在叶轮3上，另一端固连在活塞15上，在叶轮转子部件和活塞缸转子部件与泵轴1同步旋转的同时，叶轮3与活塞15可同步轴向移动，即实现了液体作用在叶轮3上的轴向力通过拉力杆传46递到活塞15上，导致活塞15的左油腔43和右油腔39的压力发生变化。
如图1所示，定位螺栓8从泵盖7的螺孔穿入并旋入叶轮3上的螺纹孔内，使叶轮3和活塞15处在设计的轴向位置，即叶轮3处在泵轴A端面49和缸筒左端面47之间；
如图1所示，轴承支架16安装在泵盖7和滚动轴承18上，轴承支架16通过B组螺栓37固连在泵盖7上。轴承支架16上的机械密封的静环与缸盖17上的机械密封的动环构成了1#单端面机械密封19，闷盖23通过A组螺栓21固连在轴承支架16上，闷盖23上的机械密封的静环与泵轴1上的机械密封的动环构成了2#单端面机械密封22。
如图1所示，2#单端面机械密封22的外径、闷盖23、缸盖17的右端面、轴承支架16构成了测压油腔A 32。闷盖23、2#单端面机械密封22的右端面、泵轴1右端面构成了测压油腔B31。1#单端面机械密封19防止从叶轮3流出的高压液体流入测压油腔A 32，2#单端面机械密封22防止测压油腔A 32与测压油腔B 31联通。缸盖17上的小油孔20将右油腔39与测压油腔A 32联通，2#压力表29通过2#油管25与测压油腔A 32联通，2#压力表29的示值即为右油腔39的压力值。泵轴1上的大油孔35将左油腔43与测压油腔B 31联通，1#压力表28通过1#油管24与测压油腔B 31联通，1#压力表28的示值即为左油腔43的压力值。手压油泵30的输出油管分两路，一路通过1#阀门26与测压油腔B 31联通，一路通过2#阀门27与测压油腔A 32联通。
如图1所示，叶轮转子部件和活塞缸转子部件与泵轴1同步旋转的同时，液体作用在叶轮3上的轴向力通过拉力杆46传递到活塞15上，导致油腔缸的左油腔43和右油腔39的压力发生变化。由于活塞15两侧的有效面积已知，左油腔43和右油腔39的压力已知，液体作用在活塞15两侧的液体压力的差值即为叶轮3轴向力，通过比较活塞15两侧的液体压力的大小，可判断出叶轮3轴向力方向。
本发明工作过程如下：如图1所示，在离心泵不工作时，将定位螺栓8从泵盖7的螺孔穿入并旋入叶轮3上的螺纹孔内，使叶轮3和活塞15处在设计的轴向位置，即叶轮3在泵轴A端面49和缸筒左端面47之间。
如图1所示，打开1#阀门26和2#阀门27，通过手压油泵30向左油腔43和右油腔39充液压油的同时，用1#排气螺栓12排空左油腔43内的空气，用2#排气螺栓14排空右油腔39内的空气，待左油腔43和右油腔39充满一定压力的液压油后，关闭1#阀门26和2#阀门27，停止手压油泵30工作。
如图1所示，将定位螺栓8从叶轮3的螺孔上拧出，以不妨碍叶轮3转动为止。由于液体作用在活塞15右端面的有效面积与左端面的有效面积不相等，活塞15静止不动时，左油腔43内的压力与右油腔39内的压力是不相等的，此时1#压力表28的示值P1为左油腔43内的压力，2#压力表29的示值P2为右油腔39内的压力。
启动离心泵，使泵工作在某一流量工况，液体作用在叶轮3上的轴向力通过拉力杆46传递到活塞15上，导致左油腔内43的压力由P1变为P3，右油腔内的压力由P2变为P4，如定义轴向力方向与叶轮3进口流速度方向相反为正，反之为负，则轴向力F计算式为：F=( P3-P1)A1-( P4- P2)A2
式中，A1为活塞15的左端面的有效面积，A2为活塞15的右端面的有效面积。
如图1所示，测试完毕后，关停水泵，打开阀门。

Claims (2)

1.一种离心泵的活塞式叶轮轴向力的测试装置，其特征在于：叶轮(3)、若干个滚珠(5)、挡板(6)、E组螺栓(48)构成了叶轮转子部件；缸筒(11)及其上的1#排气螺栓(12)和2#排气螺栓(14)、缸盖(17)及其上的零件，包括滚动轴承(18)、B组圆螺母(36)和1#单端面机械密封(19)的动环，A组圆螺母(33)、活塞(15)及其上的两个2#O型橡胶密封圈(13)、拉力杆(46)及其上的零件，包括4#O型橡胶密封圈(41)、6#O型橡胶密封圈(44)、拉紧螺母(40)，构成了活塞缸转子部件；
所述拉力杆(46)的左端通过螺纹固连在叶轮(3)上，拉力杆(46)的右端通过拉紧螺母(40)固定连接在活塞(15)上，拉紧螺母(40)使活塞(15)与拉力杆(46)的轴肩靠实，活塞(15)位于泵轴(1)及其上的两个5#O型橡胶密封圈(42)上，活塞(15)及其外径上的两个2#O型橡胶密封圈(13)将油缸腔分成左油腔(43)和右油腔(39)，叶轮转子部件和活塞缸转子部件与泵轴(1)同步旋转的同时，叶轮(3)与活塞(15)可同步轴向移动，使液体作用在叶轮(3)上的轴向力通过拉力杆(46)传递到活塞(15)上，导致油腔缸的左油腔(43)和右油腔(39)的压力发生变化；
缸筒(11)与缸盖(17)通过C组螺栓(38)固连成一体形成了缸体，缸体通过泵轴(1)及其上的2#键(10)、泵轴(1)的轴肩和A组圆螺母(33)固定在泵轴(1)上，缸体内表面与泵轴(1)的部分外径形成了密闭的油缸腔；定位螺栓(8)从泵盖(7)的螺孔穿入并旋入叶轮(3)上的螺纹孔内，使叶轮(3)和活塞(15)处在设计的轴向位置，即叶轮(3)处在泵轴A端面(49)和缸筒左端面(47)之间；轴承支架(16)安装在泵盖(7)和滚动轴承(18)上，轴承支架(16)通过B组螺栓(37)固连在泵盖(7)上，轴承支架(16)上的机械密封的静环与缸盖(17)上的机械密封的动环构成了1#单端面机械密封(19)，闷盖(23)通过A组螺栓(21)固连在轴承支架(16)上，闷盖(23)上的机械密封的静环与泵轴(1)上的机械密封的动环构成了2#单端面机械密封(22)；2#单端面机械密封(22)的外径、闷盖(23)、缸盖(17)的右端面、轴承支架(16)构成了测压油腔A(32)，闷盖(23)、2#单端面机械密封(22)的右端面、泵轴(1)右端面构成了测压油腔B(31)；手压油泵(30)的输出油管分两路，一路通过1#阀门(26)与测压油腔B(31)联通，一路通过2#阀门(27)与测压油腔A(32)联通；
所述缸盖(17)上的小油孔(20)将右油腔(39)与测压油腔A(32)联通，2#压力表(29)通过2#油管(25)与测压油腔A(32)联通，2#压力表(29)的示值即为右油腔(39)的压力值；泵轴(1)上的大油孔(35)将左油腔(43)与测压油腔B(31)联通，1#压力表(28)通过1#油管(24)与测压油腔B(31)联通，1#压力表(28)的示值即为左油腔(43)的压力值。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵的活塞式叶轮轴向力的测试装置，其特征在于：叶轮(3)的键槽宽度等于1#键(4)的宽度加上2倍滚珠(5)的直径，叶轮(3)以间隙配合安装在泵轴(1)上，若干个滚珠5装在泵轴(1)上的1#键(4)与叶轮(3)的键槽的内侧面形成的腔体内，即在1#键(4)的两侧安放两排滚珠(5)，两个挡板(6)通过E组螺栓(48)分别固连在叶轮(3)的左端面和右端面上，且挡板(6)的键槽宽度与1#键(4)的宽度的配合为间隙配合，将1#键(4)两侧的两排滚珠(5)限制在两个挡板(6)之间；泵轴(1)通过1#键(4)带动叶轮转子部件旋转的同时，叶轮转子部件通过滚珠(5)能在泵轴(1)及1#键(4)上轴向移动。
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