CN113323889A - 一种用于对无轴悬浮泵进行水力学测试的测力平台 - Google Patents

Abstract

本申请提供涉及一种用于对无轴悬浮泵进行水力学测试的测力平台，包括：支架，具有第一支撑板、第二支撑板以及连接在第一支撑板和第二支撑板之间的支撑梁；定位装置，位于所述第一支撑板上，用于支撑泵壳并调整泵壳在所述第一支撑板上的位置；驱动单元，设置在支架的第二支撑板上，包括从第二支撑板向下延伸的驱动轴，驱动轴的下端能够经泵壳的介质入口伸入泵壳中并与叶轮连接；测力组件，固定在支撑梁上，并与驱动轴连接。采用本申请提供的测力平台能够测试出叶轮在全工作范围叶轮相对泵壳偏移后的受力，从而得出叶轮在全工作点位置上力的范围，有助于对磁悬浮马达的控制系统进行调整从而实现对叶轮的精准控制。

Description

一种用于对无轴悬浮泵进行水力学测试的测力平台

技术领域

本申请涉及医疗器械检测设备技术领域，更具体地讲，涉及一种用于对无轴悬浮泵进行水力学测试的测力平台。

背景技术

心脏衰竭是一种流行且威胁生命的疾病，一旦恶化至晚期，其一年死亡率约为75％。鉴于晚期心脏衰竭的心脏供体有限，心室辅助设备(VAD)技术已成为搭起患者和移植手术之间的桥梁的可行治疗选择、或作为替代治疗。

在心脏失去泵血功能(例如停跳心脏手术、急性，心源性休克等)的情况下，可以使用血泵来代替心脏，以便辅助维持人体血液循环。目前，根据植入性和临床用途将血泵分为可植入血泵和体外血泵；其中，体外血泵可以在体外使用，以较小的创伤提供过渡性生命支持和治疗。因此，血泵成为了体外心脏装置的核心组成单元，体外心脏装置的功能和性能的发挥基本依靠血泵来实现。

随着科技的发展与进步，血泵已经发展到采用无轴悬浮泵。与传统的机械轴承相比，无轴悬浮泵中的叶轮与其它部件之间没有物理接触，并且与其它的部件之间还存在较大的间隙。因此，无轴悬浮泵一方面消除了各部件之间的机械磨损；另一方面较大的间隙会使流过间隙的流体受到较小的剪切应力，从而减少对血细胞的伤害，避免溶血现象。

但是，无轴悬浮泵中的悬浮轴承存在悬浮刚度的问题，会引起叶轮在垂直于它的旋转轴的平面内发生摆动，导致叶轮与泵壳之间会发生偏移。根据对无轴磁悬浮泵中的叶轮的受力进行分析，发现叶轮的受力主要来源于两个方面：第一方面：磁悬浮系统对叶轮产生的作用力，该作用力可以计算出；第二方面：叶轮在推动液体流出泵壳的时液体对叶轮的反作用力，但是，该反作用力会随着叶轮与泵壳之间位移的变化而不同。

目前，叶轮在第二方面受力的情况，可根据CFD(Computational Fluid Dynamics)计算出，但是这种计算方式存在准确率不高的问题。因此，为了实现磁悬浮马达对叶轮的精准控制，需要一种能够准确测量出当叶轮相对泵壳发生位移时叶轮的受到液体作用力大小的设备。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种测力平台，能够通过模拟无轴悬浮泵的工作状态，获得叶轮相对于泵壳发生偏移时受到的液体介质的反作用力，从而根据叶轮的受力情况对无轴悬浮泵的马达控制系统进行调整，实现对无轴悬浮泵的精准控制。

根据本申请的一方面，提供了一种用于对无轴悬浮泵进行水力学的测力平台，所述无轴悬浮泵包括泵头，所述泵头包括具有介质出口和介质入口的泵壳以及收纳在所述泵壳中的叶轮；所述测力平台包括：支架，具有第一支撑板、第二支撑板以及连接在所述第一支撑板和第二支撑板之间的支撑梁；驱动单元，包括设置在所述第二支撑板上的旋转动力源以及从所述第二支撑板朝向所述第一支撑板沿与第一面大致垂直的方向延伸并被所述旋转动力源驱动的驱动轴，所述驱动轴背离所述旋转动力源的端部能够经所述介质入口伸入所述泵壳中并与叶轮连接以驱动所述叶轮旋转；所述驱动轴被配置为在驱动所述叶轮旋转的过程中与所述叶轮至少沿平行于所述第一面的方向是固定的；定位装置，位于所述第一支撑板上，设置有用于支撑所述泵壳的安装位；所述定位装置被配置为至少调整所述泵壳在所述第一面内相对于所述叶轮的位置；测力组件，设在所述支撑梁上，并与所述驱动轴连接；所述测力组件被配置为在所述驱动轴驱动所述叶轮旋转的过程中感测所述驱动轴受到的来自基本平行和/或垂直于所述第一面的方向的力。

根据本申请的一方面，所述测力组件包括：力传感器，连接在所述支撑梁上；压力感测环，连接在所述力传感器背对所述支撑梁的一侧；所述驱动轴穿过所述压力感测环并与所述压力感测环连接；所述驱动轴通过轴承与所述压力感测环连接，所述轴承的内圈套设在所述驱动轴上，所述轴承的外圈与所述压力感测环的内侧固定连接。

根据本申请的一方面，所述测力组件为一个或多个，沿着所述驱动轴的长度方向间隔布置。

根据本申请的一方面，所述驱动轴在驱动所述叶轮旋转的过程中，所述叶轮由于在所述第一面上发生相对于所述驱动轴的位移而对所述驱动轴施加的力F遵循如下规则：

其中，n为大于或等于1的自然数，F_1x、F_1y、F_2x、F_2y、…F_nx、F_ny分别为第一、第二…第n个测力组件测得的力，H1、H2…Hn分别为第一、第二…第n测力组件与所述驱动轴的摆动支点之间的距离，H为所述叶轮与所述驱动轴的连接点与所述摆动支点之间的距离；所述摆动支点大致为所述驱动轴与旋转动力源连接点所在位置，F_x和F_y分别为所述叶轮所在位置在所述第一面内受到的作用力。

根据本申请的一方面，所述驱动单元还包括连接在所述旋转动力源的输出轴与所述驱动轴之间的扭矩传递机构，所述扭矩传递机构被配置为在其自身结构内部具有沿大致平行于所述第一面的变形自由度。

根据本申请的一方面，所述支撑梁上设有在与所述第一面大致垂直的方向上位于所述旋转动力源与所述安装位之间的储液槽，所述储液槽的壁设置有出液口；所述驱动轴从所述出液口中穿过，并与所述出液口的侧壁保持间隙；所述出液口被配置为可通过管路与所述介质入口连通。

根据本申请的一方面，与所述第一面大致垂直的方向为竖直方向，所述壁为所述储液槽的底壁。

根据本申请的一方面，所述储液槽上还设置有回液口，所述回液口被配置为可通过管路与所述介质出口连通。

根据本申请的一方面，所述定位装置被配置为能够调节所述泵头在所述第一面上的角度位置，使得所述叶轮的旋转主平面与所述第一面之间成不为0°的任意夹角。

根据本申请的一方面，所述定位装置被进一步配置可调整所述泵头沿所述驱动轴延伸的方向移动；所述定位装置沿所述驱动轴延伸的方向具有安装位置和工作位置；所述定位装置包括执行部件，所述执行部件可操作地操纵所述安装位在所述安装位置与工作位置之间切换；当所述安装位处于安装位置时，所述安装位与所述驱动轴端部之间的距离被配置为可至少使所述泵头以其介质入口与所述驱动轴端部相对的姿态穿过两者之间；当所述安装位处于工作位置时，所述安装位与所述驱动轴端部之间的距离小于所述泵头以其介质入口与所述驱动轴端部相对的姿态时沿所述驱动轴延伸的方向的尺寸。

采用本申请提供的测力平台，能够测试出叶轮在全工作范围内叶轮相对泵壳偏移后的受力大小和受力方向，从而得到叶轮在全工作点位置的受力情况，能够有助于对磁悬浮马达的控制系统进行调整，实现磁悬浮马达对叶轮的精准控制。

附图说明

图1示出了根据本申请的实施例的测力平台主视立体示意图；

图2根据本申请的实施例的测力平台后视立体示意图；

图3根据本申请的实施例的测力平台仰视立体示意图；

图4示出了根据本申请的实施例的测力平台正的剖面示意图；

图5示出了根据本申请的实施例的测力组件的分解示意图；

图6根据本申请的实施例的测力平台工作状态中的驱动轴与血泵连接的剖面示意图；

图7示出了根据本申请的实施例的测力平台工作状态中的驱动轴与血泵连接示意图；

附图标记：

110-泵，111-介质出口，112-介质入口，113-泵壳，114-叶轮，120-支架，121-第一支撑板，122-第二支撑板，123-支撑梁，124-储液槽支撑台，1241-卡槽，1242-固定压板，130-定位装置，131-执行部件，132-安装位，1311-第一调节单元，1312-第二调节单元，1313-第三调节单元，1314-调节件，1321-第一安装板，1322-第二安装板，1323-挡板，1324-支撑座，140-卡接件，141-卡钳，160-驱动单元，161-驱动轴，162-旋转动力源，163-扭矩传递组件，170-测力组件，171-力传感器，172-压力感测环181-储液槽，182-出液口，183-导液管，184-回液口，185-开口，186-盖板，190-轴承。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，不应被理解为本公开的实施形态限于在此阐述的实施方式。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

下面将对本申请提供的一种用于对无轴悬浮泵进行水力学测试的测力平台进行详细的描述。

本申请中的测力平台主要是用于测试叶轮的水力学特性，通过模拟叶轮与泵壳之间发生偏移后叶轮的受到的液体反作用力情况，在测试过程中，可以仅把泵头直接放在测力平台上，也可以将驱动泵头的马达直接放在测力平台上对泵头进行支撑。

习知的，实现无轴悬浮泵的主流方式目前包括磁悬浮和液力悬浮这两种。以磁悬浮为例，悬浮的实现方式大体为：马达(磁悬浮马达)输出轴设置磁力提供机构(包括永磁体或感应线圈)，叶轮包括被动磁体和设在该被动磁体上的叶片。通过磁力提供机构与被动磁体的磁耦合作用，将马达的旋转运动传递给叶轮，带动叶轮旋转。且在磁耦合传递旋转的过程中，叶轮不与周围结构(例如，壁)发生机械接触。

同样的，液力悬浮的原理可参照现有技术，不作赘述。

通过上述描述可以表明，本申请实施例提供的测力平台的适用对象，是包括借由磁悬浮或液力悬浮这两者的任意一种而实现的无轴悬浮泵。

下文是以磁悬浮泵作为主述场景来阐述的。但基于上文描述可知，本申请实施例的保护范围并不因此而受到限定。

以磁悬浮泵为例，在利用磁悬浮马达支撑泵壳时，需要关闭磁悬浮马达，仅利用磁悬浮马达作为泵头的支撑座。在附图1-4所示的示例中，以磁悬浮马达作为泵头的支撑座，但是，泵头的支撑方式不受此限制。以磁悬浮泵为例，在测试液体对叶轮产生的反作用力时，需要屏蔽外界磁场的作用。

如图1至图4所示，泵头110包括具有介质出口111和介质入口112的泵壳113，以及收纳在所述泵壳113中的叶轮114，叶轮114在泵壳113中具有一定的自由移动空间，测试过程中，液体从介质入口112进入到泵壳113中，在叶轮114的推动下经介质出口111流出泵壳113。

如图1-4示出的测力平台的结构示意图，根据本申请实施例的测力平台包括支架120、定位装置130、驱动单元160和测力组件170。

支架120包括第一支撑板121、第二支撑板122以及连接在第一支撑板121和第二支撑板122之间的支撑梁123。驱动单元160包括设置在所述第二支撑板122上的旋转动力源以及从所述第二支撑板122朝向第一支撑板121沿与第一面大致垂直的方向延伸并被所述旋转动力源驱动的驱动轴161，驱动轴161背离所述旋转动力源的端部能够经所述介质入口112伸入所述泵壳113中并与叶轮114连接以驱动所述叶轮114旋转；所述驱动轴161被配置为在驱动所述叶轮114旋转的过程中与所述叶轮114至少在沿平行于所述第一面的方向上是固定的。定位装置130位于所述第一支撑板121上，包括用于支撑所述泵壳113的安装位132，所述定位装置130被配置为至少调整所述泵壳113在第一面内相对于叶轮114的位置。测力组件170设在所述支撑梁123上，并与所述驱动轴161连接，所述测力组件170被配置为在所述驱动轴161驱动所述叶轮114旋转的过程中感测所述驱动轴161受到的来自基本平行或垂直于所述第一面的方向的力。这里，第一面可以指与叶轮114的旋转主平面平行或重合的面或者是与驱动轴161垂直的面。在叶轮114没有相对于泵壳113发生偏移的情况下，泵壳113的底面平行于所述第一面。

下面参照附图对本申请中的测力平台的结构进行更为详细的描述。

如图1-4所示，驱动单元160包括驱动轴161和旋转动力源162，旋转动力源162设置在支架的第二支撑板122上，优选地，本实施例中的旋转动力源162为驱动电机。驱动轴161连接在旋转动力源162的输出轴上，并且从第二支撑板122朝第一支撑板121沿与第一面大致垂直的方向延伸(下面，称为驱动轴的延伸方向)，驱动轴161远离旋转动力源162的端部经介质入口112伸入到泵壳113中并与叶轮114连接。

在本实施例中，所述“大致”或“基本”可以理解为接近，或者是与目标值相差在预定范围内。举例为，第一面与驱动轴的延伸方向大致垂直可以理解为，第一面与驱动轴的延伸方向之间的角度与90°相差在[0°，5°]之间，或者，第一面与驱动轴的延伸方向之间的夹角在85°～95°之间，均可以认为两者大致垂直。同样的，力基本平行于第一面可以理解为，力的方向与第一面之间的夹角与0°相差在[0°，5°]之间，或者，力与第一面方向之间的夹角在-5°～+5°之间，均可以认为两者基本平行。

上述对差值的举例仅是示意性的，实际中并不以此为限。

在本实施例中，所述的第一面可以为水平面、XY面或者平行于所述第一方向和第二方向的构成的面；与第一面大致垂直的方向为垂直于水平面的竖直方向、垂直于XY面的Z轴方向或者是驱动轴161延伸方向。换句话说，所述第一面为与驱动轴161垂直的面，至少在与该面平行的方向上，叶轮与驱动轴161固定连接。

需要说明的是，上述对“第一面”和“驱动轴的延伸方向”的解释说明，大体上是基于本实施例的测力平台在常规的使用过程中，较常出现的方位。也就是说，本实施例的测力平台在一般使用情况下，其放置方位以及涉及结构的方向，符合人们对“上”、“下”、“水平”、“竖直”的常规认知。具体而言，即是可将图1至图7中所示意的向上的方向定义为“上”，将图1至图7中所示意的向下的方向定义为“下”。

但同时值得注意的是，本说明书中的对各方向定义，只是为说明本申请技术方案的方便，并不限定本申请实施例的测力平台在包括但不限定于使用、产品测试、运输和制造等等其他可能导致测力平台方位发生颠倒或者位置发生变换的场景中的方向。

出于描述方面的便利，本申请在下文将可能出现以“上”、“下”、“水平”、“竖直”、“第一方向”、“第二方向”等常规便于理解的方位名词来替代“第一面”和“驱动轴的延伸方向”的说明。但基于上文描述可知，本申请实施例的保护范围并不因此而受到限定。

如图4-6所示，本实施例中的驱动轴161可以是一体件，也可以是多段相互连接而成。在本实施例中，为了便于测力平台各部件之间的安装，驱动轴161由两段轴组成，其中，第一轴段的一端设置有内螺纹，第二轴段的一端上设置有外螺纹，从而第一轴段和第二轴段螺纹结合，并且第一轴段和第二轴段相互旋紧的方向与所述驱动轴161的旋转方向相同。本实施例中的驱动轴161结构不限于附图中所示，只要能够在旋转动力源162的驱动下将旋转动力传递叶轮114使之转动即可。

本实施例的测力平台只是用于测试叶轮114相对泵壳113发生位移后液体对叶轮114产生的反作用力，希望测力组件170通过驱动轴161倾斜测得的平行于第一面的力只来源于叶轮114，因此，需要确保使驱动轴161发生倾斜的力只来源于叶轮114。

基于此原因，为了避免旋转动力源162对驱动轴161在平行于第一面的方向上发生的位移或发生的倾斜的造成影响(例如，旋转动力源162的上下方向的振动或垂于驱动轴161的平面内的移动，会通过驱动轴161传递给叶轮114)，旋转动力源162与驱动轴161通过扭矩传递机构163连接，去除不必要的噪声干扰。

如图1-4所示，本实施例中的扭矩传递机构163连接在旋转动力源162的输出轴上，驱动轴161靠近旋转动力源162的端部与扭矩传递机构163连接，扭矩传递机构163被配置为在其自身结构内部具有沿大致平行于所述第一面的变形自由度，用于抵偿来自于旋转动力源162的水平移动量，使得仅将旋转动力源162的扭矩传递给叶轮114，以尽量甚至期望完全避免旋转动力源162可能发生的水平位移被施加至驱动轴161，籍此最大限度的避免驱动轴161受到来自除叶轮114以外其他噪声的影响，进而保证测试结果的准确性和可信度。

例如，在驱动电机发生水平位移的情况下，驱动电机的水平位移将通过扭矩传递机构163被抵消，而不会传递至驱动轴，防止驱动电机发生水平位移时带动驱动轴161一起发生水平位置。

作为示例，本实施例中的扭矩传递机构163为联轴器，进一步地，联轴器可以为弹簧联轴器、万向联轴器，本实施例中的联轴器不限于此，只要能够仅将旋转动力源162的扭矩传递给驱动轴161的机构都可以。或者，扭矩传递机构163可以为各式类型的万向节结构等。

为了便于驱动轴161与叶轮114连接，并同时防止驱动轴161与叶轮114连接后在平行于第一面的方向上发生滑动，如图5-6所示，本实施例中的驱动轴161远离旋转动力源162的端部(下部)设置有卡接件140，该卡接件140上设有多个用于夹住叶轮114的叶片的卡钳141，从而使驱动轴161与叶轮114在平行于第一面的方向上固定连接。

优选地，卡钳141的数量与叶轮114的叶片的数量等同，以分别夹持每个叶片，使得作用于叶轮114的夹持力相对平衡，使驱动轴161与叶轮114稳定连接。此外，还可以在卡接件140与叶轮114之间涂覆粘接剂，进一步确保两者之间的连接稳定性，防止叶轮114在旋转过程中从驱动轴161向上脱落或上下移动。

在一个可选的实施例中，卡接件140可与驱动轴161的下端螺纹连接。与上文类似，卡接件140与驱动轴161的拧紧方向与驱动轴161的转动方向相同，以防止驱动轴161在驱动叶轮114旋转过程中，叶轮114与驱动轴161发生脱扣分离的风险。实际测试过程中，可先将叶轮114按照上文所述的方式与卡接件140粘接固定后，再将卡接件140拧紧在驱动轴161的下端。

如图1-4所示，本实施例中所述的测力平台还包括测力组件170，测力组件170固定在支撑梁123上，并与所述驱动轴161连接，用于感测驱动轴161发生倾斜时驱动轴161对测力组件170施加的作用力的大小。为了确保测力平台所测的叶轮所受力的准确度，测力组件170可以设置为多个，且均沿驱动轴161的轴向方向间隔布置。所述驱动轴161在驱动所述叶轮114旋转的过程中，所述叶轮114由于在所述第一面上发生相对于泵壳113的位移而液体介质对所述驱动轴161施加的力F遵循如下规则：

其中，n为大于或等于1的自然数，F_1x、F_1y、F_2x、F_2y…F_nx、F_ny分别为第一、第二…第n测力组件测得的力，H₁、H₂…H_n分别为第一、第二…第n测力组件170与所述驱动轴161的摆动支点之间的距离，H为叶轮114与驱动轴161的连接点与所述摆动支点之间的距离；所述摆动支点大致为所述驱动轴161与旋转动力源162连接点所在位置，F_x和F_y分别为叶轮114所在位置在所述第一面内受到的作用力。测力组件170的数量可以为一个或多个，在图1-5所示的示例中，测力组件170为2个，但是本申请的方案中，测力组件170的数量不受此限制。在某些实施例中，测力组件170的数量为一个也是可行的。

上述规则符合基本的杠杆定律，在F_1x、F_1y、F_2x、F_2y…F_nx、F_ny被测得、H₁、H₂…H、H已知的情况下，利用上述规则，可得出未知的F_x、F_y。F_x、F_y为叶轮114对驱动轴116施加的平行于第一面的力在两个垂直方向(X、Y)上的分力。

如图5所示，本实施例中的测力组件170包括力传感器171和压力感测环172，力传感器171的一侧连接在支撑梁123上，压力感测环172连接在力传感器171的背对支撑梁123的一侧。

本实施例中的驱动轴161与压力感测环172初始状态时为同轴设置，驱动轴161与压力感测环172之间不存在平行于第一面的作用力。当驱动轴161下端连接的叶轮114相对于泵壳113发生偏移时，液体作用于叶轮114上的反作用力促使驱动轴161相对于初始位置发生位移，从而相对于压力感测环172的中心偏移，对感测环172施加挤压力。测力组件170可以将感测到的力的大小反馈给控制器或检测器。

为了避免驱动轴161的旋转运动对压力感测环172对造成干涉，驱动轴161与压力感测环172通过轴承190连接。如图4所示，本实施例中轴承190的内圈套置在驱动轴161上，轴承190的外圈与压力感测环172的内侧固定连接。优选地，本实施例中的轴承190优选滚珠轴承。

如图4所示，在本实施例中，驱动轴161上设有与轴承190的内圈匹配的变径限位部，变径限位部向驱动轴161的轴心线内凹，轴承190的内圈套置在驱动轴161上的变径限位部中，防止轴承190沿驱动轴161的轴向移动，提高轴承190和驱动轴161之间的连接稳定性。变径限位部可以为形成在驱动轴161上的环形卡槽。

在本实施例中，将驱动轴161固定在支架120上，使驱动轴161保持固定不动。为了在测试过程中模拟泵壳113和叶轮114之间发生相对位移，测力平台还包括定位装置130，用于调整泵壳113相对于叶轮114的位置。定位装置130设置在第一支撑板121上，泵壳113安装在定位装置130上。由于叶轮114与驱动轴161连接从而保持固定不动，定位装置130操作时，泵壳113相对于第一支撑板121移动，从而实现叶轮114与泵壳113之间有相对位移。此外，本实施例中的定位装置130不仅能够调整泵壳113在第一面上的位置，还能够调整泵壳113在沿驱动轴161的延伸方向上的位置。

根据图1-4所示，本实施例中的定位装置130包括执行部件131和安装位132。执行部件131安装在第一支撑板121上，安装位132支撑在执行部件131上，泵壳113固定在安装位132上，执行部件131通过调整安装位132在第一面内的位置来模拟叶轮114相对泵壳113发生偏移。此外，执行部件131还可以调整安装位132上下移动，从而通过调整安装位132的上下位置来调整泵壳113相对于驱动轴161的位置。

为了实现安装位132在第一面内的位置调节，根据图1-4所示，本实施例中的执行部件131包括调节安装位132在第一面(图1中所示的XY平面)上的位置的第一调节单元1311和第二调节单元1312，用于分别调节安装位132在第一面内沿第一方向的位置以及在第一面内沿第二方向的位置。作为示例，第一方向和第二方向相互垂直；此外，本实施例中的第一方向还可以是以所述驱动轴161为圆心的圆周方向，第二方向还可是所述驱动轴161为圆心的半径方向。

本实施例中的第一调节单元1311的基台通过支撑台固定在第一支撑板121上，用于调节泵壳113在图中所示的X方向上的位置，第二调节单元1312的基台设置在第一调节单元的载台上，用于调节泵壳113在图中所示的Y方向上的位置，从而通过第一调节单元1311和第二调节单元1312实现执行部件131在第一平面上的位置调整。

安装位132沿驱动轴161的延伸方向具有安装位置和工作位置，执行部件131可以调整安装位132在工作位置和安装位置之间切换，这里的工作位置是指叶轮114相对于泵壳113处于正常的工作位置，安装位置是在指将叶轮114安装到驱动轴161上的操作过程中安装位132所在的位置。因此，工作位置为一个在竖直方向上确定的位置，而安装位置可是在竖直方向上低于工作位置的任意位置或位置范围。

执行部件131可操作地操纵所述安装位132在沿驱动轴161的延伸方向上移动来实现安装位132在所述安装位置与工作位置之间切换。当所述安装位132处于安装位置时，所述安装位132与所述驱动轴161端部之间的距离被配置为可至少使所述泵头110以其介质入口与所述驱动轴161端部相对的姿态穿过两者之间；当所述安装位132处于工作位置时，所述安装位132与所述驱动轴161端部之间的距离小于所述泵头110以其介质入口与所述驱动轴161端部相对的姿态时沿驱动轴161的延伸方向的尺寸。

也就是说，当需要安装泵头110时，可以通过执行部件131将安装位132调节至位置较低处，使泵头110在以其介质入口112朝上的姿态时能顺利的进入至安装位132与驱动轴161下端之间，实现安装。待完成泵头110的安装，通过操作执行部件131，使安装位132位置升高，驱动轴161的下端伸入泵头110的介质入口112并完成与叶轮114的连接。

为了实现安装位132在工作位置和安装位置之间的切换，根据图1-4所示，执行部件131还包括第三调节单元1313，第三调节单元1313的基台位于第二调节单元1312的载台上，第三调节单元1313通过沿驱动轴161的延伸方向移动，在本实施例中所述沿驱动轴161的延伸方向即为Z轴，实现安装位132在工作位置和安装位置之间的切换。

为了使第一调节单元1311、第二调节单元1312和第三调节单元1313按预定位置移动，根据图1-4所示，第一调节单元1311、第二调节单元1312和第三调节单元1313均设有调节件1314。作为示例，该调节件1314包括设置在调节单元的基台上的带有螺纹孔的调节孔以及可转动地设置在调节单元的载台上的调节轴，调节轴上设置有外螺纹，以与调节孔螺纹孔配合，通过使调节轴转动，能够实现载台相对于基台移动。

实际中，各调节单元1311、1312和1313所包含的调节件1314可接受用户的手动调节，也可通过其他机械部件例如电机实现自动化可控的调节，本实施例对此不作限定。

如图1-4所示，本实施例中的安装位132设置在执行部件131上，安装位132用于放置和固定泵壳113。本实施例中的安装位132包括第一安装板1321、第二安装板1322以及连接在第一安装板1321和第二安装板1322之间的连接柱，泵壳113可以放置并固定在第一安装板1321和第二安装板1322之间。为了对泵壳113进行稳定支撑，在第一安装板1321上还设置有支撑座1324以及支撑座1324外侧的挡板1323。

第一安装板1321连接在第三调节单元1313的载台上，支撑座1324位于第一安装板1321上并被挡板1323固定，泵壳113位于支撑座1324上，第一安装板1321与第二安装板1322将位于支撑座1324上的泵壳113进行夹紧固定。在附图所示的示例中，支撑座1324可以用泵的磁悬浮马达来代替，将磁悬浮马达固定在第一安装板1321上，从泵壳113的下侧对泵壳进行支撑，使得泵壳113与支撑座1324之间具有更好的配合度，省去额外制造支撑座的成本。

为了模拟泵头110正常工作的状态，从而测试出叶轮114相对泵壳113发生位移后液体对叶轮114的反作用力。根据图1-4所示，本实施例还包括储液槽181，用于为泵头110提供模拟泵正常工作时所需的液体。本实施例中的测力平台在对叶轮114受到的反作用力进行测试时，储液槽181上与泵的介质入口112通过管道连通，并持续为泵供应液体介质。

由于叶轮114旋转会产生吸力，储液槽181与介质入口112连通后，储液槽181中的液体在吸力的作用下通过介质入口112进入到泵头110中。优选地，本实施例中的储液槽181位于旋转动力源162与安装位132之间，此时，储液槽181中的液体在重力以及叶轮旋转产生的吸力的作用下进入到泵壳113中。本实施例中的储液槽181的位置不限于附图所示。此外，本实例中储液槽181还可替换成其它的为泵头提供液体的供液设备，只要能够为泵提供所需的液体即可。

为了让液体从储液槽181中流出，在储液槽181的壁上设有出液口182；为了让液体在泵头110与储液槽181之间循环使用，在储液槽181的壁上还设有回液口184，被叶轮114从介质出口111推出的液体经回液口184返回到储液槽181中，使液体在泵头110与储液槽181之间形成循环。从而，通过上述结构设计，利用开放式循环路径(Loop)实现泵头110实际中封闭的液体循环模拟，且节省循环介质的用量，节省测试成本。

优选地，根据图3所示，本实施例中的出液口182和回液口184均设置在储液槽181的底壁上；驱动轴161贯穿储液槽181的顶壁再从出液口182穿过，并且驱动轴161与出液口182的侧壁保持有间隙，确保液体能够通过出液口182流出。

在本实施例中，为了便于出液口182与介质入口112通过管道连接，在出液口182上设有导液管183。如图6-7所示，导液管183从出液口182的下侧向下延伸，驱动轴161从导液管183穿过从而穿出出液口182，驱动轴161与导液管183的内侧壁也保持有间隙，从而形成液体流道，储液槽181中的液体能够通过该间隙向下流出，随后进入泵头110中。

导液管183可以与储液槽181一体形成，也可以单独形成后再连接在一起。根据图4和图6所示的示例，导液管183与储液槽181分别形成后再连接在一起。导液管183的上端的外侧壁上设有外螺纹，出液口182的内侧壁上设有内螺纹，导液管183与出液口182之间通过螺纹连接。

此外，在测力平台对叶轮受力测试的过程中，导液管183与介质入口112可以借助管道连通，储液槽181中的液体经出液口182流出后经介质入口112流入到泵头110中；回液口184与介质出口111也通过管道连通，实现液体的循环利用。

为了便于驱动轴161从储液槽181的顶部穿过出液口182，如图2-4和图1所示，储液槽181的顶壁上设有开口185，与开口185匹配设置带有缺口的盖板186，盖板186通过螺钉或螺栓固定在储液槽181的顶壁上。在盖板186覆盖在储液槽181上的情况下，驱动轴161位于盖板186的缺口中。

为了将储液槽181固定在旋转动力源162与安装位132之间，支架120还包括用于对储液槽181进行支撑的储液槽支撑台124。储液槽支撑台124可以设置在第一支撑板121和/支撑梁123上。为了使本申请的测力装置的结构更加紧凑，同时避免储液槽支撑台124与安装位132之间的干涉，本实施例中的储液槽支撑台124设置在支撑梁123上，包括从支撑梁123横向延伸的横梁板。

如图1-4所示，本实施例中的横梁板的一端连接在支撑梁123上，并且在横梁板的另一端上设有用于固定储液槽181的定位部，例如，卡槽1241，该卡槽1241相对横梁板的上表面凹陷，储液槽181的宽度小于或等于卡槽1241的宽度，用于对储液槽181进行限位。储液槽支撑台124还包括设置在横梁板上方的固定压板1242，如图1-4所示，固定压板1242搭接在储液槽181的上部，并且两端从储液槽181的两侧伸出，固定压板1242的端部可以设置有通孔，在横梁板对应的位置也设置有通孔或螺纹孔，从而通过使螺栓穿过固定压板1242上的通孔以及横梁板上的通孔或螺纹孔，将储液槽181稳定地支撑在横梁板上。

在上述描述的测力平台的基础上，下面将根据图1-7详细描述测力平台对无轴悬浮泵的水力学性能的受力测试过程。

首先，将待测的泵头110安装到测力平台上。具体地，如图1-4所示，支撑梁123包含两部分-设在第一支撑板121上的下支撑梁和可拆卸的设在下支撑梁上的上支撑梁。将上支撑梁调转180°，使驱动轴161转至恰好与图1-4所示相反的方位，以便在较为宽敞的空间内执行泵头110与驱动轴161下端的安装操作。随后，将用于连接介质入口112与储液槽181出液口182的管路(第一管路)套在驱动轴161下端，在叶轮与卡接件140安装固定好的情况下，通过操作泵头110和驱动轴161，使驱动轴161下端进入泵头110的介质入口112，再通过旋转，将叶轮114与驱动轴161拧紧，并连接第一管路与介质入口112。随后，连接介质出口111与储液槽181的回液口184。然后，将上支撑梁调回如图1-4所示的方位，并将储液槽181固定在储液槽支撑台124上。通过操作执行部件131使安装位132向上移动到安装位置，将泵头110与磁悬浮马达连接

然后，通过执行部件131在与第一面平行的方向上调节安装位132的位置，使磁悬浮马达带动泵壳113相对于叶轮114发生水平偏移。此时，可以获得安装位132在第一支撑板121上的坐标位置，从而确定叶轮114相对于泵壳113的偏移位置。

在调整好泵壳113相对于叶轮114的偏移位置后，可以启动旋转动力源162，使储液槽181中的液体从储液槽181流出后经介质入口112进入到泵壳113中。旋转动力源162通过扭矩传递机构163将扭矩传递给驱动轴161，叶轮114在驱动轴161的带动下进行转动，叶轮114在转动过程中将泵壳113中的液体通过介质出口111推出泵壳113，叶轮114在推动液体流出泵壳113的过程时，液体会对叶轮产生一定的反作用力，该反作用力会使与叶轮114连接的驱动轴161发生倾斜，倾斜的驱动轴161会对压力感测环172的内侧形成一个挤压，从而通过力传感器171获得相应的压力值。在本实施例中，通过压力感测环172来感测在第一面内介质作用在叶轮114上的两个相互垂直的方向上的力，即，F_x和F_y。

在本实施例中，叶轮的受力的大小通过

计算式来计算，其中，H₁、H₂分别为第一个测力组测力组件和第二个测试组件与所述驱动轴161的摆动支点之间的距离，H为叶轮114与驱动轴161的连接点与所述摆动支点之间的距离。

由于H、H₁、H₂是已知的，通过测力组件170可以测得F_1x、F_1y、F_2x、F_2y，利用上述公式，可以获得F_x和F_y。如此，利用该测力平台通过改变泵壳113相对于叶轮114的位置进行多次测试，可测试出叶轮114在全工作范围叶轮114相对泵壳113偏移后受到的液体介质的反作用力，从而得到叶轮114在全工作点位置的受力情况，该受力范围能够有助于对无轴悬浮泵的驱动马达控制系统进行调整，从而实现无轴悬浮泵的马达对叶轮的精准控制。

通过执行部件131调节泵壳113在第一面(水平面)内移动，由于叶轮114被固定在驱动轴116下端，因此也就相当于调节叶轮114在泵壳113内的水平相对位置。借助于测力组件170测得的力，可得出叶轮114在泵壳113内不同水平位置时，叶轮114的受力情况。该受力情况，可较佳或真实的反应实际中叶轮114在泵壳113内发生水平位置偏移时的受力情况。

需要说明的是，由于定位装置131还可调节泵壳113在驱动轴的延伸方向(竖直方向)上的位置，因此，叶轮114在泵壳113内由于竖直位置的变化而引发的受力，同样可借助本申请的测力平台测得。不过，由于沿竖直方向的力穿过摆动支点，因此由于叶轮114相较于泵壳113发生竖直位移而产生的力，可由测力组件170直接测得。

由上述可知，测力组件170可仅测得叶轮114相较于泵壳113由于发生在第一面(水平面)内的位移而产生的力，也可以仅测得叶轮114相较于泵壳113由于发生沿垂直第一面的位移而产生的力，也可以测得上述两种力。

值得注意的是，在测力组件170测得上述两种力的情况下，基于最终获得的力(Fx、Fy和Fz)，可拟合得出叶轮114在三维空间内受到的合力，及该合力的方向。也就是说，本实施例的测力平台，可测得叶轮114由于平移而受到的力情况。

由上文可知，由于叶轮114在泵壳113内具有一定在空间内的移动的自由量，而使叶轮114在泵壳113中可发生偏摆或偏斜的可能，且该可能在实际中也是会发生的，表现为叶轮114的刚性。

因此，为测试叶轮114由于发生偏摆而受到的力情况，在一个可选的实施例中，定位装置130可被配置为能够调节泵头110在相对于第一面的角度位置，使得泵壳113的底面与叶轮114的旋转主平面之间成不为0°的任意夹角。该任意夹角可依实际情况而设置，例如可以为1°、2°、3°、4°、5°，等等。以磁悬浮方案为例，叶轮114的旋转主平面可以为被动磁体(可表现为磁环或圆形磁体)的径向所在表面。

定位装置130调节泵头110的方位角度的方式，可以为安装位132相较于第一面的角度可调。例如，安装位132可被电控系统控制，实现沿一边的可翻转，进而实现叶轮114旋转主平面的角度调节。因此，执行部件131还可以包括第四调节单元，用于调整安装位132相对于第一面的倾斜角度，从而使得泵壳113相对于叶轮的旋转主平面倾斜预定角度。在本实施例中，定位装置130调节泵头110的方位角度的方式，还可以为安装位132与第三调节单元1313中的载台旋转连接；例如，安装位132中的第一安装板1321与第三调节单元1313中的载台通过转轴连接，实现安装位132相对于第一面的倾斜角度调整，进而实现位于安装位132上的泵壳113相对与第一面的具有一定倾斜角度，模拟出在实际过程中叶轮114在泵壳113中发生偏摆或偏斜的可能情形。通过调节使叶轮114的旋转主平面与泵壳113的底面之间夹角不为0°，叶轮114实际在泵壳113中以偏摆或偏斜的形态旋转。借助测力组件170获得来自驱动轴161反馈的力，借助上文所述原理间接获得叶轮114的受力。

综上，本实施例的测力平台，不仅可模拟并测试叶轮114由于平移(包括水平平移和/或竖直平移)而受的力，还可以模拟并测试叶轮114由于偏摆或偏斜而受的力。由此，该测力平台最大限度的扩展并还原叶轮114在实际使用过程中可能由于各种运动而受力的情况，并可真实反馈该受力情况，进而为研究工作了解无轴悬浮泵在使用工况下的受力情况提供依据。

本公开所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在上面的描述中，提供许多具体细节从而方便本领域技术人员对本公开的实施方式的充分理解，然而，本领域技术人员应该理解上述细节描述不应构成本本申请技术方案的限制，本领域技术员对上述细节进行调整、改变或组合，或者可以采用其它的方法、组件、材料等进行代替从而实践本公开的技术方案。这里不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

Claims (10)

1.一种用于对无轴悬浮泵进行水力学的测力平台，所述无轴悬浮泵包括泵头(110)，所述泵头(110)包括具有介质出口(111)和介质入口(112)的泵壳(113)以及收纳在所述泵壳(113)中的叶轮(114)；其特征在于，所述测力平台包括：

支架(120)，具有第一支撑板(121)、第二支撑板(122)以及连接在所述第一支撑板和第二支撑板之间的支撑梁(123)；

驱动单元(160)，包括设置在所述第二支撑板(122)上的旋转动力源以及从所述第二支撑板(122)朝向所述第一支撑板(121)沿与第一面大致垂直的方向延伸并被所述旋转动力源驱动的驱动轴(161)，所述驱动轴(161)背离所述旋转动力源的端部能够经所述介质入口(112)伸入所述泵壳(113)中并与叶轮(114)连接以驱动所述叶轮(114)旋转；所述驱动轴(161)被配置为在驱动所述叶轮(114)旋转的过程中与所述叶轮(114)至少沿平行于所述第一面的方向是固定的；

定位装置(130)，位于所述第一支撑板(121)上，设置有用于支撑所述泵壳(113)的安装位(132)；所述定位装置(130)被配置为至少调整所述泵壳(113)在所述第一面内相对于所述叶轮(114)的位置；

测力组件(170)，设在所述支撑梁(123)上，并与所述驱动轴(161)连接；所述测力组件(170)被配置为在所述驱动轴(161)驱动所述叶轮(114)旋转的过程中感测所述驱动轴(161)受到的来自基本平行和/或垂直于所述第一面的方向的力。

2.根据权利要求1所述的测力平台，其特征在于，所述测力组件(170)包括：

力传感器(171)，连接在所述支撑梁(123)上；

压力感测环(172)，连接在所述力传感器(171)背对所述支撑梁的一侧；所述驱动轴(161)穿过所述压力感测环(172)并与所述压力感测环(172)连接；

所述驱动轴(161)通过轴承(190)与所述压力感测环(172)连接，所述轴承(190)的内圈套设在所述驱动轴(161)上，所述轴承(190)的外圈与所述压力感测环(172)的内侧固定连接。

3.根据权利要求1所述的测力平台，其特征在于，所述测力组件(170)为一个或多个，沿着所述驱动轴(161)的长度方向间隔布置。

4.根据权利要求1或3所述的测力平台，其特征在于，所述驱动轴(161)在驱动所述叶轮(114)旋转的过程中，所述叶轮(114)由于在所述第一面上发生相对于所述驱动轴(161)的位移而对所述驱动轴(161)施加的力F遵循如下规则：

其中，n为大于或等于1的自然数，F_1x、F_1y、F_2x、F_2y、…F_nx、F_ny分别为第一、第二…第n个测力组件测得的力，H1、H2…Hn分别为第一、第二…第n测力组件与所述驱动轴(161)的摆动支点之间的距离，H为所述叶轮(114)与所述驱动轴(161)的连接点与所述摆动支点之间的距离；所述摆动支点大致为所述驱动轴(161)与旋转动力源连接点所在位置，F_x和F_y分别为所述叶轮(114)所在位置在所述第一面内受到的作用力。

5.根据权利要求1所述的测力平台，其特征在于，所述驱动单元(160)还包括连接在所述旋转动力源(162)的输出轴与所述驱动轴(161)之间的扭矩传递机构(163)，所述扭矩传递机构(163)被配置为在其自身结构内部具有沿大致平行于所述第一面的变形自由度。

6.根据权利要求1所述的测力平台，其特征在于，所述支撑梁(123)上设有在与所述第一面大致垂直的方向上位于所述旋转动力源与所述安装位(132)之间的储液槽(181)，所述储液槽(181)的壁设置有出液口(182)；所述驱动轴(161)从所述出液口(182)中穿过，并与所述出液口(182)的侧壁保持间隙；

所述出液口(182)被配置为可通过管路与所述介质入口(112)连通。

7.根据权利要求6所述的测力平台，其特征在于，与所述第一面大致垂直的方向为竖直方向，所述壁为所述储液槽(181)的底壁。

8.根据权利要求6所述的测力平台，其特征在于，所述储液槽(181)上还设置有回液口(184)，所述回液口(184)被配置为可通过管路与所述介质出口(111)连通。

9.根据权利要求1所述的测力平台，其特征在于，所述定位装置(130)被配置为能够调节所述泵头(110)在所述第一面上的角度位置，使得所述叶轮(114)的旋转主平面与所述第一面之间成不为0°的任意夹角。

10.根据权利要求1所述的测力平台，其特征在于，所述定位装置(130)被进一步配置可调整所述泵头(110)沿所述驱动轴(161)延伸的方向移动；

所述定位装置(130)沿所述驱动轴(161)延伸的方向具有安装位置和工作位置；所述定位装置(130)包括执行部件(131)，所述执行部件(131)可操作地操纵所述安装位(132)在所述安装位置与工作位置之间切换；

当所述安装位(132)处于安装位置时，所述安装位(132)与所述驱动轴(161)端部之间的距离被配置为可至少使所述泵头(110)以其介质入口与所述驱动轴(161)端部相对的姿态穿过两者之间；

当所述安装位(132)处于工作位置时，所述安装位(132)与所述驱动轴(161)端部之间的距离小于所述泵头(110)以其介质入口与所述驱动轴(161)端部相对的姿态时沿所述驱动轴(161)延伸的方向的尺寸。

Images