泵装置叶轮动态圆周矢量力测量装置及方法
【专利摘要】一种泵装置叶轮动态圆周矢量力测量装置,包括左法兰盘、上盖、底座和右法兰盘,上盖与底座相互连接之后设置在左法兰盘与右法兰盘之间，在上盖与底座之间设置有压电石英晶组，左法兰盘、上盖、底座和右法兰盘刚性连接，成为一个整体结构，该整体结构与泵装置主轴同步旋转。本发明结构简单、动态特性好、灵敏度高，解决了泵装置叶轮动态圆周矢量力的测量难题，为进一步了解泵装置叶轮的实际径向受力状态，提高泵装置设计的安全性和可靠性提供参考依据。
【专利说明】
泵装置叶轮动态圆周矢量力测量装置及方法
技术领域：
[0001] 本发明涉及一种栗装置叶轮动态圆周矢量力测量装置及方法，属于与栗类流体机 械叶轮内部水力径向载荷测量相关的技术领域。
【背景技术】：
[0002] 在石油化工、国防军工、核电等领域，栗类流体机械工作的稳定性和安全性至关重 要。流体机械叶轮工作时，由于栗壳的结构及叶轮内部复杂流场导致叶轮产生径向力，该径 向力使栗轴受到交变应力作用，从而产生定向的挠度，直接影响到栗轴的工作稳定性。同 时，由于径向力的作用会使轴封间隙变得不均匀，严重时将导致栗装置泄漏。因此，在栗装 置设计时针对叶轮产生的径向力进行考虑是十分必要的。
[0003] 目前，研究栗装置叶轮的径向力大小主要采用经验公式、数值仿真、实验测量等方 法。经验公式虽然计算结果比较可靠，但是针对具体栗的预测准确度仍然有待提高。叶轮在 基于额定工况下受力的仿真分析方法得到了很好的应用，但是对于复杂流场下如栗装置的 启停、小流量及变工况下的瞬态作用力为叶轮的非定常流场计算带来相当大的难度。
[0004] 以往针对栗装置叶轮所受径向力的测量采用基于应变式的测量方法，即以应变片 作为力敏元件，将应变片粘贴在测试弹性元件上进行测量。由于流体惯性和瞬时加速度对 叶轮的瞬态冲击作用，栗装置的启动、小流量等过程中叶轮内部流场表现出强烈的非定常 性和瞬态效应。同时，叶轮受到工作介质中汽蚀、流激振荡，以及由于叶轮与导叶的动静干 涉而引起的压力脉动等高频冲击载荷作用。因此，采用弹性元件受力发生形变测量原理，无 法满足高刚度、高灵敏度、高频响的测试需求。
【发明内容】
：
[0005] 发明目的：
[0006] 本发明提供了一种栗装置叶轮动态圆周矢量力测量装置及方法，其目的是解决以 往所存在的问题。
[0007] 技术方案：
[0008] -种栗装置叶轮动态圆周矢量力测量装置，包括左法兰盘、上盖、底座和右法兰 盘，上盖与底座相互连接之后设置在左法兰盘与右法兰盘之间，其特征在于:在上盖与底座 之间设置有压电石英晶组，左法兰盘、上盖、底座和右法兰盘刚性连接，成为一个整体结构， 该整体结构与栗装置主轴同步旋转。
[0009] 压电石英晶组为yx切型压电石英晶组，其利用了石英晶体的剪切效应，每个压电 石英晶组由两个压电石英晶体构成。
[0010] 上盖上设置有带有凹槽的圆形凸台，压电石英晶组嵌入凹槽内，凹槽的深度为压 电石英晶组的厚度，使得压电石英晶组裸露的表面与凸台表面持平并与底座贴合。
[0011] 上盖与底座之间采用预紧螺栓紧固连接，同时预紧螺栓穿过上盖的薄壁圆筒和压 电石英晶组的通孔;薄壁圆筒的轴向长度与凹槽深度相同，因此压电石英晶组处于相对密 闭的空间中，防止受到污染而带来测量误差。
[0012] 凹槽的中心与预紧螺栓穿过的预紧螺栓孔的中心重合，薄壁圆筒设置在在凹槽的 中心位置，在左法兰盘及右法兰盘与主轴安装的面设置有与主轴相配合并用于保证栗主轴 与测量装置同轴度的外凹止口，在左法兰盘及右法兰盘与上盖与底座连接的面设置有用于 卡住上盖与底座进而保证左法兰盘、上盖、底座和右法兰盘同轴度的内凹止口。
[0013] 该压电石英晶组共设置四个;每个压电石英晶组由两片同旋向石英晶体的yx切型 石英晶片并联而成，四个压电石英晶组采用最大灵敏度方向相互垂直的布置方式。
[0014] 左法兰盘、上盖、底座、右法兰盘和压电石英晶组形成测量装置，该测量装置为中 心对称结构，外部整体呈现圆盘形状，其外型设计尺寸能随栗主轴的尺寸而改变;上盖的朝 向压电石英晶组的表面的圆周边缘沿轴向向压电石英晶组方向延伸形成上盖边缘凸台，用 来设置压电石英晶组的凸台设置在上盖边缘凸台围拢的范围内且该凸台以上盖圆心为中 心均匀分布，在凸台和的侧壁的径向方向上分别设计有穿线孔，两个凸台之间留有布线空 间，从而四个压电石英晶组的信号线通过穿线孔向外引出。
[0015] 该测量装置还包括光电转速编码器;所述测量装置外环设有标记线，以该标记线 作为测量装置静态标定时〇°初始位置，然后将测量装置旋转一定阶梯角度进行圆周360°静 态标定，建立〇°到360°范围内各角度与四个压电石英晶组的输出信号关系，标记线与光电 转速编码器配合使用，该该标记线经过光电转速编码器时，记录光电转速编码器的信号变 化。
[0016] 利用上述的栗装置叶轮动态圆周矢量力测量装置所实施的栗装置叶轮动态圆周 矢量力测量方法，其特征在于:将测量装置安装在栗装置两根断主轴之间，通过外凹止口定 位保证测量装置与主轴的同轴度，通过外六角螺栓将左法兰盘、上盖、底座和右法兰盘刚性 连接，使测量装置在轴向、径向无相对位移；当被测的栗装置叶轮工作时，叶轮受到水力径 向载荷作用，此时测量装置内部压电石英晶组由于受到该径向作用力而产生电荷，通过信 号线传输至电荷放大器，经过信号放大后传送到数据采集模块中，经过放大、A/D转换后得 到待测的径向力大小；同时，光电编码器信号也被传送到数据采集模块中，通过数值计算， 得到径向力的方向。
[0017]栗装置叶轮动态圆周矢量力的计算方法如式(1)所示：
(1)
[001 9] 式（1)中，Sr为径向力值的大小，Si、S2、S3、S4分别为石英晶组U、L2、L 3、L4的输出信 号，0为瞬时时刻径向力与石英晶组所在平面坐标系X轴之间的夹角；
[0020]测量装置的外环设计一条标记线，标记线为石英晶组所在平面坐标系x轴夹角0° 方向，采用光电转速编码器确定栗装置主轴旋转过程中X轴瞬时时刻位置，从而计算出叶轮 径向力相对于栗装置的空间矢量力。
[0021]优点及效果：为了研究叶轮全工况下径向力的特性，提高栗装置设计的可靠性和 安全性，本文提出了一种栗装置叶轮动态圆周矢量力测量装置及方法，
[0022]本发明的优点与积极效果为：
[0023] 1.本发明的测量方法通过左右法兰盘、上盖与底座四部分实现高刚度连接，利用 导电滑环将测量装置的径向力信号向外输出。测量装置通过左右法兰盘将栗装置的左右两 根断轴定位并实现刚性连接。因此，测量装置、左右两根断轴构成一体。
[0024] 2 .本发明的测量装置外环设计有一条标记线，栗装置工作时，采用光电转速编码 器采集该标记线通过光电转速编码器信号状态，从而得到径向力信号与测量装置旋转角度 之间的对应关系。
[0025] 3.本发明的测量装置利用了压电石英晶体的剪切效应，内部由四个yx切型压电石 英晶组构成，每个压电石英晶组由两片同旋向石英晶体的yx晶片并联而成。
[0026] 4.本发明的测量装置测力量程宽，灵敏度高，动态特性好，非线性误差和重复性误 差小，解决了叶轮圆周矢量力测量的难题。
[0027] 综上所述，本发明的压电石英晶组信号通过导电滑环向外引出，接入电荷放大器 和数据采集模块。叶轮的径向力大小直接由测量装置测量，通过理论计算分析及光电转速 编码器辅助信号得到径向力的方向。本发明结构简单、动态特性好、灵敏度高，解决了栗装 置叶轮动态圆周矢量力的测量难题，为进一步了解栗装置叶轮的实际径向受力状态，提高 栗装置设计的安全性和可靠性提供参考依据。
【附图说明】
[0028]图1表不一个整体结构不意图；
[0029] 图2为内部结构剖视图；
[0030] 其中：1为左法兰盘，2为上盖，3为底座，4为右法兰盘，5为光电转速编码器，A为通 孔，B为外凹止口，C预紧螺栓孔，D为把紧螺栓孔，E为预紧螺栓，F为凹槽，G为凸台，H为通孔， I为外六角螺栓，J为六角螺母，K为通孔，L为石英晶组，M为螺纹孔，N为薄壁圆筒，0为压电石 英晶组通孔，P为凸台，Q为内凹止口。
【具体实施方式】：
[0031] 下面结合附图对本发明做进一步的说明：
[0032] 本发明提出的是一种栗装置叶轮动态圆周矢量力测量装置，包括左法兰盘1、上盖 2、底座3和右法兰盘4,上盖2与底座3通过预紧螺栓E相互连接之后设置在左法兰盘1与右法 兰盘4之间，其特征在于:在上盖2与底座3之间设置有压电石英晶组L，其中，左右法兰盘形 状相同、结构镜像对称，设计有通孔A、外凹止口 B和内凹止口 Q、把紧螺栓孔D;上盖2、底座3 分别设有预紧螺栓孔C和螺纹孔M，左法兰盘1、上盖2、底座3和右法兰盘4通过外六角螺栓I 刚性连接，成为一个整体结构，该整体结构与栗装置主轴同步旋转。
[0033] 压电石英晶组L为yx切型压电石英晶组，其利用了石英晶体的剪切效应，每个压电 石英晶组L由两个压电石英晶片构成，四个压电石英晶组之间采用最大灵敏度方向相互垂 直的布置方式。
[0034] 压电石英晶组L采用两片yx切型压电石英晶片组成，yx切型石英晶片的厚度方向 与石英晶体的y轴平行，晶片面与y轴垂直。该切型方式利用了石英晶体的剪切效应，即叶轮 在圆周径向方向上受到作用力时，根据压电效应原理，石英晶组的表面产生电荷，而叶轮的 轴向受力不会影响到径向的测量结果。
[0035] 上盖2上设置有带有凹槽F的凸台G，压电石英晶组L嵌入凹槽F内，凹槽的深度为石 英晶组的厚度，使得压电石英晶组L裸露的表面与凸台G表面持平并与底座3贴合。
[0036] 上盖2与底座3之间采用预紧螺栓E紧固连接，同时预紧螺栓穿过上盖的薄壁圆筒N 和压电石英晶组L的通孔0;薄壁圆筒的轴向长度与凹槽F深度相同。
[0037] 凹槽F的中心与预紧螺栓穿过的预紧螺栓孔C的中心重合，薄壁圆筒N设置在凹槽F 的中心位置，在左法兰盘1及右法兰盘4与主轴安装的面设置有与主轴相配合并用于保证栗 主轴与测量装置同轴度的外凹止口B，在左法兰盘1及右法兰盘4与上盖2与底座3连接的面 设置有用于卡住上盖2与底座3进而保证左法兰盘1、上盖2、底座3和右法兰盘4同轴度的内 凹止口 Q。
[0038] 该压电石英晶组L共设置四个;每个压电石英晶组L由两片同旋向石英晶体的yx切 型晶片并联而成。
[0039] 左法兰盘1、上盖2、底座3、右法兰盘4和压电石英晶组L形成测量装置，该测量装置 为中心对称结构，外部整体呈现圆盘形状，其外型设计尺寸可以随栗主轴的尺寸而改变;上 盖2的朝向压电石英晶组L的表面的圆周边缘沿轴向向压电石英晶组L方向延伸形成上盖边 缘凸台P，用来设置压电石英晶组L的凸台G设置在上盖边缘凸台P围拢的范围内且该凸台G 以上盖圆心为中心均匀分布。
[0040] 该测量装置还包括光电转速编码器5;所述测量装置外环设有标记线6,该标记线 为测量装置静态标定时四个压电石英晶组所在平面坐标系的 x轴方向作为测量装置径向力 输出的〇°初始位置;该标记线6与光电转速编码器5配合使用，该标记线6经过光电转速编码 器5时，记录光电转速编码器的信号变化。
[0041] 所述的外六角螺栓数量为八个，以测量装置中心为圆心均匀分布。测量装置内部 设有四个yx切型压电石英晶组L，利用了石英晶体的剪切效应，每个石英晶组L采用最大灵 敏度方向相互垂直的布置方式，压电石英晶组设计有通孔〇,穿过薄壁圆筒N，上盖的圆形凸 台G、凹槽F、底座的平面、压电石英晶组的上下表面完全贴合。
[0042] 所述上盖圆周边缘凸台P和圆形凸台G分别开有穿线孔，各所述压电石英晶组的输 出信号线由该穿线孔向外引出。
[0043] 如图1、图2所示，本发明的叶轮圆周矢量力测量采用在栗装置的主轴上安装测量 装置的方法来实现，栗装置的主轴采用断轴方式设计，其中一根轴两端分别连接左法兰盘1 与驱动电机，另一根轴两端分别连接右法兰盘4与栗装置的叶轮。左右法兰盘的两端分别设 计为止口连接方式用于保证栗主轴与测量装置同轴度。左法兰盘1、上盖2、底座3,右法兰盘 4与主轴刚性连接构成一个整体结构，栗装置工作时，该整体结构与叶轮同步旋转。
[0044] 圆形凸台G边缘的径向方向设计有穿线孔。底座3设计为平面圆盘结构，均匀分布 有四个螺纹孔M，上盖2与底座3装配时，预紧螺栓孔C与螺纹孔M-一对应。
[0045] 四个压电石英晶组L设计为中心通孔结构，封装时，将石英晶组L的中心通孔套在 薄壁圆筒N上，并将压电石英晶组的最大灵敏度方向相互垂直放置。将石英晶组的信号线从 圆形凸台G的穿线孔引出，经过上盖2的凸台P向外引出，通过在校准台上可以完成对测量装 置的静态标定，得到圆周径向力施加载荷的大小和方向与四个压电石英晶组输出信号之间 的线性关系。上盖2的凸台P、凸台G与底座3的端面平面的平行度为0.01，粗糙度为0.4。四个 压电石英晶组所在凹槽F平面的平面度为0.02。薄壁圆筒N、压电石英晶组L的端面在同一水 平面，通过预紧螺栓￡ 1-4实现与底座3平面紧密连接。
[0046] 栗装置叶轮动态圆周矢量力测量方法，其将测量装置安装在栗装置两根断主轴之 间，通过外凹止口 B定位保证测量装置与主轴的同轴度，通过外六角螺栓I将左法兰盘1、上 盖2、底座3和右法兰盘4刚性连接，使测量装置在轴向、径向无相对位移；当被测的栗装置叶 轮工作时，叶轮受到水力径向载荷作用，从而测量装置内部压电石英晶组受到径向作用力 而产生电荷，通过信号线传输至电荷放大器，经过信号放大后传送到数据采集模块中，经过 放大、A/D转换后得到待测的径向力大小；同时，光电编码器信号也被传送到数据采集模块 中，通过数值计算，得到径向力的方向。
[0047] 栗装置动态圆周矢量力的计算方法如式(1)所示。
(1)
[0049] 式（1)中，Sr为径向力值的大小，Si、S2、S3、S4分别为石英晶组U、L 2、L3、L4的输出信 号，0为瞬时时刻径向力与压电石英晶组所在平面坐标系X轴之间的夹角。
[0050] 测量装置的外环设计一条标记线，该标记线所在位置如图1所示，标记线为压电石 英晶组所在平面坐标系x轴方向0°位置，采用光电转速编码器确定栗装置主轴旋转过程中x 轴瞬时时刻位置，从而计算出叶轮径向力相对于栗装置的空间矢量力。
[0051] 测量装置的输出信号与安装在栗装置主轴上的导电滑环内环连接，导电滑环的外 环与栗装置外壳固定连接，外环输出信号经电荷放大器放大后传送到数据采集模块中，将 该数据采集模块连接到计算机，在与数据采集模块对应的软件中进行叶轮径向力的实时显 示、分析、处理和保存。
[0052] 本发明采用压电石英晶组作为力敏元件，通过左右法兰盘、上盖和底座组成栗装 置叶轮动态矢量力测试系统，该方法结构简单、操作方便，解决了目前栗装置叶轮动态圆周 矢量力的测量难题，为进一步了解栗装置叶轮的实际径向受力状态，提高栗装置设计的安 全性和可靠性提供参考依据。
【主权项】
1. 一种累装置叶轮动态圆周矢量力测量装置，包括左法兰盘（I)、上盖（2)、底座（3)和 右法兰盘(4)，上盖(2)与底座(3)相互连接之后设置在左法兰盘（1)与右法兰盘(4)之间，其 特征在于:在上盖(2)与底座(3)之间设置有压电石英晶组化），左法兰盘（1)、上盖(2)、底座 (3)和右法兰盘(4)刚性连接，成为一个整体结构，该整体结构与累装置主轴同步旋转。2. 根据权利要求1所述的累装置叶轮动态圆周矢量力测量装置，其特征在于:压电石英 晶组化)为yx切型压电石英晶组，其利用了石英晶体的剪切效应，每个压电石英晶组化）由 两个压电石英晶体构成。3. 根据权利要求2所述的累装置叶轮动态圆周矢量力测量装置，其特征在于:上盖(2) 上设置有带有凹槽(F)的圆形凸台（G)，压电石英晶组化)嵌入凹槽(F)内，凹槽的深度为压 电石英晶组的厚度，使得压电石英晶组化)裸露的表面与凸台（G)表面持平并与底座(3)贝占 合。4. 根据权利要求3所述的累装置叶轮动态圆周矢量力测量装置，其特征在于:上盖(2) 与底座(3)之间采用预紧螺栓化)紧固连接，同时预紧螺栓穿过上盖的薄壁圆筒(N)和压电 石英晶组化)的通孔(O);薄壁圆筒的轴向长度与凹槽(F)深度相同，因此压电石英晶组化） 处于相对密闭的空间中，防止受到污染而带来测量误差。5. 根据权利要求4所述的累装置叶轮动态圆周矢量力测量装置，其特征在于：凹槽(F) 的中屯、与预紧螺栓穿过的预紧螺栓孔(C)的中屯、重合，薄壁圆筒(N)设置在在凹槽(F)的中 屯、位置，在左法兰盘（1)及右法兰盘(4)与主轴安装的面设置有与主轴相配合并用于保证累 主轴与测量装置同轴度的外凹止口（B)，在左法兰盘（1)及右法兰盘(4)与上盖（2)与底座 (3)连接的面设置有用于卡住上盖(2)与底座（3)进而保证左法兰盘（1)、上盖(2)、底座（3) 和右法兰盘(4)同轴度的内凹止口（Q)。6. 根据权利要求2所述的累装置叶轮动态圆周矢量力测量装置，其特征在于:该压电石 英晶组化)共设置四个;每个压电石英晶组化）由两片同旋向石英晶体的yx切型石英晶片并 联而成，四个压电石英晶组采用最大灵敏度方向相互垂直的布置方式。7. 根据权利要求3所述的累装置叶轮动态圆周矢量力测量装置，其特征在于:左法兰盘 (1)、上盖(2)、底座(3)、右法兰盘(4)和压电石英晶组化)形成测量装置，该测量装置为中屯、 对称结构，外部整体呈现圆盘形状，其外型设计尺寸能随累主轴的尺寸而改变;上盖(2)的 朝向压电石英晶组化）的表面的圆周边缘沿轴向向压电石英晶组化)方向延伸形成上盖边 缘凸台（P)，用来设置压电石英晶组化)的凸台（G)设置在上盖边缘凸台（P)围犹的范围内且 该凸台（G) W上盖圆屯、为中屯、均匀分布，在凸台（G)和(P)的侧壁的径向方向上分别设计有 穿线孔，两个凸台之间留有布线空间，从而四个压电石英晶组的信号线通过穿线孔向外引 出。8. 根据权利要求7所述的累装置叶轮动态圆周矢量力测量装置，其特征在于:该测量装 置还包括光电转速编码器(5);所述测量装置外环设有标记线(6)，W该标记线(6)作为测量 装置静态标定时0°初始位置，然后将测量装置旋转一定阶梯角度进行圆周360°静态标定， 建立0°到360°范围内各角度与四个压电石英晶组的输出信号关系，标记线(6)与光电转速 编码器(5)配合使用，该该标记线(6)经过光电转速编码器(5)时，记录光电转速编码器的信 号变化。9. 利用权利要求8所述的累装置叶轮动态圆周矢量力测量装置所实施的累装置叶轮动 态圆周矢量力测量方法，其特征在于:将测量装置安装在累装置两根断主轴之间，通过外凹 止口（B)定位保证测量装置与主轴的同轴度，通过外六角螺栓(I)将左法兰盘（1)、上盖(2)、 底座(3)和右法兰盘(4)刚性连接，使测量装置在轴向、径向无相对位移；当被测的累装置叶 轮工作时，叶轮受到水力径向载荷作用，此时测量装置内部压电石英晶组由于受到该径向 作用力而产生电荷，通过信号线传输至电荷放大器，经过信号放大后传送到数据采集模块 中，经过放大、A/D转换后得到待测的径向力大小；同时，光电编码器信号也被传送到数据采 集模块中，通过数值计算，得到径向力的方向。10.根据权利要求9所述的累装置叶轮动态圆周矢量力测量方法，其特征在于:累装置 叶轮动态圆周矢量力的计算方法如式(1)所示：(1) 式（1)中，5,为径向力值的大小，51、52、53、54分别为石英晶组1^1、12、13、14的输出信号，白 为瞬时时刻径向力与石英晶组所在平面坐标系X轴之间的夹角； 测量装置的外环设计一条标记线，标记线为石英晶组所在平面坐标系X轴夹角0°方向， 采用光电转速编码器确定累装置主轴旋转过程中X轴瞬时时刻位置，从而计算出叶轮径向 力相对于累装置的空间矢量力。
【文档编号】G01L9/08GK105910750SQ201610222518
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】高翼飞, 王世杰, 项中天, 刘慧芳
【申请人】沈阳工业大学