本发明涉及的一种旋转机械实验的技术领域，具体涉及一种用于测量离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置及实验方法。
背景技术：
离心泵在航空航天、船舶、石油化工等领域起到了极其重要的作用，而由于其振动引发的问题越发突出，动态性能的优劣显得日益关键，并且离心泵内因流体激振引起的转子系统振动的问题较为棘手，因此离心泵振动及轴系转子动力学问题越来越受到重视。另外离心泵在传输流体介质的同时，也受到泵内流体对叶轮的激励作用，这些作用力作为泵转子的外部激励，影响着泵转子的动力学响应，甚至稳定性工作。其中由旋转叶轮的前盖板和固定泵壳之间的间隙激振力对离心泵振动及轴系动力特性有重要影响。然而现有研究大多关注离心泵叶轮的内部流场分布，而对流体激振力以及流体激振力对离心泵的动态特性的影响研究相对较少。
目前针对间隙激振力特性的主要研究方法有数值模拟及实验两种方法，其中数值研究又以用摄动法解整体流动编程及cfd数值模拟为主，但是以上两种数值分析方法都是从宏观角度出发，基于连续介质的假设简化求解navier-stokes方程。
childs结合hirs的简化n-s方程的整体流动润滑方程根据摄动法提出有限长理论对密封间隙动特性进行求解。这种方法对于转子边界条件的处理以及间隙内流动的压力分布是比较准确的。其原理是简化间隙腔体内的流动形式，通过摄动法解连续性及动量方程，最终求得动特性参数。但这种方法需要消耗大量的时间去编译代码，而且不易求解。近几年，随着计算机商务cfd软件如：fluent、cfx等飞速发展，越来越多的人开始用cfd求解。应用cfd技术来研究流体激振力系数的动力学特性，对密封内流场进行模拟或应用流体激振力解析模型对转子系统进行非线性力学行为研究。虽然cfd技术能很好的模拟密封腔室内的流场，对于计算密封泄漏量也有很好的精度，但是要进一步研究流场对转子系统动力学影响尚存在一定困难。而应用流体激振力的解析模型可以很好的研究密封中流体激振对转子系统的非线性影响，但是解析模型中含有很多实验参数和经验系数。只能根据相似性原理设计转子密封实验台进行相关数据测试，实验条件对测试结果影响很大。
用摄动法解整体流动模型，需要花费大量的时间编程，而且，对于复杂的模型，有一定的局限性。而现有的cfd软件在模拟转子时需要画网格，而且在计算时需要花费大量的时间进行仿真计算。
综上所述，现有的研究主要基于摄动法和cfd，针对离心泵前盖板间隙流场下转子动力学系统实验台较少，且工况单一，不足以实现转子系统模型与泄漏流的影响。
因此，需要对现有技术进行改进。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种高效的用于测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置及实验方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置，被用于检测前盖板：包括壳体、主轴和基座；
所述壳体和前盖板均套设在主轴上；所述壳体和前盖板之间存在间隙，形成测量环路；所述测量环路与引流管连接；
所述基座顶部滑动设置有工作台和推进块，工作台和推进块固定连接；所述工作台顶部设有垫片，壳体位于垫片顶部；所述推进块上设置有螺纹孔，螺纹孔与螺杆配合使用，螺杆与阀门固定连接。
作为对本发明用于测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置的改进：
所述主轴首端依次套设有圆螺母、止动垫片和定位套筒，圆螺母和止动垫片抵接，止动垫片和定位套筒分别与前盖板两侧抵接；
所述主轴中间部分套设有相互抵接的挡油盘和滑动轴承；所述挡油盘和滑动轴承外侧套设有压紧套筒；
所述主轴尾端套设有联轴器，联轴器与电机相连。
作为对本发明用于测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置的进一步改进：
所述壳体上设置有密封盒，密封盒内设置有压力传感器和电桥。
作为对本发明用于测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置的进一步改进：
所述壳体上设置有与测量环路连通的两组动态接口和三组稳态接口；
所述三组稳态接口每组包括十个接口，三组稳态接口分别设置在θ＝0°，120°，240°方向；两组动态接口每组包括九个接口，两组动态接口分别设置在θ＝90°，180°方向；所述稳态接口和动态接口均与压力传感器及压力计连接。
作为对本发明用于测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置的进一步改进：所设基座上设置有位移刻度示数。
本发明还提供一种用于测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验方法：
1)、在基座上固定工作台，将壳体固定到工作台的垫片上；将主轴依次穿过壳体、圆螺母、止动垫片、前盖板、定位套筒，通过圆螺母、止动垫片和定位套筒固定前盖板，壳体和前盖板之间形成测量环路；
2)、在基座上松开工作台，通过转动阀门依次带动推进块、工作台和壳体移动，从而调节前盖板和壳体之间的测量环路的宽度到所需宽度，然后在基座上固定工作台；
3)、开启电机，带动主轴转动，进行干运转，记录电桥采集的压力分布示数，取平均值；
停止电机，在基座上松开工作台，通过转动阀门依次带动推进块、工作台和壳体移动，从而移动壳体，使得前盖板和壳体分离，然后湿润前盖板朝向壳体一侧的侧壁，再移动回壳体，开启电机，带动主轴转动，进行“湿态”运转；待主轴旋转趋于稳定，压力传感器示数波动平稳后，读取压力传感器的示数数值；
记录实时运行的电机转速、电机稳定旋转后压力传感器示数、压力计测量的稳态压力示数、电桥实时采集的压力分布示数、测量环路宽度和基座上的位移刻度示数；
4)、流体介质通过引流管进入测量环路，待主轴旋转趋于稳定，压力传感器示数波动平稳后，读取压力传感器的示数数值；
记录实时运行的电机转速、电机稳定旋转后压力传感器示数、压力计测量的稳态压力示数、电桥实时采集的压力分布示数、测量环路宽度和基座上的位移刻度示数；
以电桥实时采集的压力分布示数减去干运转时的电桥采集的压力分布示数作为流体力；
5)、测量完成后，通过转动阀门依次带动推进块、工作台和壳体移动到适当位置，接着在主轴上拆卸联轴器，使得电机与主轴分离；再拉出主轴，前盖板、挡油盘、圆螺母、止动垫片、定位套筒和压紧套筒随着主轴一同被拉出；
6)、将圆螺母和止动垫片拆卸，更换前盖板，更换完毕后再重新将圆螺母和止动垫片装上，将主轴恢复原位，重复步骤1-5。
本发明用于测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置及实验方法的技术优势为：
1、本发明包括压力传感器、压力计以及电桥等测量装置，传感器动态接口与稳态接口的区分等，都更精确的拟合实际测量间隙激振力特性。现有测量间隙激振力的装置只通过压力传感器反馈压力脉动，测量数据单一。本发明使得测试数据更系统、更全面。与现有技术相比，弥补了所缺失的稳态压力与电桥所测试的参数，使测试参数更全面。
2、待测盖板试件的便捷拆卸、组合与安装。
现有技术测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置需要拆装整个实验台，不仅拆装复杂繁琐，影响实验效率，在拆装过程中也会损坏其他部件，每次拆装都会影响实验精度。本发明所设计的实验台装置只需要拆装前盖板以及与前盖板相连的主轴套装部件，不仅拆装简单便利，并且不会在拆装过程中损坏其他部件，极大程度的提高了实验效率、缩短了实验周期，同时也提高了实验精度，减小其他因素造成的实验误差。
将前盖板作为专用件、壳体作为通用件。通过更换不同的盖板试件就可以得到不同的变量如盖板角度、盖板形状等。不仅拆卸安装便捷，并且可随意组合，可控变量多。对后期实验测量提供多维度的思考方向。
3、待测盖板间隙精确且方便可调。
本发明创新设计的基座配套实验台装置使得盖板间隙精确可调，目前现有技术不能实现对盖板间隙的调节作用，每次实验只能在固定不变的盖板间隙下进行测量，只能通过拆装整个实验装置进行不同间隙下的实验测量，且间隙读数不直观。本发明设计的基座底座有刻度显示，间隙读数直观；且能通过阀门旋转实现基座的前后移动，配套实验台装置从而实现间隙可调。实现在不同间隙下实验，无需拆装实验台，便能轻松实现间隙调节。极大提高实验效率、缩短实验周期。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明用于测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置及实验方法的结构示意图；
图2为图1中压力传感器2的结构示意图；
图3为图1中基座30的结构示意图；
图4为前盖板11间隙流结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、用于测试离心泵前盖板间隙激振力特性的实验台装置，被用于检测沿前盖板11泄漏流引起的力和压力分布，如图1-4所示，包括填料密封1、压力传感器2、密封环3、传感器线管5、泵壳6、填料函7、引流管8、密封盒9、壳体10、前盖板11、电桥12、液封环13、滑动轴承14、挡油盘15、主轴16、圆螺母27、止动垫片28、定位套筒29、基座30、联轴器31、压紧套筒32和预紧压盖35；
前盖板11通过圆螺母27、止动垫片28和定位套筒29定位安装在主轴16首端，并且用填料密封套装进行密封。主轴16中间部分安装有挡油盘15、滑动轴承14、压紧套筒32，主轴16尾端通过联轴器31与电机相连。
压力传感器2、电桥12安装在密封盒9内，密封盒9固定设置在壳体10上，压力传感器2拧紧于壳体10接口，电桥12所测力与压力传感器2信号数据传输均通过传感器线管5引出。其中壳体10作为通用件与基座30组合安装，前盖板11作为专用件与主轴16套装组合安装。
壳体10通过密封环3与主轴16密封连接，壳体10与前盖板11之间存在间隙，形成测量环路，引流管8与测量环路连通，流体介质通过引流管8进入测量环路。
在主轴16的首端设置有前盖板11，前盖板11在圆螺母27、止动垫片28和定位套筒29的共同作用下固定。具体为：主轴16采用阶梯轴，在主轴16的首端通过轴肩定位从主轴16首端至尾端依次套设有圆螺母27、止动垫片28和定位套筒29，前盖板11套设在主轴16上且前盖板11夹紧在止动垫片28和定位套筒29之间，前盖板11从而固定在主轴16上，随着主轴16的转动而转动。圆螺母27和定位套筒29分别与轴肩抵接，用来定位前盖板11。
其中圆螺母27和止动垫片28的原理如下，在主轴16与圆螺母27的配合处，主轴16表面加工成外螺纹的形式，圆螺母27的内孔加工成内螺纹孔形式，工作时，将圆螺母27拧到前盖板11的轴向段面，同时，为了防止圆螺母27由于主轴16的转动而松脱，使用时止动垫片28装在圆螺母27开槽的那一侧，紧固后将内外止动耳折弯放到槽里。圆螺母27紧固后，分别将内外止动耳扳成轴向，分别卡在主轴16上的键槽和圆螺母27的开口处。这样，圆螺母27和止动垫片28起到定位轴肩的作用，从而定位前盖板11，实现便捷组合安装。
考虑间隙流泄漏问题，在定位安装前盖板11后进行填料密封，填料密封是首先将某种材质(可采用橡胶、柔性石墨、纤维填料、软金属填料和复合填料等，本发明采用的是石墨填料。)填塞前盖板11与填料函7之间，然后预紧压盖35的螺栓，使填料沿填料函7轴向压紧，由此产生的轴向压缩变形引起填料沿径向内外扩张，形成其对主轴16和填料函内壁表面的贴紧，从而阻止内部流体向外泄漏。为了使填料起更可靠的密封作用，或对填料进行润滑或冷却，以延长填料的寿命，本发明在填料密封1中间放置液封环13，填料函7上设置有连通液封环13的通道，通过该通道注入相应液体(相应液体可为石墨润滑剂和矿物油等。本发明注入的是石墨润滑剂)，通过其向液封环13内注入有压力的中性介质、润滑剂或冷却液。
主轴16的中间部分套设有滚动轴承14、挡油盘15、压紧套筒32；
挡油盘15和滚动轴承14紧密贴合在，紧套筒32套设在滚动轴承14和挡油盘15上，将两者压紧，压紧套筒32与滚动轴承14之间设有橡胶圈，用以减少工作中的振动造成的磨损；在拆卸前盖板11时，首先通过基座30移开壳体10至适当位置，再拆卸联轴器31，使得电机与主轴16分离，再将放置套装元件轴段连同主轴16整体移除。整体具体包括主轴16和与主轴16相连的各元件，即，前盖板11、挡油盘15、圆螺母27、止动垫片28、定位套筒29、联轴器31、压紧套筒32一同拉出，拉出后将前盖板11一侧的圆螺母27和止动垫片28拆卸。上述套件拆卸完毕后，即可更换前盖板11，更换完毕后再重新将上述零部件从原位安放到组合件中，无需整体拆卸实验台装置。
待测盖板间隙精确、方便可调。壳体10作为通用件与基座30组合安装，基座30结构如图3所示，包括基座30和工作台21，基座30底部与地面固定，工作台21安装在基座顶部并可在基座上前后移动。具体的，基座30顶部左端(主轴16首端一侧)设有工作台21，工作台21底部设置有延伸的导槽。基座30顶部设有与导槽相配合的导轨，而导轨可沿导槽滑动，进而实现工作台移动。工作台21顶部设有垫片22，整个试验台装置通过壳体10放置在垫片22上，工作台21右端(主轴16尾端一侧)固定连接有推进块23，推进块右端设有螺纹孔24，螺纹孔24中设置有与螺纹孔24配合使用的螺杆25。推进块23底面为可沿基座30顶面滑动的平滑面，螺纹孔24与基座30顶面平行设置，使得螺杆25能平稳地推动推进块23沿基座顶面移动。螺纹孔24内壁设有内螺纹，配合连接设有与内螺纹配合的外螺纹的螺杆25，螺杆25另一端与阀门26连接固定，阀门26和螺杆25通过螺栓的位置是固定的。阀门26顺时针旋转，旋转相应的圈数，螺杆25与螺纹孔24相配合旋转，推进块23可沿基座30顶部前后移动。当螺杆25顺时针旋转时，使得螺纹孔24旋转与螺杆25分离，实现推进块23前进(推进块23向主轴16首端移动)，从而使得工作台21前进。当螺杆逆时针旋转时，螺杆25旋转进螺纹孔24中，实现推进块23后退，从而使得工作台21后退(推进块23向主轴16尾端移动)。另外基座30顶部设有刻度，坐标原点设置在基座30中心，当工作台21前行时，记录示数为“+”；反之，记录示数为“-”。当工作台21处于实验测量需要的位置时，用锁紧螺母在基座30上固定工作台21，防止工作台21偏移，前后移动具体距离通过刻度读出，便于后期记录。
测试组件包括：压力传感器2、3组稳压接口18和2组动态接口17，动态接口17和稳态接口18均设置在壳体10上，稳压接口18和动态接口17均与测量环路连通。3组稳压接口18，每组沿子午方向有十个接口(从壳体10中心到边缘设置)，分别布置在θ＝0°，120°，240°方向(以图2中的x轴正方向为θ＝0°)。2组动态接口17，每组沿子午方向有九个接口，安装在泄漏路径的入口处，分别布置在θ＝90°，180°方向。在θ＝90°和180°的位置上的动态接口17有6个接口用于接压力传感器2，在θ＝0°，120°，240°的位置上的稳压接口18有3个接口用于接压力传感器2，其余接口接压力计。压力传感器2测量动态压力分布，压力计测量稳态压力分布，密封盒9用以保护压力传感器2、电桥12免受水侵害。电桥12装置原理，它由两个平行板组成，由四个方形横截面的平行钢筋连接而成，形成一个整体式不锈钢结构。仪器仪表用六十六个应变仪测量六个力和力矩分量，形成九个惠斯通电桥。其中一个桥主要对推力敏感，其他八个桥对其余五个广义力分量中的两个敏感(应变、拉力、扭矩、振动频率和压力荷载)。本实验选择了9座桥梁中的6座，内部平衡的校准由静态载荷和动态测试组成。
本发明前盖板间隙激振力特性的实验台装置的实验方法的步骤如下：
1、将前盖板间隙激振力特性的实验台装置安装完成，进行测试；
前期准备：包括将本发明各个试件组装好，注意事项：首先安装基座30，固定工作台21，并使得工作台21处于基座原点位置。然后安装壳体10在工作台21的垫片22上，壳体10作为通用件无需更换，安装后用锁紧螺母锁紧，防止位移。首次安装前盖板11时，通过主轴16前段的定位套筒29、止动垫片28、圆螺母27实现定位。定位完毕后，前盖板11与壳体10移到合适位置，实验开始时可通过基座30刻度表进行间隙微调，实现壳体10与前盖板11间隙的精确控制。主轴16中段挡油盘15、滑动轴承14、压紧套筒32最大限度的防止测量环路流体介质泄漏在主轴16上导致飞溅，影响实验操作。最后主轴16后段连接电机，电桥12调零，压力传感器2拧紧于各接口并通过传感器线管5连接实验台电脑，整套装置安装完毕。
实验阶段：前盖板11和壳体10之间的间隙可以通过上述基座30上设置的工作台21的前后调节而改变。开启电机后，首先进行干运转(不加入流体介质进行测试，作为实验参照)，除了测量由于前盖板11的质量引起的内部平衡所受力之外，干运转还检查电桥12的动态行为并验证光学编码器在主轴16上的方向。光学编码器设置在电桥内，用来可检测角度位移，又可在旋转机械装置帮助下检测直线位移，为现有技术。干运转时，在转轴16稳定运行后，还是会产生不同程度的涡动偏移，因此电桥12的数值是实时变化的，干运转可以检测这些偏移力，偏移力为干运转时的电桥12的数值的平均值。
然后移除壳体10，使用喷水器来湿润前盖板11内表面密封间隙进行“湿态”运转。目前针对泄漏流的实验装置多直接针对流道产生的流体力进行，忽视了内流机理研究，同时也未考虑流体力与转子系统本身的亲合作用，随着数学模型的逐步完善，“湿态”运转可以测试转子在介质中运转时产生的动态响应，在此基础上得到其湿临界转速。同时也测试主轴16同步及异步涡动状态下测量环路产生的径向流体力。
测量阶段：实际测量中，流体介质通过引流管8进入测量环路，开启电机，转动主轴16，待主轴16旋转趋于稳定，压力传感器2示数波动平稳后，由于前盖板11和壳体10之间的间隙(测量环路)宽度非常小，假定相同的压力作用于前盖板11表面上相同的半径，压力传感器2所测力即为测量环路中的压力。稳压读数来自5个压力表，其中3个连接在壳体10表面的稳压接口18，另外2个分别用于读取下游压力和泵壳壁上的压力，读取下游压力的压力表设置在靠近密封环3的位置，圆周方向的稳压分布通过拟合三阶周期样条来获得。压力传感器2的信号通过数据采集系统中采样并存储在桌面计算机的存储器中，并将其记录。所受激振力从电桥12读取，对于电桥12的测量结果，减去相应的干运转时的电桥12的数值的平均值，以消除前盖板11上的重力和可能的离心力(偏移力)，得到流体力。电桥12电桥的信号传到信号调理放大，放大器输出由12位模数(a/d)转换器采样并存储在台式个人计算机的存储器中。测量环路的间隙h可以使用一般的深度计通过壳体10上的四个小孔19进行测量。
测量阶段检测的数据包括：实时运行的电机转速、电机稳定旋转后压力传感器2示数、压力计测量的稳态压力示数、电桥12实时采集的压力分布示数、深度计读取的盖板间隙(测量环路宽度)示数和基座30上的位移刻度示数。
2、测量完成后更换前盖板11并重复步骤1-2。
更换前盖板11：在拆卸前盖板11时，首先通过基座30移开壳体10到适当位置，再拆卸联轴器31，使得电机与主轴16分离，再将放置套装元件的轴段连同主轴16整体移除。具体包括主轴16和与主轴16相连的各元件，即，前盖板11、挡油盘15、圆螺母27、止动垫片28、定位套筒29、联轴器31和压紧套筒32一同拉出，拉出后将前盖板11一侧的圆螺母27和止动垫片28拆卸。上述套件拆卸完毕后，即可更换前盖板11，更换完毕后再重新将上述零部件从原位重新安放到组合件中，无需整体拆卸实验台装置。
本发明与主体实验台装置完全拆除相比更为便捷，提高了工作效率，且避免了由于完全拆除主体实验台装置时对主体实验台装置中传感器造成的损伤。
实验完毕后，关闭电机，拆掉压力传感器2、电桥12，拆除前盖板11及主轴16套装相关元件，工作台21回归基座30原位。整理实验器材，整理实验测得的数据。最后得到记录的数据包括，实时运行的电机转速，电机稳定旋转后压力传感器2稳定的示数，电桥12实时采集的压力分布示数，深度计读取的盖板间隙(测量环路宽度)示数，基座30上的位移刻度示数。最后根据实验得到的数据绘制散点图，进而推出转子动力学系数。
前盖板间隙激振力特性的实验台装置的实验方法具体包括以下步骤：
1、在基座30上固定工作台21，将壳体10固定到工作台21的垫片22上；将主轴16依次穿过壳体10、圆螺母27、止动垫片28、前盖板11、定位套筒29，通过圆螺母27、止动垫片28和定位套筒29固定前盖板11，壳体10和前盖板11之间形成测量环路；
2、在基座30上松开工作台21，通过转动阀门26依次带动推进块23、工作台21和壳体10移动，从而调节前盖板11和壳体10之间的测量环路的宽度到所需宽度，然后在基座30上固定工作台21；
3、开启电机，带动主轴16转动，进行干运转，记录电桥12采集的压力分布示数，取平均值；
停止电机，在基座30上松开工作台21，通过转动阀门26依次带动推进块23、工作台21和壳体10移动，从而移动壳体10，使得前盖板11和壳体10分离，然后湿润前盖板11朝向壳体10一侧的侧壁，再移动回壳体10，开启电机，带动主轴16转动，进行“湿态”运转；待主轴16旋转趋于稳定，压力传感器2示数波动平稳后，读取压力传感器2的示数数值；
记录实时运行的电机转速、电机稳定旋转后压力传感器2示数、压力计测量的稳态压力示数、电桥12实时采集的压力分布示数、测量环路宽度和基座30上的位移刻度示数；
4、流体介质通过引流管8进入测量环路，待主轴16旋转趋于稳定，压力传感器2示数波动平稳后，读取压力传感器2的示数数值；
记录实时运行的电机转速、电机稳定旋转后压力传感器2示数、压力计测量的稳态压力示数、电桥12实时采集的压力分布示数、测量环路宽度和基座30上的位移刻度示数；
以电桥12实时采集的压力分布示数减去干运转时的电桥12采集的压力分布示数作为流体力；
5、测量完成后，通过转动阀门26依次带动推进块23、工作台21和壳体10移动到适当位置，接着在主轴16上拆卸联轴器31，使得电机与主轴16分离；再拉出主轴16，前盖板11、挡油盘15、圆螺母27、止动垫片28、定位套筒29和压紧套筒32随着主轴16一同被拉出；
6、将圆螺母27和止动垫片28拆卸，更换前盖板11，更换完毕后再重新将圆螺母27和止动垫片28装上，将主轴16恢复原位，重复步骤1-5。
在图4中：s是坐标中心位置，r是旋转中心，w是r行进所沿着的旋转轨道的中心，wr＝∈是偏心率，ws＝δ是偏移量。以上参数均通过实验装置测量得到。图4左部分为前盖板11主视图，右部分是前盖板11侧视图。图4的各个量是前盖板11安装设定好的初始参数，为已知参数(常量)。基于此，开展后续实验得到相应数据。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。