离心泵轴向力测试系统的设计

1 前言

随着生产装置大型化、高速化的发展趋势，离心泵作为关键的能量转化装置和流体输送动设备，广泛应用于电力、石化、供水、船舰、水利、航天等技术领域［1～3］。设计时要综合考虑其可靠性、水力性能、效率等技术指标。而轴向力的大小及变化情况是影响泵组可靠运行的重要因素，如果轴向力过大，不能得到较好的平衡，可能会导致轴承发热、烧毁、动静件摩擦、主轴断裂等事故，甚至危及工作人员安全。

国内外专家及学者对泵轴向力进行了多方面的研究，诸如李伟等给出了不同型式叶轮的轴向力理论计算方法和经验公式，以及不同结构离心泵的轴向力平衡方法，并提出了一种新型轴向力平衡装置［4］；马旭丹等设计了一种用于节段式多级离心泵的新型平衡装置，并分析了不同轴向间隙、径向间隙以及滑动轴承长径比条件下的轴向力平衡特性［5］。而这些计算和平衡轴向力的方法存在一定的局限性，针对采用叶轮对称布置的自平衡离心泵结构，轴向力理论值为零，但由于加工装配误差，流道铸造偏差，螺旋密封的反推力，密封环磨损引起的不平衡等因素致使其存在较大的轴向力，这种情况下的轴向力难以通过理论法和经验法计算得出，仅能依靠试验法进行实际测量，因此，对离心泵轴向力测试的研究，有利于合理的设计轴向力平衡装置、选用轴向推力轴承以及选择冷却方式，对提高产品可靠性，降低成本，具有重要的价值。

综合国内外轴向力测试方法，基本可分为直接法和间接法两大类。直接测量法需要对泵的结构进行改造，会影响泵的性能，装置结构复杂，成本较高；间接测量法广泛应用于先进的测试技术，可以借助计算机等工具，提高测试的准确性和合理性［6～8］。目前，对于间接法测试的研究主要集中在应变片布置、弹性元件的设计以及在轴末端安装传感器等方法，并取得了丰富的成果，如卢静等人通过改变泵轴结构，设计了筒形测力弹性元件间接测量轴向力［9］，冀秀彦等设计了环状测力弹性元件内置于离心泵轴承两端间接测量轴向力［10］，而针对多级自平衡离心泵轴向力研究工作相对颇少。本文针对大型多级自平衡离心泵结构，设计一套通过粘贴应变片法间接测试轴向力系统，为平衡装置合理设计、轴承选型、轴向力理论计算等方面提供指导意义。

2 轴向力测试原理

该测试系统是在离心泵非驱动端推力轴承的两侧内置粘贴有应变片的轴测力弹性元件如图1所示，与西格马SRSS3-1应力在线监测仪组成测量系统。泵组在运转过程中产生轴向力致使弹性元件变形，进而引起电路系统电压信号变化，经过应力在线监测仪内部放大处理、A/D转换及MCU处理转化为应变信号，而后通过应变信号从轴向力测试前已完成的弹性元件标定曲线中查取相对应的力信号，即所测得的轴向力值。

图1 轴向力测试原理

3 弹性元件结构优化设计

弹性元件是轴向力测试系统的关键部件，良好的稳定性和灵敏度是保证测量结果的真实性和准确性的重要前提条件。本文基于多级自平衡离心泵轴承体结构，设计如图2所示环状弹性元件，测力范围为0～30000 N，轴向长度为20 mm，3个施力面，弹性元件厚度δ1，施力面角度，支撑面、施力面厚度.通过有限元法对其结构进行仿真计算，选取测力最大值F=30000 N，平均加载于3个施力面，计算最大等效应力应变，确定是否满足材料屈服强度极限要求，同时取如图2所示取值路径处（粘贴工作应变片）的等效应变值，定义灵敏度Se计算公式Se=εe / F，计算相应结构的灵敏度。

图2 轴向力测试弹性元件结构

正交试验是研究具有多因素多水平试验，筛选最优组合的一种高效、快速、经济的试验设计方法［11］。因此，采用正交试验方法对影响弹性元件测试精度和准确性的3个关键因素δ1，δ2，θ进行对比讨论，提出弹性元件的最佳结构尺寸。因素水平见表1。

表1 因素水平

此试验为4指标的试验设计，使用综合评分法对试验进行分析，综合评分是先根据各项指标的重要程度分别给予加权，然后将4指标转换成单一综合指标再进行计算分析。当弹性元件具有最大等效应力应变时，分别给予σ，ε，εe，Se，4 个指标权值为 W1=2、W2=-4、W3=1、W4=3。由表2中明显看出，各项指标量级不相同，取C1=0.001，C2=0.001，C3=0.001，C4=100，用直接加权法：

各多指标综合评分结果见表3。

表2 试验方案及结果分析

表3 多指标结果分析

由表3可以看出，因素主次顺序为ACB，最优弹性元件的结构组合为A1B2C2，即当测力弹性元件厚度δ1为5 mm，支撑面与施力面厚度δ2为6 mm，施力面角度θ为40°时具有最优的性能。

由于材料35CrMoV抗拉强度为1080 MPa，屈服强度为930 MPa，满足最终优选方案强度要求，故选用35CrMoV作为测力弹性元件材料。

4 测力弹性元件标定

本文研究弹性元件的静态标定，设计如图3所示标定试验装置，加载载荷由BK-IB型传感器控制，该装置具有较好的局部光滑度以及在承受30000 N的载荷下形变量极小，并且选用球面垫圈、锥面垫圈及球面螺母保证其具有较好的同心度，减小试验误差。同时由于弹性元件内置于泵转子轴承体腔内，工作环境温度高，对测量电路系统具有较大的影响，为了消除此附加误差，将工作应变片与补偿应变片处于同一温度场，采用一对一线路补偿系统。

图3 标定装置

将贴有应变片的弹性元件进行防水防油处理，安装于标定试验装置中，通过BK-IB型传感器控制加载于螺母上的载荷力，同时为了便于轴向力测试过程一次完成，减少泵组启动次数，分别将电阻工作应变片和温度补偿片串联接入应力检测仪构成单通道信号输入电桥，进行多次标定试验，标定试验结果如图4所示，其中BD1-1表示测力弹性元件1第一次标定，BD1-2表示测力弹性元件1第二次标定，BD2-1表示测力弹性元件2次第一次标定，BD2-2表示测力弹性元件2第二次标定，BDQX表示多次标定试验数据多项式拟合曲线，即弹性元件最终标定曲线。

图4 弹性元件F-ε标定曲线

从图4中能够看出，标定曲线具有较好的复现性，但线性度不良，这主要是由于弹性元件的结构类似于蝶形弹簧，其承受载荷与变形量间呈非线性特征关系［12］；其次，由于材料的不均匀性，会产生非线性误差，除此之外，还受到以下3种因素的影响，导致标定曲线出现一定的非线性误差现象。

（1）在标定过程中，与弹性元件的施力面和受力面接触的夹具虽然经过了精细的处理，但是夹具的接触表面不能达到理想的水平和光滑，所以在加载的过程中，会造成弹性元件与夹具的不平衡，无法均匀受力。

（2）与弹性元件接触的2个夹具和弹性元件同心度不良，造成加载偏心，致使弹性元件受力不均匀和出现非线性误差。

（3）在控制扳手加载载荷大小时，由于惯性力的存在，无法精确均匀地控制加载载荷力的大小，导致测力传感器位移量存在误差。

5 轴向力测试结果

将标定合格的2个测力弹性元件分别装配于泵组后轴承体内，与标定试验过程相同电路连接方式与应力在线检测仪连接，泵启动前调试仪器，进行信号清零处理，启动后，通过调节流量阀依次进行变工况轴向力测试，待信号稳定后读取应变值，进而从标定拟合曲线中查取相对应的轴向力值。本文给出了其中某自平衡离心泵轴向力变工况测试结果（工作转速2980 r/min），见表4。

表4 某多级自平衡离心泵机组轴向力测试结果

由表4可知，该多级自平衡离心泵机组由于转子涡动及轴向振动导致其产生朝泵驱动端方向较小的轴向力，且随工况条件变化不明显；由于制造、加工、装配等误差导致其产生朝泵非驱动端方向较大的轴向力，且随工况条件变化明显，其中最大值为4780.5 N。该泵组长期由于泵非驱动端外侧推力轴承发热、摩擦损坏而经常停车，借本次轴向力测试结果，对该泵节流衬套等部件进行了相关处理，减小轴向力，经过长期运行检测，消除了前述问题，验证了该轴向力测试试验具有较高的实用性。

6 结语

（1）基于正交试验和有限元法提出了轴向力测试弹性元件的最优结构，并合理的对测试电路系统进行了温度补偿，减小了测试误差，提高了测试系统的精确性。

（2）通过设计标定试验装置对其进行标定试验，给出了弹性元件静态标定曲线，同时，通过多级自平衡离心泵轴向力测试及分析，指出了该测试系统具有一定的稳定性和适用性。