矿用离心泵在线加速寿命试验平台及其试验方法与流程

本发明涉及一种在线式离心泵试验平台及其试验方法，尤其一种用于在线测量的离心泵加速寿命试验平台及其试验方法。

背景技术：

离心泵是一种广泛应用于工业领域排水的旋转机械设备，其在电力、矿山、化工、农业等多个行业都具有着重要的地位。离心泵在输送流体介质时，由于受到介质中颗粒杂质的冲蚀，其叶片会出现一定程度的磨损，最终导致离心泵的失效。为了降低离心泵意外失效带来的经济损失和安全隐患，需要建立离心泵状态维修系统。实现离心泵状态维修的基础是掌握其故障规律、了解其失效时的特征参量，从而才能预测其失效时间并评估其有效剩余寿命。但是，目前离心泵失效时的故障数据并不全面，多数离心泵故障发展迅速，且工作现场设备监测参量较少并不能全面反应故障特征；实验室人工故障特征又不完全符合自然故障发展规律，与实际离心泵失效过程有一定差异，而且人工故障点较为离散，不具备连续的故障特征。目前迫切需要针对离心泵叶轮磨损故障，加速离心泵寿命失效过程，全程监测其流量、压力、振动和电流等多种信号，获取其全寿命故障信息，为后续的特征量提取和寿命管理算法的研究奠定基础。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种矿用离心泵在线加速寿命试验平台及其试验方法，用于离心泵失效老化试验，获取离心泵失效故障传感信息，为离心泵的故障诊断和寿命评估提供数据支持。

实现本发明目的的的技术方案如下。

一种矿用离心泵在线加速寿命试验平台，其特征在于：所述离心泵加速寿命试验平台是由双循环测量隔离管路结构配以监测监控系统构成；

所述双循环测量隔离管路结构，包括离心泵、砂水箱、清水箱、正压计、负压计、流量计和阀门；其中：

离心泵是通过阀门Ⅲ与砂水箱连通抽取砂水箱中的泥沙水，并经过阀门V4和阀门V5将泥沙水送入砂水箱构成加速寿命循环管路；

离心泵是通过阀门V1与清水箱连通抽取清水箱中的清水，并经过阀门V2、流量计和阀门V5将清水送入清水箱构成测量循环管路；

正压计安装于离心泵的出水口，负压计安装于离心泵的入水口；正压计、负压计和流量计用于加速寿命平台循环清水时，测量离心泵压力和流量水力参数；

所述监测监控系统，包括转速表、电流互感器、电压互感器、加速度传感器、低频数据采集器、高频数据采集器、现场控制器、显示操作屏和控制计算机；其中：

低频数据采集器与正压计、负压计、流量计和转速表连接，采集离心泵加速寿命过程中的低频数据信号；高频数据采集器与电流互感器、电压互感器和加速度传感器连接，采集离心泵运行过程中的电流、电压和振动信号；现场控制器与阀门V1~V5和离心泵连接控制离心泵的启停和阀门开关；显示操作屏与低频数据采集器、高频数据采集器和加速度传感器连接显示采集数据和离心泵及阀门动作情况；控制计算机与低频数据采集器、高频数据采集器和加速度传感器连接，远程显示离心泵运行工况，实现远程监控，并存储所采集的数据。

在上述技术方案中，进一步的技术特征如下。

所述流量计是设置于凹型管道的最低水平管道上，且凹型管道是5倍或者是7倍于直通管道。

所述砂水箱的砂水成分为石英砂，石英砂粒径为2~4目，砂水混合比为1：2。

所述控制计算机是以太网与现场控制器和数据采集器连接，实时显示数据采集单元传输的传感器数据，并存储于电脑硬盘中，同时远程发送操作命令给现场控制器，执行远程操作。

所述现场控制器是PLC可编程器件的一种，执行按钮发出的指令，并根据管路情况，自动切换管路、开关阀门，同时采集低频传感器数据，通过以太网上传给控制计算机。

所述低频数据采集器和高频数据采集器的核心器件为采集卡或PLC具有数据采集能力的器件，高频数据采集器的采样频率至少为10kHz。

所述现场控制器包括离心泵启停按钮、管路切换按钮、总出口调节阀开度调节旋钮、测量按钮和报警蜂鸣器；其中，测量按钮是自动操作总出口调节阀开度，并记录实时流量和压力，并传输给控制计算机拟合出离心泵的实时特性曲线；现场控制器根据传感器信息判读当前离心泵是否正常工作，通过蜂鸣器报警。

一种用于上述所提供的一种矿用离心泵在线加速寿命试验平台的试验方法，所述试验方法中的加速寿命试验循环管路中的砂水箱内为砂水混合流体，用来加速离心泵磨损；测量循环管路中的清水箱内的介质为清水，用来测量离心泵的水力性能，当加速离心泵寿命时，通过阀门控制，使介质其在砂水箱自循环流动；当测量离心泵性能时，控制阀门，切换管路，使用清水箱中的清水实现水力性能测试。

其中，所述试验方法中当测量离心泵特性曲线时，阀门V1和阀门V2打开，阀门V3和阀门V4关闭；加速寿命试验平台运行在“测量循环管路”上，循环清水箱内的清水；通过调节阀门V5的开度，测出一系列P2、P1和Q，根据公式绘制出离心泵的特性曲线；

当对离心泵进行加速失效时，阀门V1和阀门V2关闭，阀门V3和阀门V4打开；加速寿命试验平台运行在“加速寿命试验循环管路”上，循环砂水箱内的砂水混合流体，通过砂水箱中含砂水对离心泵的冲蚀，加速离心泵的失效过程。

本发明上述技术方案与现有技术对比，具有如下的优点与积极效果。

本发明的主要目的在于加速离心泵的失效过程，同时测得离心泵在失效过程中各个阶段的特性曲线和工况信息，现有技术中的试验平台或装置主要是对离心泵的初始特性曲线进行测试和记录，或者主要测试离心泵的水力性能，并没有涉及离心泵加速失效或加速寿命研究，本发明既可以测试离心泵的初始特性曲线，同时又可以加速离心泵的失效过程，测得其在不同阶段的特性曲线，从而获得离心泵失效过程中的健康数据。

本发明采用双循环测量隔离管路结构，加速管路与测量管路相互独立，同时又都与离心泵连接，使得在加速离心泵失效过程的同时，在线测量离心泵的特性曲线和工况信息，防止加速砂水对传感器造成冲蚀，同时也防止含砂水在流量计弯管段堵塞管路。

本发明在试验过程中采集全面的传感数据，不仅包括测量特性曲线必备流量、正压、负压和转速，还包括振动数据、电压和电流数据，其中电压和电流不仅仅是采集其有效值，而是使用高速采集卡采集三相电压和三相电流的波形，分析离心泵的电能质量，存储离心泵在失效过程中，电能质量的变化数据。

本发明具有现场控制，并通过手动控制按钮现场控制离心泵的启停、管路切换和阀门开度等操作，同时现场控制器上具有人机界面，可以实时显示离心泵当前的工况信息，现场控制器采样PLC作为主控单元，可以根据传感信息，自动切换管路、启停水泵，当出现意外情况时可通过蜂鸣器报警。

本发明数据采集单元采用PLC与采集卡结合的方案，将传感器信号分为低频信号和高频信号，使用不同的元件采集数据，保证采集数据的精度，降低数据采集单元的成本。

本发明现场控制器与控制计算机通过以太网连接，将数据采集单元采集的数据上传给控制计算机显示存储，控制计算机可以通过以太网实时显示离心泵工况，并可以远程操作试验平台，不需要试验人员在现场实时监测离心泵运行状态，有效改善试验管理模式，降低试验人员工作强度，提高试验工作效率。

本发明控制计算机根据数据采集单元采集回的传感器信息，绘制出特性曲线，并拟合出离心泵特性曲线方程，并给出特性曲线方程的置信区间，现有技术中多数能绘制出离心泵的特性曲线方程，但并不能给出其数据的置信区间，本发明可以实现显示当前离心泵的特性曲线和对应的置信区间，供试验人员判断当前离心泵工况数据的可靠性。

附图说明

图1是本发明矿用离心泵加速寿命试验平结构示意图。

图2是本发明离心泵加速寿命试验流程图。

图中：1：离心泵；2：砂水箱；3：清水箱；4：正压计；5：负压计；6：流量计；7：转速表；8：电流互感器；9：电压互感器；10：加速度传感器；11：低频数据采集器；12：高频数据采集器；13：现场控制器；14：显示操作屏；15：控制计算机。

阀门V1；阀门V2；阀门V3；阀门V4；调节阀门V5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明，所述领域的技术人员在阅读了本具体实施例后，能够实现本发明所述的技术方案，同时也能够体现本发明所述的优点与积极效果。

如附图1所示，实施本发明上述所提供的一种在线式离心泵加速寿命试验平台，系统的试验管路部分采用双循环测量隔离管路结构，包括主管路、加速寿命管理和测量管路。

加速寿命管路由砂水箱2、砂水箱入口阀V4、砂水箱出口阀V3组成；测量管路由清水箱3，清水箱入口阀V2，清水箱出口阀V1和流量计组成；主管路由离心泵、正压计、负压计和出口总调节阀组成。加速寿命管路与测量管路均匀主管路连接，通过阀门切换不同的循环管路。砂水箱内装有1：2的石英砂与水的混合介质，加速寿命管路在其管路中无凹陷弯曲管路，避免砂水混合介质沉积堵塞管道。测量管路中流量计位于管路凹陷段，其前后各有7倍与5倍于管道直径的直管，保证流量计测量准确。为了防止流量计受到含砂水可能造成的磨损，选用非接触式的电磁流量计测量管路流量。

当测量离心泵特性曲线时，阀门V1、V2打开，V3、V4关闭。加速寿命试验平台运行在“测量循环管路”上，循环清水箱T1内的清水。通过调节V5的开度，测出一系列P2、P1和Q，根据如下公式绘制出离心泵特性曲线；

式中，ρ为流体密度，kg/m³；h₀为压力计与负压计高度差，m；P₂、P₁分别为泵进、出口的压强，Pa；u₂、u₁分别为泵进、出口的流速，m/s；因离心泵的两截面管路很短，流速平方差很小，故可忽略。

当对离心泵进行加速失效时，阀门V1、V2关闭，V3、V4打开，加速寿命试验平台运行在“加速寿命试验循环管路”上，循环砂水箱（2）内的砂水混合流体，通过砂水箱中含砂水对离心泵的冲蚀，加速离心泵失效过程。

通过双循环测量隔离的方法，使得每次测量的管道和传感器情况保持不变，只有离心泵和加速磨损管路受到磨损，从而确保了精度，也防止了弯管段管路存在，造成的管路堵塞。

如附图1所示，本离心泵寿命加速平台采用二级网络结构，以PLC和高速采集卡为核心，现场控制器、人机界面、压力计、流量计、调节阀和转速表均与PLC连接，PLC主要实现现场控制器的控制，和低频传感器的信息的采集，采集卡与加速度传感器、三相霍尔电压传感器和三相霍尔电流传感器相连，本实施方式中PLC采用西门子S7-200型PLC，采集卡选用NI公司的NI 9234型高速采集卡，PLC与采集卡通过以太网与控制计算机连接，控制计算机可以存储其上传的实时离心泵健康数据，同时可以远程发布试验平台操作命令，本实施方式中控制计算机软件以NI公司的LabVIEW为平台开发，人机界面与PLC通过RS-485串口连接，实时现场显示离心泵当前健康情况，本发明所述试验平台监测监控系统根据以上配置主要完成以下功能：

1）能可靠采集压力、流量等低频大滞后信号，实现离心泵特性曲线测绘；

2）可定期采集振动、电流和电压等高频信号，满足采样频率要求；

3）可实现水泵自动启停、阀门开度控制、管路切换等操作的自动控制，自动定期控制相关阀门完成特性曲线逐点测量；

4）具备漏液报警、水泵急停等功能，实现就地声光报警，并可以通过控制计算机远程报警；

5）能够自动拟合采集数据的曲线，实时显示离心泵的特性曲线；

6）人机交互界面友好，方便试验操作，并配备强大的数据库功能， 可以存储离心泵失效过程中的全部工况数据；

如附图2所示，本发明上述所提供的一种离心泵加速寿命试验平台试验方法如下：

1）测定离心泵寿命指标初始参数，在进行离心泵加速寿命试验之前，应先测量健康状态下离心泵的各项寿命指标，包括：离心泵特性曲线、运行转速、初始振动频谱和供电电能质量。

2）设定初始磨损时间间隔t，本发明为在线式离心泵加速寿命试验平台，在加速寿命试验时需要将传感器隔离，待到加速一定时间再次测试离心泵特性曲线和寿命相关数据，所以，应设置加速寿命时间和测试时间间隔t。

3）根据初始设定，进行离心泵加速寿命试验，加速寿命时间根据初始间隔t而定。

4）测定叶轮质量，叶轮的磨损难以用体积和形状来衡量，所以本发明提供使用测定质量来判断叶轮磨损程度。

5）完成当前叶轮磨损程度后，应进行其离心泵健康性能测试，形成当前健康数据与叶轮磨损的对应关系。

6）根据测得的健康数据，判断当前离心泵是否达到失效指标，若离心泵已经达到失效指标，则停止试验并分析离心泵失效过程；若没有达到失效指标，则计算每次健康数据变化的差异，根据差异决定下一次加速寿命的加速时间间隔t，然后重新加速失效，直到离心泵失效。