泵的监测的制作方法

本公开涉及一种用于监测泵的系统和方法。该系统和方法特别但非排他地用于监测渣浆泵。

背景技术：

用于诸如矿物加工、化学、石油和天然气、发电等各种操作的泵，它们的状况不断变化。这可以是例如泵的各种部件的性能波动和/或劣化的形式。

关于性能波动，这些可能是由泵的内部变化或外部(例如环境)变化引起的。这种变化可能需要修改泵的各种操作参数，以确保泵的性能保持在合适的范围内。例如，泵处理的材料稠度的变化可能需要调节流速。

这种泵通常在高度破坏性的状况下运行，由此泵的部件可能由于例如空化而磨损或凹陷。一个部件的劣化会导致泵中的不平衡，从而导致加速劣化。

泵的性能和寿命都会直接影响运行操作的成本。如果泵出现故障，它可能导致整个处理的停工。类似地，以次优性能水平运行的泵可能会导致效率低下的处理，消耗的能量比需要的多。因此，需要监测泵的这些状况。

一种已知的方法是让操作者亲自观察泵。操作者可以查看和监听泵，并且可以对泵的参数进行各种测量。基于使用这种泵的经验，操作者可能能够提供泵的性能如何以及泵或其部件之一是否需要更换的估计。

这种监测泵的方法依赖于操作者的经验，并且可能忽略不容易由操作者测量的泵的许多操作参数。这可能会导致操作者的估计不准确。

应该理解的是，如果这里提到任何现有技术，这种引用并不构成对现有技术在澳大利亚或任何其它国家形成了本领域普通常识的一部分的承认。

技术实现要素：

公开了一种包括泵和传感器的泵系统。该泵包括限定泵室的泵壳、用于将可流动材料接收到室中的入口、用于将可流动材料从室中排出的出口、以及设置在泵室内以将泵室内的可流动材料加速的叶轮。该泵还包括在泵室的内周表面和出口的内周表面之间延伸的过渡区域，该过渡区域被配置用于将由叶轮加速的可流动材料转向到出口。振动传感器安装在泵壳上，并设置成用于检测过渡区域的振动。泵系统还包括处理器，该处理器被配置为从振动传感器接收表示过渡区域处的振动的振动数据。处理器还被配置为处理振动数据以确定(或指示)泵的磨损或性能状况。

过渡区域由于其作为可流动材料转向器的功能而特别容易磨损。例如，压差可以形成在过渡区域上，并且可以随着叶轮叶片的远端经过而波动。这可能导致流体中的压力脉冲，从而可能导致过渡区域受到损坏。可流动材料和过渡区域之间的摩擦和/或冲击(当可流动材料试图在泵室内再循环时)也可能导致磨损。过渡区域也是泵的可能特别普遍出现空化的区域。过渡区域的振动可以是整个区域的振动或者该区域的一部分的振动(诸如该区域表面的孤立振动)的形式。

除了这种磨损之外，很明显，因为在过渡区域叶轮和泵套(pumpliner)或泵壳之间存在密切的相互作用，所以过渡区域的振动可以特别指示叶轮和泵套或泵壳的状况。因此，指示过渡区域振动的振动数据可用于推断泵的磨损或性能状况。

检测或推断泵的这种状况的能力可以在不需要操作者目视检查泵或在泵附近的情况下完成。振动的变化可以用来估计泵的劣化，并且可以预测何时可能需要更换泵或泵的部件。

显而易见的是，要测量表示过渡区域振动的振动，振动传感器不必直接位于过渡区域旁边。然而，将振动传感器定位在该区域附近可以减少数据中的外部(过渡区域外部)噪声，并且可以提供更好的结果。

在一个实施例中，出口可以限定内部出口直径。振动传感器可以安装到壳体上，与过渡区域的距离小于两个出口直径。振动传感器可以安装到壳体上，与过渡区域的距离小于一个出口直径。这种定位可以确保可以测量过渡区域的振动。

在一个实施例中，振动传感器可以是加速度计。与其它传感器相比，加速度计可能相对成本效益较高且易于获得。加速度计可以是三轴加速度计或单轴加速度计。

在一个实施例中，振动传感器的感测元件可以定向成感测沿着相对于旋转轴大致径向延伸的轴的振动。这可以允许振动传感器在可流动材料流穿过过渡区域时测量可流动材料流的振荡。

在一个实施例中，振动传感器的感测元件可以定向成感测沿着相对于泵的旋转轴大致周向延伸的轴线的振动。

在一个实施例中，振动传感器可以安装到泵壳的外壁上。

在一个实施例中，振动传感器可以至少部分嵌入泵壳中。例如，振动传感器可以与壳体螺纹接合(即，通过螺纹凹槽)。

在一个实施例中，泵壳可以包括限定泵室的内部(并且可选地可拆卸的)泵套，并且传感器可以安装成至少部分嵌入泵套内。在内部泵套由弹性材料形成的情况下，振动传感器可以例如模制到泵套中。

在一个实施例中，该系统还可以包括控制器，以响应于所确定的泵的磨损或性能状况来控制泵。例如，控制器可以调节泵的操作参数，或者可以停止泵的操作。

在一个实施例中，处理器可以被配置为对振动数据执行频谱分析。处理器可以被配置成基于对与泵的叶片通过频率相对应的振动数据的选择来确定泵的磨损或性能状况。对于本领域技术人员应该显而易见的是，叶片通过频率取决于各种因素，包括叶轮的构造和叶轮的转速。在泵的操作中，当叶片通过过渡区域时，跨叶片(和过渡区域)的流体中会形成压差。这些压差会导致流体中的“脉冲”，该脉冲会表现出特定的振动特征(例如在过渡区域)。在某些情况下，过渡区域响应于该脉冲而振动。显而易见的是，随着泵的磨损或性能状况随时间变化(例如叶轮、衬套或壳体磨损)，脉冲的特性可能会变化。因此，通过选择与脉冲对齐的过渡区域振动频率(即叶片通过频率)，可以确定泵的性能或磨损状况。

在一个实施例中，处理器可以被配置为基于与泵的叶片通过频率相对应的振动数据随时间的变化来确定泵的磨损或性能状况。

在一个实施例中，处理器可以被配置为对照历史振动数据分析振动数据，以将振动数据分类为代表具有特定性能或磨损状况的泵的数据。

在一个实施例中，可以使用机器学习算法来执行分类。机器学习算法可以包括例如随机森林、逻辑回归、支持向量机和/或人工神经网络。机器学习算法可以提供一种基于大量历史数据集预测性能或磨损状况的高效方法。

还公开了一种方法，包括检测泵的至少一个区域中的振动，从测量的振动获得振动数据，该振动数据指示泵的过渡区域处的振动，并且分析该振动数据以确定(或指示)泵的磨损或性能状况。

在一个实施例中，该方法还可以包括分析振动数据的预定频率范围(或样本)以指示泵的磨损或性能状况。

在一个实施例中，频率范围通常可以对应于泵的叶片通过频率或该叶片通过频率的倍数。如上所述，叶片通过频率(以及该频率的谐波)下的振动可以指示过渡区域和/或叶轮的叶片的状况。该频率下振动幅度的变化可以指示泵的内表面(例如，在过渡区域)和/或叶轮随着时间的磨损。

在一个实施例中，频率样本可以包括一个或多个10hz宽的频带，包括叶片通过频率和/或叶片通过频率的一倍或多倍。

在一个实施例中，该方法还可以包括确定预定频率范围内的振动幅度是否超过预定阈值幅度的步骤。预定阈值幅度可以在泵之间和泵安装情况之间变化。阈值幅度可以基于历史数据(例如，先前使用该方法测量的)来设置。

在一个实施例中，该方法可以包括监测预定频率范围的幅度随时间的变化的步骤。

在一个实施例中，该方法可以包括计算振动数据样本的均方根，并确定计算的均方根是否超过预定阈值均方根值。

在一个实施例中，磨损或性能状况可以是过渡区域(即分水角(cutwater))处的磨损。

在一个实施例中，磨损或性能状况可以是泵叶轮的磨损。

在一个实施例中，磨损或性能状况可以是泵的液压状况。

在一个实施例中，可以使用加速度计来检测振动。

在一个实施例中，可以对照历史振动数据分析振动数据，以将振动数据分类为代表具有特定性能或磨损状况的泵。

在一个实施例中，可以使用机器学习算法来执行分类。

附图说明

现在将参考附图仅以示例的方式描述实施例，其中：

图1a和图1b是泵系统的俯视图和透视图；

图1c和图1d是形成图1a和图1b的泵系统的一部分的泵套的截面图和透视图；

图2是示出用于检测泵状况的方法的第一实施例的流程图；

图3是示出用于检测泵状况的方法的第二实施例的流程图；和

图4是示出泵系统测量的振动数据的图表。

图5a和图5b是示出泵系统测量的振动数据的图表。

图6a和图6b是示出泵系统测量的振动数据的图表。

具体实施方式

在下面的详细描述中，参考形成详细描述的一部分的附图。在详细描述中描述的、在附图中示出的和在权利要求中限定的说明性实施例不旨在构成限制。在不脱离所呈现的主题的精神或范围的情况下，可以使用其它实施例并且可以进行其它改变。很容易理解的是，如本文中一般描述的和附图中所示的本公开的各个方面，可以以各种不同的构造来布置、替换、组合、分离和设计，所有这些都在本公开中考虑。

首先参考图1a、图1b、图1c和图1d，泵系统100包括泵102和振动传感器104。泵102是离心(例如渣浆)泵，并且包括限定泵室108的泵壳106(特别参见图1c和图1d)、用于将可流动材料(例如渣浆)接收到室108中的入口110和用于将可流动材料从室108中排出的出口112。虽然在附图中未示出，但是泵102还包括叶轮，该叶轮设置在泵室108内并且可旋转地安装，以便在使用中将可流动材料加速(以便泵送可流动材料)。

泵壳106包括外壳114和内部泵套116(在图1a和图1b中更详细地示出)。外壳114由两个彼此固定的壳体结构118形成，以便在它们之间形成空腔。该外壳114的内表面(即，在空腔内)由泵套116衬里，使得泵套116限定泵室108。外壳114可以由例如硬金属，诸如白铸铁形成，衬套116可以由例如弹性体材料，诸如橡胶形成。

在其它形式中，泵壳可以不包括衬套(也称为无衬套泵)，而是外壳的内表面可以限定泵室。无衬套泵可能特别适用于低磨损情况——例如，可流动材料是液体或非磨蚀性固液混合物的情况。

在所示的实施例中，振动传感器104安装到泵壳106上，特别是安装在外壳114上，并且布置成用于检测泵102的过渡区域120的振动。下面将参考图1a和图1b详细描述该过渡区域120的位置。

传感器104可以是例如单轴或三轴加速度计的形式。在所示的实施例中，传感器104通过铸造到外壳114中的螺纹孔形式的安装设置安装到外壳114(形成泵壳106的一部分)的外表面上。

虽然图中未示出，但是传感器可以(通过有线或无线连接)连接到用于处理振动数据的处理器。这种有线或无线连接可以是直接的或间接的。例如，传感器可以将数据传输到安装在泵上的网络设备，网络设备又可以将数据传输到中央处理器(可以为多台机器服务)。

图1a和图1b示出了形成泵102的壳体106的一部分并衬在外壳114的内表面上的泵套116。

泵套116包括限定泵室108的泵室内周表面122、限定泵的出口112的出口内周表面124以及在泵室表面122和出口表面124之间延伸的(先前介绍的)过渡区域120。泵室表面122可具有蜗壳形状、偏置圆形形状或适于泵送可流动材料的任何其它形状。

入口126形成在泵套116的第一侧，相对的驱动轴开口128形成在泵套116的相对的第二侧。在使用中，可旋转安装的驱动轴通过驱动轴开口128被接收，并且叶轮安装到驱动轴上，以便设置在泵室108内。可流动材料通过入口126进入泵室108，并通过叶轮在泵室108内移动。由于叶轮叶片的形状，这种移动通常是可流动材料径向向外加速的形式。换句话说，使可流动材料朝向泵室表面122向外螺旋。因此，一些可流动材料可以经由出口112离开泵室108(出口112通常位于泵室108的切线方向)，同时一些可流动材料在泵室108内再循环。过渡区域120的形状和位置使得它将可流动材料(已经被叶轮加速)转向到出口112中。也就是说，过渡区域120延伸到泵室108中，使得它“切断”在泵室108内再循环的一部分可流动材料。可流动材料通过出口112的这种转向有助于使可流动材料在泵室108内的再循环最小化。

由于其转向功能，过渡区域120可能特别容易磨损。例如，过渡区域120后面的压力(在泵室108侧)可以不同于过渡区域120前面的压力(在出口112侧)。当叶轮叶片的远端经过过渡区域120时，该压差可能会波动，这可能导致流体中的压力“脉冲”，该压力“脉冲”使过渡区域振动，并可能导致对过渡区域120的损坏。过渡区域120还容易受到由空化和可流动材料对过渡区域120的冲击引起的磨损。

这种磨损和/或这种磨损对泵102的性能的影响是泵的磨损状况的例子，该磨损状况可以使用本系统(即包括振动传感器104)基于过渡区域120的振动来检测。

对本领域技术人员应该显而易见的是，因为压力脉冲是叶片通过过渡区域的结果，所以压力脉冲通常根据泵的叶片通过频率(即叶片通过叶轮旋转中给定点的频率)出现。很明显，叶片通过频率下的振动响应的变化可以指示泵的性能和/或磨损状况的变化。例如，泵在叶片通过频率下的振动响应随时间的变化可以指示泵套的磨损(例如，在过渡区域)。因为压力脉冲是由泵套(或泵的内表面)和叶轮的相互作用引起的，所以振动的这种变化也可以指示叶轮的磨损。

因此，使用来自传感器的振动数据和关于泵的叶片通过频率的信息，可以监测泵套和/或叶轮的磨损。如上所述，传感器可以与处理器通信(即直接或间接)。该处理可以被配置为执行分析，该分析将振动数据作为输入并提供泵的磨损和/或性能状况的指示。可选地或另外地，该处理可以包括磨损或性能预测(例如，以便允许在部件出现故障之前更换那些部件)。

图2示出了例如使用如上所述的系统100指示泵的总体状况的示例性方法200。方法200包括检测泵的至少一个区域中的振动202，并从测量的振动获得振动数据204。所测量的振动数据尤其指示泵的过渡区域(即，该区域将流体从泵室转向到出口)处的振动。该方法还包括分析206振动数据以指示磨损或性能。

接收到振动数据后，对振动数据进行处理206。通常，以连续方式接收204振动数据，并以实时连续方式处理206振动数据。然而，可选地，振动数据可以以预定间隔被接收204和处理206(即定期检查泵的状况)，或者可以按需处理(即手动处理)。

振动数据的处理206可以采取各种形式——例如，处理可以是确定在过渡区域处的振动的瞬时幅度。备选地，处理可以是计算振动的均方根(rms)幅度的形式(例如，在预定时间段内)。

被处理后，瞬时幅度或rms随后可以对照预定的阈值幅度(或阈值rms幅度)接受测试。如果该频率范围内测量到的振动幅度212没有超过预定阈值幅度，则指示正常状况214(即，表示泵在正常操作)。另一方面，当幅度确实超过阈值幅度时，指示磨损状况216(即，表示泵的健康状况不令人满意)。预定阈值在不同的泵类型、安装条件和各种其它因素之间是不同的。因此，预定阈值可以使用历史或实验数据来确定(例如，对于特定的泵和安装类型)。

磨损状况的指示可以是例如向控制器发出的警报信号的形式，或者向操作者显示的警报(例如显示器上的警报灯或消息等)的形式。在任一种情况下，警报都可能引起控制响应，诸如调节泵的操作参数，或者停止泵的操作。备选地，警报可以简单地提示操作者(例如亲自或通过照相机)对泵部件进行视觉检查，以考虑是否需要更换。另一方面，正常操作的指示不需要采取行动(即，直到幅度确实超过阈值幅度并产生警报)。

图3示出了用于检测泵状况的另一方法300。方法300再次包括测量振动302、获得振动数据304、处理该数据308、322以及基于数据做出确定306。作为数据处理的一部分，当前描述的方法300另外(即，相对于先前描述的实施例)包括将振动数据分解成其组成频率。例如，当前描述的方法可用于确定泵或泵叶轮中的橡胶衬套的磨损。

由振动传感器检测302(并且被接收304用于处理308、322)的振动数据通常包含一定范围的频率。在本方法中，振动数据的处理包括监测或隔离该频率范围内的预定范围或该频率范围内的频率样本。为了这样做，将从安装在泵上的振动传感器接收的振动数据分解(例如通过傅立叶变换操作)成其组成频率308。然后作为数据分析的一部分，选择或隔离这些频率的一定范围322。对于本领域技术人员显而易见的是，在实践中，对采样频率的选择取决于泵类型、安装情况、传感器位置以及待确定的性能或磨损状况等因素。来自类似泵和/或类似安装的历史数据(或实验数据)可用于提供关于该选择的信息。

如上所述，一个可能特别感兴趣的频率是泵的叶片通过频率。在所示的方法300中，所选择的频率范围对应于泵的叶片通过频率，但是在其它实施例中，根据期望的结果，可以选择不同的频率范围。如上所述，叶轮叶片穿过过渡区域会产生脉冲，从而引起过渡区域的振动。随着过渡区域和/或叶轮磨损，由叶轮叶片通过引起的过渡区域的振动发生变化。换句话说，叶轮和/或泵套磨损与叶片通过频率下的过渡区域振动幅度之间可能存在关系。因此，监测叶片通过频率下过渡区域的振动幅度可以有助于检测叶轮和/或泵套的磨损(例如，在过渡区域，它特别容易磨损)。

对本领域技术人员应该显而易见的是，叶片通过频率取决于叶轮的构造和叶轮的转速。因此，为了精确选择叶片通过频率，作为处理的一部分，测量318驱动轴(驱动叶轮)的转速。该测量值使用叶轮的已知尺寸被转换成叶片通过频率320，然后可用于隔离适当的振动数据(在其使用傅立叶变换(例如fft)被处理之后)。

在本方法中，不是只隔离叶片通过频率，而是选择包含叶片通过频率的频率范围322。这确保了高于和低于叶片通过频率(但接近叶片通过频率)的振动也被捕获。为了监测磨损状况，确定选定频率范围内的(最大)振动幅度322。备选地，可以确定选定频率范围内振动幅度的均方根(rms)。在任一情况下，可以将确定的值与预定阈值进行比较312，以便指示泵的正常状况314或磨损状况316。然而，在一些情况下，仅仅瞬时振动数据可能不足以提供关于泵磨损的期望信息。在这种情况下，可改为使用振动数据的趋势确定泵是否在正常状况下操作，或者泵的一个或多个部件是否磨损。例如，可以在接收到振动数据时存储该数据，并且可以将新数据与现有数据进行比较，以确定振动数据是否随时间发生变化。各种变化可指示泵的性能或磨损状况。

如前所述，根据所选择的频率和传感器的位置，所指示的磨损状况可以是例如泵套的磨损(诸如在过渡区域)、叶轮的磨损或泵的各种其它部件的磨损。正如将在下面的“示例”部分中进一步描述的，很明显，过渡区域的振动强度(即幅度)可以与泵套的磨损相关。这样，上述方法可用于确定泵套的磨损。

上述方法300也可以被修改以提供泵的其它各种部件磨损的指示。例如，很明显，在一些泵中，振动叶片通过频率、叶片通过频率的倍数(即谐波)和叶轮磨损之间存在关系。这种关系可能在很大程度上取决于传感器位置和泵的类型，并且对照预定阈值的测试(如上所述)可能不是确定泵的部件是否磨损的最有效方式。相反，可以将振动特征(即，分解成其频率的振动数据)与历史振动特征数据库进行比较，以便将振动特征分类为指示特定磨损状况或正常操作状况的振动特征。

这个分类处理可以通过机器学习算法(例如随机森林、逻辑回归、支持向量机、人工神经网络等)来执行。例如，机器学习算法可以在一组历史泵数据(例如，使用上述方法和系统收集的)上训练，该组历史泵数据包括过渡区域振动数据特征，以及可选地，关于泵和安装类型的信息。机器学习算法可以是有监督的(即，通过除了特征还提供已知的磨损状况)或无监督的。然后，该算法可以基于接收到的振动特征预测泵的磨损状况(或性能状况)。

上述方法可以由与系统的一个或多个传感器通信的处理器来执行。在这方面，从传感器接收的数据和通过转换该数据产生的数据可以由与处理器通信(例如，通过通信总线)的存储器存储。处理器可以与控制系统接口连接，控制系统可以以适当的方式响应泵的状况的指示。备选地或另外地，处理器可以与诸如显示器或警示灯之类的i/o设备通信，以便向操作者指示泵的状况。

实验数据

示例1

图4提供了振动数据的示例，该振动数据指示离心泵的过渡区域的振动。该数据是使用安装在靠近过渡区域(例如，在过渡区域的两个出口直径内)的离心渣浆泵外壳上的振动传感器产生的。特别是，振动传感器通过中间磁性安装板安装到泵的外壳上。安装板通过粘合剂固定到表面上，传感器通过磁引力可拆卸地安装到安装板上。

从该振动数据可以明显看出，随着泵的操作时间的推移，约为1000hz的频率下的振动强度增加。1000hz附近频率下的振动强度也随着时间的推移而增加。这通常对应于泵随时间的磨损。因此，监测该数据可以使得能够指示泵的状况，并且可以允许估计何时需要更换泵或泵的部件。

示例2

图5a和图5b示出了金属衬里离心泵的振动特征。与上述数据类似，该数据是使用安装在靠近过渡区域(例如，在过渡区域的两个出口直径内)的金属衬里离心渣浆泵外壳上的振动传感器产生的。特别是，采用单轴加速度计形式的振动传感器通过中间磁性安装板安装到泵的外壳上。安装板通过粘合剂固定到表面上，传感器通过磁引力可拆卸地安装到安装板上。

使用fft分析处理从加速度计接收的振动数据，以便将振动信号分成其组成频率(即，以便提供振动特征)。图5a所示的振动特征取自泵中的叶轮最近被更换的时间点(即叶轮被认为是“新”叶轮)。图5b中所示的振动特征取自泵中的叶轮接近其使用寿命终点的时间点(即叶轮严重磨损，被认为是“旧”叶轮)。

从图中可以明显看出，“新”叶轮的振动特征包括泵的叶片通过频率(约180hz)或基频附近的振动，以及基频的二次谐波(即叶片通过频率的两倍频率)附近的振动。

“旧”叶轮的振动特征还包括泵的叶片通过频率(大约180hz)附近的振动，以及基频的二次谐波附近的振动。然而，在这个振动特征中，叶片通过频率下的振动幅度显著增加。二次谐波频率下的振动特征没有显著增加。

因此，基频(单独)可用于确定泵叶轮的磨损，或者可以使用基频与二次谐波频率的比值。响应于图示的结果，可以更换泵的叶轮以避免泵的灾难性故障和/或避免有害的性能问题。

示例3

图6a和图6b示出了金属衬里离心泵的进一步的振动特征。使用安装在金属衬里离心渣浆泵外壳上的振动传感器再次产生该数据，但是该振动传感器位于壳体上比图5a和图5b所示数据使用的位置离过渡区域更远的位置。振动传感器也是单轴加速度计的形式，通过中间磁性安装板安装到泵的外壳上。安装板通过粘合剂固定到表面上，传感器通过磁引力可拆卸地安装到安装板上。

与前面描述的振动特征不同，在当前描述的图中，振动特征的基频幅度在新叶轮和旧叶轮之间没有显著变化。然而，从新叶轮到旧叶轮，基频二次谐波的幅度显著增加。这一结果表明，基频和基频谐波都可以提供叶轮磨损的指示。

在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对先前描述的部分进行变化和修改。

例如，传感器安装到泵上的方式可以是不同的。例如，磁性安装板可以固定到泵上，并且传感器可以可拆卸地固定到磁性安装板上。

类似地，该系统可以利用多个传感器，并且来自这些传感器的振动数据可以被组合以提供泵状况的任何指示。

在随后的权利要求中以及在本发明的前面的描述中，除了上下文由于表达语言或必要的含义而另外要求的情况之外，词语“包括”或诸如“包括着”或“包括了”之类的变体在包含意义上使用，即指定所述特征的存在，但不排除在本发明的各种实施例中进一步的特征的存在或添加。