排水泵组件和用于控制排水泵的方法与流程

本发明总体涉及泵领域，该泵设置成泵送包含固体物质的液体。而且，本发明特别涉及排水泵组件的领域，该排水泵组件特别设置成用于泵送包括砂和石头材料的液体，例如在采矿/隧道应用中的钻井水或在建筑工地的地表水，即脱水应用。排水/脱水泵包括驱动单元，该驱动单元有电马达和驱动轴，并包括具有叶轮的液压单元，该叶轮通过所述驱动轴而与所述电马达操作连接。排水泵设置成在可变的操作速度(rpm)下操作。本发明还涉及一种用于控制这种排水泵的方法。

背景技术：

在矿井、隧道、采石场、建筑工地等应用中，几乎总是需要除去多余的水，以便保证在工作现场的足够干燥环境。在采矿/隧道/采石场应用中，当在爆破前准备装药时使用大量的钻井水，在爆破后也使用水来防止粉尘扩散，当不除去生产用水时，至少爆破位置和矿井下部部分将被淹没。地表水和地下水也将累积，从而积聚要除去的多余水。通常使用排水/脱水泵来提升水离开矿井至位于地上的沉降池，水从矿井的下部部分逐步提升至位于矿井不同深度的不同盆形部/凹坑。各步/提升可以是例如沿竖直方向在25-50米的范围内，且在各步/提升中的出口导管的长度(即输送距离)可以例如在100-300米的范围内。在采矿应用中，大量的砂和石头材料悬浮在水中，在某些应用中达到10％。

通常，现场管理和在工作现场的处理需要恒定的低液面高度，因此即使在空腔/盆形部中只有很少的水，排水泵也恒定操作。因此，在很多应用中，不管是否泵送水，排水泵都恒定操作。排水泵的恒定操作可能损坏排水泵和导致过多能量消耗。当没有水或几乎没有水流入容纳排水泵的空腔时，排水泵将开始加热水，即称为沸腾的操作模式。在沸腾过程中，排水泵和水的升高温度对密封件特别有害，最终所有水都将蒸发。高操作速度和鼾响的结合加速泵的磨损，并显著缩短排水泵的使用寿命。

在其它应用中，排水泵以开/关方式来操作，即，当在容纳排水泵的特定盆形部中的水位较低时停止，例如，当排水泵鼾响时该排水泵停止。当空气和水的混合物吸入排水泵时，该排水泵鼾响。当排水泵不能执行任何正负载时(即鼾响时)，排水泵停止，以便减少能量的使用。不过，一个很大的缺点是要知道何时重新起动泵，且排水泵的重新起动涉及初始功率峰值。

发明目的

本发明的目的是消除先前已知的排水泵的上述缺点和不足，并提供一种改进的排水泵。本发明的主要目的是提供一种改进的初始定义类型的排水泵，该排水泵设置成在显著减少排水泵磨损的操作模式中操作，同时保证在空腔/盆形部中的低液面高度。本发明的另一目的是提供一种排水泵，该排水泵设置成在降低能量消耗的操作模式中操作。

技术实现要素：

根据本发明，至少主要目的通过具有在独立权利要求中确定的特征的、初始定义的排水泵组件和方法来实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中进一步确定。

根据本发明的第一方面，提供了一种初始定义类型的方法，其特征在于以下步骤：在正操作速度下连续操作排水泵，叶轮通过沿正旋转方向的所述电马达来驱动旋转；在等于预定怠速操作速度(opidle)的操作速度下默认操作排水泵；以及周期性地使得排水泵的操作速度从怠速操作速度(opidle)提高至预定鼾响检测阈值(opdetect)，并检测排水泵是否在鼾响检测阈值(opdetect)下鼾响。当在鼾响检测阈值(opdetect)下检测到鼾响时，排水泵的操作速度降低至怠速操作速度(opidle)，从而恢复排水泵在怠速操作速度(opidle)下的默认操作，而当在鼾响检测阈值(opdetect)下没有检测到鼾响时，继续逐步变化排水泵的操作速度，并在各新的操作速度下检测排水泵是否鼾响，其中，操作速度的逐步变化包括：每次没有检测到鼾响时将操作速度提高一个步长，最多直到预定的最大操作速度(opmax)；且每次检测到鼾响时将操作速度降低一个步长，最多降至怠速操作速度(opidle)，从而恢复排水泵在怠速操作速度(opidle)下的默认操作。

根据本发明的第二方面，提供了一种排水泵组件，该排水泵组件包括排水泵和控制单元，该控制单元设置成执行本发明方法的步骤。

因此，本发明基于这样的见解：考虑可用的液体/水量，使用鼾响检测结合智能驱动器来使得排水泵的操作速度变得尽可能低，因此排水泵将更少磨损，且能量消耗将降低。

根据本发明的优选实施例，鼾响检测阈值(opdetect)等于或高于预定的最小操作速度(opmin)，排水泵设置成在等于或高于最小操作速度(opmin)的操作速度下输送液体，即能够执行正负载。因此将快速检测排水泵是否鼾响。

根据本发明的优选实施例，排水泵在每次使得操作速度降低至怠速操作速度(opidle)时将在怠速操作速度(opidle)下操作等于或大于5秒以及等于或小于60秒。在增加水流入量之间的时间可能变化，可能是数分钟或几小时，但是当水流入量开始增加时，排水泵必须快速反应，几乎是立即反应。

根据本发明的优选实施例，在操作速度逐步变化的过程中检测排水泵是否鼾响的步骤在从操作速度开始降低或提高的时间起的1秒时或之后以及在从操作速度开始降低或提高的时间起的10秒内执行。在该范围内的较短时间使得排水泵的叶轮随着速度变化而有时间在执行新的鼾响检测之前达到新的操作速度，但是排水泵可能没有达到稳定状态。操作速度的各个变化都通过倾斜增加或降低来实现，以便防止水锤现象。需要更长时间来使得排水泵在执行新的鼾响检测之前达到新的稳定状态，以便滤除错误的鼾响检测。不过，太长时间导致液面高度可能升高太多，和/或在新操作速度下鼾响操作的时间将导致增加磨损。

根据本发明的优选实施例，排水泵的怠速操作速度(opidle)等于或高于1(rpm)以及等于或低于100(rpm)。尽可能低的怠速操作速度将进一步降低排水泵的磨损和进一步降低能量消耗。

根据优选实施例，排水泵的电马达与控制单元操作连接，且最优选是，所述控制单元集成至排水泵中。这意味着排水泵只需要通过电缆而与电源连接，且对于控制，排水泵是自主的。

通过其它从属权利要求以及下面对优选实施例的详细说明，将清楚本发明的其它优点和特征。

附图说明

通过下面结合附图对优选实施例的详细说明，可以更清楚地理解本发明的上述和其它特征和优点，附图中：

图1是位于矿井中的本发明排水泵的示意图；以及

图2是本发明方法的示意流程图。

具体实施方式

具体地说，本发明涉及排水泵领域，该排水泵特别设置成用于泵送包含固体物质的液体，例如包含砂和石头材料的水。排水泵的等效术语是脱水泵。

参考图1，图中公开了排水泵组件的示意实施例，总体表示为1。排水泵组件1包括排水泵2和出口导管3，该出口导管3与排水泵2可释放地连接。排水泵2优选是离心泵类型。

本发明的排水泵2包括进口4、泵壳体5和泵出口6。此外，排水泵2以普通方式包括具有泵腔室/蜗壳(未公开)的液压单元，并包括驱动单元。该驱动单元和泵腔室布置在泵壳体5中。驱动单元包括布置在液密泵壳体5中的电马达7和从电马达7伸出的驱动轴8。液压单元包括叶轮9，该叶轮9布置在泵腔室中，并在排水泵2的操作过程中与驱动轴8连接和由该驱动轴8来驱动旋转，其中，当排水泵2起动时，液体吸入所述进口4中，并泵出所述出口6。泵壳体5和叶轮9以及其它基本部件优选是由金属制成，例如铝和钢。电马达7通过从电源伸出的电力电缆来供电，且排水泵2包括穿过接收电力电缆的液密引线。根据替代实施例，驱动单元包括内燃发动机和合适的齿轮箱装置，其中，驱动轴由内燃发动机通过所述齿轮箱装置来驱动旋转。包括内燃发动机的排水泵装置通常用于干式安装，即整个泵位于液体表面的上方，且进口管从泵进口伸入液体中。

排水泵2(更确切地说电马达7)与控制单元10操作连接，例如包括变频驱动器(vfd)的智能驱动器。因此，所述排水泵2设置成通过所述控制单元10而在可变操作速度(rpm)下操作。根据本发明的优选实施例，控制单元位于液密泵壳体5内部，即优选是，控制单元10集成至排水泵2中。控制单元10设置成控制排水泵2的操作速度。根据替代实施例，控制单元是外部控制单元。更确切地说，排水泵2的操作速度是电马达7和叶轮9的rpm，并与控制单元10的输出频率相对应/相关。

排水泵2的部件通常通过该排水泵2周围的液体/水来冷却。排水泵2设计和设置成能够在浸没构造/位置来操作，即在操作过程中整个位于液体表面的下面。然而，潜水排水泵2在操作过程中并不必须整个位于液体表面的下面，而是可以连续或偶尔地局部位于液体表面的上面。

在本发明申请中，排水泵2位于第一/下部盆形部11中，并将从所述第一/下部盆形部11输送/泵送包含固体物质的液体至第二/较高盆形部12。因此，应当认识到，可以设想另一排水泵位于第二盆形部12中，并将输送液体从第二盆形部12至第三盆形部等。该盆形部可以是天然的凹口/空腔/凹坑或者制备的凹口/空腔/凹坑。

本发明基于这样的思想：在正操作速度下连续地操作排水泵2，间歇地检测排水泵2是否鼾响，其中，排水泵2的操作速度(op)在每次检测到鼾响时降低一个步长，并在每次没有检测到鼾响时增加一个步长。

本发明是适于节省能量和减少磨损的驱动模式的示例，不过，应当指出，排水泵可以以其它驱动模式来驱动，例如在额定功率下恒定操作。

用于控制排水泵2的本发明方法在图2中示意表示，并包括以下基本步骤：

-在正操作速度下连续地操作排水泵2，叶轮9由所述电马达7沿正旋转方向来驱动旋转；

-在等于预定怠速操作速度(opidle)的操作速度下默认操作排水泵2；以及

-周期性地使得排水泵2的操作速度(op)从怠速操作速度(opidle)增加至预定的鼾响检测阈值(opdetect)，并检测排水泵2在该鼾响检测阈值(opdetect)下是否鼾响。

当在鼾响检测阈值(opdetect)下检测到鼾响时，排水泵2的操作速度(op)降低至怠速操作速度(opidle)，因此恢复排水泵2在怠速操作速度(opidle)下的默认操作。

当在鼾响检测阈值(opdetect)下没有检测到鼾响时，继续逐步变化排水泵2的操作速度(op)，并在各新的操作速度(op)下检测排水泵2是否鼾响，其中，操作速度(op)的逐步变化包括：

i)每次没有检测到鼾响时，操作速度(op)提高一个步长，最多直到预定的最大操作速度(opmax)，并且

ii)每次检测到鼾响时，操作速度(op)降低一个步长，最多降至怠速操作速度(opidle)，从而恢复排水泵2在怠速操作速度(opidle)下的默认操作。

中心是，排水泵2连续地操作，即叶轮9沿正方向旋转。叶轮9的正旋转方向等于为了将液体从排水泵2的进口4朝向出口6泵送而使用的旋转方向。使得泵送包含固体物质的液体/水(即泥浆)的排水泵2的操作速度从沿正方向的低旋转速度升高所需的能量将大大少于使得排水泵2的操作速度从静止不动提高至相同水平所需的能量，特别是由于当从静止起动这种排水泵2时必须克服的较大惯性矩。甚至更糟的情况是从沿负方向的强制旋转开始来增加排水泵2沿正方向的操作速度。当排水泵2自由运转且液体通过出口导管3通过排水泵2倒流至第一盆形部11中时，将产生这种情况，因此叶轮9被迫沿负方向旋转，成为水力涡轮机。当命令排水泵2直接从负旋转开始提高沿正方向的操作速度时，保护马达开关将释放/激发。为此，操作人员/顾客的明确要求是排水泵2应当一直操作/运转，因为矿井由于水平廊道淹没而停工将非常昂贵，因此操作人员/顾客更愿意排水泵过度磨损而不是停止生产。

检测排水泵2是否鼾响的步骤/活动可以使用不同的技术彼此独立或组合地执行。术语“鼾响”的意思是排水泵2在鼾响操作模式下操作，即排水泵2将空气和液体的混合物吸入进口4内。控制单元10在每个时刻/时间都控制排水泵2以便有预定的操作速度。

用于检测鼾响的优选实施例是使用控制单元10来监视排水泵2的功率或电流消耗。当排水泵2的功率或电流消耗开始在预定范围之外大幅波动和/或降低至低于预定阈值时，排水泵2已经开始鼾响，且控制单元10检测到鼾响状况。

用于检测鼾响的替代实施例是使用控制单元10来监测排水泵2的扭矩。当排水泵2的扭矩开始在预定范围之外大幅波动和/或降低至低于预定阈值时，排水泵2已经开始鼾响，且控制单元10检测到鼾响状况。

用于检测鼾响的其它替代实施例构成为监测排水泵2的声音、振动、出口6处的压力等中的一个或多个。

表述“默认操作”用于强调只要水位足够低，本发明的方法就努力在怠速操作速度(opidle)下操作排水泵2。

术语“周期性地”(在反复和暂时增加至鼾响检测阈值(opdetect)时)意味着在每次增加至鼾响检测阈值(opdetect)之间存在时间间隔。根据优选实施例，时间间隔在排水泵2的整个操作中都相同。根据替代实施例，时间间隔可以在一天和/或一周中不同，以便匹配在工作现场进行的工作，即，当假定/预期液面高度更大和更频繁地变化时，该时间间隔能够更短。

鼾响检测阈值(opdetect)能够是在怠速操作速度(opidle)和最大操作速度(opmax)之间的任何水平。鼾响检测阈值(opdetect)越高，鼾响检测就越高效和可靠，但同时有更大磨损和能量消耗。根据优选实施例，鼾响检测阈值(opdetect)等于或高于最小操作速度(opmin)，以便获得可靠的鼾响检测。根据替代实施例，鼾响检测阈值(opdetect)低于最小操作速度(opmin)，以便限制磨损和能量消耗。优选是，鼾响检测阈值(opdetect)足够高，以便在进口4处有水时开始使得水通过排水泵2运动到出口导管3中，该出口导管3或多或少是空的。应当认识到，能够使得水进入空出口导管3的操作速度并不必须高到足以能够输送水通过整个出口导管3，例如当鼾响检测阈值(opdetect)低于最小操作速度(opmin)时。

应当指出，任何鼾响操作模式的实际监视可以是连续，但是检测的特定动作将在时间上相互分开。优选是，在操作速度(op)逐步变化的过程中检测排水泵2是否鼾响的步骤在从操作速度(op)开始降低或提高的时间起的1秒或之后以及在从操作速度(op)开始降低或提高的时间起的10秒内执行，优选是在5秒内。当操作速度变化时，降低或提高倾斜进行，即在倾斜时间(ramptime)中逐渐地降低或提高。在倾斜时间之后，优选是让排水泵达到稳定状态，以便使得不正确地确定是否鼾响的危险减至最小。在一些应用中，优选是做出快速决定，即在1秒钟后，而关于检测鼾响的确定性更低，在其它应用中，优选是关于检测鼾响的确定性更高，而等待更长时间，即5或10秒。

根据优选实施例，在逐步变化过程中在开始减少或增加和检测排水泵是否鼾响之间的预定时间在排水泵2的整个操作中都相同。根据替代实施例，该时间可以在一天和/或一周中不同，以便匹配在工作现场进行的工作，即，当假定/预期液面高度更大和更频繁地变化时，该时间更短。

本发明方法的最基本特征是，每次检测到鼾响时，排水泵2的操作速度(op)降低一个步长，而每次没有检测到鼾响时，排水泵2的操作速度(op)提高一个步长。更精确地说，从控制单元10到电马达7的输出频率分别降低一个步长或提高一个步长，即操作速度逐步变化。因此，本发明的实质是当检测到鼾响时逐步降低排水泵2的操作速度，而当没有检测到鼾响时逐步提高排水泵2的操作速度。因此，在操作速度逐步变化的过程中，本发明的方法执行间歇地检测排水泵2是否鼾响的步骤。

排水泵2的操作速度的各个步长等于或大于100rpm，优选是等于或大于200rpm。另外，排水泵2的操作速度的各个步长等于或小于500rpm，优选是等于或小于400rpm。

根据一个实施例，排水泵2的操作速度的所述步长在排水泵2的整个操作过程中都相同。根据替代实施例，排水泵2的操作速度的所述步长可以在一天和/或一周中不同，以便匹配在工作现场进行的工作，即，当怀疑液面高度更大和更频繁地变化时，该步长更大。为此，应当指出，根据优选实施例，在操作速度降低的过程中排水泵2的操作速度的步长大小可以与在操作速度提高的过程中排水泵2的操作速度的步长相同或不同。优选是，降低步长等于提高步长的2、3或4倍，以便在水位较低时尽可能快地达到怠速操作速度opidle。

在排水泵2的典型操作过程中，排水泵2的操作速度的变化有时在提高步长和降低步长之间交替，有时发生几个提高步长或几个降低步长。

在排水泵2的操作过程中，操作速度的逐步降低最多能够降至预定的怠速操作速度(opidle)。在排水泵2的正常操作过程中，操作速度逐步降低至预定的最小操作速度(opmin)，且当排水泵2在最小操作速度(opmin)下操作并检测到鼾响时，排水泵2的操作速度降低至怠速操作速度opidle。不过，应当认识到，在操作速度降低至怠速操作速度opidle之前，操作速度不必达到最小操作速度opmin，而是能够从高于最小操作速度opmin的操作速度降低至怠速操作速度opidle。在排水泵2的正常操作过程中，允许操作速度逐步增加最多到预定的最大操作速度(opmax)。因此，当排水泵2以最大操作速度(opmax)操作并没有检测到鼾响时，排水泵2的操作速度不变。

最小操作速度(opmin)是排水泵2仍然能够泵送/输送液体的排水泵2操作速度，即至少防止在出口导管3中的液体冲回至第一盆形部11中。优选是，排水泵2的预定最小操作速度(opmin)等于或大于500rpm，优选是等于或大于1000rpm。优选是，排水泵2的预定最小操作速度(opmin)等于或小于2000rpm，优选是等于或小于1800rpm。

最大操作速度(opmax)优选是排水泵2在额定最大频率/操作速度下操作的排水泵2的操作速度，即对应于排水泵2的直接即时连接。根据替代实施例，最大操作速度(opmax)是排水泵2在大于或小于额定频率的频率下操作的排水泵2的操作速度。优选是，排水泵2的预定最大操作速度(opmax)等于或大于2000rpm，优选是等于或大于3000rpm。预定最大操作速度(opmax)优选是等于或小于5000rpm，优选是等于或小于4500rpm。rpm越高，由于泵送液体/介质中的磨损颗粒而引起的磨损越大。

在怠速操作速度(opidle)时，排水泵2不执行正负载，即泵的叶轮9仍然沿正方向转动，但是并不泵送/输送液体。相反，在出口导管3中的液体可以通过排水泵2而冲回至第一盆形部11中。怠速操作速度用于降低排水泵2的磨损和能量消耗。此外，当空气捕获在叶轮9周围时，即使液面高度足够高，这种空气垫可能欺骗控制单元10认为检测到鼾响，而当排水泵2的操作速度暂时降低至怠速操作速度时，空气垫将通过冲洗排水泵2的泵腔室的液体而除去。

根据优选实施例，排水泵2在所述怠速操作速度(opidle)下操作等于或大于5秒，优选是等于或大于10秒。优选是，排水泵2在所述怠速操作速度(opidle)下操作等于或小于60秒，优选是等于或小于20秒。在一天/一周的时间中，在排水泵2的位置处不生产的情况下，在怠速操作速度(opidle)下的操作能够长达20分钟。

在怠速操作速度(opidle)中，并不进行鼾响检测。根据优选实施例，排水泵2的怠速操作速度(opidle)等于或小于500rpm。优选是等于或小于300rpm，且最优选是等于或小于100rpm。怠速操作速度(opidle)优选是尽可能低，以便节省尽可能多的能量。根据优选实施例，排水泵2的怠速操作速度(opidle)等于或大于20rpm，优选是等于或大于1rpm。怠速操作速度(opidle)优选是等于控制单元10的变频驱动器的额定最小频率/操作速度。

当排水泵2起动时，操作速度优选是在最小操作速度(opmin)和最大操作速度(opmax)之间的某处，执行初始鼾响检测，然后起动本发明的方法。

排水泵组件包括用于执行上述方法的步骤的装置。上述方法的很多步骤优选是由控制单元10来执行/控制，因此术语“排水泵组件包括装置...”不需要意味着所述装置必须位于排水泵2的泵壳体内。因此，该术语还包括与排水泵2可访问/使用/操作连接的装置。

包括使排水泵2执行上述方法的步骤的指令的计算机程序产品/包与排水泵2可访问/使用/操作地连接。所述计算机程序产品优选是位于控制单元10中/在控制单元10中运行。因此，控制单元设置成执行本发明的方法。

此外，应当指出，排水泵优选是将通过操作员的选择而布置成以普通的开-关驱动模式来交替地操作，即排水泵由液面高度传感器来控制，以便在液体起动高度时起动泵送，并在液体停止高度时停止泵送。

措辞“改变排水泵的操作速度”能够是通过改变变频驱动器的输出频率特定步长来进行，以使得提供给排水泵的功率改变特定步长。

本发明的可行变化形式

本发明并不仅仅局限于上面所述和附图中所示的实施例，该实施例主要具有说明和示例的目的。本专利申请将覆盖本文所述的优选实施例的所有调节和变化形式，因此，本发明由附加权利要求的措词来确定，因此设备可以在附加权利要求的范围内以各种方式来改变。

还应当指出，关于术语例如高于、低于、上部、下部等的所有信息应当在具有根据附图定向的设备和具有定向附图的情况下进行解释/阅读，从而能够正确地阅读。因此，这些术语只是表示在所示实施例中的相互关系，当本发明的设备提供有另一结构/设计时，该关系可以变化。

还应当指出，尽管没有明确说明，但是来自特定实施例的特征可以与来自另一实施例的特征组合，当该组合可行时，应当认为组合是显而易见的。