EA201892533A1 20190430

	Патентная документация ЕАПВ
Запрос:	ea201892533a*\id
Результат:	ID\|Номер и дата охранного документа

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

Настоящим изобретением предложена система насоса, включающая в себя насос и датчик. Насос содержит кожух насоса, задающий насосную камеру; впуск для подачи текучего материала в насосную камеру; выпуск для отвода текучего материала из насосной камеры; рабочее колесо, расположенное в насосной камере и ускоряющее движение текучего материала в насосной камере. Насос также характеризуется наличием переходной области, проходящей между внутренней окружной поверхностью насосной камеры и внутренней окружной поверхностью выпуска, при этом переходная область выполнена с возможностью отведения текучего материала, ускоряемого рабочим колесом, на выпуск во время работы насоса. На кожухе насоса установлен датчик вибраций, расположенный так, что во время работы он может улавливать вибрацию переходной области.

Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

Евразийское (21) 201892533 (13) A1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки 2019.04.30
(51) Int. Cl. F04D 29/66 (2006.01)
(22) Дата подачи заявки 2017.05.16
(54) КОНТРОЛЬ НАСОСА
(31) 2016901804
(32) 2016.05.16
(33) AU
(86) PCT/AU2017/050450
(87) WO 2017/197450 2017.11.23
(71) Заявитель:
ВИР МИНЕРАЛС АВСТРАЛИЯ ЛТД (AU)
(72) Изобретатель:
Хэмби Майкл, Струдвике Крэйг Доналд, Бэйкер Бенджамин Майкл
(AU)
(74) Представитель:
Лебедев В.В., Угрюмов В.М., Глухарёва А.О., Гизатуллина Е.М., Строкова О.В., Гизатуллин Ш.Ф., Осипенко Н.В., Костюшенкова М.Ю., Парамонова К.В. (RU)
(57) Настоящим изобретением предложена система насоса, включающая в себя насос и датчик. Насос содержит кожух насоса, задающий насосную камеру; впуск для подачи текучего материала в насосную камеру; выпуск для отвода текучего материала из насосной камеры; рабочее колесо, расположенное в насосной камере и ускоряющее движение текучего материала в насосной камере. Насос также характеризуется наличием переходной области, проходящей между внутренней окружной поверхностью насосной камеры и внутренней окружной поверхностью выпуска, при этом переходная область выполнена с возможностью отведения текучего материала, ускоряемого рабочим колесом, на выпуск во время работы насоса. На кожухе насоса установлен датчик вибраций, расположенный так, что во время работы он может улавливать вибрацию переходной области.
КОНТРОЛЬ НАСОСА ОПИСАНИЕ
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к системе и способу контроля насоса. В частности, эта система и способ используются, помимо прочего, при контроле шламовых насосов.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
В состоянии насосов, используемых в различных технологических операциях, таких как переработка минерального сырья, процессы с химическим выделением газа, нефтегазодобыча, выработка электроэнергии и прочие, постоянно происходят изменения. Они могут проявляться, например, в виде колебаний эксплуатационной характеристики и/или ухудшения состояния различных компонентов насоса.
Что касается колебаний эксплуатационной характеристики, то они могут быть обусловлены как внутренними изменениями в насосе, так и внешними изменениями (например, изменениями окружающей среды). Такие изменения могут потребовать корректировки различных рабочих параметров насоса с тем, чтобы обеспечить поддержание его эксплуатационной характеристики в рамках приемлемого диапазона. Например, изменение консистенции материала, перекачиваемого насосом, может потребовать регулировки расхода.
Такие насосы часто функционируют в крайне агрессивной среде, вследствие чего компоненты насоса могут изнашиваться или покрываться точечной коррозией, например, из-за кавитации. Ухудшение состояния одного компонента может привести к разбалансировке насоса, что ускорит снижение эффективности работы всего насоса.
Как эксплуатационная характеристика, так и срок службы насоса могут напрямую влиять на стоимость проведения технологической операции. При выходе насоса из строя может остановиться весь технологический процесс. Аналогичным образом насосы, работающие с неоптимальной эффективностью, могут снижать КПД (коэффициент полезного действия) технологического процесса, в ходе которого потребляется больше энергии, чем надо. В этой связи существует потребность в непрерывном контроле указанных состояний насоса.
Один из известных способов решения этой задачи заключается в наблюдении за насосом непосредственно оператором. Оператор может видеть и слышать насос, и выполнять различные измерения параметров его работы. Исходя из своего опыта эксплуатации такого насоса, оператор может оказаться способным оценить работу насоса и определить, требуется ли замена насоса или какого-либо его компонента.
Такой способ непрерывного контроля насосов основывается лишь на опыте оператора и может игнорировать многие рабочие параметры насосов, которые не всегда доступны для измерений оператором. Это может привести к неточностям в оценках, сделанных оператором.
Следует понимать, что при упоминании в настоящем документе какого-либо известного уровня техники такая отсылка не должна рассматриваться в качестве подтверждения того, что этот известный уровень техники образует часть общеизвестных знаний в этой области техники, как в Австралии, так и в любой другой стране.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Настоящим изобретением предложена система насоса, включающая в себя насос и датчик. Насос содержит кожух насоса, задающий насосную камеру; впуск для подачи текучего материала в насосную камеру; выпуск для отвода текучего материала из насосной камеры; и рабочее колесо, расположенное в насосной камере и ускоряющее движение текучего материала в насосной камере. Насос также характеризуется наличием переходной области, проходящей между внутренней окружной поверхностью насосной камеры и внутренней окружной поверхностью выпуска; при этом переходная область выполнена с возможностью отведения текучего материала, ускоряемого рабочим колесом, на выпуск во время работы насоса. На кожухе насоса установлен датчик вибраций, расположенный так, что во время работы он может улавливать выделенную вибрацию в переходной области вдоль оси, проходящей относительно оси вращения насоса. Система насоса дополнительно содержит процессор, выполненный с возможностью приема с датчика вибраций данных по выделенной вибрации, характеризующих вибрацию в переходной области. Процессор также выполнен с возможностью обработки данных по выделенной вибрации для определения состояния (или установления факта) износа или эксплуатационной характеристики насоса, исходя из вибрации в переходной области.
Переходная область может быть особенно чувствительной к износу из-за того, что она выполняет функцию по отведению потока текучего материала. Например, в переходной области может возникать перепад давления, который может колебаться по
мере прохождения мимо нее дистальных концов лопастей рабочего колеса. Это может вызвать пульсовые колебания давления в перекачиваемом флюиде, что может привести к повреждению переходной области. Износ может быть также обусловлен трением и/или ударением текучего материала о стенки переходной области (по мере того как текучий материал рециркулирует в пределах насосной камеры). Переходная область также представляет собой область насоса, в которой может особенно интенсивно проявляться такое явление, как кавитация. Вибрация переходной области может проявляться в виде вибрации всей этой области или в виде вибрации части этой области, такой как выделенная вибрация ее поверхности.
Если не принимать во внимание этот износ, становится очевидным, что поскольку существует тесное взаимодействие между рабочим колесом и втулкой или кожухом насоса в промежуточной области, вибрация в промежуточной области может служить конкретным признаком, указывающим на состояние рабочего колеса и втулки или кожуха насоса. Таким образом, данные по вибрации, указывающие на наличие вибрации в промежуточной области, могут быть использованы для того, чтобы сделать вывод о состоянии износа или эксплуатационной характеристики насоса.
Способность обнаружения или логического выведения таких состояний насоса может быть реализована без необходимости визуального наблюдения за насосом со стороны оператора или нахождения оператора в непосредственной близости к насосу. Изменения вибрации могут быть использованы для оценки ухудшения состояния насоса, а также дать возможность спрогнозировать, когда должен быть заменен насос или какой-либо из его компонентов.
Как должно быть понятно, отпадает необходимость в установке датчика вибраций в месте, непосредственно примыкающим к переходной области, для измерения вибрации, указывающей на наличие вибрации в переходной области. Однако установка датчика вибраций вблизи этой области позволяет снизить уровень внешних (по отношению к переходной области) шумов в данных и обеспечить получение более точных результатов.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения выпуск может задавать внутренний диаметр выпуска. Датчик вибраций может быть прикреплен к корпусу на определенном расстоянии от переходной области, составляющем менее двух диаметров выпуска. Датчик вибраций может быть прикреплен к корпусу на определенном расстоянии от переходной области, составляющем менее одного диаметра выпуска. Такое позиционирование гарантирует возможность измерения вибрации в переходной области.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения датчик вибраций может представлять собой акселерометр. Акселерометры могут быть более
экономичными и доступными в сравнении с другими датчиками. Акселерометр может представлять собой трехосный акселерометр или одноосный акселерометр.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения ось, вдоль которой датчик вибраций улавливает вибрацию, может проходить, в общем, в радиальном направлении относительно оси вращения. Это дает возможность датчику вибраций измерять колебания в потоке текучего материала по мере его прохождения через переходную область.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения ось, вдоль которой датчик вибраций улавливает вибрацию, может проходить, в общем, в окружном направлении относительно оси вращения насоса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения датчик вибраций может быть прикреплен к наружной стенке кожуха насоса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения датчик вибраций может быть встроен - по меньшей мере, частично - в кожух насоса. Например, датчик вибраций может быть прикреплен к кожуху посредством резьбового соединения (т.е. через резьбовое отверстие).
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения кожух насоса может содержать внутреннюю (а в необязательном варианте - съемную) втулку насоса, задающую насосную камеру, а датчик может быть установлен таким образом, что он оказывается встроенным - по меньшей мере, частично - во втулку насоса. В тех случаях, когда внутренняя втулка насоса выполнена из эластомерного материала, датчик вибрации может быть, например, заформован во втулку насоса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложенная система может дополнительно содержать контроллер, управляющий работой насоса, исходя из установленного состояния его износа или эксплуатационной характеристики. Например, контроллер может скорректировать какой-либо эксплуатационный параметр насоса или приостановить работу насоса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения процессор может быть выполнен с возможностью выполнения спектрального анализа данных по выделенной вибрации. Процессор может быть выполнен с возможностью определения состояния износа и эксплуатационной характеристики насоса, исходя из выборки данных по выделенной вибрации, соответствующих лопастной частоте насоса. Как должно быть ясно специалисту в данной области техники, лопастная частота зависит от различных факторов, включая конфигурацию рабочего колеса и частоту его вращения. Во время работы насоса, когда его лопасти проходят мимо переходной области, на лопасти (и в
переходной области) образуются перепады давления. Эти перепады давления приводят в итоге к возникновению "импульса" в перекачиваемом флюиде, что может проявляться в виде особой характеристики вибрации (например, в переходной области). В некоторых случаях переходная область начинает вибрировать, реагируя на этот импульс. Становится очевидным, что по мере изменения состояния износа или эксплуатационной характеристики в динамике по времени (например, износа рабочего колеса, втулки или кожуха) могут изменяться и характеристики импульса. Таким образом, путем отбора частот вибрации в переходной области, которые согласуются с импульсом (т.е. с лопастной частотой), можно определить состояние износа или эксплуатационной характеристики насоса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения процессор может быть выполнен с возможностью определения состояния износа или эксплуатационной характеристики насоса, исходя из изменений во времени данных по выделенной вибрации, соответствующих лопастной частоте насоса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения процессор может быть выполнен с возможностью анализа данных по выделенной вибрации, сопоставляя их с данными по выделенной вибрации за прошлые периоды, для классифицирования данных по выделенной вибрации как характерных для насоса с определенным состоянием износа или эксплуатационной характеристики.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения классифицирование может выполняться с использованием алгоритма машинного обучения. Алгоритм машинного обучения может включать в себя, например, алгоритм случайного леса, логистической регрессии, машины опорных векторов и/или искусственных нейронных сетей. Алгоритмы машинного обучения могут обеспечивать эффективный способ прогнозирования состояния износа или эксплуатационной характеристики насоса на основе большого массива данных за прошлые периоды.
Настоящим изобретением также раскрыт способ, включающий в себя обнаружение выделенной вибрации переходной области насоса вдоль указанной оси, проходящей относительно оси вращения насоса; получение данных по выделенной вибрации на основании измеренной выделенной вибрации, причем эти данные по выделенной вибрации служат признаком вибрации в переходной области насоса; и анализ данных по выделенной вибрации для определения состояния (или установления факта) износа или эксплуатационной характеристики насоса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложенный способ может дополнительно включать в себя анализ заданного диапазона (или выборки)
частот данных по выделенной вибрации для индикации состояния износа или эксплуатационной характеристики насоса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения диапазон частот может, в общем, соответствовать лопастной частоте насоса или множителю этой лопастной частоты. Как указано выше, вибрация на лопастной частоте (и гармоники этой частоты) может служить индикатором состояния переходной области и/или лопастей рабочего колеса. Изменение амплитуды вибрации на этой частоте может свидетельствовать об износе внутренней поверхности насоса (например, в переходной области) и/или рабочего колеса в динамике по времени.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения выборка частот может включать в себя одну или более полосу частот шириной 10 Гц, включая лопастную частоту и/или один или более множитель лопастной частоты.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложенный способ может дополнительно включать в себя стадию определения того, превышает ли амплитуда вибрации в заданном диапазоне частот заданную пороговую амплитуду. Заданная пороговая амплитуда может варьироваться в зависимости от используемого насоса и насосной установки. Пороговая амплитуда может быть установлена на основании данных за прошлые периоды (например, измеренных ранее с использованием этого способа).
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложенный способ может включать в себя стадию непрерывного контроля заданного диапазона частот по изменению амплитуды в динамике по времени.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложенный способ может включать в себя расчет среднеквадратичного значения выборки данных по вибрации и определения того, не превышает ли рассчитанное среднеквадратичное значение заданное пороговое среднеквадратичное значение.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения состоянием износа или эксплуатационной характеристики может быть износ в переходной области (т.е. в зоне отведения потока).
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения состоянием износа или эксплуатационной характеристики может быть износ рабочего колеса насоса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения состоянием износа или эксплуатационной характеристики может быть гидравлическое состояние насоса.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения вибрация может улавливаться с помощью акселерометра.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения данные по вибрации могут анализироваться путем их сопоставления с данными по вибрации за прошлые периоды для их классифицирования как характерных для насоса с определенным состоянием износа или эксплуатационной характеристики.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения классифицирование может выполняться с использованием алгоритма машинного обучения.
Краткое описание фигур
Ниже описаны варианты осуществления настоящего изобретения, носящие иллюстративный характер и представленные в привязке к прилагаемым чертежам, где:
На фиг. 1А и 1В показаны, соответственно, вид сверху и перспективное изображение система насоса;
На фиг. 1С и 1D показаны, соответственно, поперечное сечение и перспективное изображение втулки насоса, являющейся частью системы насоса, показанной на фиг. 1А и 1В;
На фиг. 2 представлена блок-схема, иллюстрирующая первый вариант осуществления способа определения состояния насоса;
На фиг. 3 представлена блок-схема, иллюстрирующая второй вариант осуществления способа определения состояния насоса;
На фиг. 4 показан график, иллюстрирующий данные по вибрации, измеренные системой насоса;
На фиг. 5А и 5В показаны графики, иллюстрирующие данные по вибрации, измеренные системой насоса; а
На фиг. 6А и 6В показаны графики, иллюстрирующие данные по вибрации, измеренные системой насоса.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
Последующее подробное описание представлено в привязке к прилагаемым чертежам, которые являются неотъемлемой частью этого подробного описания. Предполагается, что иллюстративные примеры осуществления настоящего изобретения, которые раскрыты в подробном описании, показаны на чертежах и определены формулой изобретения, не носят ограничительного характера. Могут быть использованы и иные варианты осуществления настоящего изобретения, в которые могут быть внесены иные
изменения без отступления от сущности и объема предмета заявленного изобретения. Нетрудно понять, что признаки изобретения, в общем описанные в настоящем документе и проиллюстрированные на чертежах, могут располагаться, замещаться, объединяться, разделяться и конфигурироваться в самых разных комбинациях; причем предполагается, что все такие комбинации входят в объем заявленного изобретения.
Обратимся сначала к фиг. 1А, 1В, 1С и 1D, на которых показана система 100 насоса, содержащая насос 102 и датчик 104 вибраций. Насос 102 представляет собой центробежный (например, шламовый) насос, который включает в себя кожух 106 насоса, задающий насосную камеру 108 (см., в частности, фиг. 1С и 1D); впуск 110 для подачи текучего материала (например, шлама) в камеру 108; и выпуск 112 для отвода текучего материала из камеры 108. Хотя это и не показано на представленных фигурах, насос 102 также содержит рабочее колеса, которое располагается в насосной камере 108, и которое установлено с возможностью вращения таким образом, чтобы ускорять движение текучего материала (например, для перекачки текучего материала) во время работы насоса.
Кожух 106 насоса, детально показанный на фиг. 1А и 1D, содержит внешний корпус 114 и внутреннюю втулку 116 насоса. Внешний корпус 114 состоит из двух оболочечных конструкций 118, которые соединяются друг с другом таким образом, что между ними образуется полость. К внутренним поверхностям этого внешнего корпуса 114 (т.е. полости) прилегает втулка 116 насоса таким образом, что она задает насосную камеру 108. Внешний корпус 114 может быть выполнен, например, из твердого металла, такого как белый чугун, а втулка 116 может быть выполнена, например, из эластомерного материала, такого как резина.
В других вариантах кожух насоса может не содержать втулку (такой насос известен также как безвтулочный насос), а вместо нее насосную камеру могут задавать внутренние поверхности внешнего корпуса. Безвтулочные насосы подходят для работы в условиях низкого уровня износа, например, когда в качестве текучего материала используется жидкость или неабразивная жидко-твердая смесь.
В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего изобретения датчик 104 вибраций установлен на кожухе 106 насоса - в частности, на внешнем корпусе 114 - и располагается так, что он может улавливать вибрацию переходной области 120 насоса 102. Местоположение этой переходной области 120 подробнее описано ниже в привязке к фиг. 1А и 1В.
Датчик 104 может быть выполнен, например, в виде одноосного или трехосного акселерометра. В проиллюстрированном варианте осуществления настоящего
изобретения датчик 104 прикреплен к наружной поверхности внешнего корпуса 114 (образуя часть кожуха 106 насоса) с помощью монтажного приспособления в виде резьбового отверстия, сформованного во время отливки внешнего корпуса 114.
Хотя это и не показано на фигурах, датчик может быть соединен (проводным или беспроводным образом) с процессором для обработки данных по вибрации. Это проводное или беспроводное соединение может быть прямым или непрямым. Например, датчик может передавать данные в сетевое устройство, установленное на насосе, который - в свою очередь - может передавать эти данные на центральный процессор (который может обслуживать множество машин).
На фиг. 1А и 1В представлена втулка 116 насоса, которая является частью кожуха 106 насоса 102, и которая прилегает к внутренним поверхностям внешнего корпуса 114.
Втулка 116 насоса характеризуется наличием внутренней окружной поверхности 122 насосной камеры, которая задает насосную камеру 108; внутренней окружной поверхности 124 выпуска, которая задает выпуск 112 насоса; и переходной области 120 (вкратце описанной выше), которая проходит между поверхностью 122 насосной камеры и наружной поверхностью 124. Поверхность 122 насосной камеры может иметь улиткообразную форму, круглую форму со смещением или любую иную форму, пригодную для перекачки текучего материала.
Впускное отверстие 126 выполнено на первой стороне втулки 116 насоса, а противоположное отверстие 128 под приводной вал выполнено на второй стороне втулки 116 насоса. В рабочем состоянии приводной вал, установленный с возможностью вращения, проходит через отверстие 128 под приводной вал, а рабочее колесо соединяется с приводным валом так, что оно оказывается внутри насосной камеры 108. Текучий материал заходит в насосную камеру 108 через впуск 126 и перемещается в насосной камере 108 за счет действия рабочего колеса. Благодаря особой форме лопастей рабочего колеса это перемещение обуславливает, в общем, направленное наружу ускорение текучего материала. Иначе говоря, текучий материал вынужден закручиваться по спирали в направлении поверхности 122 насосной камеры. Таким образом, одна часть текучего материала может покинуть насосную камеру 108 через выпуск 112 (который расположен, в общем, по касательной к насосной камере 108), тогда как другая часть текучего материала остается рециркулировать в насосной камере 108. Переходная область 120 характеризуется такой формой и расположением, что она может отводить текучий материал (ускоренный рабочим колесом) на выпуск 112. Иначе говоря, переходная область 120 заходит в насосную камеру 108 так, что она "отсекает" часть текучего материала, рециркулирующего в насосной камере 108. Отведение текучего материала
через выпуск 112 способствует сведению к минимуму рециркуляции текучего материала в насосной камере 108.
За счет того, что переходная область 120 выполняет функцию по отведению потока, она может быть особо чувствительной к износу. Например, давление за переходной областью 120 (на стороне насосной камеры 108) может отличаться от давления перед переходной областью 120 (на стороне выпуска 112). Этот перепад давления может "пульсировать" по мере прохождения дистальных концов лопастей рабочего колеса мимо переходной области 120, вследствие чего в перекачиваемом флюиде могут возникать "импульсы" давления, которые обуславливают вибрацию переходной области и могут привести к ее повреждению. Переходная область 120 также чувствительна к износу, обусловленному кавитацией и негативным влиянием текучего материала на переходную область 120.
Этот износ, и/или же негативное влияние этого износа на производительность насоса 102, служит примером состояния износа насоса, которое может быть выявлено на основании вибрации переходной области 120 с помощью системы согласно настоящему изобретению (т.е. включающей в себя датчик 104 вибраций).
Как должно быть понятно специалисту в данной области техники, поскольку импульсы давления являются результатом работы лопастей, проходящих мимо переходной области, эти импульсы давления, в общем, согласуются с лопастной частотой насоса (т.е. частотой, при которой лопасть проходит заданную точку во время вращения рабочего колеса). Становится понятно, что изменения в реакции на вибрационное воздействие на лопастной частоте могут указывать на изменения состояния износа и/или эксплуатационной характеристики насоса. Например, изменение в реакции насоса на вибрационное воздействие на лопастной частоте в динамике по времени может служить признаком износа втулки насоса (например, в переходной области). Поскольку импульсы давления обусловлены взаимодействием втулки насоса (или внутренней поверхности насоса) и рабочего колеса, такие изменения вибрации могут также свидетельствовать об износе рабочего колеса.
Таким образом, используя данные по вибрации с датчика и информацию в отношении лопастной частоты насоса, можно обеспечить непрерывный контроль износа втулки и/или рабочего колеса насоса. Как было указано выше, датчик может сообщаться (напрямую или опосредованно) с процессором. Этот процессор может быть выполнен с возможностью проведения анализа, для которого в качестве исходных данных берутся данные по вибрации, и который обеспечивает индикацию состояния износа и/или эксплуатационной характеристики насоса. В альтернативном варианте или дополнительно
процессор может выдавать прогнозы в отношении износа и эксплуатационной характеристики (например, чтобы компоненты можно было заменить до их выхода из строя).
На фиг. 2 проиллюстрирован пример реализации способа 200 индикации общего состояния насоса, например, с использованием системы 100 согласно описанию, представленному выше. Способ 200 включает в себя стадию выявления 202 вибрации, по меньшей мере, в одной области насоса и стадию 204 получения данных о вибрации по измеренной вибрации. Результаты измерения вибрации, в частности, служат индикатором вибрации в переходной области насоса (т.е. в области, которая отводит перекачиваемый флюид из насосной камеры на выпуск). Этот способ также включает в себя стадию 206 анализа данных по вибрации для индикации состояния износа или эксплуатационной характеристики.
После получения данных по вибрации они подвергаются обработке на стадии 206. В общем, данные по вибрации непрерывно принимаются на стадии 204 и постоянно обрабатываются на стадии 206 в режиме реального времени. Однако в альтернативном варианте или дополнительно они могут приниматься на стадии 204 и обрабатываться на стадии 206 через заданные промежутки времени (т.е. для периодической проверки состояния насоса), или же они могут подвергаться обработке по требованию (т.е. вручную).
Обработка данных по вибрации на стадии 206 может принимать различные формы. Например, обработка данных может предусматривать определение мгновенной амплитуды вибрации в переходной области. В альтернативном варианте обработка данных может проводиться в виде расчета среднеквадратичного значения (RMS) амплитуды вибрации (например, в течение заданного периода времени).
По завершении обработки данных мгновенная амплитуда или RMS может быть сопоставлена с заданной пороговой амплитудой (или пороговым RMS амплитуды). Если на стадии 212 измеренная амплитуда вибрации в пределах диапазона частот не превышает заданную пороговую амплитуду, то это свидетельствует о нормальном состоянии (т.е. указывает на то, что насос функционирует нормально), что подтверждается на стадии 214. С другой стороны, если указанная амплитуда превышает пороговую амплитуду, то это свидетельствует о состоянии износа (т.е. указывает на неудовлетворительное состояние насоса), что подтверждается на стадии 216. Заданное пороговое значение зависит от типа насоса, условий установки и многих других факторов. Таким образом, его можно установить по данным за прошлые периоды или по экспериментальным данным (например, для насоса и установки конкретного типа).
Индикация состояния износа может предусматривать, например, передачу аварийного сигнала на контроллер или визуальное отображение аварийного сигнала (например, в виде светового сигнала или сообщения на экране дисплея и т.п.) для оператора. В обоих случаях аварийный сигнал может вызвать управляющее воздействие, такое как корректировка рабочих параметров насоса; или же он может стать причиной прекращения работы насоса. В альтернативном варианте аварийный сигнал может просто напомнить оператору о необходимости визуального осмотра компонентов насоса (например, лично или с помощью камеры), чтобы определить, требуется ли замена или нет. С другой стороны, индикация нормального состояния не требует принятия каких-либо мер до тех пор, пока амплитуда не превысит пороговое значение, и не будет сгенерирован аварийный сигнал.
На фиг. 3 проиллюстрирован еще один способ 300 детектирования состояния насоса. Способ 300, как и в предыдущем случае, включает в себя стадию 302 измерения вибрации; стадию 304 получения данных по вибрации; стадии 308 и 322 обработки этих данных; и стадию 306 принятия решения, исходя из полученных данных. В рамках обработки данных описываемый способ 300 дополнительно (к описанному выше варианту осуществления настоящего изобретения) включает в себя разложение данных по вибрации на составляющие их частоты. Описываемый способ может подойти, например, для определения износа резиновой втулки в насосе или рабочего колеса насоса.
Данные по вибрации, фиксируемые на стадии 302 датчиком вибраций (и принимаемые на обработку на стадиях 308 и 322) обычно включают в себя определенный диапазон частот. В описываемом способе обработка данных по вибрации предусматривает непрерывный контроль или выделение заданного диапазона частот или выборки частот в пределах этого диапазона. Для этого данные по вибрации, принимаемые с датчика вибраций, прикрепленного к насосу, разлагаются на составляющие их частоты (например, путем выполнения преобразования Фурье) на стадии 308. Затем в рамках анализа данных на стадии 322 выбирается или выделяется определенный диапазон этих частот. Специалисту в данной области техники понятно, что на практике отбор частот для дискретизации зависит, помимо прочих факторов, от типа насоса, установки, местоположения датчика и определяемого состояния износа или эксплуатационной характеристики. Для обоснования этого отбора могут быть использованы данные за прошлые периоды (или экспериментальные данные) по аналогичным насосам и/или аналогичным установкам.
Как уже было сказано, одной из частот, которая может представлять особый интерес, является лопастная частота насоса. В проиллюстрированном способе 300
выбранный диапазон частот соответствует лопастной частоте насоса, но в других вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть выбраны другие диапазоны частот, что зависит от потребного результата. Кроме того, как было указано выше, прохождение лопастей рабочего колеса через переходную область приводит к возникновению "импульса", который обуславливает вибрацию переходной области. По мере износа переходной области и/или рабочего колеса изменяется характер вибрации переходной области, обусловленной прохождением лопастей рабочего колеса. Иначе говоря, существует взаимосвязь между износом рабочего колеса и/или втулки насоса и амплитудой вибрации переходной области на лопастной частоте. Таким образом, непрерывный контроль вибрации переходной области на лопастной частоте облегчает выявление износа рабочего колеса и/или втулки насоса (например, в переходной области, которая особенно чувствительна к износу).
Как должно быть понятно специалисту в данной области техники, лопастная частота зависит от конфигурации рабочего колеса и частоты его вращения. Таким образом, для безошибочного отбора лопастной частоты измеряется частота вращения приводного вала (приводящего в действие рабочее колесо), что выполняется на стадии 318 в рамках реализации описываемого способа. Результат этого измерения преобразуется на стадии 320 в лопастную частоту с учетом известных размеров рабочего колеса, после чего он может быть использован для выделения соответствующих данных по вибрации после обработки путем выполнения преобразования Фурье (например, быстрого преобразования Фурье (FFT)).
В представленном способе вместо выделения лопастной частоты выбирается диапазон частот, включающий в себя лопастную частоту, что выполняется на стадии 322. Это обеспечивает захват и тех вибраций, частота которых лежит выше или ниже лопастной частоты (но приближается к лопастной частоте). Для отслеживания состояния износа определяется (максимальная) амплитуда вибрации в выбранном диапазоне частот (стадия 322). В альтернативном варианте может быть установлено среднеквадратичное значение (RMS) амплитуды вибрации в выбранном диапазоне частот. В обоих случаях установленное значение сравнивается на стадии 312 с заданной пороговой амплитудой для индикации нормального состояния насоса на стадии 314 или индикации состояния износа насоса на стадии 316. Однако в некоторых случаях одних лишь данных по мгновенной вибрации может оказаться недостаточно для получения требуемой информации об износе насоса. В таких случаях в качестве альтернативы целесообразно использовать тенденцию изменения данных по вибрации с тем, чтобы определить, работает ли насос в нормальном режиме, или один или более компонент насоса требует
замены. Например, данные по вибрации могут сохраняться по мере их получения, а новые данные - сравниваться с имеющимися данными для выявления изменений данных по вибрации в динамике по времени. Различные изменения могут указывать на состояние износа или эксплуатационной характеристики насоса.
Как было указано выше, в зависимости от выбранных частот и местоположения датчика, выявленным износом может быть, например, износ втулки насоса (например, в переходной области), износ рабочего колеса или износ иных компонентов насоса. В соответствии с последующим описанием, представленным ниже в подразделе "Примеры", становится понятно, что интенсивность вибрации (т.е. ее амплитуда) в переходной области может быть увязана с износом втулки насоса. Таким образом, описанный выше способ может быть эффективно использован для определения износа втулки насоса.
Описанный выше способ 300 может быть также модифицирован для обеспечения индикации износа других компонентов насоса. Например, становится понятным, что в некоторых насосах существует взаимосвязь между лопастной частотой вибрации и множителями (т.е. гармониками) лопастной частоты и износом рабочего колеса. Эта взаимосвязь может во многом зависеть от местоположения датчика и типа насоса, и сравнение с заданным пороговым значением (как это описано выше) может быть не самым эффективным способом индикации износа какого-либо компонента насоса. В качестве альтернативы может быть проведено сравнение характерного признака вибрации (т.е. данных по вибрации, разбитых на частоты) с базой данных характерных признаков вибраций за прошлые периоды с тем, чтобы классифицировать данный характерный признак как указывающий на конкретное состояние износа или нормальное рабочее состояние.
Этот процесс классифицирования может выполняться с помощью алгоритма машинного обучения (например, алгоритма случайного леса, логистической регрессии, машины опорных векторов, искусственных нейронных сетей и т.п.). Например, алгоритм машинного обучения может обучаться на массиве данных о насосе за прошлые периоды (например, собранных с использованием описанных выше способов и системы), которые включают в себя характерные признаки данных по вибрации в переходной области и, в необязательном варианте, информацию о типе насоса и установки. Алгоритм машинного обучения может быть управляемым (путем предоставления данных об известном состоянии износа по характерным признакам) или неуправляемым. Затем на основании полученного характерного признака вибрации этот алгоритм может спрогнозировать состояние износа (или эксплуатационной характеристики) насоса.
Описанные выше способы могут быть реализованы с помощью процессора, сообщающегося с датчиком или датчиками системы. В этой связи данные, получаемые с датчиков, и данные, получаемые путем преобразования данных, получаемых с датчиков, могут сохраняться в запоминающем устройстве, которое поддерживает связь с процессором (например, посредством коммуникационной шины). Процессор может быть связан с системой управления, которая может реагировать надлежащим образом на индикацию состояния насоса. В альтернативном варианте или дополнительно процессор может сообщаться с устройством ввода-вывода, таким как дисплей или световой сигнализатор, для извещения оператора о состоянии насоса.
Экспериментальные данные
Пример 1
На фиг. 4 приведен пример данных по вибрации, которые указывают на вибрацию переходной области центробежного насоса. Эти данные были сгенерированы с использованием датчика вибраций, закрепленного на внешнем корпусе центробежного шламового насоса вблизи переходной области (например, в пределах двух выходных диаметров переходной области). В частности, датчик вибраций был закреплен на внешнем корпусе насоса с помощью промежуточной магнитной пластины для монтажа. Пластина для монтажа была закреплена на поверхности с помощью клея, а датчик соединялся с ней с возможностью съема за счет магнитного притяжения.
Исходя из этих данных по вибрации, становится очевидным, что интенсивность вибрации на частоте около 1000 Гц повышалась по мере работы насоса в течение продолжительного периода времени. Со временем также повышалась интенсивность вибрации на частотах выше и ниже 1000 Гц. В общем, это соответствовало износу насосу в динамике по времени. Таким образом, непрерывный контроль этих данных обеспечивает возможность индикации состояния насоса, а также позволяет определить, требует ли замены сам насос или какой-либо его компонент.
Пример 2
На фиг 5А и 5В проиллюстрированы характерные признаки вибрации для центробежного насоса с металлической футеровкой. Как и данные, описанные выше, эти данные были получены с использованием датчика вибраций, закрепленного на внешнем
корпусе центробежного шламового насоса с металлической футеровкой вблизи переходной области (например, в пределах двух выходных диаметров переходной области). В частности, датчик вибраций, который представлял собой одноосный акселерометр, был установлен на внешнем корпусе насоса с помощью промежуточной магнитной пластины для монтажа. Пластина для монтажа была закреплена на поверхности с помощью клея, а датчик соединялся с ней с возможностью съема за счет магнитного притяжения.
Данные по вибрации, полученные с акселерометров, были обработаны с использованием FFT-анализа для разбиения сигнала вибрации на составляющие его частоты (т.е. с тем, чтобы был получен характерный признак вибрации). Характерный признак вибрации, показанный на фиг. 5А, выведен по тому моменту времени, когда было недавно заменено рабочее колесо насоса (т.е. рабочее колесо рассматривалось как "новое" рабочее колесо). Характерный признак вибрации, показанный на фиг. 5В, выведен по тому моменту времени, когда срок службы рабочего колеса подходил к концу (т.е. рабочее колесо было сильно изношено и рассматривалось как "старое" рабочее колесо).
Исходя из этих фигур, становится очевидным, что характерный признак вибрации для "нового" рабочего колеса включает в себя вибрацию, приближенную к лопастной частоте насоса (около 180 Гц), или основной частоте, и ко второй гармонике основной частоты (т.е. к частоте, в два раза превышающую лопастную частоту).
Характерный признак для "старого" рабочего колеса также включает в себя вибрацию, приближенную к лопастной частоте насоса (около 180 Гц) и ко второй гармонике основной частоты. Однако в этом характерном признаке амплитуда вибрации на лопастной частоте существенно увеличена. Характерный признак на частоте второй гармоники существенно не увеличился.
Таким образом, для определения износа рабочего колеса насоса может быть использована основная частота (сама по себе), или же может быть использовано отношение основной частоты к частоте второй гармоники. В качестве реакции на показанные результаты рабочее колесо насоса может быть заменено во избежание критического отказа насоса и/или возникновения проблем с его функционированием, которые могут причинить ущерб.
Пример 3
На фиг. 6А и 6В проиллюстрированы дополнительные характерные признаки вибрации для центробежного насоса с металлической футеровкой. Эти данные и в этом
случае были получены с использованием датчика вибраций, установленного на внешнем корпусе центробежного шламового насоса с металлической футеровкой, но в таком месте на кожухе, которое находилось на большем расстоянии от переходной области, чем в случае, который проиллюстрирован на фиг. 5А и 5В. Датчик вибраций, который и в этом случае представлял собой одноосный акселерометр, был закреплен на внешнем корпусе насоса с помощью промежуточной магнитной пластины для монтажа. Пластина для монтажа была закреплена на поверхности с помощью клея, а датчик соединялся с ней с возможностью съема за счет магнитного притяжения.
В отличие от характерных признаков вибраций, описанных выше, амплитуды основной частоты на описываемых в данном примере фигурах существенно не отличаются друг от друга для нового рабочего колеса и старого рабочего колеса. Однако наблюдается существенное увеличение амплитуды второй гармоники основной частоты при переходе от нового рабочего колеса к старому рабочему колесу. Этот результат говорит о том, что индикацию износа рабочего колеса могут обеспечить, как основная частота, так и гармоники основной частоты.
В описанные выше части могут быть внесены различные изменения и модификации без отступления от сущности или объема настоящего изобретения.
Например, могут быть использованы разные способы соединения датчика с насосом. Например, на насосе может быть закреплена магнитная пластина для монтажа, с которой соединяется датчик с возможностью его последующего съема.
Аналогичным образом в системе может быть использовано множество датчиков, а данные по вибрации, получаемые с этих датчиков, могут объединяться, обеспечивая любую индикацию состояния насоса.
В последующей формуле изобретения и в предшествующем описании настоящего изобретения, за исключением тех случаев, где контекст подразумевает иное за счет четко выраженной формулировки или необходимого косвенного указания, термин "содержит" и его производные, такие как "содержат" или "содержащий", используются в широком смысле, т.е. они указывают на наличие указанных признаков, но не исключают наличие дополнительных признаков в различных вариантах осуществления настоящего изобретения или их добавление.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Насосная система, содержащая:
насос, включающий в себя:
кожух насоса, задающий насосную камеру;
впуск для подачи текучего материала в насосную камеру;
выпуск для отвода текучего материала из насосной камеры;
рабочее колесо, расположенное в насосной камере и ускоряющее движение текучего материала в насосной камере; и
переходную область, проходящую между внутренней окружной поверхностью насосной камеры и внутренней окружной поверхностью выпуска, причем переходная область выполнена с возможностью отведения текучего материала, ускоряемого рабочим колесом, на выпуск во время работы насоса; и датчик вибраций, установленный на кожухе насоса и расположенный так, что во время работы он может улавливать выделенную вибрацию в переходной области вдоль оси, проходящей относительно оси вращения насоса; и процессор, выполненный с возможностью:
получения данных по выделенной вибрации с датчика вибраций, характеризующих вибрацию в переходной области; и
обработки данных по выделенной вибрации для определения состояния износа или эксплуатационной характеристики насоса, исходя из вибрации в переходной области.
2. Система по п. 1, в которой выпуск задает внутренний диаметр выпуска, причем датчик вибраций установлен на корпусе на определенном расстоянии от переходной области, составляющем менее двух диаметров выпуска.
3. Система по п. 1 или 2, в которой датчик вибраций представляет собой акселерометр.
4. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой ось, вдоль которой датчик вибраций улавливает вибрацию, проходит, в общем, в радиальном направлении относительно оси вращения насоса.
2.
5. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой ось, вдоль которой датчик вибраций улавливает вибрацию, проходит, в общем, в окружном направлении относительно оси вращения насоса.
6. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой кожух насоса содержит внутреннюю втулку насоса, задающую насосную камеру, причем датчик установлен таким образом, что он, по меньшей мере, частично встроен во втулку насоса.
7. Система по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащая контроллер, который управляет работой насоса, исходя из установленного состояния износа или эксплуатационной характеристики насоса.
8. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой процессор выполнен с возможностью определения состояния износа или эксплуатационной характеристики насоса, исходя из выборки данных по выделенной вибрации, соответствующих лопастной частоте насоса.
9. Система по п. 8, в которой процессор выполнен с возможностью определения состояния износа или эксплуатационной характеристики насоса, исходя из изменений во времени данных по выделенной вибрации, соответствующих лопастной частоте насоса.
10. Система по любому из предшествующих пунктов, в которой процессор выполнен с возможностью анализа данных по выделенной вибрации, сопоставляя их с данными по выделенной вибрации за прошлые периоды, с целью классифицирования данных по выделенной вибрации как характерных для насоса с определенным состоянием износа или эксплуатационной характеристики.
11. Способ определения состояния насоса согласно любому из предшествующих пунктов формулы, причем этот способ включает в себя:
обнаружение выделенной вибрации переходной области насоса вдоль указанной оси, проходящей относительно оси вращения насоса;
получение данных по выделенной вибрации на основании измеренной выделенной вибрации, причем эти данные по выделенной вибрации служат показателем вибрации в переходной области насоса; и
анализ данных по выделенной вибрации для определения состояния износа или эксплуатационной характеристики насоса.
12. Способ по п. 11, включающий в себя анализ заданного диапазона частот данных по выделенной вибрации для индикации состояния износа или эксплуатационной характеристики насоса.
13. Способ по п. 12, в котором заданный диапазон частот соответствует, в общем, лопастной частоте насоса или множителю этой лопастной частоты.
14. Способ по п. 12 или 13, в котором диапазон частот включает в себя одну или более полосу частот шириной 10 Гц, включая лопастную частоту и/или один или более множитель лопастной частоты.
15. Способ по любому из предшествующих пунктов 12-14, дополнительно включающий в себя стадию определения того, не превышает ли амплитуда вибрации в заданном диапазоне частот заданную пороговую амплитуду.
16. Способ по любому из предшествующих пунктов 12-15, включающий в себя стадию непрерывного контроля заданного диапазона частот по изменению амплитуды в динамике по времени.
17. Способ по любому из предшествующих пунктов 11-16, включающий в себя расчет среднеквадратичного значения выборки данных по вибрации и определения того, не превышает ли рассчитанное среднеквадратичное значение заданное пороговое среднеквадратичное значение.
18. Способ по любому из предшествующих пунктов 11-17, в котором состояние износа или эксплуатационной характеристики представляет собой состояние износа в переходной области и/или износа рабочего колеса насоса.
19. Способ по любому из предшествующих пунктов 11-18, в котором вибрация улавливается с помощью акселерометра.
12.
20. Способ по любому из предшествующих пунктов 11-19, включающий в себя анализ данных по вибрации путем их сопоставления с данными по вибрации за прошлые периоды для классифицирования данных по вибрации как характерных для насоса с определенным состоянием износа или эксплуатационной характеристики.
21. Способ по п. 20, в котором классифицирование выполняется с использованием алгоритма машинного обучения.
12.
100
104
112
118
I III If II411 С II4H 11- i: lllili |N,III IIII
Фиг. 5"
Фиг, 6А
Фиг. 5В
(19)
(19)
(19)
-4 -
-3-
- 5 -
- 5 -
-6-
-6-
-7-
- 8 -
-11 -
-11 -
- 12 -
- 12 -
- 15 -
-16 -
- 19 -
- 19 -
-20 -
-20 -