專利名稱：確定泵單元運行時的故障的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定泵裝置運行時的故障的方法，尤其是涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1前序部分所限定的特征的離心泵裝置以及一種根據(jù)權(quán)利要求18所述的用于實現(xiàn)該方法的適用的設備。
背景技術(shù)：
同時，現(xiàn)有技術(shù)在多個泵裝置中設置有多個傳感器系統(tǒng)，以一方面檢測運行情況、另一方面確定設備(installation)和/或泵裝置的故障情況。采用這種方式，不利的是，對此所需的傳感器系統(tǒng)不但復雜昂貴，而且常易于發(fā)生故障。

發(fā)明內(nèi)容
相比于背景技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種用于確定泵裝置運行故障的方法以及用于實現(xiàn)該方法的設備，該方法利用盡可能少的傳感器技術(shù)便可得以實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，其目的通過權(quán)利要求1和2所述的特征來實現(xiàn)。相應的設備由權(quán)利要求18的特征來限定。根據(jù)本發(fā)明的方法及設備的優(yōu)選構(gòu)成由從屬權(quán)利要求、隨后的說明以及附圖中導出。
具體實施例方式
本發(fā)明的基本構(gòu)思是通過馬達的電變量(馬達的電變量通常都能獲得或者易于確定)以及通過泵的至少一個變化的液壓變量(泵的液壓變量通常由傳感器確定)，來獲得電動馬達及液壓機械泵(hydraulicmechanical pump)的數(shù)據(jù)特性，并且評估此特性數(shù)據(jù)，如經(jīng)數(shù)學運算(聯(lián)合)之后的情形。最簡單的形式下，這通過與預設值進行比較來實現(xiàn)，其中所述比較及結(jié)果通過電子數(shù)據(jù)處理來自動實現(xiàn)，從而確定在泵的運行中是否出現(xiàn)故障。
為了確定泵裝置的運行故障，根據(jù)本發(fā)明的方法設計了至少兩個確定馬達電功率的變量以及至少一個被檢測的泵的變化的液壓變量，并且將這些測得的值或由這些測得的值所得出的值與預設值進行比較，以確定是否出現(xiàn)故障。這全部通過電子數(shù)據(jù)處理來自動實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的方法需要最少的傳感器技術(shù)，并且通常利用現(xiàn)代泵通過軟件來實現(xiàn)，所述現(xiàn)代泵一般由變頻器控制、并且在任何情況下都采用數(shù)字數(shù)據(jù)處理。因此，特別有利的是，用于確定馬達電功率的變量(特別普通的是操縱馬達的電壓以及饋入馬達的電流)在任何情況下都可以在變頻器的電子設備中獲得，于是只需壓力傳感器來確定液壓變量(例如壓力)，并且這已被認為屬于現(xiàn)代泵的標準配置。用于比較的預設值可以以數(shù)字形式存儲在馬達電子設備的合適的存儲器元件中。
對于與以列表形式存儲的馬達及泵的特性數(shù)據(jù)進行比較，可替代地，根據(jù)權(quán)利要求2設想一方面對于確定馬達電功率的兩個馬達的電變量而言，優(yōu)選為操縱馬達的電壓以及饋入馬達的電流，這些變量將進行數(shù)學運算以獲得至少一個比較值；另一方面，對于泵的至少一個變化的液壓變量以及確定泵功率的另外的機械變量(mechanical variable)或液壓變量而言，這些變量將進行數(shù)學運算以獲得至少一個另外的比較值；然后由通過數(shù)學運算的結(jié)果與預設值進行比較，以確定是否出現(xiàn)故障。因此通過確定泵中的電和/或磁關(guān)系的合適的方程式來實現(xiàn)對于馬達部分的數(shù)據(jù)的所述數(shù)學運算，其中描述液壓和/或機械系統(tǒng)的方程式用于泵。分別運算得到的值或者直接進行比較或者與存儲在存儲器中的預設值進行比較，于是電子數(shù)據(jù)處理自動確定是否出現(xiàn)故障。對于直接比較，故障變量確定為從馬達模型導出的變量(例如Te或ω)和從機械-液壓模型導出的相應變量之間的差值。與根據(jù)權(quán)利要求1的方法相反，根據(jù)權(quán)利要求2的方法的優(yōu)點在于預設值需要的存儲空間更小，但是該方法要求計算機的計算能力更大。
因此，采用根據(jù)本發(fā)明的方法，不僅可以確定是否出現(xiàn)故障，而且還可以具體說明所述故障，即確定出現(xiàn)了哪一種故障。
優(yōu)選地，泵產(chǎn)生的壓力或壓差用作待檢測的液壓變量，因為在該裝置部分可以檢測該變量，并且設置這種壓力記錄器現(xiàn)今被認為是屬于各種泵結(jié)構(gòu)類型中的現(xiàn)有技術(shù)。
對于檢測壓力，可選擇地或另外地，也可優(yōu)選使用泵的輸送量作為液壓變量。在該裝置部分上同樣可以堆該輸送量進行檢測，并且這里同樣地，可以利用復雜性更低的長期穩(wěn)定的測量系統(tǒng)。
由于對泵產(chǎn)生的壓力中的絕對壓力檢測總是表示相對于外部大氣壓力的壓差測量，因此常常優(yōu)選檢測在泵的吸入側(cè)和壓力側(cè)之間形成的壓差，而不是絕對壓力，并進而將該壓差作為泵的液壓變量以更有利的方式進行處理。
優(yōu)選采用機械-液壓泵/馬達模型，該模型用于對確定馬達電功率的變量進行數(shù)學運算以及對機械-液壓泵變量進行數(shù)學運算。因此，對于電動馬達模型，優(yōu)選采用方程式(1)-(5)或者方程式(6)-(9)或者方程式(10)-(14)定義的模型。
Ls′disddt=-Rs′isd+LmLr(Rr′ψrd+zpωψrq)+vsd---(1)]]>Ls′disqdt=-Rs′isq+LmLr(Rr′ψrq-zpωψrd)+vsq---(2)]]>dψrddt=-Rr′ψrd-zpωψrq+Rr′Lmisd---(3)]]>dψrqdt=-Rr′ψrq+zpωψrd+Rr′Lmisq---(4)]]>Te=zp32LmLr(ψrdisq-ψrqisd)---(5)]]>方程式(1)-(5)表示用于異步馬達的電動的、動態(tài)馬達模型。
Vs＝Zs(s)Is(6)ω＝ωs-sωs(7)Ir=VsZr(s)---(8)]]>
Te=3RrIr2S---(9)]]>方程式(6)-(9)同樣表示用于異步馬達的電動的、靜態(tài)馬達模型。
Lsdisddt=-Rsisd+zpωLsψrq+vsd---(10)]]>Lsdisqdt=-Rsisq-zpωLsψrd+vsq---(11)]]>dψrddt=-zpωψrq---(12)]]>dψrqdt=zpωψrd---(13)]]>Te=zp32(ψrdisq-ψrqisd)---(14)]]>方程式(10)-(14)表示專用于永磁馬達的電動的、動態(tài)馬達模型。
在方程式(1)-(14)中isd為d方向上的馬達電流isq為q方向上的馬達電流ψrd為d方向上的轉(zhuǎn)子磁通量ψrq為q方向上的轉(zhuǎn)子磁通量Te為馬達轉(zhuǎn)矩vsd為d方向上的馬達供電電壓vsq為q方向上的馬達供電電壓ω為轉(zhuǎn)子和葉輪的角速度Rs′為定子繞組的等效電阻Rr′為轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻Lm為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組之間的感應耦合阻抗Ls′為定子繞組的感應等效阻抗Lr為轉(zhuǎn)子繞組的感抗zp為極對數(shù)Is為相電流
Vs為相電壓ωs為供電電壓的頻率ω為轉(zhuǎn)子和葉輪的實際轉(zhuǎn)速s為馬達轉(zhuǎn)差率(motor slip)Zs(s)為定子阻抗Zr(s)為轉(zhuǎn)子阻抗Rr為轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻Rs為定子繞組的等效電阻Ls為定子繞組的感抗其中d方向和q方向均都垂直于馬達軸，并且兩個方向彼此垂直。
方程式(15)和方程式(16)及(17)中的至少一個優(yōu)選應用于該機械-液壓泵/馬達模型。
因此，方程式(15)表示馬達和泵之間的機械上的關(guān)系，而方程式(16)及(17)描述泵的機械-液壓關(guān)系。這些方程式為Jdωdt=Te-Bω-Tp---(15)]]>以及以下方程式中的至少一個Hp＝-αh2Q2+αh1Qω+αh0ω2(16)Tp＝-αt2Q2+αt1Qω+αt0ω2(17)其中 為轉(zhuǎn)子角速度的時間微分Tp為泵扭矩J為轉(zhuǎn)子、葉輪以及容置于葉輪中的輸送液體的轉(zhuǎn)動慣量B為摩擦常數(shù)Q為泵的輸送流量Hp為泵產(chǎn)生的壓差αh2，αh1，αh0為描述葉輪的轉(zhuǎn)速、輸送流量以及壓差之間關(guān)系的參數(shù)αt2，αt1，αt0為描述葉輪的轉(zhuǎn)速、輸送流量以及轉(zhuǎn)動慣量之間關(guān)系的參數(shù)通過實例，權(quán)利要求9限定了實現(xiàn)數(shù)學運算的方式，以確定是否出現(xiàn)故障。原理上，在此完全可以無需存儲預設值來實現(xiàn)。一方面，該特定方法的基本構(gòu)思在于，利用馬達模型基于電機軸的變量中的電變量來確定馬達轉(zhuǎn)矩并確定轉(zhuǎn)速，其中轉(zhuǎn)速也可以測量。利用方程式(16)和/或(17)，一方面可以確定壓力與輸送量之間的關(guān)系，或者另一方面可以確定功率/轉(zhuǎn)矩與輸送量之間的關(guān)系。然后，優(yōu)選地，利用方程式(15)，檢查通過馬達模型計算的變量是否等于代入測量的液壓變量后通過泵模型所計算的那些變量，其中當它們不相等時，記錄故障。因此可類似地比較，由電動馬達模型得到的驅(qū)動變量是否等于那些由液壓-機械泵模型得到的變量。如果是，則泵裝置無故障運轉(zhuǎn)，否則則可能出現(xiàn)故障，并且可對這種情況下出現(xiàn)的故障做進一步具體說明。
為了給該系統(tǒng)提供一定量的公差(tolerance)，有用的是，通過αh0至αh2、αt0至αt2以及B和J中的至少一個變量的變化來定義公差范圍，從而當此也與運行有關(guān)時，僅記錄故障。
為了能夠以更準確的方式詳細說明故障類型，有用的是，除了兩個電變量之外，優(yōu)選通過測量來確定兩個液壓變量，并將確定的變量代入根據(jù)權(quán)利要求8的方程式，從而得到四個故障變量r1至r4。然后，通過預設邊界值的各種組合來確定故障類型。這也是通過電子數(shù)據(jù)處理來自動完成。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的再一替代形式中，為了確定故障類型，除了兩個電變量之外，也可以(優(yōu)選通過測量)確定兩個液壓變量，并且將確定的值與預設值進行比較。其中，在各種情況下，所述預設值均定義了三維空間中的一個面，而且確定所確定的值是否位于這些面(r*1至r*4)上，并且基于這些值的組合，通過所述預設邊界值的組合來確定故障類型。例如，故障類型可通過以下示例的表格確定


因此，利用根據(jù)本發(fā)明的方法，不僅可以確定泵裝置的無故障或故障運行情況，而且可以在出現(xiàn)故障時利用最少的傳感器技術(shù)來詳細說明故障情況，以便可在該泵裝置中產(chǎn)生相應的故障信號，該故障信號顯示故障類型。當故障情況可能出現(xiàn)時，該信號可以傳送到待監(jiān)測泵裝置運行的遠程位置。
在三維空間中通過所述預設值形成的面一般為空間弧形面，這些面的值事先在工廠中基于不同的裝置或裝置類型來確定，并且存儲在裝置部分上的數(shù)字數(shù)據(jù)存儲器中。由此，前述的比較面r*1至r*4排列在三維空間中，其中r*1面由轉(zhuǎn)矩、輸送量(throughput)以及轉(zhuǎn)子速度形成，r*2面由輸送壓頭(deliveryhead)、輸送量以及轉(zhuǎn)子速度形成，r*3面由轉(zhuǎn)矩、輸送壓頭以及轉(zhuǎn)子速度形成，r*4面由轉(zhuǎn)矩、輸送壓頭以及輸送量形成。
在該表中，由比較面r*1至r*4定義的變量表示不同運行情況的特征，其中數(shù)字0表示各自的值位于預設值限定的面上，而數(shù)字1表示各自的值位于預設值限定的面之外。這樣，在該表中，由于機械缺陷而使摩擦增加所限定的故障組合例如可表示軸承損壞或者以任何其它方式造成的、裝置的轉(zhuǎn)動部分與靜止部分之間的摩擦阻力增加。在輸送減少/失壓的主項下表示的故障組合例如可以是由泵葉輪的故障或磨損、或者泵的入口或出口處的障礙所造成的。在吸入?yún)^(qū)的缺陷/無輸送量的主項下表示的故障組合例如可以是由于泵吸入部的環(huán)密封的缺陷所造成的。在輸送中斷的主項下表示的故障組合可能具有很多的原因，并且當情況可能如此時，有待進一步具體說明。這種輸送中斷可能是由于軸的阻滯或者泵葉輪的阻滯、軸的故障、泵葉輪的脫離、泵入口處不能允許的低壓導致的氣蝕(cavitation)以及干運轉(zhuǎn)(running dry)而引起。
該表格中通過變量r1至r4表示的運行情況是基于根據(jù)方程式(19)至(22)對故障變量r1至r4所進行的數(shù)學計算，其中當運行良好時，各故障變量取0；當出現(xiàn)故障時，各故障變量取1。涉及故障類型的該表格將以與上述對應的方式來理解。如所示，各故障變量r1至r4表示至相應面r*1至r*4的距離。然而，所述故障變量并非必須對應于面r*1至r*4。所述故障變量r1至r4符合方程式(19)至(22)，并且對應于圖7至

圖10中的面r*1至r*4。
為了進一步區(qū)分故障類型，在本發(fā)明的又一實施例中，設想在確定故障時，以變化的轉(zhuǎn)速致動泵裝置，從而能夠根據(jù)隨后引入(set in)的測量結(jié)果以更接近的方式指出所確定的故障。
優(yōu)選地，該機械-液壓泵/馬達模型不僅包括泵裝置本身，而且還包括受泵影響的至少部分的液壓系統(tǒng)部分，因此該液壓系統(tǒng)的故障也可以被確定。
因此，該液壓系統(tǒng)優(yōu)選由表示輸送流量隨時間變化的方程式(18)來定義。
KJdQdt=Hp-(pout+ρgzout-pin-ρgzin)-(KV+KL)Q2---(18)]]>其中KJ為描述管道系統(tǒng)內(nèi)液柱質(zhì)量慣性的常數(shù)KV為描述在閥中與流量相關(guān)的壓力損失的常數(shù)KL為描述在管道系統(tǒng)中與流量相關(guān)的壓力損失的常數(shù)HP為泵的壓差pout為設備排出側(cè)(consumer side)一端的壓力pin為供液壓力zout為設備排出側(cè)一端的靜壓力水平zin為泵入口的靜壓力水平p為輸送介質(zhì)的密度g為重力常數(shù)故障變量r1至r4優(yōu)選由方程式(19)至(22)來定義Jdω^1dt=-Bω^1-(-at2Q2+at1Qω+at0ω2)+Te+kg(ω-ω^1)r1=q1(ω-ω^1)---(19)]]>{r2=q2(-ah2Q2+ah1ωQ+ah0ω2-Hp)---(20)]]>Q′=ah1ω+ah12ω2-4ah2(Hp+ah0ω2)2ah2Jdω^3dt=-Bω^3-(-at2Q′2+at1Q′ω+at0ω2)+Te+k3(ω-ω^3)r3=q3(ω-ω^3)---(21)]]>
ω′=-ah1Hp+ah12Hp2-4ah2(Hp+ah0Q2)2ah2Jdω^4dt=-Bω^4-(-at2Q2+at1Qω′+at0ω′2)+Te+k4(ω′-ω^4)r4=q4(ω′-ω^4)---(22)]]>其中k1，k3，k4為常數(shù)q1，q2，q3，q4為常數(shù)Q′為基于當前轉(zhuǎn)速和測得的壓力所計算得到的輸送量 為基于機械-液壓方程式(15)和(17)所計算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 為基于方程式(15)、(16)和(17)所計算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 為基于方程式(15)、(16)和(17)所計算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 為基于測得的輸送壓力和輸送量所計算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速r1至r4為故障變量r*1至r*4為由所述三個變量確定的表示泵無故障運行的面為了實現(xiàn)用于確定離心泵裝置運行情況的故障的本創(chuàng)造性方法，提供用于檢測確定馬達功率的兩個電變量的裝置、檢測泵的至少一個變化的液壓變量的裝置、以及基于所檢測的變量確定泵裝置故障情況的電子評估裝置。在其最簡單的形式下，設有用于檢測供電電流和在馬達處的供電電壓的傳感器裝置、和檢測壓力(優(yōu)選泵產(chǎn)生的壓差)以及檢測輸送量或者轉(zhuǎn)速的傳感器裝置。此外，設有評估裝置，該評估裝置可設計成數(shù)字數(shù)據(jù)處理的形式(例如微處理器)，其中根據(jù)本發(fā)明的方法可利用軟件來實現(xiàn)。此外，還設有電子存儲器，以能夠?qū)崿F(xiàn)檢測的或計算的值與預設值(例如在工廠部分中檢測或存儲的值)之間的比較。利用由變頻器控制的現(xiàn)代泵裝置，所有與硬件相關(guān)的事先預處理已經(jīng)具備，因此僅須確保該電子數(shù)據(jù)處理裝置(特別是該存儲器裝置和該評估裝置)足夠的計算(dimensioning)。除了傳感器系統(tǒng)之外，所有檢測液壓變量所需的元件優(yōu)選為馬達電子設備和/或泵電子設備的集成元件，故如此所述的，在結(jié)構(gòu)上無需進行進一步的設置以實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法。另一實施例形式可為設置于開關(guān)面板或者控制面板上的獨立元件，其設置方式與馬達電路斷路器相同，但是具有如上所述的監(jiān)控和診斷特性。
在此所述的實施例形式與離心泵有關(guān)，并且這也源自機械-液壓泵模型。這種泵例如可以是工業(yè)泵、用于排污或供水的潛水泵、以及加熱循環(huán)泵。根據(jù)本發(fā)明的診斷系統(tǒng)特別優(yōu)選具有屏蔽泵(canned motor pump)，因為作為預防，通過早期故障識別可以防止容器(can)磨穿以及因此輸送的液體例如流入居室。本發(fā)明在容積式泵(displacement pump)領(lǐng)域的應用中，機械-液壓泵模型必須根據(jù)不同的物理關(guān)系來修改。同樣也適用于在其它馬達類型中應用該電動馬達模型。
此外，根據(jù)本發(fā)明，設有產(chǎn)生至少一個故障通知并將其傳送到設置于泵裝置或其它地方的顯示器件上的裝置，該故障通知為一個或多個控制光源(control light)的形式或者是利用α-數(shù)字顯示器的顯示形式。因此，傳送可以以通過例如紅外線或無線電的無線形式實現(xiàn)，或者也可以通過線路連接來實現(xiàn)，所述傳送優(yōu)選采用數(shù)字形式。
圖1以簡化形式示出了根據(jù)本發(fā)明的方法。在此，確定功率的變化的電變量(特別是電壓Vabc和電流iabc)輸入電動馬達模型。這些變量的乘積限定馬達所采用的電功率。從例如由方程式(1)至(5)或方程式(6)至(9)或方程式(10)至(14)給出的該馬達模型可導出基于該馬達模型的、作為數(shù)值結(jié)果的馬達軸上的轉(zhuǎn)矩Te和馬達的轉(zhuǎn)速ω。馬達的這些取決于功率的電變量與例如根據(jù)方程式(16)和(17)的泵模型2確定的機械輸送壓頭H(壓力)進行運算，然后將該結(jié)果與通過規(guī)定的運行點確定并預設的運行值進行比較。當這些輸入變量和預設值一致時，則泵裝置無故障運行。但是，如果當差值超過一定的測量結(jié)果時，則產(chǎn)生表示泵故障運行的誤差信號r。
對于根據(jù)圖2的實施例，以與圖1相同的方式，輸入電壓Vabc和馬達電流iabc用作馬達模型1的輸入值，以確定作用在馬達軸上的轉(zhuǎn)矩Te和軸的轉(zhuǎn)速ω。由馬達模型1獲得的這些值、以及通過傳感器確定的輸送壓頭H(壓力)和輸送量Q在例如通過方程式(19)至(22)進一步形成的機械-液壓泵模型3中彼此作數(shù)學運算。在此，產(chǎn)生四個故障變量r1至r4，其中，當這些值都取為0時，表示無故障運行，并且因此運行點分別位于圖7至圖10的面r*1至r*4上。這里示出的這些面由與設想的泵裝置的適當運行相關(guān)的多個運行點來限定，而且在工廠部分制作，并且以數(shù)字形式存儲在評估電子設備的存儲元件中。可替代地或附加地，確定的是，不管根據(jù)機械-液壓泵模型確定的故障變量r1至r4是否為0，而根據(jù)該結(jié)果按照前述表格進行評估。根據(jù)產(chǎn)生故障時是否存在誤差變量，可以整體上確定泵裝置的四種故障運行情況，并且具體的是前述主項下的這些故障運行情況1、由于機械缺陷而使摩擦增加2、輸送減少/失壓3、吸入?yún)^(qū)的缺陷/無輸送量4、輸送中斷采用根據(jù)本發(fā)明的方法，不僅可以監(jiān)控泵裝置本身，還可以監(jiān)控安裝有該泵裝置的設備的部件。因此，該系統(tǒng)如圖3詳細所示進行分解。在此也設有電動馬達模型，其輸入變量為Vabc和iabc，并且該電動馬達模型基于根據(jù)方程式(6)至(9)的靜態(tài)馬達模型(諸如現(xiàn)在已熟知并由圖5所示的)。該靜態(tài)馬達模型的輸出變量為馬達轉(zhuǎn)矩Te，其通過方程式(15)再進入泵模型的機械部分3a。泵模型的液壓部分3b由方程式(16)和(17)確定，通過所述方程式將設備4的液壓部分耦合。該設備的液壓部分由方程式(18)確定并由圖4示意性地表示，其中Pin表示泵的供液壓力，Hp表示泵的壓差，Q表示輸送流量，Pout表示在該設備排出側(cè)一端的壓力，以及V1表示泵的流量損失。zout表示在該設備排出側(cè)一端的靜壓水平，而zin表示泵入口的靜壓水平。
由此，圖3著重馬達模型、泵模型的機械部分、泵模型的液壓部分以及設備的液壓部分之間的關(guān)系。但是，輸送壓頭和輸送量進入和流出泵模型的液壓部分3b以及設備的液壓部分，進入泵模型的液壓部分3b的轉(zhuǎn)速ωr也進入馬達模型。由泵模型的液壓部分3b評估的轉(zhuǎn)矩反過來再進入泵模型的機械部分3a，以確定轉(zhuǎn)速。
前述用于數(shù)學上描述泵和馬達的方程式僅通過實例來理解，并且可以由相關(guān)技術(shù)文獻得知的其它適當公式代替。上述在泵裝置運行中可由這些模型確定的故障或者根據(jù)故障類型的區(qū)別，可以通過適當?shù)墓收线\算法則進一步多樣化。
為了保證已經(jīng)很小的制造公差或者測量誤差不會導致發(fā)出故障信號，有益的是，不以恒定的方式選擇方程式(16)和(17)中指定的參數(shù)αh和αt，而是如圖6所示，在各種情況下選擇成使下限或上限固定以獲得一定的帶寬。在圖6左側(cè)的曲線示出功率對輸送量的關(guān)系曲線，在圖6右側(cè)的曲線示出輸送壓頭對輸送量的關(guān)系曲線。
附圖標記列表
1-電動馬達模型2-簡化的泵模型3-擴展的泵模型3a-該泵模型的機械部分3b-該泵模型的液壓部分4-該設備的液壓部分
權(quán)利要求
1.一種用于確定泵裝置運行時的故障的方法，該方法檢測至少兩個確定馬達的電功率的電變量以及泵的至少一個變化的液壓變量，其中，所述檢測的值或由所述檢測的值所導出的值通過電子數(shù)據(jù)處理自動地與預設值進行比較，然后通過比較結(jié)果確定是否出現(xiàn)故障。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，一方面，所述確定馬達電功率的電變量中的兩個優(yōu)選為操縱該馬達的電壓以及饋入該馬達的電流，所述兩個電變量進行數(shù)學運算，以獲得至少一個比較值；另一方面，所述泵的至少一個變化的液壓變量以及確定該泵的功率的至少一個另外的機械或液壓變量進行數(shù)學運算，以獲得至少一個比較值，通過所述數(shù)學運算的結(jié)果與所述預設值進行比較以確定是否出現(xiàn)故障。
3.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，當確定出現(xiàn)故障后，進一步確定出現(xiàn)的故障的種類。
4.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，所述檢測的液壓變量為該泵產(chǎn)生的壓力。
5.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，所述檢測的液壓變量為該泵的輸送量。
6.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，所述檢測的液壓變量為該泵的吸入側(cè)和壓力側(cè)之間的壓差。
7.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，所述數(shù)學運算采用數(shù)學的、機械-液壓泵/馬達模型與數(shù)學的、電動馬達模型的結(jié)合。
8.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，該電動馬達模型通過以下方程式形成Ls′disddt=-Rs′isd+LmLr(Rr′ψrd+zpωψrq)+vsd---(1)]]>Ls′disqdt=-Rs′isq+LmLr(Rr′ψrq-zpωψrd)+vsq---(2)]]>dψrddt=-Rr′ψrd-zpωψrq+Rr′Lmisd---(3)]]>dψrqdt=-Rr′ψrq+zpωψrd+Rr′Lmisq---(4)]]>Te=zp32LmLr(ψrdisq-ψrqisd)---(5)]]>或Vs＝Zs(s)Is(6)ω＝ωs-sωs(7)Ir=VsZr(s)---(8)]]>Te=3RrIr2s---(9)]]>或Lsdisddt=-Rsisd+zpωLsψrq+vsd---(10)]]>Lsdisqdt=-Rsisq-zpωLsψrd+vsq---(11)]]>dψrddt=-zpωψrq---(12)]]>dψrqdt=zpωψrd---(13)]]>Te=zp32(ψrdisq-ψrqisd)---(14)]]>其中isd為d方向上的馬達電流；isq為q方向上的馬達電流；ψrd為d方向上的轉(zhuǎn)子磁通量；ψrq為q方向上的轉(zhuǎn)子磁通量；Te為馬達轉(zhuǎn)矩；vsd為d方向上的馬達供電電壓；vsq為q方向上的馬達供電電壓；ω為轉(zhuǎn)子和葉輪的角速度；Rs′為定子繞組的等效電阻；Rr′為轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻；Lm為該定子繞組和該轉(zhuǎn)子繞組之間的感應耦合阻抗；Ls′為該定子繞組的感應等效阻抗；Lr為該轉(zhuǎn)子繞組的感抗；zp為極對數(shù)；Is為相電流；Vs為相電壓；ωs為該供電電壓的頻率；ω為該轉(zhuǎn)子和該葉輪的實際轉(zhuǎn)速；s為該馬達轉(zhuǎn)差率；Zs(s)為定子阻抗；Zr(s)為轉(zhuǎn)子阻抗；Rr為該轉(zhuǎn)子繞組的等效電阻；Rs為該定子繞組的等效電阻；Ls為該定子繞組的感抗；其中該d方向和該q方向都垂直于馬達軸，并且所述兩個方向相互垂直；其中，該機械-液壓泵/馬達模型通過以下方程式形成Jdωdt=Te-Bω-Tp---(15)]]>和以下方程式中的至少一個Hp＝-ah2Q2+ah1Qω+ah0ω2(16)Tp＝-at2Q2+at1Qω+at0ω2(17)其中 為轉(zhuǎn)子角速度對時間的微分；Tp為該泵的扭矩；J為該轉(zhuǎn)子、該葉輪以及該葉輪包含的輸送液體的轉(zhuǎn)動慣量；B為摩擦常數(shù)；Q為該泵的輸送流量；Hp為該泵產(chǎn)生的壓差；ah2，ah1，ah0為描述該葉輪的轉(zhuǎn)速、輸送流量以及壓差的關(guān)系的參數(shù)；at2，at1，at0為描述該葉輪的轉(zhuǎn)速、輸送流量以及轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系的參數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述變量ah0-ah2和所述變量at0-at2在所述方程式(16)和(17)中是固定的，而所述變量B和J在所述方程式(15)中固定的；其中，所述馬達轉(zhuǎn)矩(Te)由根據(jù)所述方程式(1)至(5)或所述方程式(6)至(9)或所述方程式(10)至(14)的該電動馬達模型來確定；所述轉(zhuǎn)速根據(jù)所述方程式(1)至(5)或所述方程式(6)至(9)或所述方程式(10)至(14)來計算、或者通過測量獲得；其中，一方面通過所述方程式(16)和/或(17)確定所述壓力與所述輸送量之間的關(guān)系，和/或另一方面確定所述功率/所述轉(zhuǎn)矩與所述輸送量之間的關(guān)系；由此，優(yōu)選地通過所述方程式(15)檢查利用該馬達模型計算的變量是否等于代入所述測量的液壓變量后利用該泵模型計算的那些變量，其中，如果不相等，則記錄故障。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述變量ah0-ah2、at0-at2、B和J中的至少一個變量的變化來固定公差帶。
11.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，為了確定所述故障類型，除了所述兩個電變量之外，還確定兩個液壓變量，所述兩個液壓變量優(yōu)選通過測量來確定，并且所述確定的值代入根據(jù)權(quán)利要求8所述的方程式以導出r1至r4的幾個故障變量，其中通過所述故障變量的組合并通過所述預設邊界值的組合以確定所述故障類型。
12.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，為了確定所述故障類型，除了所述兩個電變量之外，還確定兩個液壓變量，所述兩個液壓變量優(yōu)選通過測量來確定，并且將所述確定的值或者由所述確定的值導出的值與所述預設值進行比較，其中，所述預設值在各種情況中均限定一個面，其中，所述確定的值或者由所述確定的值導出的值是否位于所述r1*至r4*面的其中一個上得以確定，并且通過所述故障變量的組合并通過所述預設邊界值的組合來確定所述故障類型。
13.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，所述故障類型的評估通過下述表格來進行
14.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，在確定所述故障時，所述泵裝置以變化的轉(zhuǎn)速致動，從而根據(jù)隨后引入的所述測量結(jié)果，以更準確地具體說明所述被確定的故障。
15.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，該機械-液壓泵/馬達模型還包括受該泵影響的所述液壓系統(tǒng)的至少部分，以使該液壓系統(tǒng)的故障也能被確定。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，該液壓系統(tǒng)由以下方程式限定KJdQdt=HP-(pout+ρgzout-pin-ρgzin)-(KV+KL)Q2---(18)]]>其中KJ為描述管道系統(tǒng)內(nèi)液柱的質(zhì)量慣性的常數(shù)；KV為描述在閥中與流量相關(guān)的壓力損失的常數(shù)；KL為描述在該管道系統(tǒng)中與流量相關(guān)的壓力損失的常數(shù)；Hp為該泵的壓差；Pout為該設備在排出側(cè)一端的壓力；pin為供液壓力；zout為該設備在排出側(cè)一端的靜壓力水平；zin為該泵入口的靜壓力水平；p為輸送介質(zhì)的密度；g為重力常數(shù)。
17.如前述權(quán)利要求的任一項所述的方法，其中，所述故障變量r1至r4由以下方程式限定Jdω^1dt=-Bω^1-(-αt2Q2+αt1Qω+αt0ω2)+Te+ke(ω-ω^1)---(19)r1=q1(ω-ω^1)]]>{r2＝q2(-ah2Q2+ah1ωQ+ah0ω2-Hp) (20)Q1=αh1ω+αh12ω2-4αh2(Hp+αh0ω2)2αh2Jdω^3dt=-Bω^3-(-αt2Q12+αt1Q1ω+αt0ω2)+Te+k3(ω-ω^3)---(21)r3=q3(ω-ω^3)]]>ω1=-αh1Hp+αh12Hp2-4αh2(Hp+αh0Q2)2αh2Jdω^4dt=-Bω^4-(-αt2Q2+αt1Qω′+αt0ωt2)+Te+k4(ω′-ω^4)---(22)r4=q4(ω′-ω^4)]]>其中k1，k3，k4為常數(shù)；q1，q2，q3，q4為常數(shù)；Q′為基于當前轉(zhuǎn)速和測得的壓力所計算得到的輸送量； 為基于所述機械-液壓方程式(15)和(17)計算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； 為基于所述方程式(15)、(16)和(17)計算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速； 為基于所述方程式(15)、(16)和(17)計算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ω′為基于所述測得的輸送壓力和輸送量計算得到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；r1至r4為故障變量；以及r1*至r4*為由所述三個變量確定的表示該泵無故障運行的面。
18.一種確定離心泵裝置的運行情況的故障的設備，所述設備具有用于檢測兩個確定馬達電功率的電變量的裝置、檢測泵的至少一個變化的液壓變量的裝置、以及通過所述檢測的變量確定所述泵裝置的故障情況的評估裝置。
19.如權(quán)利要求17所述的設備，其中，設有用于存儲預設值的裝置，其中該評估裝置包括有用于將所述檢測的變量與所述預設值進行比較的裝置。
20.如權(quán)利要求17或18所述的設備，其中，該評估裝置包括有用于對所述檢測的變量進行運算的裝置。
21.如前述權(quán)利要求的任一項所述的設備，其中，該設備為馬達電子設備和/或泵電子設備的集成元件。
22.如前述權(quán)利要求的任一項所述的設備，其中，設有用于產(chǎn)生和傳送至少一個故障通知的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于確定泵裝置運行時的故障的方法。檢測至少兩個確定馬達電功率的電變量以及泵的至少一個變化的液壓變量。利用電子數(shù)據(jù)處理自動地對所述檢測的值或通過算法由所述變量形成的值與預設存儲值進行比較，然后利用所述比較結(jié)果確定是否出現(xiàn)故障。
文檔編號F04D27/02GK1938520SQ200580008075
公開日2007年3月28日 申請日期2005年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月11日
發(fā)明者卡斯藤·卡勒索 申請人:格倫德福斯聯(lián)合股份公司