姚宇,　宋建成,　韓毅,　席慶祥,　李建華

(1.太原理工大學 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點實驗室, 山西 太原　030024；2.山西煤礦機械制造有限責任公司， 山西 太原　030024)

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基于雙循環(huán)測量隔離管路的離心泵加速壽命試驗平臺設(shè)計

姚宇1,宋建成1,韓毅1,席慶祥2,李建華2

(1.太原理工大學 煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點實驗室, 山西 太原030024；2.山西煤礦機械制造有限責任公司， 山西 太原030024)

摘要：針對離心泵失效過程復雜、故障數(shù)據(jù)庫不健全的問題，設(shè)計了基于雙循環(huán)測量隔離管路的離心泵加速壽命試驗平臺。該平臺利用含砂粒子大小與粒子濃度作為離心泵加速壽命應力因子，以流量-揚程特性曲線作為壽命評價指標。測試結(jié)果表明，該平臺可以有效加速離心泵失效過程，并能實現(xiàn)離心泵特性曲線擬合和試驗數(shù)據(jù)的在線測量，滿足了加速壽命試驗要求。

關(guān)鍵詞：離心泵； 加速壽命試驗； 雙循環(huán)測量； PLC

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1456.005.html

0引言

離心泵是一種廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域排水的旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備，其在電力、礦山、化工、農(nóng)業(yè)等多個行業(yè)都具有重要的地位。在煤礦井下，離心泵主要擔負涌水排出工作。礦井涌水中含有矸石等雜質(zhì),會磨損離心泵葉輪，導致離心泵性能下降。目前離心泵故障時的工況數(shù)據(jù)并不全面，工作現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測參量較少，不能全面反映故障特征[1-2]；實驗室人工故障特征又不完全符合自然故障發(fā)展規(guī)律，與實際離心泵失效過程有一定差異，且人工故障點較為離散，不具備連續(xù)的故障特征。一些研究中，使用人為切削葉輪的方法形成離心泵故障，而不是加速磨損葉輪，導致獲得的試驗數(shù)據(jù)只能是某些特性磨損程度的離散數(shù)據(jù)，不能獲取葉輪在任何磨損程序下的數(shù)據(jù)[3-9]。

針對離心泵失效過程復雜、故障數(shù)據(jù)庫不健全的問題，本文設(shè)計并建立了基于雙循環(huán)測量隔離管路的離心泵加速壽命試驗平臺。該試驗平臺主要用于模擬離心泵葉輪磨損故障，加速離心泵壽命失效過程，全程監(jiān)測其流量、壓力、振動和電流等多種信號，獲取其全壽命故障信息，為后續(xù)的特征量提取和壽命管理算法的研究奠定基礎(chǔ)。

1離心泵加速壽命試驗原理

離心泵在工作時，流體中夾雜的大量雜質(zhì)會沖蝕離心泵葉輪，很容易造成磨損，甚至破裂。

目前較為認可的沖蝕磨損理論主要有微切削理論、變形理論和鍛造擠壓理論。3種理論主要是通過不同的力學方法，微觀地描述粒子對靶目標的沖蝕過程。這3種理論一致認為沖蝕主要受沖擊角、沖擊速度、粒子流量、粒子直徑等因子的影響[10]。

在離心泵工作時，4個沖蝕因子會導致離心泵葉片磨損。其中，沖擊角與葉片設(shè)計角有關(guān)，葉片設(shè)計角在離心泵出廠時就已經(jīng)確定，所以，沖擊角在磨損過程中為固有應力因子，不可改變[11-13]；沖擊速度與流體速度有關(guān)，流量一定時，沖擊速度不變。加速壽命試驗平臺主要通過增加粒子直徑和粒子流量來加速離心泵的失效過程。

加速磨損的磨料也是離心泵加速壽命試驗中重要的加速應力因子。本設(shè)計選用石英砂作為磨料。石英砂莫氏硬度達到7，硬度遠高于離心泵葉輪，對離心泵加速磨損效果較好。在試驗中采用2～4目石英砂顆粒，在盡可能不造成管路堵塞的前提下，加速對葉輪的磨損。

煤礦井下涌水中矸石含量較大時，離心泵葉輪平均磨損時間為1 000 h，矸石與水的質(zhì)量比為1∶2。在考慮堵塞和安全的前提下，本試驗中的石英砂與水的質(zhì)量混合比例也為1∶2。

2加速壽命試驗平臺設(shè)計

2.1離心泵特性曲線測量原理

離心泵作為流體旋轉(zhuǎn)機械，評價其性能的核心指標為特性曲線，即流量(Q)和揚程(H)的關(guān)系。當揚程小于設(shè)計最低要求時，將不可使用；而當流量過低時，流體輸送效率太低，增加經(jīng)濟成本。離心泵Q-H特性曲線主要測定Q與H的關(guān)系[14]。其中，測量揚程H的計算公式如下：

(1)

式中：P1、P2分別為泵進口、出口的壓強，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；h0為壓力計與負壓計高度差，m；u1、u2分別為泵進口、出口的流速，m/s，因離心泵的兩截面管路很短，流速平方差很小，故可忽略。

由此可見，揚程主要與出口與進口壓力P2、P1有關(guān)，所以，需要監(jiān)測泵的出入口壓力。而流量Q可直接測量。為了測量壓力P1、P2和流量Q，需要設(shè)計和搭建離心泵配套管路，保障測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

2.2試驗平臺設(shè)計

加速壽命試驗平臺由離心泵、正壓計、負壓計、流量計、閥門V1—閥門V4、調(diào)節(jié)閥V5、清水箱T1、砂水箱T2和試驗監(jiān)測測控系統(tǒng)組成，如圖1所示。試驗平臺設(shè)計為2套循環(huán)管路結(jié)構(gòu)，即測量循環(huán)管路和加速壽命試驗循環(huán)管路。加速壽命試驗循環(huán)管路中的砂水箱內(nèi)為砂水混合流體，用來加速離心泵磨損。測量循環(huán)管路中的清水箱內(nèi)的介質(zhì)為清水，用來測量離心泵的水力性能。通過閥門控制離心泵壽命，使介質(zhì)在砂水箱自循環(huán)流動。通過控制閥門，切換管路，使用清水箱中的清水實現(xiàn)水力性能測試。在加速壽命試驗循環(huán)管路中不存在彎管段，可防止傳感器被磨損和管路堵塞。通過雙循環(huán)測量隔離的方法，使得每次測量的管道和傳感器情況保持不變，只有離心泵和加速磨損管路受到磨損，從而確保了精度，也防止了彎管管路造成的管路堵塞。

圖1　離心泵加速壽命試驗平臺組成

當測量離心泵特性曲線時，閥門V1、閥門V2打開，閥門V3、閥門V4關(guān)閉。加速壽命試驗平臺運行在測量循環(huán)管路上時，循環(huán)清水箱T1內(nèi)的清水。通過調(diào)節(jié)V5的開度，測出P1、P2和Q，根據(jù)式(1)繪制出離心泵特性曲線。

當對離心泵加速失效時，閥門V1、閥門V2關(guān)閉，閥門V3、閥門V4打開。加速壽命試驗平臺運行在加速壽命試驗循環(huán)管路上，循環(huán)砂水箱T2內(nèi)的砂水混合流體。通過T2中含砂水對離心泵的沖蝕，加速離心泵失效過程。

2.3監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

離心泵加速壽命試驗平臺不僅需要加速離心泵失效的過程，最重要的是獲取離心泵全壽命周期的狀態(tài)數(shù)據(jù)。所以，試驗平臺數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測至關(guān)重要。試驗平臺監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)應具備以下功能：

(1) 能可靠采集壓力、流量等低頻大滯后信號，實現(xiàn)離心泵特性曲線測繪。

(2) 可定期采集振動、電流和電壓等高頻信號，滿足采樣頻率要求。

(3) 可實現(xiàn)水泵自動啟停、閥門開度控制、管路切換等操作的自動控制，自動定期控制相關(guān)閥門完成特性曲線逐點測量。

(4) 具備漏液報警、水泵急停等功能，實現(xiàn)就地聲光報警，并可以通過上位機遠程報警。

(5) 能夠自動擬合采集數(shù)據(jù)的曲線，實時顯示離心泵的特性曲線。

(6) 人機交互界面友好，方便試驗操作，并配備強大的數(shù)據(jù)庫功能， 可以存儲離心泵失效過程中的全部工況數(shù)據(jù)。

根據(jù)上述功能要求，試驗平臺監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)采用基于PLC和采集卡相結(jié)合的監(jiān)控方案，選用LabVIEW作為上位機軟件開發(fā)平臺。試驗平臺監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)如圖2所示。

圖2　試驗平臺監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)

利用PLC與NI9234采集卡實現(xiàn)監(jiān)測監(jiān)控功能，選用S7-200系列PLC配合相關(guān)外圍繼電器完成邏輯控制。PLC主要與流量、壓力等傳感器和電動閥連接，實現(xiàn)低頻滯后信號的采集和管路相關(guān)控制。同時PLC利用漏水傳感器檢測試驗過程中的漏水故障，若發(fā)生漏水故障，應及時停止試驗，并向用戶報警。

根據(jù)離心泵加速壽命試驗平臺監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，監(jiān)控軟件主要包括PLC監(jiān)控程序、HMI人機界面程序、基于LabVIEW的上位機程序和基于SQL Sever 2008的數(shù)據(jù)庫4個部分。

PLC監(jiān)控程序是根據(jù)加速壽命試驗平臺的功能要求而設(shè)計的，與HMI人機界面構(gòu)成下位機，主要實現(xiàn)以下功能：采集低頻信號、手動控制離心泵與管路、與上位機遠程通信、與HMI人機交互及顯示目前水泵工況流量和壓力等實時狀態(tài)。

上位機程序包括上位機交互程序和數(shù)據(jù)庫2個部分。人機交互程序完成對離心泵工況的實時采集、壽命信息的存儲和健康狀況的分析；數(shù)據(jù)庫主要用于數(shù)據(jù)的存儲與管理。上位機界面如圖3所示。

圖3　上位機界面

2.4傳感器布局

試驗平臺安裝有各種傳感器，用于采集流量、正壓、負壓、轉(zhuǎn)速、電壓、電流和振動等傳感信息。

流量傳感器和正、負壓力傳感器主要用于測量離心泵運行時的水力性能，以便通過水力性能計算出離心泵的特性曲線。電流傳感器和加速度傳感器主要用于采集離心泵從健康狀態(tài)衰退到失效狀態(tài)時的電流和振動信號的變化過程。

流量、壓力和電信號等傳感器由于其本身測量特性與試驗設(shè)計原理的原因，其安裝位置固定。而監(jiān)測振動信號的加速度傳感器對位置十分敏感，對于葉片式旋轉(zhuǎn)機械來說，其振動信號中最敏感的故障特征量為葉片通過頻率，即蝸殼上某一點葉片的掃描頻率，其公式為

(2)

式中：Fp為葉片通過頻率；Fn為離心泵轉(zhuǎn)速；N為葉片數(shù)。

在離心泵出現(xiàn)故障時，如某一葉片出現(xiàn)磨損，離心泵會出現(xiàn)一定振動，從而會對Fp進行調(diào)制，在其頻譜上出現(xiàn)移頻[15]。所以，對離心泵來說，其蝸殼為加速度傳感器必需的安裝位置。同時由于離心泵整體振動，其底座與出水口都會出現(xiàn)不同頻率與幅值的振動，所以底座與出水口都應安裝加速度傳感器，如圖4所示。

3加速壽命試驗平臺試驗流程

離心泵加速壽命試驗平臺的試驗步驟整體分為3個部分，即測量清水狀態(tài)下離心泵的初始性能、含砂條件下離心泵的初始性能和加速壽命試驗過程中的狀態(tài)信息。

3.1離心泵初始性能測定

離心泵的初始性能測定主要是在清水和含砂水狀態(tài)下進行的，測試健康的離心泵的Q-H曲線、振動信號、電信號，并保存記錄，作為以后故障失效信號的對比樣本。

圖4　加速度傳感器安裝位置

因為離心泵的特性曲線與轉(zhuǎn)速息息相關(guān)，在清水條件下，測定離心泵初始性能，首先應測定離心泵當前轉(zhuǎn)速；然后，逐漸增大調(diào)節(jié)閥開度，每次增加10 m3/h，并記錄壓力、流量參數(shù)，計算出揚程H，繪制出Q-H曲線。同時記錄正常工況下的離心泵振動信號和電信號，作為對比樣本。

本試驗平臺選用IS100-80-125型離心泵，其額定流量為100 m3/h，額定揚程為20 m。使用加速壽命試驗平臺測試離心泵在清水條件下的初始性能，清水介質(zhì)初始條件測量參數(shù)見表1，繪制特性曲線如圖5所示。所有離心泵Q-H特性測試數(shù)據(jù)均落在95%置信區(qū)間內(nèi)，本試驗平臺所測試的數(shù)據(jù)具有較高的擬合精度。擬合特性方程為(6位有效數(shù)字)：

H=24.753 2+0.003 133 51Q-0.000 557 543Q2

表1　離心泵清水介質(zhì)初始條件測量參數(shù)

含砂條件下的初始性能測定與清水條件下類似。在介質(zhì)發(fā)生變化時，離心泵的特性會有稍許變化，而且由于介質(zhì)密度的不同，離心泵的振動信號和電流信號都會出現(xiàn)不同程度的調(diào)制，所以，含砂條件下的初始性能測試也是至關(guān)重要的。

圖5　離心泵Q-H特性曲線

3.2加速壽命試驗

含砂水對離心泵葉輪的磨損速度：一般砂水質(zhì)量比為1∶2的情況下，葉輪失效時間約為1 000 h。所以，整體磨損時間較長，加速壽命時間也較漫長，必須要對分點定時監(jiān)測。加速壽命試驗流程如圖6所示。

圖6　加速壽命試驗流程

4結(jié)語

針對目前離心泵失效數(shù)據(jù)信息庫不健全、故障信息特征量不明確等問題，設(shè)計了一種基于雙循環(huán)管路的離心泵加速壽命試驗平臺，可以有效加速離心泵失效過程，并定期擬合離心泵特性曲線，采集離心泵全壽命周期工況數(shù)據(jù)，解決了離心泵失效過程狀態(tài)數(shù)據(jù)無法測量的問題，為離心泵故障診斷打下了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]王盛杰,李小喜,許春雨,等.礦井主排水自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國礦業(yè),2014,23(12):147-151.

[2]高占寶, 梁旭，段向陽,等.切片雙譜分析在離心泵故障診斷中的應用[J].振動·測試與診斷,2010,30(5):581-584.

[3]周云龍,劉永奇,薛廣鑫,等.基于EMD和邊際譜頻帶能量的離心泵汽蝕故障診斷[J].化工學報,2012,63(2):545-550.

[4]柳長昕,王鋒,劉傳海,等.基于小波變換的隱Markov模型離心泵故障診斷方法研究[J].現(xiàn)代機械,2009,36(1):86-89.

[5]周云龍,柳長昕,趙鵬,等.基于自回歸-連續(xù)隱馬爾可夫模型的離心泵故障診斷[J].中國電機工程學報,2008,28(20):88-93.

[6]李行善.復雜系統(tǒng)綜合健康管理[J].測控技術(shù),2005,24(8):1-5.

[7]彭宇,劉大同,彭喜元.故障預測與健康管理技術(shù)綜述[J].電子測量與儀器學報,2010,24(1):1-9.

[8]ZHAO X, ZUO M J, PATEL T H. Generating an indicator for pump impeller damage using half and full spectra, fuzzy preference-based rough sets and PCA[J]. Measurement Science Technology, 2012,23(4)：45607-45616.

[9]HU J, TSE P. A relevance vector machine-based approach with application to oil sand pump prognostics[J]. Sensors, 2013,13(9):12663-12686.

[10]董剛,張九淵.固體粒子沖蝕磨損研究進展[J].材料科學與工程學報,2003,21(2):307-312.

[11]THUMATI B T, BIRT J, BASSI N, et al. A neural network model based approach to detect seal and impeller failures in centrifugal pumps[C]// ASME 2007 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, 2007:665-672.

[12]劉志林,張衛(wèi)江,羅紅英.基于PLC和WINCC的水力機械模型試驗臺控制系統(tǒng)設(shè)計[J].大電機技術(shù),2015,43(4):55-58.

[13]桑勇,王占林.航空液壓泵加速壽命試驗臺的研制[J].液壓氣動與密封,2009,29(1):45-48.

[14]方清華.離心泵流量-揚程性能曲線的二階多項式回歸數(shù)學模型處理[J].化工設(shè)備與管道,2005,42(2):43-45.

[15]HU B, LI B. Blade crack detection of centrifugal fan using adaptive stochastic resonance[J]. Shock and Vibration, 2015,2015:1-12.

Design of accelerated-life test platform of centrifugal pump based on double circulating lines for isolation measurement

YAO Yu1,SONG Jiancheng1,HAN Yi1,XI Qingxiang2,LI Jianhua2

(1.Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control,Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024, China；2.Shanxi Coal Mine Machinery Manufacturing Co., Ltd., Taiyuan 030024, China)

Abstract:For the problems of complex failure process and defective failure database for centrifugal pump， an accelerated-life test platform of centrifugal pump based on double circulating lines for isolation measurement was designed. The platform uses sand particle diameter and particle concentration as accelerated life stress factors of centrifugal pump, and selects flow-head curve as evaluation index of its life. The test results show that the platform can accelerate failure process of centrifugal pump, and can implement centrifugal pump characteristic curve fitting and on-line measurement of test data， which satisfies requirement of accelerated life tests.

Key words:centrifugal pump; accelerated-life test; double circulating measurement; PLC

文章編號：1671-251X(2016)07-0015-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.005

收稿日期：2016-01-08;修回日期：2016-05-31；責任編輯：張強。

基金項目：山西省科技重大專項項目(20131101029)。

作者簡介：姚宇(1990-)，男，黑龍江北安人，碩士研究生，研究方向為煤礦自動化、設(shè)備故障診斷等，E-mail:yaoyu_ty@yeah.net。

中圖分類號：TD636

文獻標志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-07-05 14:56

姚宇,宋建成,韓毅，等.基于雙循環(huán)測量隔離管路的離心泵加速壽命試驗平臺設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(7)：15-19.