吳小豪，鄒永久

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

船用離心泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)

吳小豪，鄒永久

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

實(shí)現(xiàn)機(jī)艙設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估是智能船舶以及無人機(jī)艙發(fā)展過程中的重要部分，也是事后維修、定期維修向視情維修轉(zhuǎn)變過程的關(guān)鍵技術(shù)。本文利用最小二乘多項(xiàng)式擬合法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到離心泵Q-H特性曲線擬合多項(xiàng)式。在某一進(jìn)出口壓差下，比較擬合流量和監(jiān)測(cè)流量之間的差值來表征離心泵實(shí)時(shí)性能狀態(tài)，并通過設(shè)置不同程度的泄露故障驗(yàn)證該方法的有效性。相比于用CFD軟件建模仿真以及監(jiān)測(cè)振動(dòng)等方法，該方法可行性強(qiáng)、簡(jiǎn)單實(shí)用、成本較低，具有重要的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

最小二乘法；Q-H特性曲線；擬合流量；監(jiān)測(cè)流量；性能狀態(tài)

0 引 言

離心泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、重量輕、造價(jià)低，能與高速原動(dòng)機(jī)直接相連，排量大以及供液均勻等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代船舶非常重要的流體輸送設(shè)備[1]。為滿足現(xiàn)代船舶朝著“大型化、專業(yè)化、高度自動(dòng)化”方向迅猛發(fā)展的要求，迫切需要開展對(duì)船用離心泵的實(shí)時(shí)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)預(yù)測(cè)、發(fā)現(xiàn)故障，以便合理采取應(yīng)急措施和維修手段，從而減少由此造成的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失[2]。目前國(guó)內(nèi)外使用較多的離心泵性能預(yù)測(cè)方法主要有水力分析法、流場(chǎng)分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。冉軍[3]分別使用VC6.0和Matlab實(shí)現(xiàn)了貝葉斯BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GA-RBF算法，對(duì)實(shí)現(xiàn)離心泵性能預(yù)測(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)；王秀勇[4]應(yīng)用CFD軟件Fluent對(duì)離心泵內(nèi)部整個(gè)三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)離心泵的性能預(yù)測(cè)；文曉霞[5]通過CFD數(shù)值計(jì)算方法對(duì)一款多級(jí)離心泵的性能預(yù)測(cè)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行了研究。但上述方法均存在各自的弊端，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法很難取得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的優(yōu)秀樣本數(shù)據(jù)；利用水力損失法時(shí)，要對(duì)具體的離心泵進(jìn)行一系列的假設(shè)和簡(jiǎn)化，才能建立其水力損失模型；流場(chǎng)分析法難于準(zhǔn)確建立泵內(nèi)流動(dòng)特征和泵外特征的聯(lián)系。本文通過實(shí)驗(yàn)獲取關(guān)于離心泵的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過最小二乘多項(xiàng)式擬合法擬合得到離心泵的Q-H特性曲線擬合多項(xiàng)式，在某一進(jìn)出口壓差下，比較擬合流量和監(jiān)測(cè)流量之間的差值來表征離心泵實(shí)時(shí)性能狀態(tài)，并利用放氣旋塞設(shè)置不同程度的泄漏故障，驗(yàn)證了該方法的有效性、可行性。

1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

正常情況下，離心泵的說明書上會(huì)給定幾個(gè)工況點(diǎn)，可用于特性曲線擬合。但為了能夠保證數(shù)據(jù)的可靠性，且符合該泵的實(shí)際情況，本文通過實(shí)驗(yàn)的方式獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括高置水箱、電磁三通閥、離心泵、手動(dòng)蝶閥、流量計(jì)和壓力液位變送器等，其系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。離心泵型號(hào)為ISG40-100，在其進(jìn)出口都安裝有壓力液位變送器，壓力液位變送器型號(hào)為JYB。流量計(jì)為昆侖海岸的電磁智能流量計(jì)，型號(hào)為L(zhǎng)DBE-50s-M1F103-20。本文所做實(shí)驗(yàn)主要是通過調(diào)節(jié)蝶閥的開度大小，來改變管路阻力大小，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)。

2 離心泵Q-H特性曲線擬合

目前離心泵性能曲線的擬合通常采用最小二乘法。所謂最小二乘法，即確定一個(gè)數(shù)學(xué)模型，使得每個(gè)離散點(diǎn)由數(shù)學(xué)模型得到的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差都較小，通常要使誤差的平方和最小。它從誤差擬合角度對(duì)回歸模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)或系統(tǒng)辨識(shí)，并在參數(shù)估計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)以及預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)等眾多領(lǐng)域中得到極為廣泛的應(yīng)用[6]。對(duì)于固定轉(zhuǎn)速的離心泵，一般可以通過實(shí)測(cè)的幾組流量Q、揚(yáng)程H數(shù)據(jù)，用最小二乘法原理回歸其Q-H特性曲線方程，得到的結(jié)果可以盡可能地避免測(cè)量誤差帶來的影響。該方法相比于直接擬合法、插值法等方法，更具合理性和可靠性，而且能適合各種特性曲線。

利用最小二乘法擬合離心泵Q-H特性曲線的原理如下：

需要確定數(shù)學(xué)模型中各待定系數(shù)ai，使得

滿足式（3）的多項(xiàng)式稱為最小二乘擬合多項(xiàng)式。由多元函數(shù)求極值的必要條件得：

式（5）是關(guān)于a0，a1，a2…an的線性方程組，用矩陣表示為：

式（5）或式（6）稱為正規(guī)方程組或法方程組。由于式（6）是對(duì)稱正定矩陣，故存在唯一解，求出a0、a1、a2…an即可得到滿足要求的擬合多項(xiàng)式。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，實(shí)際情況中離心泵由于存在水力損失、容積損失和機(jī)械損失，其Q-H特性曲線是一條曲線，另外綜合考慮擬合精度以及計(jì)算量問題，本文中選擇二次多項(xiàng)式作為待擬合的函數(shù)。

為了保證所采用數(shù)據(jù)的可靠性并且符合泵的實(shí)際情況，本文利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)來獲取數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）首先檢查設(shè)備，管路以及測(cè)量?jī)x表的可靠性；

2）開始實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)排凈設(shè)備、管路內(nèi)的氣體，使設(shè)備在完全充滿試驗(yàn)流體的條件下運(yùn)行；

3）將流量調(diào)至某一數(shù)值，待系統(tǒng)穩(wěn)定后讀取并記錄進(jìn)出口壓力和流量；

4）實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，先將控制閥關(guān)閉，再關(guān)閉電機(jī)電源開關(guān)和總電源。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表 1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Tab. 1 Experimental data record

根據(jù)上述多項(xiàng)式擬合過程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到結(jié)果：

離心泵Q-H特性曲線圖如圖2所示。

為了保證擬合精度滿足要求，對(duì)該擬合多項(xiàng)式進(jìn)行測(cè)試。任意調(diào)節(jié)離心泵出口閥門至某一位置，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄下進(jìn)出口壓力和流量，并且由擬合多項(xiàng)式計(jì)算出當(dāng)前揚(yáng)程下的擬合流量值。數(shù)據(jù)如表2所示。

由表 2可知，擬合值和實(shí)際值的差值較小，在可接受范圍內(nèi)。因此，可以得到此次擬合效果較好，該擬合多項(xiàng)式能夠較好地描述離心泵的流量揚(yáng)程特性曲線。

表 2 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab. 2 Test data

3 離心泵狀態(tài)評(píng)估

離心泵定速Q(mào)-H特性曲線是選擇和使用離心泵的主要依據(jù)，隨離心泵結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變而改變[9]。離心泵理想揚(yáng)程方程式為：

式中：u2為出口離葉輪前的圓周速度；v2r為出口離葉輪前的徑向分速度；β2為液流角。

由于液體在離心泵內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜性，其流量揚(yáng)程特性曲線受到很多因素影響。由式（8）可知，離心泵理想流量與揚(yáng)程之間的關(guān)系與離心泵葉輪大小、葉片厚度、轉(zhuǎn)速等等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。另外，離心泵在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，總是存在機(jī)械損失、容積損失和水力損失，因而，實(shí)際離心泵流量和揚(yáng)程之間的關(guān)系還與裝配精度、各配合面間隙大小以及摩擦阻力大小等有關(guān)。

離心泵在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)之后會(huì)出現(xiàn)故障、性能退化等狀況，例如內(nèi)漏及外漏嚴(yán)重、葉輪磨損、腐蝕、堵塞等。仔細(xì)研究各個(gè)故障產(chǎn)生原因，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的原因可以轉(zhuǎn)變?yōu)楸帽旧淼南嚓P(guān)參數(shù)發(fā)生了變化。例如，葉輪磨損、腐蝕、堵塞可以看做是葉輪大小、厚度發(fā)生了改變；離心泵軸封泄漏可以看做是泵軸與泵殼之間間隙變大；密封環(huán)泄漏可以看做是葉輪與泵殼之間間隙；葉輪與泵軸卡阻可以看做是離心泵轉(zhuǎn)速變慢，摩擦阻力變大等。這些參數(shù)都會(huì)影響離心泵Q-H特性曲線，由此我們可以根據(jù)離心泵流量和揚(yáng)程關(guān)系變化來判斷離心泵當(dāng)前的性能狀況。在上述第 2 節(jié)中，已經(jīng)擬合得到了離心泵的Q-H特性曲線，因此，只需根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的進(jìn)出口壓力以及流量就可以判斷當(dāng)前離心泵性能狀態(tài)，即計(jì)算當(dāng)前揚(yáng)程值下擬合得到的流量值與實(shí)際監(jiān)測(cè)到的流量值差值大小來判斷離心泵性能狀態(tài)。

為了驗(yàn)證該方法的有效性，本文設(shè)置了離心泵泄漏故障，利用采集到的數(shù)據(jù)判斷離心泵狀態(tài)?？紤]到成本以及可操作性問題，未對(duì)離心泵做破壞性改造，而是通過將離心泵放氣旋塞打開來模擬離心泵的泄漏情況。具體做法是：將離心泵流量調(diào)節(jié)至某一值，然后將放氣旋塞旋開，待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄下進(jìn)出口壓力以及流量。為了更好地體現(xiàn)出效果，本文設(shè)置了 2 種不同程度的泄漏情況，即放氣旋塞旋出一半和放氣旋塞全部旋出 2 種情況。故障數(shù)據(jù)如表3所示。

表 3 故障數(shù)據(jù)Tab. 3 Fault data

結(jié)果分析：由上述數(shù)據(jù)可得，當(dāng)無故障離心泵在揚(yáng)程為8.06 m和7.83 m時(shí)，其對(duì)應(yīng)的流量應(yīng)為6.63 m3/h和6.72 m3/h。相比較故障數(shù)據(jù)可知，故障狀態(tài)下離心泵的流量值都未達(dá)到該揚(yáng)程下正常離心泵所對(duì)應(yīng)的流量值，且放氣旋塞全部旋出情況下的流量偏差值比放氣旋塞旋出一半情況下的偏差值更大。因此，可以判定狀態(tài)1和狀態(tài)2性能均有所下降，且狀態(tài)2比狀態(tài)1更差。

該現(xiàn)象的出現(xiàn)合理。將放氣旋塞泄漏看做是另 1條管路并聯(lián)在離心泵出口，且該管路管路阻力較小，如圖3所示。

圖中Q-H線是離心泵Q-H特性曲線；曲線R為實(shí)際管路阻力特性曲線，其與泵特性曲線的交點(diǎn)A為正常工作下的工況點(diǎn)，流量為Q，揚(yáng)程為H；曲線R1為放氣旋塞泄漏所對(duì)應(yīng)的管路阻力特性曲線。根據(jù)管路并聯(lián)時(shí)，“揚(yáng)程相等，流量相加”的原則，作出 2 條管路并聯(lián)工作時(shí)的特性曲線R2，其與泵特性曲線的交點(diǎn)A1為泄漏情況下的工況點(diǎn)，流量為Q1，揚(yáng)程為H1。由圖可知，泄漏情況下實(shí)際管路流量為Q2，泄漏量為Q3，且Q2

綜上可知，利用離心泵實(shí)時(shí)狀態(tài)下?lián)P程、流量值計(jì)算得到的流量偏差值來表征離心泵性能狀態(tài)可行。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用最小二乘多項(xiàng)式擬合法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到離心泵Q-H特性曲線擬合多項(xiàng)式，測(cè)試表明擬合效果較準(zhǔn)確。在某一進(jìn)出口壓差下，利用擬合多項(xiàng)式計(jì)算得到擬合流量，將其與監(jiān)測(cè)流量對(duì)比，用兩者差值的大小來表征離心泵實(shí)時(shí)性能狀態(tài)，并通過設(shè)置不同程度的泄露故障來驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果符合預(yù)期效果且可由理論分析得出，證明了該方法的有效性。與利用CFD軟件建模仿真以及監(jiān)測(cè)振動(dòng)等方法相比，該方法可行性強(qiáng)，簡(jiǎn)單實(shí)用，成本較低，適合用于船用離心泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估，為其早期故障診斷提供有效手段，具有重要的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Condition monitoring of the marine centrifugal pump

WU Xiao-hao, ZOU Yong-jiu
(Marine Engineering College Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

It is an important part of the development of intelligent ship and unmanned engine room to realize the real time condition monitoring and evaluation of the engine room equipment. It is also the key technology to change periodical maintenance and breakdown maintenance to condition maintenance. The method of least square polynomial fitting is used to fit the experimental data, and the Q-H characteristic curve fitting polynomial of the centrifugal pump is obtained. In a certain difference of import and export pressure, comparing the fit flow and the monitoring flow to characterize the real time performance of the centrifugal pump. And setting the different levels of leakage failure to verify the effectiveness of the method. Compared with the method of modeling and simulation by CFD software and vibration monitoring, the method is feasible, simple, practical, low cost and has important practical engineering application value.

the least square method；Q-H characteristic curve；fit flow；monitoring flow；performance

U664.5+8

A

1672 – 7649(2017)07 – 0112 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.023

2016 – 06 – 23；

2016 – 07 – 29

吳小豪(1991 – )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇斑h(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷。