CN101275552A - 泵及其一般和增量状况的实时诊断 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对容积式液压输送系统或泵的状况进行诊断的方法和系统。所述方法包括：根据对泵进行驱动的马达的反电动势确定泵的扭矩和/或速度和/或能量特性曲线的极坐标参照图；确定泵的输入轴的角位移；在位于马达驱动装置内的处理器中存储扭矩和/或速度和/或能量特性曲线以及输入轴的角位移并对其进行比较；分析扭矩和/或速度和/或能量特性曲线，由此检测出泵状况的任何缺陷；以及根据泵的输入轴的角位移辨别缺陷的位置。

Description

泵及其一般和增量状况的实时诊断

技术领域

本发明涉及一种用于对液压泵的状况进行实时诊断的方法。更加具体地，本发明涉及这样一种诊断方法，在该方法中，由安装在轴上的位置编码器以及马达电流特性信号分析(MCSA)提供的恒定数据流使得对泵的一般状况(generalconditions)及增量状况(incremental conditions)以及节点(活塞、腔室、隔室和/或阀)位置进行实时诊断成为可能。

背景技术

高压流体用在许多工业应用场合。例如，在造纸工业中，水和其他流体被用来喷淋、清洗或以其他方式处理用来成形及干燥连续纸张的造纸用纤维织物。除了性能方面由于使用场合和环境而导致的其他退化之外，这些织物在工艺过程中还积聚了必须加以除掉的污物。例如，有可能要求压力织物穿过一个或多个施加大的压缩力的高压辊隙。辊隙压力使得织物紧缩，从而影响织物的工作特性，例如织物的透水特性。而这些特性对织物的工作来说至关重要。

主要有两种将流体施加到织物上以影响织物工作特性的基本方法。可应用低压且体积相对较大的流体以大体将污物冲洗掉并冲出或几乎冲出织物的空隙容积。也可应用通常为密集流形式的高压且体积较小的流体流，以将动力施加到织物上，从而除掉污物并且力学地影响其他特性。这方面可参看申请日为1995年7月6日、名称为“Apparatus and Method of Fabric Cleaning”的美国专利申请第08/498,909号中的示例，所述专利申请已授权并已共同转让，且在此通过引用将其内容纳入本申请中。

造纸业中常规压力很少超过2,500psi，原因为在不可压缩的流体中生成高压(高达5,000psi)成本昂贵，且需要使用具有内在限制因素的设备。可按很多种方式实现对不可压缩流体进行泵送。最为常用和有效的方式为旋转叶片泵。此类泵一般依赖于将能量经由离心力而传送给流体的转动叶轮。这些泵相当常见且具有很多种形式。然而在常规应用中，这些泵通常局限于大大小于1,000psi的压力。随着应用情形的变化，泵体中通常出现产生热的滑移现象。如果允许应用流体下降到指定阈值之下，则会发生气穴或介质蒸发现象。用以防止发生上述情形的常规方法为确保有足够流体流经泵腔。这方面通过使用废水闸或者再流通以及冷却回路的组合而得以实现。

在需要较高压力的情形下，可供选择的替换方案较少。这方面通常涉及容积式设备。最为常见的是这样的容积式泵，其具有多种变化形式的往复活塞和缸体，且流动通过某些类型的阀进行控制。然而往复式机器比旋转式机器更不受人欢迎，原因为其本身比旋转类型的机器更加复杂并且可靠性低。更为重要的是，往复式机器的输出具有循环周期性。缸体交替进行泵送或填充。因此其输出存在中断情形。通过使用多个缸体可一定程度地克服该缺点，另外通过使泵的输出流过流体储液器、缓冲器和阻尼器或者经过通常所使用的废水闸，使得流体的高压输出部分的多余压力得以消除。

除了压力和流量输出不均之外，往复式泵还具有与其输出成比例的能量输入不均的缺点。这会造成设备的过度磨损和破损，另外还使效率低下，原因为必须将泵的驱动装置的大小设置成具有大的扭矩，在轴向泵(摆板泵)情形中，当泵连接杆件或凸轮的位置在压缩冲程期间处于相对于曲柄臂尺寸的一角位移时将需要所述大的扭矩，其中所述压缩冲程使得需要最大的输入轴扭矩。

此外，如果应用情形的要求发生变化，则必须使用复杂旁通、再流通或废水闸以防止系统发生“停止行进(dead heading)”。亦即，如果泵在操作时流量输出阻塞，则泵将会由于压力增加而停机或停转。如果发生停转，常规的感应电动机将会烧坏，原因为停转等价于施加满载额定电压和电流的转子锁定状况。具有固定排量的泵的系统通常使用减压阀，以在负载时控制系统的最大压力。因此，无论应用情形如何，泵都在全压力下输送满流量的流体，因而浪费了大量的能量。

应进一步需要指出的是，从宏观操作角度看，在现有泵系统的操作期间，提供高的液压流和压力的动力范围的现有方案尝试对位于液体通道中的下游装置进行配置以调控液压输出。通过这样的系统，泵提供最大的液压流(作为原动力)并且下游装置调整输出以与应用要求相匹配。

然而，当将扭矩特性曲线与输入轴的位移和其他已知因素——比如泵的驱动装置的系统惯性和响应时间等——进行比较时，则对于设计体积输送量的满额情况，泵可通过以前馈方法对泵进行驱动而产生恒定的压力进而产生恒定的流量，而没有动力泵所常见的通常所关联的脉动现象。

需要指出的是，大多液压泵送系统以宏观方式控制输出压力和流量。这些构思检测对输入轴的扭矩和速度的调控，以便无论是压力受限还是流量受限都能提供恒定的液压输出。例如，参见共同转让的美国专利第5,971,721号、美国专利第6,652,239号和美国专利第6,494,685号，在此通过引用而将所述这些专利的内容纳入本申请中。

然而，容积式液压输送系统需要进行预防性维护，以防止意外故障或输出减少情形的发生。行业中的通常做法为在采取行动之前，一直等待直到出现诸如性能不良这样的缺陷。该方法使生产进度中断，从而会导致生产率下降进而使成本增加。

预防性维护计划例如采用：定期进行检查和/或更换；定期更换泵的磨损部件；进行数据录入以及对各种能量输出部件进行评价。对于关键的泵送系统通常还附加有传感器和监控设备，以对失效状态进行早期检测。然而，所有这些方法针对的是泵组件的一般状况。

上述方法需要有任务计划表，或者对于关键系统来说，还需要附加的硬件和相关联的评价及数据处理部件。

因此，需要一种在不需要任务计划表或者附加的硬件和相关联的评价及数据处理部件的情况下就能对泵的状况进行诊断的系统。

发明内容

本发明涉及一种用于对液压泵的一般和增量状况进行实时诊断的方法和系统。用于对容积式液压输送系统或泵的状况进行诊断的所述方法和系统包括：根据对泵进行驱动的马达的反电动势确定泵的扭矩和/或速度和/或能量的特性曲线图的极坐标参照图；确定泵的输入轴的角位移；在位于马达驱动装置内的处理器中绘出扭矩和/或速度和/或能量特性曲线以及输入轴的角位移并将其存储在位于马达驱动装置内的处理器中；分析扭矩和/或速度和/或能量特性曲线，由此检测出泵状况中的任何缺陷；以及根据泵的输入轴的角位移而辨别出缺陷的位置。更加具体地，本发明涉及一种对液压泵进行诊断的方法，在该方法中，由安装在轴上的位置编码器以及马达电流特性信号分析(MCSA)提供的恒定数据流使得不仅能够对泵的一般及增量状况进行实时诊断，而且还能够对节点(活塞、腔室、隔室或阀)的位置进行实时诊断。

因此，本发明的一个目的在于提供一种方法，该方法用于以微观方式通过对泵的扭矩、速度和/或能量变量进行电子监控而诊断泵的状况。

本发明的另一个目的在于提供一种方法，该方法用于根据泵用马达的电力和扭矩输出的高分辨性变量而对泵的状况进行诊断。

本发明的再一个目的在于产生被识别为泵的一般状况的扭矩和/或速度和/或能量信号，其中所述一般状况指示出是否存在入口吸空现象。

本发明的另一个目的在于提供一种方法，该方法用于使用提示操作人员在泵中有不良入口状况形成或存在的算法而对泵的状况进行诊断。

本发明的又一个目的在于识别泵的一般状况，比如空载输出、气穴现象、筒体密封失效、联轴器开脱、全部入口阀失效、全部出口阀失效、没有入口流、泄漏检测以及管道爆裂。

本发明的再一个目的在于诊断泵的增量状况，比如入口止回阀磨损/失效、出口止回阀磨损/失效、活塞密封泄漏/效率、摆板桩靴磨损、摆板支承件磨损、密封件泄漏、单一节点气穴现象以及每一节点的效率。

本发明的另一个目的在于提供一种方法，该方法用于使用提示操作人员有节点失效情形正在形成或存在的算法而对泵的状况进行诊断。

因而，本发明的另一个目的在于提供一种用于对泵的状况进行诊断方法，所述方法不仅检测出失效情形，而且还辨别出泵中失效部件的位置。

本发明的再一个目的在于使得使用者能够很好地提前预测出在进行“泵的一般状况”的评价时通常被掩盖从而看不出的潜在问题。

通过本发明而可实现上述及其他目的和优点。对于这方面，本发明提供一种方法，该方法用于在目标泵的电子驱动装置中获得极坐标图。该极坐标图由处理器进行计算或者在外部进行计算然后再输入到处理器中。在获得泵的扭矩、速度和/或能量特性曲线并将其转换成极坐标图之后，处理器对泵的输入轴的轴位移角度与极坐标参照图进行比较，并产生当发生能量传递时对应于机械部件的状况的信号。处理器还可对所选定的因素进行考虑，比如泵的驱动装置的响应时间、马达感抗、系统惯性、泵的应用特性以及泵减速期间的再生能量。

随后处理器使用选定因素以及比较结果对操作人员发出在泵的操作中有某些异常情况的信号，从而指示出泵的故障状态。通过参照所建立的极坐标图(用于目标泵)不断地监控马达的扭矩、速度和/或能量输出，能够实时确定泵的特性。

通过开发用于结合到液压泵的诊断系统的算法或子程序，可将列举在本申请文件中的所有特征整合到系统中。

现将参照以下附图对本发明进行更加完整及详细的描述。

附图说明

结合附图会更充分地理解以示例方式给出的、且并非旨在限制本发明的下述详细描述，其中相同的附图标号指代相同的元部件，所述附图中：

图1示出一种依据本发明的一个方面的用于对泵的状况进行诊断的方法；

图2为依据本发明的一个方面绘出没有入口吸空现象的泵的理论速度特性曲线的图表；

图3为依据本发明的一个方面绘出具有入口吸空现象的泵的理论速度特性曲线的图表；

图4为依据本发明的一个方面绘出没有缺陷的泵的极坐标速度曲线图；

图5为依据本发明的一个方面绘出具有阀缺陷的泵的理论速度特性极坐标图。

本发明各种元件的描述将在以下部分中得到详细论述。

具体实施方式

以下将参照示出本发明优选实施方式的附图对本发明进行更加充分地描述。然而，本发明可按许多不同形式加以实施，并且不应将本发明理解为受限于本文所示出的实施方式。相反，提供这些示出的实施方式使得本公开变得详尽及完整，并将本发明的范围完全传达给所属领域的技术人员。

本发明涉及一种用于对液压泵的一般及增量状况进行实时诊断的方法。更具体而言，本发明涉及这么一种诊断方法，在该方法中，由安装在轴上的位置编码器提供的恒定数据流以及马达电流信号分析(MCSA)使得能够对泵的一般及增量状况以及节点(活塞、腔室、隔室或阀)位置进行实时诊断。

现参看附图，图1示出一种依据本发明的一个实施方式的对泵状况进行诊断的方法。在该实施方式中，轴位置编码器3整合在马达泵组件1中，以记录泵曲柄轴的角位移或仅仅记录轴位置。该数据流经由编码器接口模块7而不断地由具有内存缓冲器的数字信号处理器(DSP)6进行记录。

同步地，马达电流信号分析或MCSA 4的数据通常由A/D转换器9根据马达功率引入线的反电动势(EMF)进行处理，而所述马达功率引入线则引自脉宽调制(PWM)马达驱动装置2的反相器部件8，所述反电动势(EMF)通过对所供应的脉宽调制功率进行共模抑制而从对驱动马达进行驱动的所述PWM功率析取。该数据经由二进制观测器11以数字方式传递到还包括有内存缓冲器的DSP6。对来自轴位置编码器3和MCSA 4的两种数据进行比较，得出在发生能量传递时与特定的泵送要求以及机械部件状况相应的信号。举例来说，例如具有存在故障的止回阀的活塞泵的信号示出在图1的方框13中。换言之，马达驱动装置的观测器11的软件的任务即为提供并调出用于每一个泵循环中相对于位置数据的扭矩和/或速度和/或能量数据。该数据存储在DSP 6的内存缓冲器中，并且实时加载到数据录入/制图应用程序。依据本发明的一个实施方式，能够通过网络装置12显示出该数据以进行诊断分析13，所述网络装置12可进一步连接到控制机构上，以随后对泵状况进行暂时性补偿校正。

依据本发明的一个实施方式而产生的数据的示例在图2中示出，即示例1，示例1以图表形式绘出在扭矩恒定、并且没有入口节流的情况下，三元或三节点式泵(每一循环具有三个体积排量)的速度特性曲线中相对于泵曲柄轴的角位移(以度数表示)的典型的速度变化情形。如图所示，每一速度曲线和每一压力曲线各自等于前一个。亦即，全部速度曲线彼此相同，并且全部压力曲线也彼此相同。输出100、110和120示出相对于X轴上的曲柄轴的转角的三个活塞排量，而输出130和140则分别涉及以千磅/平方英寸(Kpsi，1Kpsi＝6.9MPa)为单位的泵的输出压力以及以加仑/分(gpm，1gpm＝0.003785m3/min)为单位的泵的体积流量或泵输出。

然而在另一示例中，即在图3中示出的示例2中，则绘出在扭矩恒定、但入口发生节流的情况下泵的速度特性曲线。在该图中，曲线为具有交变幅值的周期性曲线，其中，输出100、110和120指示出相对于X轴上的曲柄轴的转角的三个活塞的排量，而输出130和140则分别涉及以千磅/平方英寸为单位的泵的输出压力以及以加仑/分为单位的泵的体积流量或泵输出。从数据中可观察到，即便入口发生轻微节流，也会造成泵的输出压力和泵的体积流量或泵输出发生变化。具体而言，依据本发明的一个实施方式，示例1和示例2示出会被识别为泵的一般状况的速度信号，其中所述一般状况指示出存在入口吸空情形(图3)或不存在入口吸空情形(图2)。

特别地，在该实施方式中，如果出现绘出在图3中的特性曲线，则算法会提示操作人员有不良的入口状况正在形成或存在。例如，在该示例中，所述泵状况可能为入口筛网开始形成限流情形。能够检测出的作为泵的一般状况的其他信号包括，但不限于，空载输出、气穴现象、筒体密封失效、联轴器开脱、全部入口阀失效、全部出口阀失效、没有入口流、泄漏检测以及管道爆裂。

图4以图表形式绘出泵的极坐标图16，所述极坐标图16根据泵的速度特性曲线和输入轴的角位移确定。沿着目标泵的输入轴的角位移的轨道绘出速度特性曲线，其中，极坐标图的中心O代表速度为零，随后所述速度从5到20(rpm×10英寸)或从50到200rpm以增量数增加。标绘在极坐标图16上的每一点距基圆直径中心的距离为根据速度相对于泵输入轴位移角度而确定的基圆半径百分数的几何距离变量(之外或低之内)。所选定的泵系统中速度相对于角位移的特性曲线成为用于诊断系统的处理器中的比较器算法的极坐标参照图。设定用作比较器算法中的速度的下限值和上限值的阈值，其中超出所述阈值则指示泵的某一特定状况失效。尽管本文中进行说明的对液压泵的状况进行的诊断涉及在扭矩恒定时确定马达驱动装置的速度特性曲线，但是在诸如速度恒定、能量恒定等不同条件下，使用来自对马达驱动装置进行驱动的电力的反e.m.f制定扭矩和能量特性曲线也完全落入本发明的范围内。

例如，示出在图4中的示例3以极坐标图绘出在扭矩恒定并且没有缺陷时泵的速度特性曲线16。在另一示例中，如在图5中的示例4则以极坐标图绘出在扭矩恒定并且阀有缺陷时的速度特性曲线16。在该情形下，由于在极坐标图中检测出峰值18，因此示例4(图5)示出了被识别为出现泵的增量状况的速度信号16，其中所述泵的增量状况指示出单个止回阀失效。依据该实施方式，算法提示操作人员有节点失效状况正在形成或存在。在该示例中，除了检测失效状况之外，还可辨别失效部件(18)的位置。

依据本发明的一个实施方式，被识别为泵的增量状况的其他特性包括，但不限于，入口止回阀磨损/失效、出口止回阀磨损/失效、活塞密封泄漏/效率、摆板桩靴磨损、摆板支承件磨损、密封件泄漏、单一节点气穴现象以及每一节点的效率，其中所述特性可使用显示装置进行显示或者向外输出。与传统方法相比的先进之处在于，该超前的泵状况信息使得使用者能够预测潜在问题，而传统方法对“泵的一般状况”进行充分评价时所述潜在问题通常被掩盖从而看不出。

尽管所公开的实施方式使用液压泵的马达驱动装置的速度特性曲线来确定泵的状况，但是所属领域的技术人员容易明白的是，还可使用液压泵的马达驱动装置的扭矩或能量特性曲线来确定泵的状况，这也被认为在本发明的范围内。

以下将更加详细地描述本发明的几个示例性诊断特征。这些特征仅仅代表可能特征的一小部分，其中可使用包括在泵中的诊断系统的算法和子程序而将所述可能特征按电子方式结合到液压系统中。

“压力回路”特征：该特征提供泵轴扭矩输出的测量方法，其中将所述扭矩输出转变成压力输送信号。

“位置感测”特征：依据该特征，体积脉冲与使增量脉冲发生的泵输出体积相关联。该体积脉冲(由电子驱动装置模块输出)用于定位已知液压缸及其相应的体积位移。

“泄漏检测”特征：该子程序用以检测使用者限定的额外液压泄漏率。该特征将运转期间“位置感测”功能的输出与已知的极限值进行比较，并且如果差值超过预定数值时，就引起警报输出。

“输出增益偏差”特征：该特征使得使用者能够对液压输送的输出增益级别(压力-流量)进行估算，以克服任何应用流量的限制条件或力学变化。所作估算可得出在理想液压输出情况下扭矩相对于速度的特性曲线。

因而，尽管已示出、描述并指出本发明基本的新颖性特征，但应理解，在不偏离本发明主旨的前提下，所属领域的技术人员可对所示出的装置的形式和细节以及所述装置的操作进行各种删除、替代和改变。例如，显然希望以大体相同的方式执行大体相同的功能从而实现相同结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合均包含在本发明的范围内。此外，应认识到，结合本发明的任何公开形式或实施方式示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可包括在另一形式或实施方式中。因此，希望本发明的范围仅仅受限于所附权利要求的范围。

Claims (18)

1、一种用于对容积式液压输送系统或泵进行诊断的方法，包括以下步骤：

根据对所述泵进行驱动的马达的反电动势确定所述泵的速度特性曲线；

确定所述泵的输入轴的角位移；

在马达驱动装置内的处理器中绘出相对于所述输入轴的角位移的所述速度特性曲线并将其存储在位于马达驱动装置内的处理器中，由此产生极坐标图；

分析所述极坐标图，由此检测出泵状况的任何缺陷；以及

根据所述泵的输入轴的角位移辨别所述缺陷的位置。

2、根据权利要求1所述的方法，其中，使用马达电流信号分析方式确定所述泵的速度特性曲线。

3、根据权利要求2所述的方法，其中，所述马达电流信号分析借助于A/D转换器进行，所述A/D转换器接收对所述泵进行驱动的马达的反电动势，而所述反电动势则通过对脉宽调制功率进行共模抑制而从对所述驱动马达进行驱动的所述脉宽调制功率析取。

4、根据权利要求1所述的方法，其中，来自马达驱动装置的信号为脉宽调制信号。

5、根据权利要求1所述的方法，其中，使用轴位置编码器确定所述泵的输入轴的角位移。

6、根据权利要求1所述的方法，其中，所述处理器为具有内存缓冲器的数字信号处理器。

7、根据权利要求1所述的方法，其进一步包括将诊断数据传递到控制机构以对所述泵状况进行暂时性补偿校正的步骤。

8、一种液压输送系统或泵系统，包括：

确定装置，其用于根据对泵进行驱动的马达的反电动势确定泵的扭矩和/或速度和/或能量特性曲线；

定位装置，其用于确定所述泵的输入轴的角位移；

诊断装置，其用于根据所述泵的扭矩和/或速度和/或能量特性曲线以及所述泵的输入轴的角位移而对泵状况进行诊断。

9、根据权利要求8所述的泵系统，其中，所述诊断装置通过绘出并存储相对于所述输入轴的角位移的扭矩和/或速度和/或能量特性曲线而生成极坐标图。

10、根据权利要求8所述的泵系统，其中，所述诊断装置对所述极坐标图进行分析，由此检测出所述泵状况的任何缺陷。

11、根据权利要求8所述的泵系统，其中，所述诊断装置根据所述泵的输入轴的角位移而辨别出所述缺陷的位置。

12、根据权利要求8所述的泵系统，其中，使用所述马达电流信号分析方式确定所述泵的扭矩和/或速度和/或能量特性曲线。

13、根据权利要求12所述的泵系统，其中，所述马达电流信号分析借助于A/D转换器进行，所述A/D转换器接收对所述泵进行驱动的马达的反电动势，而所述反电动势则通过对脉宽调制功率进行共模抑制而从对所述马达驱动装置进行驱动的所述脉宽调制功率析取。

14、根据权利要求8所述的泵系统，其中，来自所述马达驱动装置的信号为脉宽调制信号。

15、根据权利要求8所述的泵系统，其中，使用轴位置编码器确定所述泵的输入轴的角位移。

16、根据权利要求8所述的泵系统，其中，所述处理器为具有内存缓冲器的数字信号处理器。

17、根据权利要求8所述的泵系统，其进一步包括用于对所述泵状况进行暂时性补偿校正的控制装置。

18、一种用于对液压泵的状况进行诊断的方法，包括以下步骤：

根据对所述泵进行驱动的马达的反电动势确定所述泵的速度特性曲线；

将所述速度特性曲线存储在位于马达驱动装置内的处理器中；

对所述速度特性曲线进行分析以确定具有缺陷的泵状况。

Images