CN106089753A - 一种离心泵剩余寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

一种离心泵寿命预测方法是应用离心泵特性曲线作为离心泵失效寿命评估指标，通过在离心泵剩余寿命预测监测点设置相应的传感器，绘制出离心泵运行过程中的特性曲线，并根据特性曲线变化趋势，基于ARMA时间序列离心泵剩余寿命预测方法预测出离心泵剩余寿命。本发明以离心泵特性曲线为寿命评价依据，适用于不同工况下运行的离心泵，依据不同的使用要求，建立相应的失效指标，有效预测离心泵剩余使用寿命，最大限度地提高离心泵的利用效率。

Description

一种离心泵剩余寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种离心泵的寿命预测方法，尤其是一种根据离心泵特性曲线变化趋势，应用ARMA时间序列预测出离心泵剩余寿命预测方法。

技术背景

离心泵是一种广泛应用于工业领域排水的旋转机械设备，其在电力、矿山、化工、农业等多个行业都具有着重要的地位。离心泵在输送流体介质时，由于受到介质中颗粒杂质的冲蚀，其叶片会出现一定程度的磨损，最终导致离心泵的失效。同时，轴承、连接器等元件的故障也会导致离心泵性能下降。目前离心泵的维修仍以事后维修为主，即离心泵出现故障后，检测出故障位置并更换相应的故障元件甚至离心泵整体。此种维修方式导致离心泵短暂处于离线状态，不能正常工作。目前比较通用解决办法是增加备用泵，弥补因为维修出现的空缺，但增加备用泵，意味着维修成本和初始投入的增加，而且，在某些应用场合，离心泵因意外而失效，会严重影响生产效益甚至生产安全。

公开号为CN103077292A公开了名称为“一种离心泵水力噪声预测方法”，该方法通过模型泵进行三维造型，在ANSYS-CFX中计算得到非定常数值模拟值，预测出离心泵流体诱导噪声，该发明主要是针对离心泵设计过程中噪声性能的预测，并未涉及离心泵剩余寿命预测功能。

公开号为CN104504219A公开了名称为“一种基于CFD的离心泵空化性能的预测方法”，该方法使用CFD空化模型预测离心泵NPSHr的方法，针对离心泵NPSHr气蚀参数的预测，并未涉及离心泵剩余寿命预测功能。

公开号为CN104298875A公开了名称为“一种基于功率和压差的离心泵流量预测方法”，该方法应用“灰盒子”构造理论将离心泵整体分别划分成电机模块、机械模型和水力模块，提高离心泵模型流量预测精度。该发明主要针对离心泵设计过程中实际流量的预测，并未涉及离心泵剩余寿命预测功能。

上述现有技术中关于离心泵的预测方法，主要涉及离心泵设计过程中某些性能的预测，均不具备离心泵剩余寿命的预测功能，为避免离心泵突然失效所带来的突发事故以及经济损失，需要预测出离心泵的剩余寿命，提前做好应急处理方案，为离心泵的正常运行提供安全可靠保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种离心泵寿命预测方法，预测离心泵的剩余寿命，并根据不同用户的需要，设置相应的失效寿命节点指标，提前预知离心泵的失效时间节点，为维修和更换留有时间余地。

为了克服上述现有技术的不足以及存在的问题，本发明采取如下技术方案实现本发明的目的，本发明所采取的具体技术方案如下。

一种离心泵剩余寿命预测方法，所述预测方法是应用离心泵特性曲线作为离心泵失效寿命评估指标，通过在离心泵剩余寿命预测监测点设置相应的传感器，绘制出离心泵运行过程中的特性曲线，并根据特性曲线变化趋势，基于ARMA时间序列离心泵剩余寿命预测方法预测出离心泵剩余寿命。

进一步地，本发明附加的几个技术方案如下。

所述离心泵特性曲线是离心泵流量-扬程特性曲线和效率-流量特性曲线，根据两条所述离心泵特性曲线在其工作点出现的偏差大小，判定离心泵是否出现故障或失效。

所述离心泵剩余寿命预测监测点是压力监测点和流量监测点，所述压力监测点和流量监测点是在离心泵入口处设置压力计测量负压力值，在离心泵出水口处设置压力计测量正压值；在离心泵出水口管上设置流量计，测量离心泵出水流量。

所述压力计和流量计是机械仪表或者传感变送器的一种。

所述工作点是离心泵额定工作点或任意流量工作点下的一种。

所述偏差是离心泵在某流量工作点处扬程偏差或效率偏差的一种。

所述流量-扬程特性曲线是应用离心泵剩余寿命预测监测点所采集的流量和压力数据，将离心泵出口流量从0到额定流量Q_e所对应的扬程点拟合而成的二维曲线。

所述基于ARMA时间序列离心泵剩余寿命预测方法如下：

（一）选取某一流量Q，测出扬程H的一系列关于时间t的随机变量H（t）：

（1）

（二）将随机变量H（t）带入到自回归滑动平均模型（ARMA）中，预测出t时间后的扬程变化趋势，H^’（t）：

（2）

所述自回归滑动平均模型（ARMA）是自回归（AR）和滑动平均项（MA）的结合模型，其模型公式如下：

（3）

其中：a _j —AR模型系数；b _k —MA模型系数。

（三）根据离心泵失效寿命指标评估方法中特性曲线的偏差H_f或η_f，当

（4）

或者

（5）

计算离心泵剩余寿命T _rml 为m个时间测量周期，即

（6）。

实施上述本发明所提供的技术方案，与现有技术对比，所具有的有益效果在于本发明应用离心泵水力学参数：流量、扬程和效率，通过ARMA模型预测出离心泵剩余寿命，给离心泵更换维修提供合理的建议，并且提高了离心泵应用的可靠性。目前，离心泵整体寿命预测技术还未见公开报道。已公开技术中，主要针对离心泵中部分元件如轴承、联轴器等做出了相关研究，并未针对离心泵整体给出寿命预测方法。本发明以离心泵性能为寿命评估指标，总体上考察离心泵性能失效时间节点，预测离心泵寿命，从离心泵用户角度出发，在保证离心泵剩余寿命准确预测的同时，使预测的离心泵可运行寿命最大化。

附图说明

图1是本发明离心泵剩余寿命预测方法流程图。

图2是本发明离心泵失效寿命评估指标示意图。

图3是MD450-60x6型离心泵特性曲线图。

图4是MD450-60x6型离心泵特性曲线拟合图。

图5是扬程衰退变化图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。

实施一种离心泵剩余寿命预测方法，包括离心泵失效寿命指标评估方法、ARMA时间序列离心泵剩余寿命预测方法和离心泵剩余寿命预测监测点布置位置方法。

所述离心泵失效寿命指标评估方法，包括离心泵流量-扬程（H-Q）特性曲线和效率-流量（η-Q）特性曲线，判定离心泵两条特性曲线在其工作点出现的偏差大小，判定离心泵是否出现故障或失效。

所述工作点是离心泵额定工作点或任意流量工作点下的一种。

所述偏差是离心泵在某流量工作点处扬程（H）的偏差或效率（η）的一种。

所述流量-扬程（H-Q）特性曲线是指离心泵出口流量从0到额定流量Qe所以对应的扬程点拟合而成的二维曲线，其中流量通过离心泵出口处流量计测得，扬程通过离心泵出口处和入口处两位置压力计测得的压力值计算得出，计算公式为：

其中：P1、P2—泵进、出口的压力；Z1、Z2—泵进、出口压力测量点到水平面的高度；v1、v2—泵进、出口的平均流速；ρ—介质密度。

其中，D1、D2—泵进、出水口处管径。

所述ARMA时间序列离心泵寿命预测方法如下：

步骤1：选取某一流量Q，测出扬程H的一列关于时间t的随机变量H（t）：

步骤2：将随机变量H（t）带入到自回归滑动平均模型（ARMA）中，预测出t时间后的扬程变化趋势，H’（t），：

所述自回归滑动平均模型（ARMA）是自回归（AR）和滑动平均项（MA）的结合模型，其模型公式如下：

其中：aj—AR模型系数；bk—MA模型系数。

步骤3：根据离心泵失效寿命指标评估方法中特性曲线的偏差Hf或ηf，当

计算离心泵剩余寿命Trml为m个时间测量周期，即

所述离心泵寿命预测监测点布置位置是在离心泵入口处布置压力计测量负压力值，在离心泵出水口处布置压力计测量正压值，在离心泵出水口管路上布置流量计，测量离心泵出水流量。

所述压力计和流量计是机械仪表或者传感变送器的一种。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明，所述领域的技术人员在阅读了本具体实施例后，能够实现本发明所述的技术方案，同时也能够体现本发明所述的优点与积极效果。

某MD450-60x6型离心泵工作于煤矿井下，主要负责矿井主排水工作，MD280-43x6离心泵手册，其特性曲线如图3所示，其健康状态下离心泵流量工作点可为Q｛0，30，60，90，110，130，150，170，180｝，与之相对应的扬程工作点H｛68，67.5，65，62.5，60，57.5，55，52.5，51.2｝，应用多项式拟合方法，拟合出离心泵扬程-流量特性方程为：

绘制出其特性如附图4所示，在离心泵在煤矿井下工作过程，以周为单位，记录流量在｛0，30，60，90，110，130，150，170，180｝工作点处的入水口处压力P1和出水口处压力P2，根据公式（1）和公式（2）计算出相应的扬程H，并绘制出本周数据记录时刻的离心泵扬程-流量特性曲线。

随着离心泵在应用过程中的磨损，离心泵的性能会下降，偏离初始状态，以周为单位，重复上述步骤，绘制离心泵的特性曲线。

以静态工作点，即流量为0时刻的工作点作为参考，得出离心泵静态工作点下的扬程时间序列H，并绘制出时间序列H（t）与采集时间的曲线，即以周为单位绘制H（t）曲线，如附图5所示。

将H（t）导入到ARMA模型中，根据公式3拟合出未来时间扬程变化情况H^’（t），如附图5所示。

设定当离心泵处于静态工作点时，扬程55m为离心泵失效寿命指标，根据预测图3中所示，离心泵剩余寿命还有18个数据记录周期。在本例中以周为单位采集，即离心泵剩余寿命还有18周。

Claims (8)

1.一种离心泵剩余寿命预测方法，所述预测方法是应用离心泵特性曲线作为离心泵失效寿命评估指标，通过在离心泵剩余寿命预测监测点设置相应的传感器，绘制出离心泵运行过程中的特性曲线，并根据特性曲线变化趋势，基于ARMA时间序列离心泵剩余寿命预测方法预测出离心泵剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的预测方法，所述离心泵特性曲线是离心泵流量-扬程特性曲线和效率-流量特性曲线，根据两条所述离心泵特性曲线在其工作点出现的偏差大小，判定离心泵是否出现故障或失效。

3.根据权利要求1所述的预测方法，所述离心泵剩余寿命预测监测点是压力监测点和流量监测点，所述压力监测点和流量监测点是在离心泵入口处设置压力计测量负压力值，在离心泵出水口处设置压力计测量正压值；在离心泵出水口管上设置流量计，测量离心泵出水流量。

4.根据权利要求3所述的预测方法，所述压力计和流量计是机械仪表或者传感变送器的一种。

5.根据权利要求1所述的预测方法，所述工作点是离心泵额定工作点或任意流量工作点下的一种。

6.根据权利要求1所述的预测方法，所述偏差是离心泵在某流量工作点处扬程偏差或效率偏差的一种。

7.根据权利要求1所述的预测方法，所述流量-扬程特性曲线是应用离心泵剩余寿命预测监测点所采集的流量和压力数据，将离心泵出口流量从0到额定流量Q_e所对应的扬程点拟合而成的二维曲线。

8.根据权利要求1所述的预测方法，所述基于ARMA时间序列离心泵剩余寿命预测方法如下：

（一）选取某一流量Q，测出扬程H的一系列关于时间t的随机变量H（t）：

（1）

（二）将随机变量H（t）带入到自回归滑动平均模型（ARMA）中，预测出t时间后的扬程变化趋势，H^’（t）：

（2）

所述自回归滑动平均模型（ARMA）是自回归（AR）和滑动平均项（MA）的结合模型，其模型公式如下：

（3）

其中：a _j —AR模型系数；b _k —MA模型系数；

（三）根据离心泵失效寿命指标评估方法中特性曲线的偏差H_f或η_f，当

（4）

或者

（5）

计算离心泵剩余寿命T _rml 为m个时间测量周期，即

（6）。