CN111886069A

CN111886069A - 用于监测和控制搅拌机运行的方法

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Publication number: CN111886069A
Application number: CN201880083834.XA
Authority: CN
Inventors: M·韦斯曼
Original assignee: Xylem Europe GmbH
Current assignee: Xylem Europe GmbH
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2020-11-03
Anticipated expiration: 2038-12-11
Also published as: EP3505236A1; EP3505236B1; HUE052819T2; CN111886069B; US20210394139A1; US11291964B2; WO2019129483A1

Abstract

本发明涉及一种搅拌机组件(1)以及一种用于监测所述搅拌机组件的所述驱动轴组件负荷的方法。所述搅拌机组件包括：作为所述搅拌机一部分的所述驱动单元(2)，所述驱动单元(2)包括电动机(7)和所述驱动轴组件(8)，所述驱动轴组件连接到所述电机(7)并在所述搅拌机组件(1)的运行期间由其驱动旋转；作为所述搅拌机一部分的推进器(3)，所述推进器(3)包括与驱动轴组件(8)的推进器轴(12)连接的毂(15)和连接到所述毂(15)的多个叶片(16)，其中所述推进器轴(12)沿轴向(Z)延伸，所述叶片(16)沿径向延伸；和控制单元(4)，其可操作地连接到电动机(7)，该控制单元(4)被配置用于监测和控制所述搅拌机的运行。该方法的特征在于以下步骤：通过控制单元(4)监测围绕所述驱动轴组件(8)的驱动轴(11)的驱动轴转矩(Tz)；通过控制单元(4)基于至少一个驱动轴转矩范围(TzR)确定平均驱动轴转矩范围(ATzR)，其中每个驱动轴转矩范围(TzR)等于在所述搅拌机组件(1)运行期间在推进器(3)的预定旋转角(α)期间检测到的绕驱动轴(11)的最高驱动轴转矩值(Tz_max)和绕驱动轴的最低驱动轴转矩值(Tz_min)之间的差；以及通过控制单元(4)将所确定的平均驱动轴转矩范围(ATzR)与预定转矩范围极限值(TzR_limit)进行比较。

Description

用于监测和控制搅拌机运行的方法

技术领域

本发明总体上涉及适合于对包括固体物质的液体(例如废水/污水)进行生物处理的处理设施领域，以及监测和控制这种处理设施的方法。此外，本发明特别地涉及适合在这样的处理设施中运行的搅拌机组件的领域以及用于监测和控制这种搅拌机组件的方法。

本发明涉及搅拌机组件以及用于监测这种搅拌机组件的搅拌机在运行期间的驱动轴组件负荷的方法，其中该搅拌机组件包括：作为搅拌机一部分的驱动单元，所述驱动单元包括电动机和驱动轴组件，所述驱动轴组件连接到所述电动机并在搅拌机组件运行期间由所述电动机旋转地驱动；作为搅拌机一部分的推进器，所述推进器包括连接到驱动轴组件的推进器轴的毂以及连接到所述毂的多个叶片，其中该推进器轴沿轴向(Z)延伸，而叶片沿径向延伸；以及控制单元，其可操作地连接到电动机，该控制单元被配置用于监测和控制搅拌机的运行。

背景技术

搅拌机组件被配置为位于罐或池中，例如循环通道(也称为跑道)或非循环通道(例如圆形或矩形池)。例如，该池在对液体尤其是废水/污水进行生物处理或氧化期间使用，也用于消化池或沼气应用中。

在生物处理应用中，通常通过用微生物将生物材料分解为二氧化碳和水，并通过用细菌将水结合氮转化为空气氮来从氮和生物材料中净化废水。净化后的废水被释放回自然环境中，如果没有消除水结合氮，则自然水道中会富营养化，并且由于生物材料消耗大量氧气这一事实，如果将未充分净化的水释放回自然环境中，则会产生氧气不足的水道。借助于一个或多个曝气段向废水中添加大量的氧气来刺激生物材料的分解，并且在没有添加氧气的区域或没有添加氧气的单独池中消除在循环通道中的水结合氮，和/或在溶解氧水平低到足以发生该过程的区域/池中消除在循环通道中的水结合氮。该过程高度依赖于良好和可靠的混合。

在沼气应用中，消化废物(例如来自动物的粪便和来自家庭的可堆肥废物)以生产沼气。该过程高度依赖于良好和可靠的混合。

例如，在废水池中使用流发生机/搅拌机，以混合液体/废水，来获得尽可能均匀的液体混合物，从而使生物材料保持悬浮在液体中并且产生作为循环流的沿着循环通道循环/流动的液体流。

在所有应用中，池中的大体积流量都不是随着时间的推移而稳定且规则的。某些应用比其他应用更可预测，但没有一个应用能完全稳定。因此，向搅拌机的推进器的流入不是随时间的推移而均匀的，因此在推进器的径向平面上是不均匀的。不均匀的流入会导致运行期间推进器叶片上的机械负荷不均匀，而推进器叶片上不均匀的机械负荷升高会导致驱动轴组件负荷不均匀，并增加驱动轴组件、密封件和轴承损坏/疲劳的风险。

因此，通常所有搅拌机均随附安装指南，即推进器与墙壁、底部、障碍物等之间的通用最小间隙。然而，有时无法遵循这些安装指南，在这种情况下，很难甚至无法预测这是否会影响推进器叶片负荷，是否需要调整维修间隔等。搅拌机相对于池壁、地板、其他搅拌机等的不正确安装(即不正确的定位)将增加运行期间在推进器叶片上的机械负荷。

因此，在搅拌机组件运行期间，驱动轴组件的推进器轴(即前端部分)将经受弯曲力，即绕沿径向平面(XY)延伸的径向轴线的转矩，而众所周知的是，所述弯曲力，尤其是弯曲力在推进器每次旋转期间的短期变化可能会导致驱动轴组件损坏。搅拌机的运行限制和预期的维修间隔基于历史记录，如果不遵循通用安装指南，则不确定性会增加。即使遵循通用安装指南，液体的变化性质也会增加预期维修间隔和运行限制的不确定性。

因此，需要能够连续地监测搅拌机的运行，以便更有效/准确地保护搅拌机免受意外故障的影响。

发明内容

发明内容本发明旨在消除前述已知的用于监测搅拌机在运行期间的驱动轴组件负荷的方法的缺点和故障，并且旨在提供一种用于监测搅拌机在运行期间的驱动轴组件负荷的改进方法。本发明的主要目的是提供一种初始限定型的改进方法，该初始限定型的改进方法要求可以基于搅拌机所经受的实时条件采取预防措施。

本发明的一个目的是提供一种用于监测搅拌机在运行期间的驱动轴组件负荷的方法，以便能够基于所经受的负荷来调整维修间隔。

本发明的另一目的是提供一种用于监测搅拌机在运行期间的驱动轴组件负荷的方法，以便评估是否需要改变搅拌机的安装。

本发明的另一目的是提供一种用于监测搅拌机在运行期间的驱动轴组件负荷的方法，以便能够在需要时降低/限制搅拌机的转速，或者甚至在极端情况下停止搅拌机的运行。

本发明的另一目的是提供一种用于监测搅拌机的驱动轴组件负荷的方法，并且在意外故障的情况下，评估负荷是否过高，或者在确定负荷不太高时搅拌机的驱动单元组件是否过弱。

根据本发明，至少主要的目的是借助于具有独立权利要求中限定的特征的初始限定的方法和搅拌机组件来实现的。在从属权利要求中进一步限定了本发明的优选实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种初始限定型的方法，该初始限定型的方法的特征在于以下步骤：借助于控制单元监测围绕驱动轴组件的驱动轴的驱动轴转矩(Tz)；借助于控制单元基于至少一个驱动轴转矩范围(TzR)确定平均驱动轴转矩范围(ATzR)，其中每个驱动轴转矩范围(TzR)等于在搅拌机组件运行期间在推进器的预定旋转角期间检测到的围绕驱动轴的最高驱动轴转矩值(Tz_max)与围绕驱动轴的最低驱动轴转矩值(Tz_min)之间的差；并且借助于控制单元将所确定的平均驱动轴转矩范围(ATzR)与预定的转矩范围极限值(TzR_limit)进行比较。

根据本发明的第二方面，提供了一种初始限定型的搅拌机组件，其特征在于，控制单元被配置为执行本发明的方法。

因此，本发明基于这样的想法，即，借助于监测和分析驱动轴转矩(Tz)的短期变化，即驱动轴转矩范围(TzR)，可以将该信息用于采取预防措施以便保护搅拌机免于不利的负荷条件和意外损坏。

在本发明的一个优选实施例中，推进器的预定旋转角等于或大于一个叶片行程，或者等于多个叶片行程。此外，还优选的是，推进器的预定旋转角等于或小于推进器的三转。通过取最小的预定旋转角，抓取变化的驱动轴转矩的至少一个完整振荡。通过限制预定旋转角的长度，使得长期变化对监测驱动轴转矩的短期变化几乎没有影响。

根据本发明的优选实施例，用作确定平均驱动轴转矩范围(ATzR)的基础的所述多个驱动轴转矩范围(TzR)等于或大于推进器的15转。此外，还优选地，用作确定平均驱动轴转矩范围(ATzR)的基础的所述多个驱动轴转矩范围(TzR)等于或小于推进器的90转。通过在确定平均值时使用若干推进器轴转矩范围，还可以抓取推进器轴转矩的长期变化对短期变化的影响，以使得单个或几个超高推进器轴转矩范围对监测的影响被界定。

根据本发明的优选实施例，在搅拌机组件的正常运行期间，搅拌机的推进器具有等于或小于400rpm的转速。因此，所涉及的搅拌机是具有或不具有机械齿轮传动装置的所谓缓慢旋转型搅拌机。

根据本发明的优选实施例，控制单元被集成到搅拌机中。因此，搅拌机包括其自己的保护监测系统。

根据其他从属权利要求以及以下优选实施例的详细描述，本发明的其他优点和特征将变得显而易见。

附图说明

通过以下结合附图对优选实施例的详细描述，将更完整地理解本发明的上述以及其他特征和优点，在附图中：

图1是本发明的搅拌机组件的示意性透视图；

图2是搅拌机组件的半透明示意性侧视图；以及

图3是搅拌机组件的示意性正视图。

具体实施方式

首先参考图1。本发明尤其涉及一种总体上用附图标记1表示的搅拌机组件，其适合于处理/输送包含固体/生物物质的液体，例如废水/污水，并且尤其涉及一种监测和控制这种搅拌机组件1的方法。

本发明的搅拌机组件1被配置为至少部分地位于容纳要处理/输送的液体的池/罐中。该池可以由诸如跑道/循环通道之类的处理设施中的处理池构成，该池可以由沼气设施中的消化罐构成。

搅拌机组件1包括三个主要部分：驱动单元(总体上标记为附图标记2)、推进器3和控制单元4(ECU)。控制单元4控制驱动单元2，驱动单元2驱动推进器3，而推进器3推动液体。驱动单元2和推进器3始终是搅拌机的一部分，并且在所公开的实施例中，控制单元4集成到搅拌机中并构成搅拌机的一部分。在替代实施例中，控制单元4由单独的构件构成并且可操作地连接到搅拌机。搅拌机也称为流动发生机或混合器。在所公开的实施例中，搅拌机是潜水搅拌机，即被配置为完全浸入水中。然而，应该指出的是，在运行期间，潜水搅拌机可以部分位于液体表面上方。

从电源(例如电力线)延伸的电缆5向搅拌机组件1提供电力，搅拌机组件1包括容纳电缆5的液密引线6。电缆5还可包括用于在搅拌机与外部控制单元(未示出)之间进行数据通信的信号线。

现在也参考图2，其中示意性地公开了搅拌机组件1的一些内部部件。驱动单元4包括总体上由附图标记7表示的电动机，以及连接到所述电动机7并在搅拌机组件1运行期间由所述电动机7旋转地驱动的驱动轴组件8。电动机7以常规方式包括定子9和转子10。在所公开的实施例中，驱动轴组件8包括驱动轴11(即后端部)和推进器轴12(即前端部)，其中机械传动单元13布置在驱动轴11和推进器轴12之间。转子10连接到驱动轴组件8的驱动轴11并与其共同旋转。推进器3以常规方式连接到驱动轴组件8的推进器轴12并与其共同旋转。传动单元13具有固定的传动比，其中推进器3的转速低于电动机7的转子10的转速，即，减速。传动比优选等于或小于100：1，更优选等于或小于60：1，并且优选等于或大于2：1，更优选等于或大于15：1。根据替代实施例，传动比为1：1，即无传动装置，驱动轴11和推进器轴12由同一轴构件构成。驱动单元2还包括必要的轴承和密封件，它们具体承受由于推进器轴12上的弯曲力而引起的磨损。

在所公开的实施例中，驱动轴11和推进器轴12均沿轴向延伸，并且优选地是共线的。根据替代实施例，机械传动单元13是成角度的，即，在倾斜驱动轴11与推进器轴12之间形成角，例如90度。在后一种情况下，推进器轴12沿轴向延伸。

在搅拌机组件1的正常运行期间，推进器3的转速等于或小于400rpm，优选等于或小于200rpm，并且等于或大于10rpm。这种类型的搅拌机组件1通常称为缓慢运行型搅拌机组件1。

电动机7位于壳体14中，并且在所公开的实施例中，推进器3与壳体14直接接触，壳体14是液密型壳体。然而，在替代实施例中，推进器3位于距壳体14一定距离处，即，驱动轴组件8的推进器轴12在壳体14与推进器3之间是可见的。根据替代实施例，驱动单元4通常位于干燥环境中。在大多数应用中，搅拌机是潜水式搅拌机，即，驱动单元2和推进器3在运行期间均位于液面下方。在替代实施例中，当推进器3位于液体表面下方时，壳体14和电动机7不同时位于液体中，即所谓的顶入式或侧入式搅拌机。

推进器3包括连接到驱动轴组件8的推进器轴12的毂15和连接到所述毂15的多个叶片16，其中从其底部向其顶部看，推进器轴12沿轴向(Z)延伸，而每个叶片16沿径向延伸，其中叶片16在其基部连接到毂15，并且其中叶片16的顶部是推进器3的最外部分。在所公开的实施例中，叶片16的前缘17和后缘18都是弯曲的，前缘17是凸的，而后缘18是凹的。应该指出的是，叶片16自然也具有沿轴向的延伸部，即具有节距，以便对液体产生推力。

控制单元4可操作地连接到电动机7，控制单元4被配置为监测和控制搅拌机的运行。电动机7被配置为由控制单元4驱动而运行。因此，控制单元4被配置为例如通过控制运行电动机7的电流的频率来控制驱动搅拌机的所述电动机7的转速。根据所公开的实施例，控制单元4包括变频驱动器(VFD)19。

对于本发明而言，至关重要的是，本发明的搅拌机组件1的控制单元4被配置为执行本发明的方法，并且该方法包括以下步骤：监测驱动轴组件8的驱动轴11的驱动轴转矩(Tz)；基于至少一个驱动轴转矩范围(TzR)确定平均驱动轴转矩范围(ATzR)，其中每个驱动轴转矩范围(TzR)等于在搅拌机组件1运行期间在推进器3的预定旋转角期间检测到的围绕驱动轴11的最高驱动轴转矩值(Tz_max)与围绕驱动轴11的最低驱动轴转矩值(Tz_min)之间的差；并且将所确定的平均驱动轴转矩范围(ATzR)与预定转矩范围极限值(TzR_limit)进行比较。

对于每个给定的推进器3和/或搅拌机，计算/确定转矩范围极限值(TzR_limit)。

驱动单元4被配置为根据已知的程序，例如基于对驱动单元4可用的不同电信号的测量值，例如电流、电压、VFD 19的输出频率、驱动轴11的转速等，来确定/计算围绕驱动轴11的驱动轴转矩(Tz)。

根据一个优选实施例，本发明的方法还包括以下步骤：当确定所确定的平均驱动轴转矩范围(ATzR)超过预定转矩范围极限值(TzR_limit)时，采取预防措施。预防措施例如是向操作员发送警报信息、将警报信息保存在控制单元4中、降低推进器3的转速等。操作员基于来自控制单元4的警报信息采取的一种预防措施是平衡推进器，即，去除或增加一个或多个叶片16的顶部的配重。

根据优选实施例，基于多个驱动轴转矩范围(TzR)确定平均驱动轴转矩范围(ATzR)，并且所述多个驱动轴转矩范围(TzR)中的驱动轴转矩范围(TzR)优选地是连续的。根据替代实施例，所述多个驱动轴转矩范围(TzR)由每隔一个驱动轴转矩范围(TzR)构成。

现在也参考图3。推进器3的预定旋转角(α)在整个搅拌机的运行过程中是相等的，并且优选等于或大于一个叶片行程。推进器的预定旋转角等于多个叶片行程也是合理的。一个叶片行程由推进器旋转一转的预定部分构成，其中所述预定部分等于360度角除以推进器3的叶片16的数量。因此，在所公开的实施例中，一个叶片行程等于120度角。在两个相邻的叶片行程之间或在两个相邻的预定旋转角之间的界面的位置不太重要。优选地，推进器3的预定旋转角等于或小于推进器的三转，优选等于或小于推进器的一转。

根据替代实施例，平均驱动轴转矩范围(ATzR)是加权平均驱动轴转矩范围(WATzR)，例如基于在推进器3的每个预定旋转角期间检测到的最高驱动轴转矩值(Tz_max)的值，或者基于在推进器3的每个预定旋转角期间检测到的最低驱动轴转矩值(Tz_min)的值。

优选地，用作确定平均驱动轴转矩范围(ATzR)的基础的所述多个驱动轴转矩范围(TzR)等于或大于推进器的15转，优选等于或大于推进器的30转。此外，作为确定平均驱动轴转矩范围(ATzR)的基础的所述多个驱动轴转矩范围(TzR)优选等于或小于推进器的90转，优选等于或小于推进器的60转。

搅拌机组件1包括适合于执行上述方法的步骤的部件。上述方法的许多步骤优选地由控制单元4执行/控制，因此术语“搅拌机组件1包括部件……”不一定意味着所述部件必须位于壳体14内。因此，该术语还包括搅拌机可接近的/可用的部件/可操作地连接到搅拌机的部件。

包括使搅拌机组件1执行上述方法的步骤的指令的计算机程序产品/程序包对于搅拌机是可接近的/可用的/可操作地连接的。所述计算机程序产品优选地位于/运行在控制单元4中。

在基于围绕推进器轴12的扭转转矩的围绕推进器轴12的平均推进器轴转矩范围(ATzR)与基于围绕径向平面(即垂直于推进器轴12的轴向延伸的平面)中的一轴线的弯曲转矩的平均弯曲转矩范围(ATxyR)之间存在一关系。因此，围绕推进器轴的驱动轴转矩(Tz)是扭转转矩，而径向转矩(Txy)是弯曲转矩。ATxyR＝k*ATzR，其中k＝5±2。平均弯曲转矩范围ATxyR比平均推进器轴转矩范围ATzR更关键，并且应当指出，鉴于本发明的方法，使用弯曲转矩范围TxyR代替驱动轴转矩范围TzR是等效的。

对本发明的可行修改

本发明不仅限于上述和附图所示的主要具有说明性和示例性目的的实施例。该专利申请旨在覆盖本申请描述的优选实施例的所有调整和变型，因此本发明由所附权利要求的措词来限定，因而可以在所附权利要求的范围内以各种方式修改设备。

还应当指出，即使没有明确说明可以将来自特定实施例的特征与来自另一实施例的特征进行组合，但是如果可以组合，则应当认为该组合是显而易见的。

Claims

1.一种用于监测在运行期间搅拌机组件(1)的搅拌机的驱动轴组件负荷的方法，该搅拌机组件(1)包括：

驱动单元(2)，其作为所述搅拌机的一部分，所述驱动单元(2)包括电动机(7)和驱动轴组件(8)，该驱动轴组件与所述电动机(7)连接并在所述搅拌机组件(1)的运行期间由所述电动机旋转地驱动；

推进器(3)，其作为所述搅拌机的一部分，所述推进器(3)包括连接到所述驱动轴组件(8)的推进器轴(12)的毂(15)和连接到所述毂(15)的多个叶片(16)，其中所述推进器轴(12)沿轴向(Z)延伸并且所述叶片(16)沿径向延伸；以及

控制单元(4)，其可操作地连接到电动机(7)，所述控制单元(4)被配置为监测和控制所述搅拌机的运行，所述方法的特征在于以下步骤：

借助于所述控制单元(4)监测围绕所述驱动轴组件(8)的驱动轴(11)的驱动轴转矩(Tz)；

借助于控制单元(4)基于至少一个驱动轴转矩范围(TzR)确定平均驱动轴转矩范围(ATzR)，其中每个驱动轴转矩范围(TzR)等于在所述搅拌机组件(1)运行期间在推进器(3)的预定旋转角(α)期间检测到的围绕驱动轴(11)的最高驱动轴转矩值(Tz_max)与围绕驱动轴(11)的最低驱动轴转矩值(Tz_min)之间的差；以及

借助于所述控制单元(4)将所确定的平均驱动轴转矩范围(ATzR)与预定的转矩范围极限值(TzR_limit)进行比较。

2.根据权利要求1所述的方法，其中基于多个驱动轴转矩范围(TzR)确定所述平均驱动轴转矩范围(ATzR)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述推进器(3)的预定旋转角(α)等于或大于一个叶片行程。

4.根据权利要求3所述的方法，其中一个叶片行程由推进器的一转的预定部分构成，其中所述部分等于360度角除以所述推进器(3)的叶片(16)的数量。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述推进器(3)的预定旋转角等于或小于推进器的三转，优选地等于或小于推进器的一转。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述平均驱动轴转矩范围(ATzR)是基于在推进器(3)的每个预定旋转角期间检测到的最高驱动轴转矩值(Tz_max)的值的加权平均驱动轴转矩范围(WATzR)。

7.根据权利要求2所述的方法，其中作为用于确定所述平均驱动轴转矩范围(ATzR)的基础的所述多个驱动轴转矩范围(TzR)等于或大于推进器的15转，优选地等于或大于推进器的30转。

8.根据权利要求2所述的方法，其中作为确定所述平均驱动轴转矩范围(ATzR)的基础的所述多个驱动轴转矩范围(TzR)等于或小于推进器的90转，优选等于或小于推进器的60转。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述搅拌机组件(1)的正常运行期间，所述搅拌机的推进器(3)的转速等于或小于400rpm，优选地等于或小于200rpm。

10.一种搅拌机组件(1)，包括：

驱动单元(4)，其是搅拌机的一部分，所述驱动单元(4)包括电动机(7)和连接到所述电动机(7)并在所述搅拌机组件(1)运行期间由所述电动机旋转地驱动的驱动轴组件(8)；

推进器(3)，其是所述搅拌机的一部分，所述推进器包括连接到所述驱动轴组件(8)的推进器轴(12)的毂(15)和连接到所述毂(15)的多个叶片(16)，其中所述推进器轴(12)沿轴向(Z)延伸并且所述叶片(16)沿径向延伸；以及

控制单元(4)，其可操作地连接到电动机(7)，所述控制单元(4)被配置为监测和控制所述搅拌机的运行，

所述搅拌机组件(1)的特征在于：

所述控制单元(4)被配置为监测围绕所述驱动轴组件(8)的驱动轴(11)的驱动轴转矩(Tz)；

所述控制单元(4)被配置为基于至少一个驱动轴转矩范围(TzR)确定平均驱动轴转矩范围(ATzR)，其中每个驱动轴转矩范围(TzR)等于在所述搅拌机组件(1)运行期间在所述推进器(3)的预定旋转角期间检测到的围绕驱动轴(11)的最高驱动轴转矩值(Tz_max)与围绕驱动轴(11)的最低驱动轴转矩值(Tz_min)之间的差；并且

所述控制单元(4)被配置为将所确定的平均驱动轴转矩范围(ATzR)与预定的转矩范围极限值(TzR_limit)进行比较。

11.根据权利要求10所述的搅拌机组件(1)，其中所述控制单元(4)被集成到所述搅拌机中。

12.根据权利要求10或11所述的搅拌机组件(1)，其中所述控制单元(4)包括变频驱动器(VFD)(17)。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的搅拌机组件(1)，其中所述搅拌机由潜水式搅拌机构成。

14.一种计算机程序产品，其包括指令以使根据权利要求10所述的搅拌机组件(1)的控制单元(4)执行根据权利要求1所述的方法的步骤。