CN116420022A - 用于侦测正排量泵中的泄漏的方法 - Google Patents

Abstract

一种侦测一泵(10)中的泄漏的方法，该泵具有用于将待泵送介质排放至一压力管线(20)中的至少一个排放本体(12)，该方法包含以下步骤：a)关闭该压力管线(20)，b)以该排放本体(12)的一已知速度操作该泵(10)，c)测量该压力管线(20)中的压力(P)，d)以不同速度重复步骤b)及c)，以及e)记录经测量压力与该速度的相关性，该方法特征在于，该排放本体(12)的该速度经程控以自一最小速度开始逐渐增大至一最大速度，该最大速度基于经测量压升计算。

Description

用于侦测正排量泵中的泄漏的方法

技术领域

本发明涉及一种用于侦测一泵中的泄漏的方法，该泵具有用于将待泵送的介质排放至压力管线中的至少一个排放本体，该方法包含

以下步骤：

a)关闭压力管线，

b)以排放本体的已知速度操作泵，

c)测量压力管线中的压力，

d)以不同速度重复步骤b)及c)，以及

e)记录经测量压力与速度的相关性。

背景技术

本发明所适用的正排量泵的实例包含活塞泵、齿轮泵、旋转活塞泵及螺旋轴泵。

在活塞泵中，排放本体由经配置以可在气缸中移动且与气缸壁一起限定与压力管线连通的泵体积的活塞形成。当活塞在减小泵体积的意义上移动时，将待泵送介质排放至压力管线中，且由此达成泵动作。

在螺旋轴泵中，排放本体由经安置以可在壳体中旋转且彼此和/或与壳体壁一起限定一或多个泵体积的一或多个螺旋轴形成。在螺旋轴旋转程序中，螺旋状排放本体及壳体壁形成围封泵体积的密封间隙的位置朝向泵的高压侧轴向移动，使得将介质排放至压力管线中。

在此类正排量泵中，理想地，通过排放本体的几何形状及其速度(在活塞状况下为线速度，在螺旋轴泵状况下为旋转速度)唯一地判定体积流速，使得当速度已知时，可计算出体积流速。然而，实际上，不可能完全密封排放本体与壳体壁之间的接触点，使得在这形成仅差不多被密封的间隙，且在间隙处可发生内部泄漏，即，已泵送的介质的一部分流动回至低压侧。另外，取决于泵的设计，也可发生外部泄漏，例如在用于一或多个排放本体的驱动构件进入壳体的密封件处。

出于这些原因，泵的实际体积流速实际上小于理论上应预期的值。这两个数量之间的商被指定为体积效率，且一般而言应在某些容许界限内。然而，间隙尺寸在泵的操作期间可能会归因于磨损而变得较大，使得随着时间的推移泄漏可能增大，且相应地，体积效率减小。

因此，在许多应用中，有必要通过测量理论体积流速与实际体积流速之间的差异来不定期检查泵的磨损情况。然而，实际体积流速的精确测量相对繁琐且需要使用昂贵的体积流量计量器。

WO 2020/048,947A1揭示上文指示的类型的方法，有可能通过该方法基于压力与速度的所记录相关性更精确地表征所侦测到的泄漏的类型及性质。

发明内容

本发明的一目标为提供一种方法，可通过该方法自动地且在使得对泵的损害的风险最小化的情况下判定正排量泵的磨损情况。

为了达成此目标，在根据本发明的方法中，排放本体的速度经程控以自最小速度开始逐渐增大至最大速度，该最大速度基于经测量压升计算。

本发明基于以下考虑因素：当泵在压力管线关闭的条件下操作时，例如由于振动或加热而引起对泵的损害的风险在排放本体的速度超过取决于泵的磨损情况的某一限制时显著提高。一般而言，为了获得有意义的压力/速度曲线，应提高速度以使得压力上升至尽可能高但仍对泵无害的值。磨损及泄漏越大，达成此压力值时的速度越高。在具有高泄漏的泵中，可超过对泵无损害的操作的限制。然而，由于在测量开始时尚不知晓泵的磨损情况，因此预先判定此限制是不可能的。

本发明通过以安全最小速度开始且接着在压力测量过程中逐渐增大速度来解决此问题。作为速度的函数，压力上升越慢，泵的泄漏越大。因此，有可能基于压升而推断泵的磨损情况，且接着使用已以此方式判定的磨损情况用于判定速度可增大至的限制。

此方法可借助于已经适当地编程的电子控制器自动地执行，使得可获得有意义的测量曲线而无需由人员或者借助温度传感器、振动传感器或其他传感器监测泵的情况及行为。

在从属权利要求中指示本发明的适用细节及进一步发展。

压力传感器及锁定阀在泵的正常操作期间可保持于压力管线中，使得在任何时间仅需极小努力即可检查泵的磨损情况。举例而言，当来自连接至泵的消费品的信号指示该消费品当前不需要加压介质时，可自动地触发对磨损情况的测量。

在测量程序过程中，排放本体的速度(即，泵马达的旋转速度)可连续地或逐步地增大。可记录不仅随速度而变而且随时间而变的经测量压力，使得可在经测量压力信号中侦测到周期性压力脉动。这些压力脉动一方面可用于测量或检查旋转速度，但另一方面也可提供关于泵的磨损情况的更特定信息。举例而言，泵的速度可在每一速度等级下保持恒定持续至少泵的一个完整操作循环的持续时间，且可通过快速傅立叶变换(FFT)将在此时间期间已记录的压力脉动转换成一频谱，可接着分析该频谱以用于获得对泄漏的性质的进一步洞察。同样地，可通过分析压力脉动来侦测介质中的任何可能气泡。

附图说明

现将结合附图描述实施例实例，其中：

图1为具有用于借助于根据本发明的方法侦测泄漏的装置的正排量泵的简图；

图2展示在泵的不同磨损情况下泵的驱动马达的旋转速度与压力管线中的压力之间的典型关系的实例；且

图3展示在不同磨损情况下压力脉动的频谱的实例。

具体实施方式

作为正排量泵的实例，图1展示具有呈螺旋轴形式的排放本体12的螺旋轴泵10。螺旋轴彼此密封接合且与泵壳体壁密封接合且由马达14以相等旋转速度驱动，使得通过螺旋轴限定的体积空间自泵的低压侧16朝向高压侧18轴向移动，且在低压侧处所获的介质，例如液体，朝向高压侧18排放。泵的高压侧连接至压力管线20，经由压力管线在高压下将介质供应至消费品22(在所展示的实例中为喷嘴)。将已由消费品排出的介质收集于连接至泵的低压侧16的收集容器24中，使得介质可再循环。

马达14经由轴26连接至尚未详细展示的齿轮箱，以用于驱动螺旋轴，该轴在高压侧18进入泵壳体。为了在轴26穿透壳体壁的部位处减小压力，在泵10的壳体中在压力管线20的连接点与轴26的馈通件之间设置节流阀28，该节流阀用于减小压力且仅准许受限泄漏流量经由泄漏开口30自壳体离开。另外，泵10的内部出现内部泄漏流量，这是由于已泵送的介质的一部分已经由排放本体12与壳体之间的间隙自高压侧18流动回至低压侧16。

提供测量套组32以用于测量泵10的若干内部及外部泄漏流量的总量且由此检查泄漏是否仍然在可容许范围内。测量套组32包含可完全关闭压力管线20的锁定阀34、在锁定阀34上游的用于测量压力管线中的压力的连接至压力管线20的压力传感器36，及经由频率转换器40控制马达14的旋转速度且处理由压力传感器36提供的压力信号的电子控制及评估装置38。在所展示的实例中，控制及评估装置38经由控制管线进一步连接至锁定阀34，使得可以电子方式致动阀。

在泵10的正常操作期间，打开锁定阀34，且马达14的旋转速度经控制或经回馈控制，使得可满足消费品22的需要。

消费品22并非有效的操作阶段可用于借助于测量套组32检查泵10的磨损情况。为此，关闭锁定阀34，且以可小于正常操作下的旋转速度的旋转速度驱动马达14。接着，由压力传感器36侦测到的压力积累于压力管线20的上游部分中。此压力增大得越大，泵的泄漏点处的压降变得越大，且所有这些泄漏点处的泄漏体积流速亦增大，该增大在具有恒定黏度的(牛顿)液体的层流的状况下大致与该压降成比例，且在扰流的状况下大体上与压降的平方成比例。通过压力传感器36测得的压力增大，直至泵10的泄漏体积流速与排放体积流速之间已经达到平衡为止。虽然继续以不变的旋转速度驱动马达14，但压力传感器36在一定时间之后将因此测量指示泄漏点的流动阻力的恒定平均压力水准。达到的压力水准越大，泄漏流动阻力越大。

在平衡状态下，可基于马达14的旋转速度计算出泄漏体积流速，这是由于泄漏体积流速等于可基于泵10的已知几何形状针对该旋转速度计算出的泵10的理论排放体积流速。

基于这样计算出的泄漏体积流速与通过压力传感器36测量到的压力P之间的已知关系，可计算出与泄漏流量相对的流动阻力。由此流动阻力，亦可针对泵10的正常操作阶段，即马达14以如消费品22所需要的旋转速度运行的阶段，计算出泄漏流量的大小。根据以此方式获得的泄漏体积流速及针对给定旋转速度的理论排放体积流速，可计算出泵的体积效率，且可评定此效率归因于泵磨损的降低程度。

接着针对马达14的不同旋转速度n重复上文所描述的测量程序。举例而言，以最小旋转速度n1开始，旋转速度以均匀或非均匀增量逐步增大，且在每一步骤中，在压力P已稳定之后记录随旋转速度而变的压力P。

作为实例，图2展示两个曲线42、44，其分别指示压力P与旋转速度n的相关性。在此实例中，旋转速度增量已选择为小以使得曲线实际上为连续的。曲线42表示对于图1中所示的类型的新制螺旋轴泵10将预期的测量结果。此曲线的相对陡峭上升展示泄漏体积流速相对较小且在正常范围内。相比之下，曲线44表示同一类型的泵，其中已发生显著磨损，使得泄漏流较大，且相应地，曲线的上升较平缓。

正如对于牛顿液体将预期的，曲线42及44在小旋转速度下大致为线性的。然而，在某些压力A、B、……下，其具有压力突然增大的跃变点。这些跃变点各自针对泵的泄漏间隙之一表示自此间隙处的泄漏流的层流至扰流的转变。该转变发生时的旋转速度尤其取决于间隙的宽度及表面的粗糙度以及由间隙分离的体积之间的压力差。这些跃变点中的每一者表示某一类型的间隙，例如泵的主轴与侧轴之间的轮廓匹配间隙，或泵的壳体与主轴或壳体与侧轴中的一者之间的壳体间隙。

若曲线42及44彼此进行比较，则可看出，两个曲线的两个第一跃变点在大致相同的压力，即第一跃变点的压力A及第二跃变点的压力B，下出现。这指示间隙的宽度对于对应间隙类型大致相等，即甚至在较旧泵中在这些间隙处尚未出现显著磨损。相比之下，在较高旋转速度下出现的跃变点在曲线42的情况下出现在压力C及D下，而在曲线44的情况下，这些跃变点移位至较低压力C'及D'。这展示对应间隙已由于磨损而发生变化。以此方式，可通过分析曲线44而更接近地定位泄漏流的原因。

在所展示的实例中，新制泵的旋转速度(曲线42)已渐渐地增大至最大值n2。由于此泵的泄漏流较小，因此已达到对应地高的最大压力。若也想要针对已经受磨损的泵达成相同的最大压力(曲线44)，则由于此曲线的平缓增大，旋转速度将必须实质上进一步增大超出n2。这将引发泵或泵马达过热或泵因越来越强的振动而受损的风险。一般而言，泵对于此类振动的敏感性随泄漏增大而提高，使得对于已经遭受某一磨损的泵，最大旋转速度应受限制以避免对泵的进一步损害。出于此原因，在此处正提议的自动化测量方法中，已经在恰好高于最小旋转速度n1的测量程序的第一阶段中基于曲线42及44的陡度而计算泄漏流且评估泵的磨损情况。接着，当至少大致已知泵的磨损情况时，基于此磨损情况而判定最大旋转速度。在所展示的实例中，这具有以下效果：对于由曲线44表示的泵，测量程序已在较低旋转速度n2*下中止，以避免对泵的损害。

对于具有给定设计的泵，经测量泄漏流与测量程序中不应超出的最大旋转速度n2或n2*之间的关系可基于理论模型计算或可借助于测试样本以实验方式判定。一旦针对给定设计已知此关系，则控制及评估装置38经编程使得旋转速度仅增大直至对应最大旋转速度。

同样地，给定设计的泵有可能通过理论计算或实验测试判定对于尚未经受磨损的泵，跃变点应位于何处，或者换言之，哪一间隙属于哪一跃变点。在此认知的情况下，接着有可能利用已自动记录的测量序列用于泵的精确诊断。

此外，在此处所提议的方法中，在每个测量步骤中，经测量压力P也随时间而记录且通过快速傅立叶变换转换成对应频谱，其中在所述测量步骤期间泵的旋转速度保持恒定。图3展示已由此方式针对不同泵获得的两个频谱的实例。曲线46展示新制泵的频谱，且曲线48展示已遭受显著磨损的泵的频谱。曲线展示具有等于螺旋轴的旋转速度的基本频率f1且具有较高谐波的周期性压力脉动。在曲线48的情况下，尤其可自基本频率f1的振幅显著小于曲线46的情况下的振幅的事实推断泵的较高磨损。

最终，该压力脉动的测量也提供测量周期时长T，且由此测量泵的旋转速度的精细方式。举例而言，可以此方式检查泵的旋转速度实际上是否具有程序预设的值。原则上，对泵的旋转速度的回馈控制也将是可能的，但旋转速度的直接控制是较佳的，因为封闭回馈回路中的旋转速度回馈控制可造成可能损害测量结果或延长测量的持续时间的振荡。

控制及评估装置38可经编程而使得其以一定时间间隔自动地执行泄漏测量，其中测量的确切时间点可取决于消费品22的需要。测量结果可自动地记录、打印及/或经由无线链路发射至操作员的智能电话。同样，在体积效率已变得不可接受得低的状况下可自动地触发警报。

Claims (7)

1.一种侦测一泵(10)中的泄漏的方法，该泵具有用于将待泵送的介质排放至一压力管线(20)中的至少一个排放本体(12)，该方法包含以下步骤：

a)关闭该压力管线(20)，

b)以该排放本体(12)的一已知速度操作该泵(10)，

c)测量该压力管线(20)中的压力(P)，

d)以不同速度重复步骤b)及c)，以及

e)记录经测量压力与该速度的相关性，

该方法特征在于，该排放本体(12)的该速度经程控以自一最小速度(n1)开始逐渐增大至一最大速度(n2；n2*)，该最大速度基于经测量压升计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其包含：侦测一消费品(22)的一操作条件，通过该泵(10)将泵送的介质供应至该消费品；以及在该消费品(22)不需要介质时关闭该压力管线(20)，以便执行一测量程序。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中该泵(10)为一螺旋轴泵。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中该排放本体(12)的该速度由一驱动部件或该排放本体自身的一旋转速度给定。

5.根据权利要求4所述的方法，其中该旋转速度逐步增大。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其中也记录随时间(t)而变的该经测量压力(P)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该旋转速度在每一步骤中保持恒定持续至少该排放本体的一完整操作循环的持续时间。

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