姚宇1, 宋建成1, 韩毅1, 席庆祥2, 李建华2
(1.太原理工大学 煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室, 山西 太原 030024；2.山西煤矿机械制造有限责任公司， 山西 太原 030024)
摘要：针对离心泵失效过程复杂、故障数据库不健全的问题，设计了基于双循环测量隔离管路的离心泵加速寿命试验平台。该平台利用含砂粒子大小与粒子浓度作为离心泵加速寿命应力因子，以流量-扬程特性曲线作为寿命评价指标。测试结果表明，该平台可以有效加速离心泵失效过程，并能实现离心泵特性曲线拟合和试验数据的在线测量，满足了加速寿命试验要求。
关键词：离心泵； 加速寿命试验； 双循环测量； PLC
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1456.005.html
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重要的地位。在煤矿井下，离心泵主要担负涌水排出工作。矿井涌水中含有矸石等杂质,会磨损离心泵叶轮，导致离心泵性能下降。目前离心泵故障时的工况数据并不全面，工作现场设备监测参量较少，不能全面反映故障特征[1-2]；实验室人工故障特征又不完全符合自然故障发展规律，与实际离心泵失效过程有一定差异，且人工故障点较为离散，不具备连续的故障特征。一些研究中，使用人为切削叶轮的方法形成离心泵故障，而不是加速磨损叶轮，导致获得的试验数据只能是某些特性磨损程度的离散数据，不能获取叶轮在任何磨损程序下的数据[3-9]。
针对离心泵失效过程复杂、故障数据库不健全的问题，本文设计并建立了基于双循环测量隔离管路的离心泵加速寿命试验平台。该试验平台主要用于模拟离心泵叶轮磨损故障，加速离心泵寿命失效过程，全程监测其流量、压力、振动和电流等多种信号，获取其全寿命故障信息，为后续的特征量提取和寿命管理算法的研究奠定基础。
离心泵在工作时，流体中夹杂的大量杂质会冲蚀离心泵叶轮，很容易造成磨损，甚至破裂。
目前较为认可的冲蚀磨损理论主要有微切削理论、变形理论和锻造挤压理论。3种理论主要是通过不同的力学方法，微观地描述粒子对靶目标的冲蚀过程。这3种理论一致认为冲蚀主要受冲击角、冲击速度、粒子流量、粒子直径等因子的影响[10]。
在离心泵工作时，4个冲蚀因子会导致离心泵叶片磨损。其中，冲击角与叶片设计角有关，叶片设计角在离心泵出厂时就已经确定，所以，冲击角在磨损过程中为固有应力因子，不可改变[11-13]；冲击速度与流体速度有关，流量一定时，冲击速度不变。加速寿命试验平台主要通过增加粒子直径和粒子流量来加速离心泵的失效过程。
加速磨损的磨料也是离心泵加速寿命试验中重要的加速应力因子。本设计选用石英砂作为磨料。石英砂莫氏硬度达到7，硬度远高于离心泵叶轮，对离心泵加速磨损效果较好。在试验中采用2～4目石英砂颗粒，在尽可能不造成管路堵塞的前提下，加速对叶轮的磨损。
煤矿井下涌水中矸石含量较大时，离心泵叶轮平均磨损时间为1 000 h，矸石与水的质量比为1∶2。在考虑堵塞和安全的前提下，本试验中的石英砂与水的质量混合比例也为1∶2。
2.1 离心泵特性曲线测量原理
离心泵作为流体旋转机械，评价其性能的核心指标为特性曲线，即流量(Q)和扬程(H)的关系。当扬程小于设计最低要求时，将不可使用；而当流量过低时，流体输送效率太低，增加经济成本。离心泵Q-H特性曲线主要测定Q与H的关系[14]。其中，测量扬程H的计算公式如下：
(1)
式中：P1、P2分别为泵进口、出口的压强，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；h0为压力计与负压计高度差，m；u1、u2分别为泵进口、出口的流速，m/s，因离心泵的两截面管路很短，流速平方差很小，故可忽略。
由此可见，扬程主要与出口与进口压力P2、P1有关，所以，需要监测泵的出入口压力。而流量Q可直接测量。为了测量压力P1、P2和流量Q，需要设计和搭建离心泵配套管路，保障测量数据的准确性和可靠性。
2.2 试验平台设计
加速寿命试验平台由离心泵、正压计、负压计、流量计、阀门V1—阀门V4、调节阀V5、清水箱T1、砂水箱T2和试验监测测控系统组成，如图1所示。试验平台设计为2套循环管路结构，即测量循环管路和加速寿命试验循环管路。加速寿命试验循环管路中的砂水箱内为砂水混合流体，用来加速离心泵磨损。测量循环管路中的清水箱内的介质为清水，用来测量离心泵的水力性能。通过阀门控制离心泵寿命，使介质在砂水箱自循环流动。通过控制阀门，切换管路，使用清水箱中的清水实现水力性能测试。在加速寿命试验循环管路中不存在弯管段，可防止传感器被磨损和管路堵塞。通过双循环测量隔离的方法，使得每次测量的管道和传感器情况保持不变，只有离心泵和加速磨损管路受到磨损，从而确保了精度，也防止了弯管管路造成的管路堵塞。
图1 离心泵加速寿命试验平台组成
当测量离心泵特性曲线时，阀门V1、阀门V2打开，阀门V3、阀门V4关闭。加速寿命试验平台运行在测量循环管路上时，循环清水箱T1内的清水。通过调节V5的开度，测出P1、P2和Q，根据式(1)绘制出离心泵特性曲线。
当对离心泵加速失效时，阀门V1、阀门V2关闭，阀门V3、阀门V4打开。加速寿命试验平台运行在加速寿命试验循环管路上，循环砂水箱T2内的砂水混合流体。通过T2中含砂水对离心泵的冲蚀，加速离心泵失效过程。
2.3 监测监控系统整体架构
离心泵加速寿命试验平台不仅需要加速离心泵失效的过程，最重要的是获取离心泵全寿命周期的状态数据。所以，试验平台数据的采集和监测至关重要。试验平台监测监控系统应具备以下功能：
(1) 能可靠采集压力、流量等低频大滞后信号，实现离心泵特性曲线测绘。
(2) 可定期采集振动、电流和电压等高频信号，满足采样频率要求。
(3) 可实现水泵自动启停、阀门开度控制、管路切换等操作的自动控制，自动定期控制相关阀门完成特性曲线逐点测量。
(4) 具备漏液报警、水泵急停等功能，实现就地声光报警，并可以通过上位机远程报警。
(5) 能够自动拟合采集数据的曲线，实时显示离心泵的特性曲线。
(6) 人机交互界面友好，方便试验操作，并配备强大的数据库功能， 可以存储离心泵失效过程中的全部工况数据。
根据上述功能要求，试验平台监测监控系统采用基于PLC和采集卡相结合的监控方案，选用LabVIEW作为上位机软件开发平台。试验平台监测监控系统总体设计架构如图2所示。
图2 试验平台监测监控系统总体设计架构
利用PLC与NI9234采集卡实现监测监控功能，选用S7-200系列PLC配合相关外围继电器完成逻辑控制。PLC主要与流量、压力等传感器和电动阀连接，实现低频滞后信号的采集和管路相关控制。同时PLC利用漏水传感器检测试验过程中的漏水故障，若发生漏水故障，应及时停止试验，并向用户报警。
根据离心泵加速寿命试验平台监测监控系统的功能要求，监控软件主要包括PLC监控程序、HMI人机界面程序、基于LabVIEW的上位机程序和基于SQL Sever 2008的数据库4个部分。
PLC监控程序是根据加速寿命试验平台的功能要求而设计的，与HMI人机界面构成下位机，主要实现以下功能：采集低频信号、手动控制离心泵与管路、与上位机远程通信、与HMI人机交互及显示目前水泵工况流量和压力等实时状态。
上位机程序包括上位机交互程序和数据库2个部分。人机交互程序完成对离心泵工况的实时采集、寿命信息的存储和健康状况的分析；数据库主要用于数据的存储与管理。上位机界面如图3所示。
图3 上位机界面
2.4 传感器布局
试验平台安装有各种传感器，用于采集流量、正压、负压、转速、电压、电流和振动等传感信息。
流量传感器和正、负压力传感器主要用于测量离心泵运行时的水力性能，以便通过水力性能计算出离心泵的特性曲线。电流传感器和加速度传感器主要用于采集离心泵从健康状态衰退到失效状态时的电流和振动信号的变化过程。
流量、压力和电信号等传感器由于其本身测量特性与试验设计原理的原因，其安装位置固定。而监测振动信号的加速度传感器对位置十分敏感，对于叶片式旋转机械来说，其振动信号中最敏感的故障特征量为叶片通过频率，即蜗壳上某一点叶片的扫描频率，其公式为
(2)
式中：Fp为叶片通过频率；Fn为离心泵转速；N为叶片数。
在离心泵出现故障时，如某一叶片出现磨损，离心泵会出现一定振动，从而会对Fp进行调制，在其频谱上出现移频[15]。所以，对离心泵来说，其蜗壳为加速度传感器必需的安装位置。同时由于离心泵整体振动，其底座与出水口都会出现不同频率与幅值的振动，所以底座与出水口都应安装加速度传感器，如图4所示。
离心泵加速寿命试验平台的试验步骤整体分为3个部分，即测量清水状态下离心泵的初始性能、含砂条件下离心泵的初始性能和加速寿命试验过程中的状态信息。
3.1 离心泵初始性能测定
离心泵的初始性能测定主要是在清水和含砂水状态下进行的，测试健康的离心泵的Q-H曲线、振动信号、电信号，并保存记录，作为以后故障失效信号的对比样本。
图4 加速度传感器安装位置
因为离心泵的特性曲线与转速息息相关，在清水条件下，测定离心泵初始性能，首先应测定离心泵当前转速；然后，逐渐增大调节阀开度，每次增加10 m3/h，并记录压力、流量参数，计算出扬程H，绘制出Q-H曲线。同时记录正常工况下的离心泵振动信号和电信号，作为对比样本。
本试验平台选用IS100-80-125型离心泵，其额定流量为100 m3/h，额定扬程为20 m。使用加速寿命试验平台测试离心泵在清水条件下的初始性能，清水介质初始条件测量参数见表1，绘制特性曲线如图5所示。所有离心泵Q-H特性测试数据均落在95%置信区间内，本试验平台所测试的数据具有较高的拟合精度。拟合特性方程为(6位有效数字)：
H=24.753 2+0.003 133 51Q-0.000 557 543Q2
表1 离心泵清水介质初始条件测量参数
含砂条件下的初始性能测定与清水条件下类似。在介质发生变化时，离心泵的特性会有稍许变化，而且由于介质密度的不同，离心泵的振动信号和电流信号都会出现不同程度的调制，所以，含砂条件下的初始性能测试也是至关重要的。
图5 离心泵Q-H特性曲线
3.2 加速寿命试验
含砂水对离心泵叶轮的磨损速度：一般砂水质量比为1∶2的情况下，叶轮失效时间约为1 000 h。所以，整体磨损时间较长，加速寿命时间也较漫长，必须要对分点定时监测。加速寿命试验流程如图6所示。
图6 加速寿命试验流程
针对目前离心泵失效数据信息库不健全、故障信息特征量不明确等问题，设计了一种基于双循环管路的离心泵加速寿命试验平台，可以有效加速离心泵失效过程，并定期拟合离心泵特性曲线，采集离心泵全寿命周期工况数据，解决了离心泵失效过程状态数据无法测量的问题，为离心泵故障诊断打下了基础。
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YAO Yu1, SONG Jiancheng1, HAN Yi1, XI Qingxiang2, LI Jianhua2
(1.Shanxi Key Laboratory of Mining Electrical Equipment and Intelligent Control,Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024, China；2.Shanxi Coal Mine Machinery Manufacturing Co., Ltd., Taiyuan 030024, China)
Abstract:For the problems of complex failure process and defective failure database for centrifugal pump， an accelerated-life test platform of centrifugal pump based on double circulating lines for isolation measurement was designed. The platform uses sand particle diameter and particle concentration as accelerated life stress factors of centrifugal pump, and selects flow-head curve as evaluation index of its life. The test results show that the platform can accelerate failure process of centrifugal pump, and can implement centrifugal pump characteristic curve fitting and on-line measurement of test data， which satisfies requirement of accelerated life tests.
Key words:centrifugal pump; accelerated-life test; double circulating measurement; PLC
文章编号：1671-251X(2016)07-0015-05
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.005
收稿日期：2016-01-08;修回日期：2016-05-31；责任编辑：张强。
基金项目：山西省科技重大专项项目(20131101029)。
作者简介：姚宇(1990-)，男，黑龙江北安人，硕士研究生，研究方向为煤矿自动化、设备故障诊断等，E-mail:yaoyu_ty@yeah.net。
中图分类号：TD636
文献标志码：A 网络出版时间：2016-07-05 14:56
姚宇,宋建成,韩毅，等.基于双循环测量隔离管路的离心泵加速寿命试验平台设计[J].工矿自动化，2016,42(7)：15-19.