用于泵中的振动避免的方法与流程

1.本发明涉及一种用于避免或减小在泵、尤其离心泵的运行期间的机械振动的方法。


背景技术：

2.离心泵中的机械振动导致运行中的增加的磨损和不期望的噪声发生。振动的原因可能是各式各样的。例如由于泵叶轮的旋转引起的外部激发的振动或由于内置泵的固有频率引起的自由振动可能是原因。
3.自由振动特别出现在固体泵中。固体泵是离心泵，用于输送具有强磨蚀性固体部分的泵送介质、例如采矿业中的矿渣、煤或矿石的悬浮液。偶尔，泵送介质也可能包含石头或其他刚性元件，其在泵运行中在击中泵结构时可能产生冲击，所述冲击导致泵的自由振动的激发。这种影响也越来越多地出现在用于废水领域的泵中。
4.当叶轮的旋转频率、即所设定的泵转速落到内置泵的固有频率上或对应于该固有频率的整数倍时，存在特别不利的情况。在这种情况下发生共振，即两个振动原因互相放大。类似地成问题的是，叶轮的所设定的旋转频率与输送系统的管道共振重合。
5.在图1中示例性地示出了这种共振情况。该图示出以准备运行的方式内置的离心泵的频率响应。系统自由振动的固有频率具有频率值f1、f2、f3。频率响应、即固有频率f1、f2、f3的位置取决于具体的泵结构、所选择的安装位置、所使用的材料以及所安装的轴承。如果泵轮的借助变频器设定的旋转频率与所示出的固有频率f1、f2、f3之一相同或替代地为所示出的固有频率f1、f2、f3之一的整数倍，则该系统通过叶轮的外部激发的旋转被激励并且发生泵的放大的共振。如果叶轮的旋转频率替代地处于这里所绘制的反共振af1、af2之一的范围内，则该影响是最小的并且不发生振动或发生仅很小的振动。


技术实现要素：

6.本技术的构思建立在上述知识的基础上并提出一种方法，该方法通过在泵运行期间有针对性的措施将可能的振动、尤其共振出现的风险降低到最低限度。
7.该任务通过根据权利要求1的特征的方法来解决。有利的实施方案是从属权利要求的主题。
8.对于该方法的实施，使用变频器来改变泵的转速是决定性的。然而在此这种变频器是集成到泵中、安装在泵壳体上还是与泵分开安装都无关紧要。同样内容适用于用于方法实施的泵控制器，该泵控制器可以是泵的整体的组成部分，然而也可以作为相对于泵的单独的单元、必要时与单独的变频器相结合地安装。
9.本技术的按照本发明的解决方案在于，在具有变频器的泵的情况下在泵运行期间通过泵控制器改变转速，使得尽可能最优地减小泵的机械振动。本发明的另一核心方面还在于，泵在运行中通过合适的信号评估独立地识别其现有固有频率，以便能够基于该知识最优地适配所设定的泵转速。
10.因此，泵不需要已经事先产生的并存放在泵中的关于其频率响应的信息，而是可以替代地在运行中独立地确定所述信息。为此，泵在泵运行期间记录信号，所述信号表征泵运行参数，所述泵运行参数受出现的机械振动影响。所记录的信号随后由泵检查可能的振动、尤其共振的存在。这种振动随后通过合适的转速变化而减小。
11.在所记录的信号中，尤其可以识别由泵的机械振动引起的信号波动。信号的所识别出的振荡频率的幅度通过合适的转速变化而减小。因此，根据该方法的有利实施方案，考虑所记录的信号的频谱。有利的是，借助变换、尤其借助快速傅立叶变换首先将所述信号变换为其频谱，以便这样识别出现的信号振荡的相对应的频率值和相关联的幅度。
12.泵驱动器的一个或多个电动机电流被证明是用于识别可能的振动的合适的运行信号。电流值总归存在于所使用的变频器中，使得不需要其他传感器。由于泵系统的机械振动通过磁感应也反映在泵驱动器的电动机绕组中和与此相应地在电动机的电流中，因此电动机如有效的和随时可用的传感器那样起作用。然后，通过相对应的电流分析，可以足够精确地识别泵系统的机械振动。这种可能性与电动泵驱动器的所使用的电动机类型无关地存在。
13.作为用于确定泵的频率响应的替代或附加的运行参数，例如合适的是泵压力、尤其泵的最终压力。这里，机械振动也反映在信号变化过程（signalverlauf）中。泵的最终压力例如可以借助现有的压力传感器来确定，并且可以通过信号变换、尤其快速傅立叶变换变换为其频谱。
14.然而，对于信号检测，合适的传感器不一定必须保持可用。替代地，例如可以借助工作点估计以计算方式确定当前的泵压力。对此的可能的方法在de102018200651中公开，其内容在这里完全被包括在内。
15.根据一种可能的实施方式，该方法可以迭代地以变化的泵转速来实施，以便例如识别泵转速，在所述泵转速的情况下所识别出的振动的幅度尽可能变得最小。因此，泵在进行转速变化之后再次分析重复记录的信号的频谱，并检查转速的变化是否已导致相对应的幅度的减小。
16.方法步骤的迭代实施可以提供任意的或随机的或受控的转速变化。如果幅度例如增大，则在两次迭代之间进行的转速变化被反转，否则被保持。同样可以设想的是，完整地驶过（abfahren）确定的转速范围并且随后为泵运行设定具有最小幅度的转速。
17.替代的是使用合适的方法和算法来在相关联的转速的情况下识别局部或全局幅度最小值。可以设想的是间隔减半方法和/或优化方法、诸如有效集法和/或牛顿法，以便尽可能快地确定导致幅度最小值的合适的转速。还可以设想遗传算法，所述算法虽然比较慢，然而为此能够实现对频率响应的全局最小值的识别。
18.在方法迭代期间转速的设定或其变化还取决于例如由泵操作员预先给定哪些运行条件。例如可以设想的是，泵操作员预先给定恒定的泵转速或仅预先给定用于转速变化的小的容差范围。在方法迭代期间，然后仅在事先定义的容差范围之内进行转速变化。在这种情况下，迭代的方法实施通常足够了，在该迭代的方法实施中所有所允许的转速或所允许的转速的至少一部分被运行，以便针对该范围确定相对应的幅度最小值。
19.而如果操作员没有预先给定允许的转速范围，即可以替代地充分利用泵的完整的技术上可能的转速范围，则适宜的是，该方法动用上面提到的用于确定合适转速的方法之
一。
20.然而，根据本发明的另一有利实施方式，该方法可以不仅仅用于减小出现的振动，而是频率响应的根据本发明的确定同样适合用于泵监控，以便例如能够及早地探测泵机械装置上的磨损或可能的损坏。如上面已经详细阐述的那样，本发明的核心方面在于，确定泵的频率响应。该频率响应主要取决于泵构造、其安装位置、使用的材料以及安装的轴承部件。例如由于磨损或材料损坏引起的这些因素之一的变化导致泵的频率响应的变化。因此，泵优选地存储所确定的频率响应并且通过对所识别出的决定性的频率的频移的连续重复测量来对频率响应进行监控。如果辨认出这种频率偏离，则这是磨损现象或泵损坏的指示。然后，泵可以产生相对应的警告消息或采取合适的措施。
21.通过进一步检查频率变化此外可以区分磨损和损坏。通常磨损导致频率响应的缓慢的变化，而泵损坏、例如轴承损坏或叶轮断裂导致频率响应的突然的变化。因此，泵在其评估中考虑探测到的变化的时间分量，以便区分磨损和损坏。还可以包括变化的程度。
22.除了根据本发明的方法之外，本发明此外涉及一种泵，优选地离心泵，特别优选地废水泵或固体泵或供应泵，具有内部的或外部的变频器和内部的或外部的用于执行根据本发明的方法的泵控制器。与此相应地，这种泵的特征在于与上面已经借助根据本发明的方法详细阐述的优点和特性相同的优点和特性。出于该原因省略重复的描述。
23.此外，通过本技术提出泵、尤其离心泵作为废水泵、固体泵或供应泵的根据本发明的使用。根据本发明使出现的机械振动最小化正好在废水泵或固体泵的情况下特别重要，使得根据本发明的方法在这种泵类型中的应用带来深远的优点。
附图说明
24.随后将借助在图中所示出的实施例更详细地解释本发明的其他的优点和特性。
25.图1：示出所安装的和准备运行的离心泵的可能的频率响应，图2：示出周期信号的时间图，和图3：示出来自图2的时间信号的所计算出的频谱。
具体实施方式
26.根据本技术的本发明描述一种用于在泵、尤其固体泵、废水泵或其他供应泵的运行中借助变频器有针对性地避免在共振情况下不希望的振动放大的方法。有针对性地避免这些共振的基础是，这种共振情况必须首先被泵控制器辨认出，然而尽可能地不必对泵加装特殊的传感器、如加速度传感器。然而没有什么可以阻止还是给泵配备附加的传感器、例如加速度传感器，由此必要时可以提高该方法的精度。
27.由于机械振动是构造结构与电动机力的相互作用的结果，所以这些机械振动也可以辨认为泵驱动器的泵电流的驱动电流的叠加。由于这里感兴趣的是各个叠加的振动的强度，所以通过分析所记录的电动机信号的频谱来进行电动机电流的评估，泵控制器通过执行快速傅立叶变换（fft）获得该频谱。
28.该处理方式可以简短地根据图2、3的图示来阐明。图2示出所记录的信号的时间图，这里为了简单起见，该信号通过三个具有不同频率的正弦信号的叠加而生成。通过应用fft，现在可以将该时间信号分解为其谐波分量，并且得出在图3中示出的频率幅度谱，正如
预期的那样可以从该频率幅度谱中读出正弦信号的各个频率。
29.由于电动机电流的fft，泵因此可以辨认出反映在所记录的电动机电流中的机械振动。在随后的步骤中，泵或泵控制器然后尝试设定泵转速，使得叶轮的作为结果的旋转频率不落到泵的固有频率或这种固有频率的倍数上。为此，首先改变转速并且在进一步的步骤中在转速改变的情况下再次执行当前所记录的电动机电流的谱分析。如果出现的电流振荡的幅度已变得更小，则这是机械振动可以通过转速变化成功减小的指示。现在迭代地执行该方法，以便实现电流信号中出现的波动的尽可能小的幅度值。找到理想转速原则上可以根据两种场景来执行：场景1：所需的旋转频率受制于固定要求。
30.根据场景1，旋转频率可以只具有确定的值。这可能有与能量相关的原因或使用目的要求确定的（固定的）转速。在这种情况下，泵操作员在泵控制器中定义容差值，旋转频率可以最大偏离额定值该容差值，例如
±
3hz。然后，泵控制器在允许的容差范围之内改变转速，并迭代地找出如下转速，在所述转速的情况下振动幅度最小。常常，这里很小的变化就已经足以离开系统的固有频率并且因此使出现的机械振动最小化。
31.场景2：对旋转频率不存在特殊要求。
32.如果对旋转频率不存在工艺方面的要求，则泵控制器可以任意地改变泵转速。这能够实现有针对性地搜索反共振并将泵的最终运行转速设定为该反共振。用于从可用的转速范围确定合适的转速（反共振）的最简单的途径（和由此具有最低的存储器和工艺要求的途径）基于二分法。数学优化方法、诸如“有效集法”或“牛顿法”更快且更有效。也可以借助遗传算法可靠地确定全局最优值。
33.对电动机电流替代地或补充地，也可以检查泵的最终压力的信号，其中与电动机电流类似地这里也借助快速傅立叶变换分析频谱并且根据相对应的共振频率评估所述频谱。最终压力可以例如利用泵的压力传感器或借助工作点估计来计算。
34.为了提高信号质量，也可以借助传感器数据融合来合并两个信号（最终压力和电动机电流）。如果这是不可能的，也可以单独地评估电流和压力信号。对于传感器融合，各个信号值例如可以如上面所示出的那样来评估，并且然后借助加权来合并。同样可设想的是，定义频率范围，在所述频率范围中单独地被评估的信号的单个结果不同地被加权。例如，使用在10hz到200hz之间的频率范围的电动机电流的评估的结果，同时考虑更高频率的最终压力评估的结果。
35.这里所介绍的方法的特别的优点在于，泵本身可以找到其固有频率，并因此不需要将必须复杂地开发的数学过程模型。这里所介绍的方法的主要应用是避免或减小振动，以便减少在泵运行期间的磨损和噪声。此外，该方法但是也可以对磨损以及损坏监控作出贡献，并在损坏时警告用户。
36.磨损监控在所介绍的方法中，持久地监控内置泵的频率响应。然而，如上面所提及的，该频率响应取决于泵的构造、安装位置、材料以及轴承。因此，频率响应的变化在任何情况下是这些变量中的一个或多个例如由于磨损已经改变的指示。该信息然后可以被用于磨损监控，例如也与来自 de 10 2018 200 651的解决方案相组合，在这里明确参考该解决方案。这两种处理方式的组合能够实现更精确地评估磨损状况。
37.警告有损坏与导致频率响应的很慢的变化的磨损不同，泵损坏将突然地且显著地改变频率响应。除了很多其他损坏之外，损坏可能是轴承或叶轮断裂。由于频率响应的快速变化，泵控制器可以可靠地将磨损和损坏分开，并且在损坏的情况下可以向操作员输出警告。