一種檢測(cè)消防水泵在快速啟動(dòng)過(guò)程中瞬態(tài)故障的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明提供了一種檢測(cè)消防水泵在快速啟動(dòng)過(guò)程中瞬態(tài)故障的方法，具體是指當(dāng) 消防水泵快速啟動(dòng)時(shí)，利用測(cè)量傳感器和數(shù)據(jù)采集卡，得到泵機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速、流量等隨 時(shí)間變化的信號(hào)數(shù)據(jù)，計(jì)算消防水泵的瞬時(shí)揚(yáng)程和效率，且利用HHT方法對(duì)壓力、瞬態(tài)揚(yáng) 程、效率、轉(zhuǎn)速及非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，得到能表征消防水泵運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)，如 瞬時(shí)頻率和幅值譜等，將提取的特征量輸入到RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷，分析消防水泵 啟動(dòng)過(guò)程中各個(gè)物理量的變化特點(diǎn)，從而揭示出消防水泵在運(yùn)行狀態(tài)變化過(guò)程中的瞬態(tài)特 性，并進(jìn)行故障診斷。
【背景技術(shù)】
[0002] 消防水泵基本上長(zhǎng)時(shí)間在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，對(duì)應(yīng)的工況也相對(duì)較為穩(wěn)定。在穩(wěn)定 運(yùn)行工況下，消防水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速、工況或負(fù)載基本不變或者變化非常緩慢，因此其內(nèi)部的輸 送水基本上不存在由于葉輪轉(zhuǎn)速變化所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)加速度和內(nèi)部流動(dòng)加速度，對(duì)水輸送性 能和內(nèi)部流動(dòng)特性的研宄也主要集中在穩(wěn)定工況下開(kāi)展的，并取得了巨大的成果。
[0003] 隨著工程領(lǐng)域需要的不斷發(fā)展和系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷提高，對(duì)消防水泵在瞬態(tài)操 作過(guò)程中的輸送性能提出了更高的要求，并逐步受到研宄人員的關(guān)注。消防水泵啟動(dòng)過(guò)程 內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)是一類(lèi)邊界運(yùn)動(dòng)引起的非定常流動(dòng)，在瞬態(tài)操作過(guò)程中，轉(zhuǎn)速、流量、壓力、振 動(dòng)等各個(gè)性能參數(shù)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈的變化，即消防水泵的工況狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇 烈的變化。在這些瞬態(tài)操作過(guò)程中，葉輪轉(zhuǎn)速變化所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)加速度或者流動(dòng)加速度是 必然存在的，這些加速度的存在勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定程度的瞬態(tài)效應(yīng)。特別是當(dāng)消防水泵中存 在局部故障時(shí)會(huì)發(fā)生瞬態(tài)振動(dòng)，在轉(zhuǎn)速恒定的情況下，瞬態(tài)特征是等周期的，然而在變轉(zhuǎn)速 下即啟動(dòng)等變工況過(guò)程中，其瞬態(tài)特征將不再是等周期的，表現(xiàn)為非平穩(wěn)特性，而是和轉(zhuǎn)速 有關(guān)。
[0004] 大型泵機(jī)的啟動(dòng)可靠性是泵站安全運(yùn)行的重要內(nèi)容，因此，分析研宄泵站機(jī)組的 啟動(dòng)過(guò)程，對(duì)確保泵站安全可靠運(yùn)行具有重要意義。大型泵機(jī)組的突然啟動(dòng)可能會(huì)對(duì)局部 電網(wǎng)引起超負(fù)荷或電流沖擊，對(duì)負(fù)載設(shè)備造成損壞，甚至燒毀。同時(shí)、啟動(dòng)過(guò)程中往往伴隨 著巨大的壓力脈動(dòng)和沖擊，容易引起機(jī)組設(shè)備和管道的破壞。有的泵機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程只有短 短的幾秒鐘，甚至更短，是一個(gè)轉(zhuǎn)速迅速變化的典型變工況過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，運(yùn)行流量 從零迅速上升到額定值，除了不可避免的出現(xiàn)輸送瞬態(tài)特性外，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題也非常突 出，由于轉(zhuǎn)速很高，可達(dá)幾萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘，使的啟動(dòng)期間振動(dòng)變化相當(dāng)強(qiáng)烈，具有豐富的動(dòng)力 學(xué)特性，一些在平穩(wěn)運(yùn)行中不能得到反映的故障征兆在這里卻能突出地表現(xiàn)出來(lái)。
[0005] 因此，研宄消防水泵的瞬態(tài)特性是非常有必要的，根據(jù)消防水泵的性能參數(shù)流量、 揚(yáng)程、效率、振動(dòng)、溫度等來(lái)描述泵的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析處理，檢測(cè)出 消防水泵在快速啟動(dòng)過(guò)程中的瞬態(tài)故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明主要是通過(guò)建立由泵機(jī)、管路、消防水箱組成的封閉系統(tǒng)，針對(duì)泵機(jī)安裝振 動(dòng)、轉(zhuǎn)速、壓力、流量傳感器，在消防水泵在快速啟動(dòng)的短暫過(guò)程中，利用數(shù)據(jù)采集卡采集各 傳感器的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，計(jì)算消防水泵揚(yáng)程和泵機(jī)效率，對(duì)消防水泵進(jìn)出水壓力、 瞬態(tài)揚(yáng)程、效率、轉(zhuǎn)速及振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行HHT時(shí)頻變換，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障檢測(cè)，分析 各物理信號(hào)時(shí)頻的特征，對(duì)消防水泵在快速轉(zhuǎn)變工況時(shí)的瞬態(tài)性能進(jìn)行檢測(cè)。
[0007] 本發(fā)明的特征可以由以下技術(shù)步驟表明：
[0008] 步驟一：建立包含消防水泵在內(nèi)的封閉循環(huán)管路，在消防水泵基座安裝振動(dòng)傳感 器、轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)速扭矩傳感器、消防水泵的進(jìn)出口安裝壓力傳感器、消防水泵出口安裝流 量傳感器，建立消防水泵控制的試驗(yàn)平臺(tái)。
[0009] 步驟二：設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率，對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集，獲取消防 水泵在啟動(dòng)過(guò)程中進(jìn)出水壓力、管道流量、泵機(jī)振動(dòng)、溫度等信號(hào)，且通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí) 時(shí)上傳到上位機(jī)，進(jìn)行時(shí)域分析處理，獲得信號(hào)幅值等信息。
[0010] 步驟三：根據(jù)消防水泵快速啟動(dòng)時(shí)的固有機(jī)械特性和流體力學(xué)等知識(shí)，計(jì)算消防 水泵瞬時(shí)揚(yáng)程
[0012] 式中D1J2AA分別為消防水泵進(jìn)出口所在點(diǎn)的直徑和斷面寬度，將采集到的參 數(shù)代入到上式便可以計(jì)算到消防水泵的瞬時(shí)揚(yáng)程。
[0013] 步驟四：根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律及經(jīng)驗(yàn)公式，假定消防水泵在轉(zhuǎn)速?gòu)牧愕阶畲蟮倪^(guò)程中滿 足相似定律，消防水泵在某一穩(wěn)定角速度下運(yùn)行時(shí)，效率隨流量變化呈二次曲線規(guī)律變 化，且存在一個(gè)最大的效率點(diǎn)，對(duì)應(yīng)存在最優(yōu)工況流量，此時(shí)最大效率為nC1和流量Q〇,檢測(cè) 到泵瞬時(shí)的流量和轉(zhuǎn)速，瞬時(shí)效率表示為
[0015] 步驟五：利用HHT方法對(duì)壓力、瞬態(tài)揚(yáng)程、效率、轉(zhuǎn)速及振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析處理，首 先通過(guò)EMD算法把信號(hào)分解成有限個(gè)頂F，再對(duì)每一個(gè)MF分量進(jìn)行Hilbert變換，求解出 信號(hào)的瞬時(shí)頻率和幅值譜。
[0016] 對(duì)采集到的信號(hào)x(t)進(jìn)行EMD分解得到有限個(gè)IMF分量，識(shí)別出信號(hào)的所有極 值點(diǎn)，分別擬合出信號(hào)的上包絡(luò)線和下包絡(luò)線，篩選出原始信號(hào)的所有頂F，對(duì)每一個(gè)固態(tài) Cj(t)作HiIbert變換
[0018] 通過(guò)構(gòu)造出解析函數(shù)，計(jì)算出信號(hào)x(t)的幅值譜和瞬時(shí)頻率分別為
[0020] 步驟六：采用Gaussian函數(shù)作為徑向基函數(shù)，然后對(duì)RBF網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，包括徑向 基函數(shù)中心Ci的學(xué)習(xí)、徑向基函數(shù)寬度〇i的學(xué)習(xí)和隱層和輸出層連接權(quán)值《M的學(xué)習(xí)， 得到有效的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行故障診斷。
[0021] RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出表示為
[0023]上式y(tǒng)、《、巾分別為輸出矢量、連接權(quán)值和隱層輸出，采用Gaussian函數(shù)作為徑 向基函數(shù)，則4>j(X)為
[0025] 上式中Cj為隱層第j個(gè)徑向基函數(shù)的中心，〇」為隱節(jié)點(diǎn)的寬度。首先初始化所 有聚類(lèi)中心(^，將N樣本X按最近的聚類(lèi)中心分類(lèi)，計(jì)算各類(lèi)樣本的均值，修改聚類(lèi)中心，重 復(fù)以上步驟直至所有的聚類(lèi)中心不在變化，然后將各個(gè)聚類(lèi)中心賦給各RBF的中心。根據(jù) 聚類(lèi)中心與訓(xùn)練樣本之間的平均距離算出徑向基函數(shù)的寬度％_和巾^x)。
HHT方法提取到的溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、揚(yáng)程、效率信號(hào)的瞬時(shí)頻率和幅值等特征量輸入到RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷。
[0027] 對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，本方法的優(yōu)勢(shì)在于
[0028] 1、建立了一個(gè)包含消防水泵在內(nèi)的封閉循環(huán)管路系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)泵機(jī)自身耦合求 解，解決了消防水泵數(shù)值模擬時(shí)施加邊界條件的困難。
[0029] 2、封閉系統(tǒng)管路的調(diào)節(jié)閥是程序可控的，用程序控制閥門(mén)開(kāi)合度，可以更好的檢 測(cè)消防水泵的轉(zhuǎn)速和流量之