Способ и устройство для обнаружения утечек в поршневых механизмах

006498 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к способу обнаружения утечек в частях поршневых механизмов. Способ может использоваться также для локализации, т.е. определения местоположения утечки. В данном контексте под поршневыми механизмами или механизмами возвратно-поступательного действия подразумеваются все типы насосов или гидравлических машин, оснащенных вращающимся коленчатым валом или кулачком, при этом коленчатый вал или кулачок приводит или приводится по меньшей мере двумя поршнями, совершающими управляемое возвратно-поступательное движение, а каждый поршневой цилиндр снабжен по меньшей мере двумя обратными клапанами, предназначенными для направления потока через гидравлическую машину. Изобретение относится также к устройству для осуществления способа. Предшествующий уровень техники При работе поршневых механизмов по соображениям экономичности и безопасности очень важно обнаруживать на ранней стадии утечки, например, в поршневых уплотнениях и клапанах. Утечки этого типа имеют тенденцию ускорения, и когда они становятся настолько большими, что оператор обнаруживает их по ненормально высоким колебаниям давления, поршневые механизмы часто необходимо немедленно выключать и ремонтировать с переборкой без возможности отложить техническое обслуживание до более удобного момента. Из уровня техники известны способы и устройства для обнаружения утечек в поршневых механизмах, содержащих более одного поршня, являющиеся аналогами изобретения, например техническое решение, описанное в US 5471400. Сущность изобретения Задача изобретения заключается в создании способа обнаружения начала утечки до того, как она достигнет такого размера, что будет нарушена работа механизма. В результате обеспечивается возможность планирования ремонта на более позднее время. В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет способа и устройства, охарактеризованных в описании и формуле изобретения. Способ предусматривает анализ расхода потока на входе и выходе поршневого механизма для выявления новой составляющей расхода потока, которая имеет частоту, отличную от основной частоты поршневого механизма. За основную частоту поршневого механизма принимают частоту вращения поршневого механизма, умноженную на количество поршней в механизме. Расходы потока могут оцениваться на основе измерения давлений. В идеальном случае расход потока на входе и выходе поршневого механизма должен быть по возможности стабильным, однако, на практике расход, а следовательно, и давление колеблются во взаимосвязи с частотой вращения механизма. Эти колебания или пульсации являются следствием в основном геометрических факторов, в результате которых сумма скоростей движения поршней в каждой фазе не является постоянной, сжимаемости текучей среды, что вызывает необходимость компрессии и декомпрессии текучей среды перед выравниванием давления и открытием соответствующих клапанов, инерции клапанов, которая вызывает дополнительные задержки при их открытии и закрытии, а также зависящего от потока перепада давления на клапанах и в питающих каналах. Если все поршни и клапаны идентичны и работают нормально, в результате симметрии пульсации имеют основную частоту, равную частоте вращения механизма, умноженной на число поршней в механизме. Однако при возникновении утечки, т.е. утечки через поршни или один из клапанов, симметрия будет нарушена, и пульсации в потоке будут иметь новые частотные составляющие с самой нижней частотой, равной частоте вращения механизма. Угловое положениевращающегося коленчатого вала или кулачка поршневого механизма измеряют прямо или косвенно и нормируют на значения от 0 до 2, или от - дорадиан, где 0 представляет начало рабочего хода поршня номер 1. Поршневой механизм содержит два или более поршней, распределенных равномерно, так что поршень под номером i из общего числа n поршней имеет угол отставания по фазе, равный (i-1) 2/n, по отношению к первому поршню. Измеряют давление на входе или выходе механизма, после чего сигналы измеренного давления преобразуют в функции, которые представляют нормированные расходы потока на входе и выходе механизма. Это означает, что, например, если qin и qav представляют мгновенный и средний расходы потока на входе механизма, нормированная функция входного потока определяется следующим образом: Специалистам в данной области хорошо известно, что периодический сигнал может быть разложен на составляющие различных частот, например, посредством анализа Фурье. Гармоническая составляющая под номером i частоты поршневого механизма может быть представлена двумя коэффициентами,которые определяются следующими интегралами: Эти интегралы, которые на практике могут быть вычислены путем суммирования компьютером или программируемым логическим контроллером, обновляются для каждого нового оборота поршневого механизма. Если функция f является чисто периодической по углу поршня насоса, интегралы будут постоянными. Однако функция f часто может содержать значительные непериодические составляющие,вызванные, например, изменением частоты вращения насоса или изменением сопротивления во внешнем потоке. Непериодические составляющие могут рассматриваться как вероятностный шум и, соответственно, могут подавляться по отношению к периодическим составляющим путем использования известных приемов сглаживания или усреднения. В качестве примера может быть применено рекурсивное сглаживание по формуле где аргумент функции относится к оценке, описываемой оборотом k, а х - это положительная весовая функция, которая обычно значительно меньше единицы. Этот сглаживающий фильтр, который является фильтром низких частой первого порядка, позволяет всем предыдущим оценкам синусоидальных и косинусоидальных коэффициентов образовывать часть оценочных результирующих коэффициентов, но с весом, который убывает экспоненциальным образом во времени. Если непериодические колебания относительно велики, может оказаться необходимым использовать сглаживание второго порядка и/или выбрать еще меньшую весовую функцию х. Амплитуда первой гармонической частотной составляющей представляет количественную меру утечек в механизме. В случае небольшой утечки эта составляющая начнет расти от своего нормального уровня шума задолго до того, как утечка станет достаточно большой, чтобы связанное с ней колебание давления отразилось непосредственно на манометре или диаграмме сигналов давления. Способ хорошо приспособлен также для установления основного источника утечки. Это возможно,поскольку анализ Фурье предоставляет фазовую информацию посредством двух частотных составляющих a1 и b1. Взаимосвязь между двумя частотными составляющими может быть выражена с использованием хорошо известного тригонометрического тождества Знак коэффициента определяет, в какой четверти лежит угол 1. Каждый тип утечки имеет свои характеристики, как будет объяснено в некоторых из дальнейших примеров. Функции f и g представляют функции, которые примерно пропорциональны объемным расходам соответственно входного и выходного потоков. Это означает, что связанные с ним фазовые углыи 1 прямо выражены первой гармонической составляющей максимумов потока текучей среды. Перечень чертежей Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения, не вносящие каких-либо ограничений. На чертежах фиг. 1 схематично изображает трехцилиндровый насос, оснащенный требуемыми измерительными устройствами и анализаторами; фиг. 2 изображает диаграмму, на которой кривая показывает подаваемый объемный поток как функцию угла поворота насоса, а также центральную точку утечки через поршень. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения На фиг. 1 показан так называемый трехцилиндровый насос 1. Он содержит три поршня 2, 2' и 2" индивидуального действия, из которых на чертеже показан один поршень 2. Поршни проходят в цилиндрах, соответственно 4, 4' и 4", которые сообщаются с подающим трубопроводом 6 через свои впускные клапаны 8, 8' и 8", а также с отводящим трубопроводом 10 через выпускные клапаны 12, 12' и 12". Датчик 14 давления на входе подсоединен к подающему трубопроводу 6 и связан с компьютером 16 линией 18, а датчик 20 давления на выходе подсоединен к отводящему трубопроводу 10 и связан с компьютером-2 006498 16 линией 22. Передающий датчик 24 угла поворота предназначен для измерения угла поворота коленчатого вала 26 насоса 1 и связан с компьютером 16 линией 28. Датчики 14, 20, передающий датчик 24 и компьютер 16 известны сами по себе, компьютер 16 запрограммирован для выполнения необходимых вычислений. В случае утечки через уплотнение первого поршня 2 выходной поток через выпускной клапан 12 во время фазы нагнетания снижается на величину, равную утечке через поршень 2. Поскольку ход поршня насоса соответствует половине оборота коленчатого вала 26 насоса 1, центральная точка 32 (см. фиг. 2) этого снижения объемного расхода потока находится на расстоянии, примерно равном /2 радиан (90) после начала хода поршня насоса. На фиг. 2 кривая 34 показывает снижение среднего объемного расхода потока 36 в результате утечки через поршень. На практике центральная точка 32 будет запаздывать на дополнительный небольшой угол. Это запаздывание обусловлено компрессией и декомпрессией перекачиваемой текучей среды, а также тем, что при использовании кривошипного привода, где коленчатый вал (не показан) поршня 2 имеет конечную длину, максимальная скорость поршня достигается только при угле поворота, примерно равном 100. Это воздействие может быть вычислено и скомпенсировано посредством повышения давления и добавления фазового сдвига , зависящего от геометрических параметров. Поэтому соответствующий уголна первой гармонической составляющей функции g выходного потока будет смещен на половину оборота относительно этой точки, т.е. на= -/2+. Вследствие того, что давление во время обратного или всасывающего хода поршня 2 намного ниже, утечка через поршень практически не будет влиять на расход входного потока, а следовательно, функцию f1, т.е. f10. Описанный выше пример может быть легко обобщен в правило, которое гласит, что в случае утечки через поршень под номером i из общего числа n поршней с взаимным смещением фаз 2/n Неравенство 0 в данном случае означает, что g1 следует принимать как величину, значительно большую фонового шума. Если утечка происходит через впускной клапан 8, а не через поршень 2, воздействие на функцию выпуска будет таким же, как при утечке через поршень. Однако падение расхода выходного потока в этом случае будет уравниваться также понижением расхода входного потока. Таким образом, можно заключить, что в случае утечки через впускной клапан под номером i уравнения (9) и (10) будут действительны, но уравнение (8) следует заменить на Утечка через выпускной клапан 12 приведет к снижению как входного, так и выходного потока во время обратного хода. Тогда действительны уравнения (11) и (9), но фазовый угол смещается на половину оборота, так что(13) В тех случаях, когда число n является нечетным, источник утечки определяется однозначно. Это обусловлено тем, что все фазовые углы, определяемые уравнением (12), отличаются от фазовых углов,определяемых уравнением (13). Однако, если число поршней является четным, определение утечки будет иметь два значения, по меньшей мере, в том случае, если утечка имеет место в одном из клапанов. Это обусловлено тем, что утечка через впускной клапан под номером i будет иметь такие же характеристики, что и утечка в соответствующем выпускном клапане (под номером in/2) и наоборот. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ обнаружения утечек в поршневом механизме (1), содержащем по меньшей мере два поршня (2, 2'), отличающийся тем, что осуществляют текущий контроль и анализ объемного расхода потока, по меньшей мере, на выходе поршневого механизма (1), применяя, например, анализ Фурье, для обеспечения возможности обнаружения составляющей расхода потока, частота которой отлична от основной частоты поршневого механизма, причем основная частота поршневого механизма определена частотой вращения поршневого механизма, умноженной на количество поршней (2, 2') в поршневом механизме. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют текущий контроль объемного расхода потока на входе и/или выходе поршневого механизма (1), а составляющую расхода потока сопоставляют с информацией, относящейся к углу поворота вала или кулачка поршневого механизма (1) для того, чтобы обеспечить возможность определения местоположения утечки, связанной с указанной частотной составляющей расхода потока, зная отношение между частотной составляющей расхода потока и углом пово-3 006498 рота вала или кулачка поршневого механизма. 3. Устройство для обнаружения утечки в поршневом механизме (1), содержащем по меньшей мере два поршня (2, 2'), отличающееся тем, что поршневой механизм (1) снабжен по меньшей мере одним измерительным устройством (14, 20) для прямого или косвенного измерения объемного расхода потока через поршневой механизм (1), причем указанное измерительное устройство (14, 20) связано с компьютером, запрограммированным на выделение составляющих расхода потока, частота которых отлична от основной частоты поршневого механизма. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что поршневой механизм (1) снабжен передающим датчиком (24) угла поворота, связанным с компьютером (16) и предназначенным для измерения угла поворота вала или кулачка поршневого механизма (1) для того, чтобы обеспечить возможность определения местоположения утечки, связанной с указанной частотной составляющей расхода потока, зная отношение между частотной составляющей расхода потока и углом поворота вала или кулачка поршневого механизма (1).