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一种内置声发射传感器的机械密封及状态评价方法

申请号 CN202311396172.0 申请日 2023-10-24 公开(公告)号 CN117553126A 公开(公告)日 2024-02-13
申请人 中核武汉核电运行技术股份有限公司; 发明人 侯修群; 张钊光; 苗碧琪; 张益舟; 蒋庆磊;
摘要 本 发明 属于机械密封设计与监测技术领域,具体涉及一种内置声发射 传感器 的机械密封及状态评价方法。包括声发射传感器,静环座,静环座上安装有静环,静环座内设有声发射传感器,声发射传感器与安装在静环座上的静环配合。本发明的有益效果在于:针对机械密封动静 摩擦副 的碰摩和磨损状态,目前缺乏有效的监测手段,通常密封出现损坏,导致 泄漏 量异常增加时才被识别,导致设备停运,本发明通过内置声发射传感器直接监测动静摩擦副 接触 产生的应 力 波 信号 ,实现机械密封摩擦副接触状态和磨损状态的准确监测和判断,为机械密封失效原因分析、运行参数优化、可靠性提升提供依据。
权利要求

1.一种内置声发射传感器的机械密封,其特征在于:包括声发射传感器,静环座,静环座上安装有静环,静环座内设有声发射传感器,声发射传感器与安装在静环座上的静环配合。
2.如权利要求1所述的一种内置声发射传感器的机械密封,其特征在于:所述的声发射传感器与密封静环采用过盈配合的方式,保证传感器感应端与机械密封静环紧密接触
3.如权利要求1所述的一种内置声发射传感器的机械密封,其特征在于:所述的声发射传感器的末端设置线缆保护套,声发射传感器的传感器线内置于线缆保护套内。
4.如权利要求3所述的一种内置声发射传感器的机械密封,其特征在于:所述的保护套选择软且耐磨的材料。
5.如权利要求1所述的一种内置声发射传感器的机械密封,其特征在于:所述的声发射传感器为直径在7‑8mm的小型声发射传感器。
6.如权利要求1所述的一种内置声发射传感器的机械密封,其特征在于:所述的静环座的侧端上开孔。
7.如权利要求6所述的一种内置声发射传感器的机械密封,其特征在于:所述的声发射传感器通过螺纹拧入静环座的孔内。
8.一种内置声发射传感器的机械密封状态评价方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:安装好机械密封,设置声发射信号采样率Fs,获取密封正常运行时的声发射信号序列X=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN],以获得正常运行时声发射信号的波形图、声发射信号的有效值RMS和声发射信号的峭度值KUR,有效值RMS的计算公式如(1)式所示:
峭度值KUR的计算公式如(2)式所示:
其中,X=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN]为计算窗口内采集到的声发射信号序列,步骤2:密封安装完成后,稳定运行1小时,传感泄漏量是否正常,若泄漏量正常,则采集
10分钟的声发射数据,若泄漏量不正常,则代表密封运转状态不正常,对密封进行重新安装和调整后再稳定运行1小时,观察泄漏量判断密封是否正常,重复上述操作直到采集到密封运行时的声发射信号;
步骤3:用长度为W的窗在采集到的机械密封正常运行声发射信号X=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN]上进行滑动,滑动的长度为STEP,按照(1)和(2)计算滑动窗口内信号的有效值RMS和峭度值KUR,形成机械密封正常运行时的有效值列表RMS_L=[RMS1,RMS2,…,RMSk]和峭度值列表KUR_L=[KUR1,KUR2,…,KURk];
步骤4:计算机械密封正常运行时的有效值列表RMS_L=[RMS1,RMS2,…,RMSk]的平均值RMS_AVE和标准差RMS_σ,计算机械密封正常运行时的峭度值列表KUR_L=[KUR1,KUR2,…,KURk]的平均值KUR_AVE和标准差KUR_σ,将机械密封正常运行时声发射信号的有效值确定为[RMS_AVE‑3*RMS_σ,RMS_AVE+3*RMS_σ],将机械密封正常运行时声发射信号的峭度值确定为[KUR_AVE‑3*KUR_σ,KUR_AVE+3*KUR_σ];
步骤5:获取实时监测得到的声发射信号X_new=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN],计算有效值RMS_new和峭度值KUR_new;判断实时采集的声发射信号的有效值RMS_new是否在机械密封正常运行声发射有效值的范围[RMS_AVE‑3*RMS_σ,RMS_AVE+3*RMS_σ]内;
步骤6:若有效值RMS_new超正常信号范围,则进一步对比峭度值KUR_new是否在机械密封正常运行声发射峭度值的范围[KUR_AVE‑3*KUR_σ,KUR_AVE+3*KUR_σ]内,当有效值和峭度值都超过正常的范围时,则表明机械密封的摩擦副发生了异常摩擦;若仅有声发射信号的有效值RMS_new超正常范围,峭度值KUR_new没有超正常范围,则可判定设备的其他部位出现了能量的异常增大,可能存在某些异常,但不是由密封摩擦副异常摩擦引起。
9.如权利要求8所述的一种内置声发射传感器的机械密封状态评价方法,其特征在于:
所述的步骤3中的W取Fs/10个数据点。

说明书全文

一种内置声发射传感器的机械密封及状态评价方法

技术领域

[0001] 本发明属于机械密封设计与监测技术领域,具体涉及一种内置声发射传感器的机械密封及状态评价方法。

背景技术

[0002] 机械密封作为承压边界,关乎大型类设备的安全运行。核电关键泵设备运行经验表明,机械密封在运行过程中经常会出现异常磨损、泄漏量增加、寿命偏短等故障,了解摩擦副接触状态,判断机械密封的运行状态是机械密封运行过程中迫切需要了解的。机械密封运行时,靠动静环之间的液膜进行冷却和润滑,但液膜状态受多种因素影响,现有的对机械密封状态监测手段有限,并不能直接监测摩擦的异常摩擦状态,一方面无法及时分析机械密封异常状态产生的原因,另一方面针对重要机械密封,无法根据密封状态及时调整运行参数,保护机械密封异常损坏。

发明内容

[0003] 针对关键泵机械密封动静摩擦副接触状态缺乏有效的监测手段,无法及时发现密封异常运行状态,导致密封失效原因不明、密封损坏等问题,本发明的目的是提供一种内置声发射传感器的机械密封及状态评价方法,可以识别机械密封摩擦副的异常接触状态,实现密封摩擦副异常碰摩和磨损的准确监测和判断。
[0004] 本发明的技术方案如下:一种内置声发射传感器的机械密封,包括声发射传感器,静环座,静环座上安装有静环,静环座内设有声发射传感器,声发射传感器与安装在静环座上的静环配合。
[0005] 所述的声发射传感器与密封静环采用过盈配合的方式,保证传感器感应端与机械密封静环紧密接触。
[0006] 所述的声发射传感器的末端设置线缆保护套,声发射传感器的传感器线内置于线缆保护套内。
[0007] 所述的保护套选择软且耐磨的材料。
[0008] 所述的声发射传感器为直径在7‑8mm的小型声发射传感器。
[0009] 所述的静环座的侧端上开孔。
[0010] 所述的声发射传感器通过螺纹拧入静环座的孔内。
[0011] 一种内置声发射传感器的机械密封状态评价方法,包括如下步骤:
[0012] 步骤1:安装好机械密封,设置声发射信号采样率Fs,获取密封正常运行时的声发射信号序列X=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN],以获得正常运行时声发射信号的波形图、声发射信号的有效值RMS和声发射信号的峭度值KUR,有效值RMS的计算公式如(1)式所示:
[0013]
[0014] 峭度值KUR的计算公式如(2)式所示:
[0015]
[0016] 其中,X=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN]为计算窗口内采集到的声发射信号序列,[0017] 步骤2:密封安装完成后,稳定运行1小时,传感泄漏量是否正常,若泄漏量正常,则采集10分钟的声发射数据,若泄漏量不正常,则代表密封运转状态不正常,对密封进行重新安装和调整后再稳定运行1小时,观察泄漏量判断密封是否正常,重复上述操作直到采集到密封运行时的声发射信号;
[0018] 步骤3:用长度为W的窗在采集到的机械密封正常运行声发射信号X=[x1,x 2,x 3,..x.i,,.x.N.,上进行滑动,滑动的长度为STEP,按照(1)和(2)计算滑动窗口内信号的有效值RMS和峭度值KUR,形成机械密封正常运行时的有效值列表RMS_L=[RMS1,RMS2,…,RMSk]和峭度值列表KUR_L=[KUR1,KUR2,…,KURk];
[0019] 步骤4:计算机械密封正常运行时的有效值列表RMS_L=[RMS1,RMS2,…,RMSk]的平均值RMS_AVE和标准差RMS_σ,计算机械密封正常运行时的峭度值列表KUR_L=[KUR1,KUR2,…,KURk]的平均值KUR_AVE和标准差KUR_σ,将机械密封正常运行时声发射信号的有效值确定为[RMS_AVE‑3*RMS_σ,RMS_AVE+3*RMS_σ],将机械密封正常运行时声发射信号的峭度值确定为[KUR_AVE‑3*KUR_σ,KUR_AVE+3*KUR_σ];
[0020] 步骤5:获取实时监测得到的声发射信号X_new=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN],计算有效值RMS_new和峭度值KUR_new;判断实时采集的声发射信号的有效值RMS_new是否在机械密封正常运行声发射有效值的范围[RMS_AVE‑3*RMS_σ,RMS_AVE+3*RMS_σ]内;
[0021] 步骤6:若有效值RMS_new超正常信号范围,则进一步对比峭度值KUR_new是否在机械密封正常运行声发射峭度值的范围[KUR_AVE‑3*KUR_σ,KUR_AVE+3*KUR_σ]内,当有效值和峭度值都超过正常的范围时,则表明机械密封的摩擦副发生了异常摩擦;若仅有声发射信号的有效值RMS_new超正常范围,峭度值KUR_new没有超正常范围,则可判定设备的其他部位出现了能量的异常增大,可能存在某些异常,但不是由密封摩擦副异常摩擦引起。
[0022] 所述的步骤3中的W取Fs/10个数据点。
[0023] 本发明的有益效果在于:针对机械密封动静摩擦副的碰摩和磨损状态,目前缺乏有效的监测手段,通常密封出现损坏,导致泄漏量异常增加时才被识别,导致设备停运,本发明通过内置声发射传感器直接监测动静摩擦副接触产生的应波信号,实现机械密封摩擦副接触状态和磨损状态的准确监测和判断,为机械密封失效原因分析、运行参数优化、可靠性提升提供依据。减少了微弱摩擦信号的衰减,更有利捕捉机械密封动静摩擦副的异常摩擦;直接通过声发射信号监测的方法对机械密封动静摩擦副的摩擦状态进行监测;将分别通过对比有效值和峭度值,并结合声发射信号波形分析,对机械密封摩擦副的异常摩擦进行判断。附图说明
[0024] 图1为本发明所提供的一种内置声发射传感器的机械密封示意图;
[0025] 图2为本发明所提供的一种内置声发射传感器的机械密封状态评价方法流程图
[0026] 图3为密封摩擦副正常摩擦状态下的声发射信号波形图;
[0027] 图4为机械密封摩擦副异常摩擦时摩擦副接触状态图。
[0028] 图5为机械密封状态监测装置架构图;
[0029] 图6为稳定运行时密封内部峭度值不稳定情况;
[0030] 图7为机械密封在线监测数据管理与应用流程图。
[0031] 图中:1声发射传感器,2线缆保护套,3螺纹,4静环座,5静环。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0033] 机械密封正常运行时,动静摩擦副之间依靠液膜进行润滑和冷却,若液膜状态发生变化,高速旋转的动静摩擦副将出现异常摩擦,释放出异常摩擦的微弱信号。声发射监测技术由于其高灵敏性和高频响应特性,能有效捕捉到动静摩擦副异常摩擦释放的微弱信号,本发明基于此提供了一种内置声发射传感器的机械密封及状态评价方法。
[0034] 本发明一种内置声发射传感器的机械密封,其中采用的声发射传感器具有很高的灵敏度,可以探测到机械密封摩擦副的异常摩擦产生的信号,但由于异常摩擦信号微弱,声发射传感器灵敏度高,因此将声发射传感器小型化设计同时内置在机械密封静环座中,能有效减少噪声信号的干扰,采集到有效的密封摩擦副异常摩擦信号。
[0035] 如图1所示,一种内置声发射传感器的机械密封,包括声发射传感器1,静环座4,静环座4上安装有静环5,静环座4的侧端上开孔,声发射传感器1通过螺纹拧入静环座的孔内,声发射传感器1与安装在静环座上的静环5密切配合,声发射传感器1与密封静环5采用过盈配合的方式,保证传感器感应端与机械密封静环5紧密接触,且为防止在声发射传感器1和静环5之间产生不均匀间隙,传感器安装时,需涂抹耦合剂,以填充传感器和静环可能存在的不均匀间隙,由于静环座4会随着密封的运行进行位移补偿,静环座4和静环5的位置会浮动,声发射传感器1与左侧静环座4安装结构间的间隙会发生改变,信号线缆存在反复振动和弯折的情况,为保护声发射信号线缆,在声发射传感器1的末端设置线缆保护套2,声发射传感器1的传感器线内置于线缆保护套2内,保护套选择软且耐磨的材料,通过试验研究,获取机械密封异常摩擦时产生的信号频段范围,根据频段范围设计选型直径在7‑8mm的小型声发射传感器1。
[0036] 机械密封动静摩擦副异常摩擦时,首先会表现为声发射信号的有效值增加,同时,由于声发射信号的采样率很高,达到了1MHZ,且摩擦副表面并不是完整的平面,因此瞬时摩擦时在波形中可以看到瞬时的冲击峰,同时也表现为峭度值增加。
[0037] 如图2所示,一种内置声发射传感器的机械密封状态评价方法,包括如下步骤:
[0038] 步骤1:安装好机械密封,设置声发射信号的采样率Fs(Fs采样率通常取1MHZ),获取密封正常运行时的声发射信号序列X=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN],以获得正常运行时声发射信号的波形图(如图3所示)、声发射信号的有效值RMS和声发射信号的峭度值KUR,有效值RMS的计算公式如(1)式所示:
[0039]
[0040] 峭度值KUR的计算公式如(2)式所示:
[0041]
[0042] 其中,X=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN]为计算窗口内采集到的声发射信号序列,其中i表示一次信号采集列表中的第i个信号值,N表示信号列表的长度。
[0043] 步骤2:按照图2所述,密封安装完成后,稳定运行1小时,传感泄漏量等参数是否正常,若泄漏量正常,则采集10分钟的声发射数据,若泄漏量不正常,则代表密封运转状态不正常,对密封进行重新安装和调整后再稳定运行1小时,观察泄漏量判断密封是否正常,重复上述操作直到采集到密封运行时的声发射信号;
[0044] 步骤3:用长度为W的窗(W可取Fs/10个数据点)在采集到的机械密封正常运行声发射信号X=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN]上进行滑动,滑动的长度为STEP(STEP可取FS/40),按照(1)和(2)计算滑动窗口内信号的有效值RMS和峭度值KUR,形成机械密封正常运行时的有效值列表RMS_L=[RMS1,RMS2,…,RMSk]和峭度值列表KUR_L=[KUR1,KUR2,…,KURk];
[0045] 步骤4:计算机械密封正常运行时的有效值列表RMS_L=[RMS1,RMS2,…,RMSk]的平均值RMS_AVE和标准差RMS_σ,计算机械密封正常运行时的峭度值列表KUR_L=[KUR1,KUR2,…,KURk]的平均值KUR_AVE和标准差KUR_σ,将机械密封正常运行时声发射信号的有效值确定为[RMS_AVE‑3*RMS_σ,RMS_AVE+3*RMS_σ],将机械密封正常运行时声发射信号的峭度值确定为[KUR_AVE‑3*KUR_σ,KUR_AVE+3*KUR_σ];
[0046] 步骤3:获取实时监测得到的声发射信号X_new=[x1,x2,x3,...,xi,...,xN],计算有效值RMS_new和峭度值KUR_new;判断实时采集的声发射信号的有效值RMS_new是否在机械密封正常运行声发射有效值的范围[RMS_AVE‑3*RMS_σ,RMS_AVE+3*RMS_σ]内;
[0047] 步骤3:若有效值RMS_new超正常信号范围,则进一步对比峭度值KUR_new是否在机械密封正常运行声发射峭度值的范围[KUR_AVE‑3*KUR_σ,KUR_AVE+3*KUR_σ]内,当有效值和峭度值都超过正常的范围时,则表明机械密封的摩擦副发生了异常摩擦;若仅有声发射信号的有效值RMS_new超正常范围,峭度值KUR_new没有超正常范围,则可判定设备的其他部位出现了能量的异常增大,可能存在某些异常,但不是由密封摩擦副异常摩擦引起。
[0048] 开展机械密封状态监测时,声发射信号的采样率达1MHZ,因此会产生巨大的监测数据,数据的传输、管理和存贮都存在一定的问题。且由于机械密封运行状态是不稳定且不可预测的,因此若需要掌握整个运行寿期内机械密封的健康状态,需要开展连续不断的线上监测。为管理和应用好海量的监测数据,本发明提出了一种分布式部署、边缘节点数据处理的机械密封在线监测系统架构,将每个机械密封的监测数据放在所属的边缘计算机进行特征计算,将计算得到的特征传递给数据服务器进行存储和管理,终端再通过无线网络对数据服务器进行访问,了解密封的运行状态。
[0049] 如图5所示,本发明还涉及到一种机械密封状态监测数据采集与处理装置及分布式监测处理系统,该装置包括了声发射传感器、数据采集与边缘计算节点、数据服务器、访问终端组成,如图5所示,声发射传感器安装在机械密封内部,每个机械密封内部安装一个声发射传感器,数据采集与边缘计算节点安装在现场,将多个现场采集的声发射感器信号直接进行特征值计算、异常判断等,若机械密封状态正常,则只保存每秒的特征值,并向数据服务器传递;若机械密封状态异常,则采集密封状态异常前后至少10分钟的原始波形数据,向数据服务器传输。数据服务器则部署在机房内,用于正常运行的特征值存储管理、异常报警时原始波形数据的存储与分析,以及基于数据服务器开发的机械密封状态监测评价方法的应用等。
[0050] 一种机械密封状态监测数据采集与处理装置的使用流程如图7所示。
[0051] 边缘计算节点执行的计算和处理内容如下:
[0052] (1)按照1MHZ的采样率获取实时的声发射数据,并根据转速N,将这一秒的数据进行分割,为减少数据量,加快数据处理速度,至保留动静摩擦副相对运动4圈的摩擦数据,因此将2秒的数据切割成N/240份,保留其中的一份,将剩余的数据舍弃;
[0053] (2)根据保留下来的数据片段,计算有效值和峭度值,并确认是否有其中一项超正常运行范围。如果不超,将计算得到的有效值和峭度值传输给数据服务器,同时高频的原始数据片段进边缘节点缓存
[0054] (3)当有效值和峭度值有一个值超过了正常范围,则将有效值和峭度值传给数据管理服务器外,还将缓存的前10分钟原始数据片段以及接下来10分钟的数据片段传递给数据服务器,以记录异常状态下的原始数据。
[0055] 数据处理服务器执行的任务有:
[0056] (1)对边缘传过来的数据进行分类存储和管理,供用户查阅
[0057] (2)根据有效值和峭度值超标程度,对密封摩擦副的摩擦状态进行判断和分级,统计密封异常运行时间,在此基础上以通过连续不断地监测判断密封的磨损量。