水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

符向前+徐浩+賈梧桐

摘要：水輪發(fā)電機(jī)組故障是影響水輪發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的最重要因素之一。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出合適的水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)于學(xué)生深刻理解和掌握各種故障機(jī)理的形成和排除手段，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力有很大幫助。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機(jī)組;故障診斷;教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2015）25-0277-02

水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷技術(shù)屬于流體機(jī)械及工程專(zhuān)業(yè)的一個(gè)重要研究方向，與水電能源的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐緊密相關(guān)。隨著水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)裝機(jī)容量和水頭的不斷提高，機(jī)組在長(zhǎng)期運(yùn)行中不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種故障，因此高校有必要結(jié)合傳感檢測(cè)技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)等，就已有故障診斷實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出集教學(xué)和實(shí)驗(yàn)于一體的水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行專(zhuān)業(yè)性、實(shí)踐性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過(guò)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作，發(fā)揮學(xué)生主體作用，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐動(dòng)手能力。

一、總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)采用開(kāi)放式、模塊化的思想，盡可能多地將控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M各環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備、電器元件等在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上展示出來(lái)，使學(xué)生能更輕松地對(duì)機(jī)組故障診斷模擬的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行逐個(gè)理解和掌握，便于更好地完成教學(xué)方案。[1]本文基于DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)研制出水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括四大部分：計(jì)算機(jī)設(shè)備，進(jìn)行編程控制、故障振動(dòng)仿真和信號(hào)輸出顯示;水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)與智能故障診斷系統(tǒng)，作為機(jī)組振動(dòng)、擺度等模擬信號(hào)的輸入通道;轉(zhuǎn)子臺(tái)控制器，控制轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)的啟停、轉(zhuǎn)速等;轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，作為水輪發(fā)電機(jī)組的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

該試驗(yàn)臺(tái)故障診斷模擬包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：機(jī)組典型故障信號(hào)采集;信號(hào)分析，基于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與診斷軟件LabVIEW編程進(jìn)行信號(hào)的時(shí)域和頻域分析;機(jī)組典型故障振動(dòng)的Matlab仿真，并與分析結(jié)果對(duì)比;根據(jù)分析結(jié)果對(duì)轉(zhuǎn)子臺(tái)的狀態(tài)進(jìn)行判定、診斷和預(yù)測(cè);根據(jù)判定結(jié)果對(duì)轉(zhuǎn)子臺(tái)控制器進(jìn)行相應(yīng)操作。

二、實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件配置

1.轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)。水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)化圖如下圖1所示，應(yīng)包括以下幾個(gè)部分：①底座;②主軸支座;③飛輪;④聯(lián)軸器;⑤軸承;⑥直流電機(jī);⑦含油軸承及油杯;⑧光電轉(zhuǎn)速傳感器;⑨保護(hù)擋板支架。本文選擇DHRMT轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)，既可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可用作動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運(yùn)作方便、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多、測(cè)試手段先進(jìn)等特點(diǎn)。

2.信號(hào)采集裝置。信號(hào)采集是機(jī)組故障診斷的前提和基礎(chǔ)，模擬過(guò)程中必須采集到最能反映機(jī)組狀態(tài)的信號(hào)，故障診斷才能準(zhǔn)確進(jìn)行。所選擇的信號(hào)采集裝置要能夠準(zhǔn)確得到機(jī)組振動(dòng)、擺度等故障信號(hào)，并考慮到靈敏性、響應(yīng)特性、線性范圍、性價(jià)比等因素。本文選擇DH9522水輪發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)與智能故障診斷系統(tǒng)，其包含轉(zhuǎn)速、擺度、振動(dòng)等信號(hào)調(diào)理器，直流電壓放大器，抗混濾波器，A/D轉(zhuǎn)換器以及采樣控制和計(jì)算機(jī)通訊。

3.傳感器。信號(hào)的采集是通過(guò)各種傳感器進(jìn)行的。傳感器將某些變化過(guò)程的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的形式輸出以供分析。為了使最后的分析結(jié)果具有最小的誤差，所使用的傳感器應(yīng)該具有足夠?qū)挼念l帶以及線性范圍，從而保證信號(hào)波形的畸變較小。此外，傳感器的輸出應(yīng)該具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，以保證有較大的信噪比。[2]本文在詳細(xì)分析水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷模擬所需參數(shù)要求和儀器性能的基礎(chǔ)上，對(duì)轉(zhuǎn)速傳感器、擺度傳感器、振動(dòng)傳感器進(jìn)行了選擇。其中擺度傳感器適配器型號(hào)UB5，輸入范圍-5V～5V，傳感器不供電;振動(dòng)傳感器適配器型號(hào)UB1P，傳感器供電24V、4mA、恒流。

三、實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件配置

1.基于LabVIEW軟件的信號(hào)分析。進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷模擬時(shí)，必須進(jìn)行故障信號(hào)的采集和分析處理，而這兩方面幾乎是所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測(cè)試儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的重要組成部分。由于虛擬儀器軟件LabVIEW智能化程度、處理能力、可操作性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，且在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中便于學(xué)生掌握。

2.典型故障的Matlab仿真。Matlab軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算和仿真功能，針對(duì)水輪機(jī)組運(yùn)行中的幾種典型故障，利用Matlab軟件，構(gòu)建相應(yīng)仿真模型，得到轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖、分岔圖、Poincare圖、時(shí)域圖和頻域圖，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果對(duì)比分析，不僅能加深學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和分析問(wèn)題的能力。

四、典型故障診斷

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求構(gòu)建轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)及其控制器、故障信號(hào)采集裝置，基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了故障信號(hào)分析系統(tǒng)，并結(jié)合Matlab仿真，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比，可以準(zhǔn)確模擬水輪發(fā)電機(jī)組各種典型故障。本文針對(duì)故障的實(shí)驗(yàn)?zāi)M過(guò)程和結(jié)論給出簡(jiǎn)單說(shuō)明。

1.故障診斷模擬過(guò)程：①人為在軸承支座下添加薄墊片，形成量，啟動(dòng)轉(zhuǎn)子臺(tái)直流電機(jī);②通過(guò)數(shù)據(jù)采集裝置采集故障下轉(zhuǎn)速、擺度、振動(dòng)等信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理;③故障信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)LabVIEW信號(hào)分析系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，如圖2和3所示;④通過(guò)Matlab軟件對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組故障進(jìn)行模擬仿真，得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時(shí)域波形圖、幅值譜圖等，如圖4和5所示;⑤將LabVIEW分析結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并與理論分析想結(jié)合。

2.故障診斷模擬結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析的對(duì)比表明，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在聯(lián)軸器連接時(shí)，其振動(dòng)主要特征如下：①軸承中的油膜壓力發(fā)生變化，由于聯(lián)軸器兩端軸承的支承負(fù)荷將有較大變化，負(fù)荷減小的軸承在某些情況下可引起油膜失穩(wěn);②軸承的振幅隨轉(zhuǎn)子負(fù)荷的增大而增高，當(dāng)存在時(shí)，軸承上的振幅隨著負(fù)荷的增加呈增高趨勢(shì);③故障的特征頻率為工頻的2倍;④主要引起徑向振動(dòng);⑤由故障產(chǎn)生的對(duì)轉(zhuǎn)子的激勵(lì)力隨轉(zhuǎn)速的升高而加大，激勵(lì)力與量成正比;⑥在二維全息譜上除了轉(zhuǎn)頻分量較大外，其二倍頻分量明顯增大，可伴隨高次諧波。[3，4]

五、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用了開(kāi)放性和模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，便于學(xué)生理解各子系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同環(huán)節(jié)中的作用，熟練掌握其操作情況，最終對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)形成一個(gè)整體概念。用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行各種故障診斷模擬實(shí)驗(yàn)，建立以學(xué)生為主體的教學(xué)模式，讓學(xué)生融入到實(shí)驗(yàn)中去，不僅能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)的興趣，提升學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，并且能提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷模擬實(shí)踐教學(xué)起到很好的促進(jìn)作用。[4]從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，將該實(shí)驗(yàn)臺(tái)用于高校實(shí)踐教學(xué)中具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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