基于SimHydraulics的水輪機調速器電液隨動系統故障仿真與分析

夏琳玲， 王印松， 劉 萌， 蘇 杰

(華北電力大學自動化系，河北 保定 071003)

0 引 言

水輪機調速器作為水輪機轉子轉速的調節機構，其穩定性與可靠性直接影響到水輪發電機組的安全穩定運行，實際運行過程中，由于其精密零件較多、抗污染能力差，且常年處于高溫高壓等惡劣環境，導致故障發生率較高[1-2]。由于調速器系統結構復雜，內部故障具有一定的耦合性與隱蔽性，很難通過經驗判斷故障產生的位置及原因，在檢修運維浪費大量人力、物力，因此進行水輪機調速器電液隨動系統的故障模擬及診斷對于提高整個水輪發電機組的安全性、穩定性和經濟性都有重要意義。

近年來，眾多學者針對水輪機調速器電液隨動系統的故障模擬與分析進行了大量研究。文獻[3-5]中根據電液隨動系統的數學機理模型證明伺服閥和液壓缸分別作為電液隨動系統的控制元件和執行元件，對該系統有著很大影響，其相關參數的選擇決定了系統的位移響應和速度響應。文獻[6-7]利用多個軟件協同工作的辦法對液壓系統進行了故障建模與仿真方面的研究，通過定性分析系統中液壓元件參數性能變化對系統性能的影響，歸納出幾種主要故障模式及故障原因，為液壓缸的故障診斷提供了參考。但多軟件協同的仿真計算量較大，內部參數設置較復雜，多種參數不易于現場提取，不利于現場實際應用。文獻[8]利用SimHydraulics仿真軟件對液壓系統了開環仿真分析，通過設置模型中液壓元件的參數，模擬了系統在不同故障狀態下執行機構的運動和響應特性對飛行操縱的影響并證明了模型有效性，但沒有加入液壓系統的反饋控制，此外僅利用模型輸出曲線作為有效性的驗證方法，缺少定量分析結果。

本文在全面分析水輪機調速器電液隨動系統結構和工作原理的基礎上，基于SimHydraulics軟件搭建仿真模型[9]，通過設置系統的相關參數，模擬故障類型，在實際液壓系統中，最為常見且危害性極大的故障情況有管路堵塞、液壓泵壓力不足故障、系統內漏故障、油液混入過量空氣故障、摩擦卡死類故障，占據總故障的80%以上[10]，分析在這5種狀況下活塞的動態特性，通過對比正常與故障情況下活塞的運動曲線仿真結果，并結合方差的定量分析驗證了該仿真模型的有效性、實用性，為水輪機調速器電液隨動系統的故障診斷以及預防工作提供了有效理論依據。

1 電液隨動系統原理及建模

水輪機調速器電液隨動系統作為調速器的重要組成部分，具有調節性能好、輸出功率大和噪聲低等優點，同時作為水輪機調速器的執行機構，其動態性能直接決定執行器的控制品質[11]。

1.1 系統結構圖

水輪機調速器電液隨動系統是基于反饋控制的閉環系統，通過位移給定和位移反饋控制活塞的左右移動達到系統的平衡，控制系統方框圖如圖1所示。該系統主要由控制器、三位四通換向閥、單向雙作用液壓缸、位移傳感器等元件組成。調速器隨動系統將位移傳感器輸出信號與給定信號形成偏差信號，送至控制器經過處理后控制四通換向閥，結合負載力去驅動液壓缸的運動，構成循環回路時刻平衡系統的運行特性，達到系統隨動目的。

圖1 水輪機調速器電液隨動系統控制系統方框圖

1.2 系統工作原理

該系統的工作原理如圖2所示，液壓缸借助電磁換向閥控制工作臺的往復運動。系統的驅動元件由液壓泵和溢流閥以及過濾器構成，液壓泵在溢流閥設定的恒定工作壓力下持續向系統供油，過濾器過濾掉污物以保證運行安全。液壓動力單元由三位四通換向閥和單極雙作用液壓缸組成。四通閥具有4個油口的控制閥，根據輸入信號控制進油和出油，液壓缸接收四通閥的油液信號，驅使活塞桿進行運動。連接到液壓缸左端的位移傳感器用于檢測液壓缸的位置，以形成反饋控制，從而達到系統穩定[12]。

圖2 水輪機調速器電液隨動系統工作原理圖

當閥芯正向移動一定距離，則四通閥中的節流窗口b和d將接收到與前述誤差信號成比例的開度信號，即閥芯移動的距離。滑閥動作后，油口P接收來自液壓泵供給的壓力油，連通節流窗口b和油口A構成進油口流入液壓缸的左腔，此時節流窗口d和油口T連通構成出油口，多余的壓力油則從油口B出油口流回油箱中。此時，液壓缸活塞桿推動工作臺向右移動，通過反饋回路減少誤差和閥門的節流窗口開度，直到位移傳感器的反饋信號與指令之間的誤差為零，電液轉換器返到零位，四通閥回到中心位置。當輸出油液流量為零時，液壓缸停止正向運行，保持靜止狀態，此時整個系統處于最佳平衡狀態，這就實現了電液隨動系統的控制目的。閥芯反向運動情況下亦然。

1.3 仿真模型建立

基于SimHydraulics軟件提供的液壓仿真模塊搭建水輪機調速器電液隨動系統，每個仿真模塊對應真實的液壓元件直接構成系統物理模型，在液壓缸模型中加入流量傳感器、位移傳感器以方便觀察系統管路內的油液流量以及活塞的運動狀況，系統仿真模型如圖3所示[13-14]。

圖3 水輪機調速器電液隨動系統仿真模型

1.4 系統參數設置

某水電站機調速器電液隨動系統的相關參數如表1所示。

表1 某水輪機調速器電液隨動系統主要參數

根據表1給的相關參數以及結合系統工作原理，仿真模型描述如下：

1）輸入信號模塊參數設置。為方便觀察，建模中采用頻率為1 Hz的正弦波信號模擬輸入指令信號，在此水輪機調速器電液隨動系統中沒有應用主配壓閥組，而是采用電磁換向閥替代傳統的伺服閥，具有結構簡單等特點，在此選用的是三位四通換向閥，中間放置PI控制器和電液轉換器，將經過處理后的電信號轉變為液壓信號，從而控制三位四通閥門的開關。

2）液壓驅動模塊參數設置。設定5 MPa額定壓力的常數模塊，連接Simulink空間仿真信號到物理信號轉換模塊構成液壓源部分。液壓油類型設置為Fliud MIL-F-5606，相對空氣含量為0.005，油溫和黏度降額系數均保持默認值，為40和1。

3）液壓接力器模塊參數設置。根據表1將液壓缸的A、B腔面積、活塞桿全行程設置為0.020 7 m2、0.17 m。負載部分由液壓缸質量、彈簧和阻尼器構成，其中彈簧的彈性參數為250 N/m，阻尼器的系數為2 800 N/（m/s）。

4）其他輔助元件設置。加入了噪聲干擾信號、運動傳感器、信號轉換模塊等完善仿真模型，其中在液壓缸后連接運動傳感器用于檢測活塞桿運動信息。另外加入示波器、工作空間模塊便于分析系統響應特性。

1.5 模型仿真結果分析

根據所搭建仿真模型，系統接力器活塞桿的位移、接力器入口流量仿真輸出曲線如圖4、圖5所示。

圖4 活塞桿位移仿真結果

圖5 入口流量仿真結果

根據給定信號輸入，電液轉換器將電信號轉變為液壓信號，操縱著三位四通換向閥閥門打開或者關閉，液壓缸活塞桿位移也隨之時刻發生變化。由圖4可知，活塞桿的初始伸出量為0，此時信號發生器發出正向信號，活塞桿經歷大約0.3 s后運動至最大行程，即0.17 m處，暫停運動至3.1 s后信號發生器發出反向信號，此時活塞桿開始往回運動，在經歷大約0.4 s即在3.5 s時完全回到初始狀態。

接力器入口流量隨時間變化曲線如圖5所示，入口初始油液流量為4×10–4m3/s，此時活塞桿處于正向運動狀態，而在活塞桿往回運動時出現最大流量，高達13×10–4m3/s，出現此種狀況的原因是活塞桿在正向運動時，接力器處于受壓狀態，此情況下表現為壓力大模式，從而導致入口流量小，而在往回運動時，接力器處于受推狀態，此情況下表現為壓力小模式，從而導致入口流量大。根據圖4、5中接力器活塞桿位移、入口流量變化的性能曲線，反映出系統操縱反應速度較快，仿真模型具有較好的動態特性。

2 電液隨動系統模擬故障仿真及分析

實際工況中，水輪機調速器電液隨動系統存在著許多故障隱患，例如管路堵塞、油液混入過量空氣、液壓泵劣化等，當這些系統的部分劣化到一定程度會影響到整個電液系統的運行，進而影響整個水輪機組的運作，造成嚴重后果。由于電液隨動系統結構和元器件較精密，許多故障在初期對系統運行影響較小，不易被察覺，從而造成極大隱患，在檢修運維方面浪費大量人力、財力。

基于前文所搭建的系統仿真模型，模擬不同類別的系統故障，分析不同狀況下活塞桿的位移動態特性。

2.1 系統管路堵塞故障

研究表明，在液壓系統中許多故障發生的根本原因都離不開油液的污染，由于油液污染將導致不同程度的管道堵塞。由圖3可知，改變四通閥和液壓缸入口之間的液壓管路內徑可以模擬不同程度的系統管路堵塞，內徑參數越小，代表模擬的管路堵塞越嚴重。根據實際參數，該管路在最佳狀態下內徑為0.007 m，在此將其設置為0.005 m、0.003 m，分別模擬管路中度堵塞、重度堵塞故障，并分析不同狀況下活塞桿的動態特性。

2.1.1 系統管路堵塞仿真圖故障分析

管路堵塞仿真結果如圖6所示，可以看出中度堵塞情況下與正常情況下活塞桿位移曲線差別并不明顯，但重度堵塞情況下可以明顯看出此時活塞桿位移變化逐漸變得緩慢，可以初步得出結論：隨著系統管路堵塞程度的增加，系統反應變得緩慢，響應性和靈敏度都受到了一定程度的影響，若不及時維修將造成嚴重后果。

圖6 液壓缸入口不同堵塞狀況下活塞桿的位移仿真

2.1.2 系統管路堵塞統計特征故障分析

前文就活塞桿位移特性動態性能曲線進行了分析，但是由圖明顯可以觀察到，一些故障在初期階段并不明顯，因此在本小節采用位移仿真數據結合統計特征方差的定量分析對系統進行驗證。

分別在液壓缸入口中度堵塞、重度堵塞2種模擬情況下各采集仿真時間為100 s的數據，計算在正常情況比對下這2組數據的方差值，其中結果如表2所示。

表2 液壓缸入口堵塞狀況下方差對比

由表可知，液壓缸入口管路中度堵塞情況下與正常情況下的方差相差不大，而重度堵塞情況下與正常情況下的方差相差甚遠，說明了隨著系統管路堵塞的程度加重，整個系統的性能在逐漸惡化。這和前文所呈現出的仿真圖曲線特性一致，但根據方差值能夠更加直觀地看出系統性能的變化，這說明了根據統計特征故障分析能更好刻畫系統動態特性。

2.2 液壓泵壓力不足故障

液壓泵是液壓系統的主要驅動元件之一，在發電機給定工作壓力驅動下，從液壓油箱中吸入油液，形成壓力油送至執行元件。當額定工作壓力不足時，容易造成驅動力的不足以及元件壽命的損害。通過設置給定常數模塊可以模擬系統壓力不足故障，正常情況下在此水輪機調速器電液隨動系統中額定工作壓力為 5×106Pa，將其設置為 1×106Pa、5×105Pa，分別模擬壓力不足、壓力嚴重不足的情況，并分析不同狀況下活塞桿的動態特性。

2.2.1 液壓泵壓力不足仿真圖故障分析

仿真結果如圖7所示。由圖可知，隨著液壓泵工作壓力的不足，造成液壓缸活塞桿運行位移變化的遲緩，在壓力嚴重不足時，運動甚至開始停滯。從而可以得出結論：隨著液壓泵工作壓力不足程度的增加，驅動系統推力不足，整個系統位移運行緩慢，系統變得不穩定，給后續工作造成了嚴重影響。

圖7 液壓泵不同工作壓力狀況下活塞桿的位移仿真

2.2.2 液壓泵壓力不足統計特征故障分析

前文就活塞桿位移特性仿真圖進行了分析，在本小節采用仿真數據結合方差算法進行驗證。在液壓泵工作壓力不足、壓力嚴重不足二種情況下各采集仿真時間為100 s的數據，分別計算在正常情況比對下這2組數據的方差值，結果如表3所示。

表3 液壓泵不同壓力狀況下方差及比值

由表可以觀察出，方差值隨著液壓泵性能的變差逐漸減大，這說明隨著液壓泵工作壓力不足程度的加深，系統整體穩定性下降，這與實際機組運作發生壓力故障時的表現是一致的。

2.3 系統內漏故障

系統泄露在液壓系統典型故障中較為常見，油液泄露共分為外泄露和內泄露兩種類型，各有不同表現[9]。顧名思義，系統外泄露發生在系統外部，主要表現為液壓油由內部系統泄露至外部環境中，此種泄露可通過經驗觀察較為輕松地排查出。而內泄露則不然，發生在系統內部，主要表現為內部元件之間的泄露、侵蝕，此種泄露不能夠直觀地觀察到，隱蔽性極強且危害性極大。通過設置四通換向閥中的相關系數可以模擬系統不同程度的內漏故障，在此分別模擬中度、重度內漏的情況，并分析不同狀況下活塞桿的動態特性。

2.3.1 系統內漏仿真圖故障分析

3種模擬情況的仿真結果如圖8所示，可以由圖直觀得知，中度內漏情況下相對正常情況下活塞桿位移特性無顯著變化，而在重度內漏下活塞桿的位移變化明顯逐漸停頓下來，同時可以觀察到活塞桿響應時間變長。結合故障原因可以得知，在系統內部發生中度泄露時，液壓泵的供油量在一定程度上補充了系統的內漏狀況，因此活塞桿位移無明顯變化。而發生重度內漏時，液壓泵供油能力欠缺，在整個系統中所需的油液流量不足，從而導致工作壓力異常，進而導致接力器不能正常運行。

圖8 系統不同泄露狀況下活塞桿的位移仿真

2.3.2 系統內漏統計特征故障分析

在系統中度內漏、重度內漏2種情況下各采集仿真時間為100 s的數據，分別計算在正常情況比對下這2組數據的方差值，結果如表4所示。

表4 系統不同泄露狀況下方差及比值

由表可知，隨著系統性能變差，此時系統是越來越不穩定的；同時，中度內漏情況下與輕度內漏情況下的方差值小于重度度內漏情況下與輕度內漏情況下的方差值，這種情況符合實際趨勢。

2.4 油液空氣含量過度故障

在液壓系統中，油液系統里含有適量的空氣含量會使油液有良好的可壓縮性，使系統運作靈敏，但空氣中相對氣泡含量超標會導致嚴重的系統危害，通過在油液模塊中設置不同的相對空氣含量，其值越大，表明油液中相對空氣含量越高，所導致的系統危害越嚴重。根據正常情況，該油液模塊所默認狀態下的油液相對空氣含量為0.005，在此將其設置為0.01、0.05，分別模擬油液混入少量空氣、過量空氣下的故障情況，并分析不同狀況下活塞桿的動態特性。

2.4.1 油液空氣含量過度仿真圖故障分析

故障仿真結果如圖9所示。由圖可知，隨著油液中相對空氣含量的增加，由于空氣的可壓縮性大，油液的不可壓縮性受到破壞，使得液壓系統的工作器官產生爬行，破壞工作的平穩性，有時甚至引起振動，影響機床正常工作。如果系統中混進了大量氣泡，還容易造成油液變質，從而降低液壓油的使用壽命，使液壓元件受到損害。

圖9 油液中不同相對空氣含量下活塞桿的位移仿真

2.4.2 油液空氣含量過度統計特征故障分析

在油液中混入少量空氣、過量空氣2種情況下各采集仿真時間為100 s的數據，分別計算在正常情況比對下這二組數據的方差值，結果如表5所示。

表5 油液中不同相對空氣含量下方差及比值

由表可知，隨著油液中相對空氣含量值的增大，方差增大，此時系統的穩定性能變差，動態響應速度變慢，導致工作效率降低，在電液隨動系統中表現為系統對水輪機調速器輸入信號響應遲鈍，甚至發生非指令自行為現象，對系統危害性極大，因此，要密切注意液壓系統的排氣，盡可能減少油液中空氣的混入量。

2.5 摩擦卡死類故障

在液壓油中存在著各種磨屑等污染物，從而造成液壓系統中元件壽命的損耗，嚴重時甚至會發生卡死，造成系統無法正常運作。因此為了解故障現象與故障原因的直接聯系，故對系統中的摩擦卡死類故障進行模擬。在該系統中，內部摩擦力主要來自液壓缸內筒與其密封圈之間所發生的摩擦，經分析，系統正常運作下的內摩擦力約為2 800 N，在此將摩擦阻力設置為2倍、4倍情況下，分別模擬系統存在中度摩擦力、重度摩擦力下的故障情況，并分析不同狀況下活塞桿的動態特性。

2.5.1 摩擦卡死類仿真圖故障分析

圖10顯示了系統在正常情況、中度卡澀、重度卡澀情況下的位移曲線?？梢钥闯觯Σ亮υ龃螅刂苹y的位移控制靈敏度不高，直接導致活塞桿運動卡澀，系統遲緩率大、控制精度低、自動化程度低、引起的機組不穩定因素多、抗干擾能力弱等。因此要及時處理液壓系統中油液的污染物，以防其大量堆積，造成嚴重后果。

圖10 系統中不同摩擦阻力情況下活塞桿的位移仿真

2.5.2 摩擦卡死類統計特征故障分析

在系統存在中度摩擦力、重度摩擦力2種情況下各采集仿真時間為100 s的數據，分別計算在正常情況比對下這2組數據的方差值，結果如表6所示。

表6 系統中不同摩擦阻力情況下方差及比值

由表可知，隨著系統中摩擦阻力增大，方差值增大，可以判斷出系統整體性能變差，此時系統表現為卡澀、遲鈍，這與前文中仿真圖以及仿真分析表現一致，同時這種情況也符合實際系統中的動態趨勢，進一步驗證了所構建模型的有效性、輸出數據的實用性。

3 結束語

基于SimHydraulics軟件建立了水輪機調速器電液隨動系統的仿真模型，仿真曲線所呈現出的運動響應特性與系統實際運行情況一致，驗證了模型的有效性。在此基礎上進一步改變模型中各液壓元件的參數，模擬不同的故障狀態并分析對活塞桿運動和響應特性的影響。文中對比了5種故障仿真情況，對照正常和故障情況，結合仿真圖和方差的定量分析對活塞桿運動特性進行了全面分析，驗證了該模型能夠有效地反映該系統的運作過程以及工作狀態。同時通過模擬故障仿真，能清楚直觀了解故障發生機理、位置以及程度，這在實際應用中具有一定的現實意義。