調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)典型故障的仿真及分析

顏寧俊

（大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院，廣西 南寧 530000）

1 引言

調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)故障往往表現(xiàn)為主要液壓元件不能被正常調(diào)節(jié)，并伴有油泵頻繁啟停等情況[1]，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)本身，容易造成操作油管等機(jī)械部件的磨損和松動(dòng)，極端情況下還可能導(dǎo)致壓力油罐出現(xiàn)事故低油壓。此外，調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)故障可導(dǎo)致機(jī)組溜負(fù)荷、過(guò)負(fù)荷或是有功波動(dòng)，也可能造成機(jī)組離網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)過(guò)速，對(duì)于雙調(diào)型機(jī)組，還會(huì)破壞導(dǎo)、槳葉之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系，繼而引發(fā)機(jī)組振動(dòng)。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)故障的及時(shí)診斷和有效處理，避免危及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，建立針對(duì)調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)故障的診斷機(jī)制就顯得極其重要[2]。

只考慮發(fā)生單一故障的情況，針對(duì)以比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換裝置的調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)，其在實(shí)際運(yùn)行中的典型故障和故障原因[3]如表1。

表1 典型故障和故障原因表

本文從主要液壓元件的工作原理出發(fā)，以模型的簡(jiǎn)潔實(shí)用為基本原則，建立了調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)非線性模型，并在此模型的基礎(chǔ)上引入故障模型并設(shè)置仿真條件和故障參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)表1中各類故障的仿真模擬。通過(guò)對(duì)故障特征進(jìn)行歸納總結(jié)，探討相應(yīng)的故障發(fā)生機(jī)制并提出故障處理方法，進(jìn)而在一定程度上提高故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。

2 調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)非線性模型

一種典型調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)的工作原理圖如圖1：

圖1 調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)工作原理圖

圖1 中綜合放大器的工作原理圖如圖2：

圖2 綜合放大器工作原理圖

設(shè)Ypid(t)為控制信號(hào)，Y(t)為接力器行程反饋，Xg(t)為主配位移給定，Xc(t)為主配位移反饋，Id(t)為控制電流的零位偏差值，圖中的分別為對(duì)應(yīng)變量的相對(duì)值，且有為接力器行程基準(zhǔn)值，Xr為主配位移基準(zhǔn)值，Ir為控制電流基準(zhǔn)值。K1、K2為增益系數(shù)，設(shè)接力器行程死區(qū)相對(duì)值為α1，主配位移死區(qū)相對(duì)值為α2，則有：

設(shè)Xv(t)為比例伺服閥的閥芯位移零位偏差值，從Id(t)到Xv(t)的傳遞關(guān)系可近似用一階微分方程表達(dá)[4]，即：

式中，Tv為比例伺服閥閥芯位移時(shí)間常數(shù)，K3為增益系數(shù)。

圖1中主要液壓元件對(duì)應(yīng)的液壓原理圖如下：

圖3 主要液壓元件原理圖

如圖3，比例伺服閥作為主配壓閥的先導(dǎo)級(jí)，其A口連接主配壓閥的控制腔，P口接壓力油，T口接回油；主配壓閥的A口連接接力器開(kāi)腔， B口連接接力器關(guān)腔，P口及恒壓腔接壓力油，T口接回油。

結(jié)合比例伺服閥閥芯處于零位的情況，比例伺服閥A口的壓力—流量特性方程為[5]：

式中，Qc(t)為流入到主配壓閥控制腔的壓力油流量，Pc(t)為主配壓閥控制腔的壓力，Ps為系統(tǒng)供油壓力，Cd1為比例伺服閥A口流量系數(shù)，W1為比例伺服閥A口面積梯度，ρ為油液密度。

忽略比例伺服閥A口和主配壓閥控制腔之間連接管路的泄漏，主配壓閥控制腔的流量連續(xù)性方程為：

式中，Ac為主配壓閥控制腔的有效作用面積。

將主配閥芯作為慣性負(fù)載和粘性負(fù)載，可建立關(guān)于主配壓閥閥芯的力平衡方程，于是有[5]：

式中，mc為主配閥芯的質(zhì)量，Bx為主配閥芯粘性阻尼系數(shù)，g為重力加速度，As為主配壓閥恒壓腔的有效作用面積。

結(jié)合主配壓閥閥芯處于零位的情況[5]，主配壓閥A口的閥口流量方程為式（7），主配壓閥B口的閥口流量方程為式（8）：

式中，Q1(t)為從主配壓閥A口流出到接力器開(kāi)腔的壓力油流量，Q2(t)為從接力器關(guān)腔流入到主配壓閥B口壓力油流量，Cd2、W2為主配壓閥A口和B口的閥口流量系數(shù)和面積梯度，P1(t)為接力器開(kāi)腔壓力，P2(t)為接力器關(guān)腔壓力。

忽略主配壓閥A口、B口分別和接力器開(kāi)腔、關(guān)腔之間連接管路的泄漏[6]，接力器開(kāi)腔和關(guān)腔的流量連續(xù)性方程分別為分別為接力器開(kāi)腔和關(guān)腔的活塞有效作用面積。將以上兩式合并可得：

將接力器活塞作為慣性負(fù)載和粘性負(fù)載，可建立關(guān)于接力器活塞的力平衡方程，于是有[5]：

式中，mt為接力器活塞和負(fù)載總運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，By為接力器活塞粘性阻尼系數(shù)。

于是，式（1）~（10）構(gòu)成了調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)非線性模型，其本質(zhì)是微分代數(shù)非線性方程組。

3 故障仿真與分析

將調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)非線性模型離散化后，設(shè)定總仿真時(shí)長(zhǎng)ts為80 s，仿真步長(zhǎng)dt為0.01 s。系統(tǒng)模型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)模型參數(shù)表

3.1 仿真條件類型

仿真條件分為兩個(gè)部分：（1）Id(t)、Xv(t)、Xc(t)和Y(t)的初始狀態(tài)；（2）外部輸入Ypid(t)的變化過(guò)程。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)初始狀態(tài)和外部輸入進(jìn)行組合，本文的仿真條件有下列3種類型：

表3 仿真條件類型表

3.2 故障模型

可將式（1）~（10）中部分模型改寫為故障模型。表1中各類故障的故障模型及其描述見(jiàn)表4。

表4 故障模型表

3.3 仿真結(jié)果

針對(duì)表1中的各類故障共進(jìn)行了9次仿真試驗(yàn)，仿真條件和故障參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表5，Id(t)、Xv(t)、Xc(t)和Y(t)在有故障和無(wú)故障時(shí)的仿真波形對(duì)比如圖4~12，（圖9、圖10中的Id(t)、Xv(t)、Xc(t)的波形均只截取最后10 s）。

根據(jù)仿真結(jié)果，可通過(guò)對(duì)Id(t)、Xv(t)、Xc(t)和Y(t)的故障波形進(jìn)行分析，總結(jié)故障的表現(xiàn)特性，探討故障的發(fā)生機(jī)制，進(jìn)而提出相應(yīng)的故障處理方法如表6。

圖4 仿真波形對(duì)比圖（試驗(yàn)①）

圖5 仿真波形對(duì)比圖（試驗(yàn)②）

圖6 仿真波形對(duì)比圖（試驗(yàn)③）

圖7 仿真波形對(duì)比圖（試驗(yàn)④）

圖8 仿真波形對(duì)比圖（試驗(yàn)⑤）

圖9 仿真波形對(duì)比圖（試驗(yàn)⑥）

圖10 仿真波形對(duì)比圖（試驗(yàn)⑦）

圖11 仿真波形對(duì)比圖（試驗(yàn)⑧）

圖12 仿真波形對(duì)比圖（試驗(yàn)⑨）

表6 故障分析表

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)以比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換裝置的調(diào)速器電液隨動(dòng)系統(tǒng)，從液壓控制的角度分析各主要液壓元件的工作原理，在建模過(guò)程中考慮了壓力油的壓力和流量等因素，使得系統(tǒng)模型在簡(jiǎn)單實(shí)用的同時(shí)盡量貼合實(shí)際系統(tǒng)特性。

本文根據(jù)故障類型引入相應(yīng)的故障模型，并設(shè)置適應(yīng)于模擬故障需求的仿真條件和故障參數(shù)，最后依據(jù)控制電流、比例伺服閥閥芯位移、主配壓閥閥芯位移和接力器行程的故障波形來(lái)總結(jié)故障的表現(xiàn)特性，探討故障的發(fā)生機(jī)制，提出相應(yīng)的故障處理方法，從而為故障診斷提供參考依據(jù)，在一定程度上提高故障診斷的準(zhǔn)確性和效率。