顏寧俊
(大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院,廣西 南寧 530000)
調(diào)速器電液隨動系統(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],對于調(diào)速系統(tǒng)本身,容易造成操作油管等機械部件的磨損和松動,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)速器電液隨動系統(tǒng)故障可導(dǎo)致機組溜負荷、過負荷或是有功波動,也可能造成機組離網(wǎng)時出現(xiàn)過速,對于雙調(diào)型機組,還會破壞導(dǎo)、槳葉之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系,繼而引發(fā)機組振動。因此,為了實現(xiàn)對調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)故障的及時診斷和有效處理,避免危及機組的安全穩(wěn)定運行,建立針對調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)故障的診斷機制就顯得極其重要[2]。
只考慮發(fā)生單一故障的情況,針對以比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換裝置的調(diào)速器電液隨動系統(tǒng),其在實際運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),以模型的簡潔實用為基本原則,建立了調(diào)速器電液隨動系統(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),實現(xiàn)對表1中各類故障的仿真模擬。通過對故障特征進行歸納總結(jié),探討相應(yīng)的故障發(fā)生機制并提出故障處理方法,進而在一定程度上提高故障診斷的準確性和效率。
一種典型調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)的工作原理圖如圖1:
圖1 調(diào)速器電液隨動系統(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,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,圖中的分別為對應(yīng)變量的相對值,且有為接力器行程基準值,Xr為主配位移基準值,Ir為控制電流基準值。K1、K2為增益系數(shù),設(shè)接力器行程死區(qū)相對值為α1,主配位移死區(qū)相對值為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[4],即:
式中,Tv為比例伺服閥閥芯位移時間常數(shù),K3為增益系數(shù)。
圖1中主要液壓元件對應(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,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載和粘性負載,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口分別和接力器開腔、關(guān)腔之間連接管路的泄漏[6],接力器開腔和關(guān)腔的流量連續(xù)性方程分別為分別為接力器開腔和關(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載和粘性負載,可建立關(guān)于接力器活塞的力平衡方程,于是有[5]:
式中,mt為接力器活塞和負載總運動質(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)速器電液隨動系統(tǒng)非線性模型,其本質(zhì)是微分代數(shù)非線性方程組。
將調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)非線性模型離散化后,設(shè)定總仿真時長ts為80 s,仿真步長dt為0.01 s。系統(tǒng)模型參數(shù)見表2。
表2 系統(tǒng)模型參數(shù)表
仿真條件分為兩個部分:(1)Id(t)、Xv(t)、Xc(t)和Y(t)的初始狀態(tài);(2)外部輸入Ypid(t)的變化過程。通過對系統(tǒng)初始狀態(tài)和外部輸入進行組合,本文的仿真條件有下列3種類型:
表3 仿真條件類型表
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表4。
表4 故障模型表
針對表1中的各類故障共進行了9次仿真試驗,仿真條件和故障參數(shù)設(shè)置見表5,Id(t)、Xv(t)、Xc(t)和Y(t)在有故障和無故障時的仿真波形對比如圖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,可通過對Id(t)、Xv(t)、Xc(t)和Y(t)的故障波形進行分析,總結(jié)故障的表現(xiàn)特性,探討故障的發(fā)生機制,進而提出相應(yīng)的故障處理方法如表6。
圖4 仿真波形對比圖(試驗①)
圖5 仿真波形對比圖(試驗②)
圖6 仿真波形對比圖(試驗③)
圖7 仿真波形對比圖(試驗④)
圖8 仿真波形對比圖(試驗⑤)
圖9 仿真波形對比圖(試驗⑥)
圖10 仿真波形對比圖(試驗⑦)
圖11 仿真波形對比圖(試驗⑧)
圖12 仿真波形對比圖(試驗⑨)
表6 故障分析表
本文針對以比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換裝置的調(diào)速器電液隨動系統(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)模型在簡單實用的同時盡量貼合實際系統(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總結(jié)故障的表現(xiàn)特性,探討故障的發(fā)生機制,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確性和效率。