符向前+徐浩+賈梧桐

摘要：水輪發(fā)電機組故障是影響水輪發(fā)電機組安全、穩(wěn)定運行的最重要因素之一。設計開發(fā)出合適的水輪發(fā)電機組故障診斷模擬教學實驗臺，對于學生深刻理解和掌握各種故障機理的形成和排除手段，培養(yǎng)學生實踐和創(chuàng)新能力有很大幫助。

關鍵詞：水輪發(fā)電機組;故障診斷;教學實驗臺

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）25-0277-02

水輪發(fā)電機組故障診斷技術(shù)屬于流體機械及工程專業(yè)的一個重要研究方向，與水電能源的開發(fā)和生產(chǎn)實踐緊密相關。隨著水輪發(fā)電機組單機裝機容量和水頭的不斷提高，機組在長期運行中不可避免地會出現(xiàn)各種故障，因此高校有必要結(jié)合傳感檢測技術(shù)、電子計算機技術(shù)以及信號處理技術(shù)等，就已有故障診斷實驗設備，設計并開發(fā)出集教學和實驗于一體的水輪發(fā)電機組故障診斷模擬實驗平臺，對學生進行專業(yè)性、實踐性的實驗教學，通過學生的實際動手操作，發(fā)揮學生主體作用，激發(fā)他們的創(chuàng)新意識和實踐動手能力。

一、總體設計

實驗臺的設計應采用開放式、模塊化的思想，盡可能多地將控制實驗模擬各環(huán)節(jié)的實驗設備、電器元件等在實驗臺上展示出來，使學生能更輕松地對機組故障診斷模擬的各個環(huán)節(jié)進行逐個理解和掌握，便于更好地完成教學方案。[1]本文基于DH5922動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，開發(fā)研制出水輪發(fā)電機組故障診斷模擬教學實驗臺。實驗臺包括四大部分：計算機設備，進行編程控制、故障振動仿真和信號輸出顯示;水輪發(fā)電機組監(jiān)測與智能故障診斷系統(tǒng)，作為機組振動、擺度等模擬信號的輸入通道;轉(zhuǎn)子臺控制器，控制轉(zhuǎn)子實驗臺的啟停、轉(zhuǎn)速等;轉(zhuǎn)子實驗臺，作為水輪發(fā)電機組的簡化實驗模型。

該試驗臺故障診斷模擬包括以下幾個環(huán)節(jié)：機組典型故障信號采集;信號分析，基于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)監(jiān)測與診斷軟件LabVIEW編程進行信號的時域和頻域分析;機組典型故障振動的Matlab仿真，并與分析結(jié)果對比;根據(jù)分析結(jié)果對轉(zhuǎn)子臺的狀態(tài)進行判定、診斷和預測;根據(jù)判定結(jié)果對轉(zhuǎn)子臺控制器進行相應操作。

二、實驗臺硬件配置

1.轉(zhuǎn)子實驗臺。水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子實驗臺簡化圖如下圖1所示，應包括以下幾個部分：①底座;②主軸支座;③飛輪;④聯(lián)軸器;⑤軸承;⑥直流電機;⑦含油軸承及油杯;⑧光電轉(zhuǎn)速傳感器;⑨保護擋板支架。本文選擇DHRMT轉(zhuǎn)子實驗臺，既可用于實驗教學，也可用作動態(tài)實驗研究，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運作方便、實驗項目多、測試手段先進等特點。

2.信號采集裝置。信號采集是機組故障診斷的前提和基礎，模擬過程中必須采集到最能反映機組狀態(tài)的信號，故障診斷才能準確進行。所選擇的信號采集裝置要能夠準確得到機組振動、擺度等故障信號，并考慮到靈敏性、響應特性、線性范圍、性價比等因素。本文選擇DH9522水輪發(fā)電機組監(jiān)測與智能故障診斷系統(tǒng)，其包含轉(zhuǎn)速、擺度、振動等信號調(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算機通訊。

3.傳感器。信號的采集是通過各種傳感器進行的。傳感器將某些變化過程的物理量轉(zhuǎn)換為電信號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，所使用的傳感器應該具有足夠?qū)挼念l帶以及線性范圍，從而保證信號波形的畸變較小。此外，傳感器的輸出應該具有較大的動態(tài)范圍，以保證有較大的信噪比。[2]本文在詳細分析水輪發(fā)電機組故障診斷模擬所需參數(shù)要求和儀器性能的基礎上，對轉(zhuǎn)速傳感器、擺度傳感器、振動傳感器進行了選擇。其中擺度傳感器適配器型號UB5，輸入范圍-5V～5V，傳感器不供電;振動傳感器適配器型號UB1P，傳感器供電24V、4mA、恒流。

三、實驗臺軟件配置

1.基于LabVIEW軟件的信號分析。進行水輪發(fā)電機組故障診斷模擬時，必須進行故障信號的采集和分析處理，而這兩方面幾乎是所有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試儀器系統(tǒng)設計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，且在實驗教學中便于學生掌握。

2.典型故障的Matlab仿真。Matlab軟件具有強大的數(shù)值計算和仿真功能，針對水輪機組運行中的幾種典型故障，利用Matlab軟件，構(gòu)建相應仿真模型，得到轉(zhuǎn)子軸心軌跡圖、分岔圖、Poincare圖、時域圖和頻域圖，進行仿真試驗。通過仿真結(jié)果與實驗分析結(jié)果對比分析，不僅能加深學生對相關理論知識的理解，還有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和分析問題的能力。

四、典型故障診斷

本實驗臺根據(jù)實驗教學要求構(gòu)建轉(zhuǎn)子實驗臺及其控制器、故障信號采集裝置，基于LabVIEW開發(fā)了故障信號分析系統(tǒng)，并結(jié)合Matlab仿真，與實驗結(jié)果分析對比，可以準確模擬水輪發(fā)電機組各種典型故障。本文針對故障的實驗模擬過程和結(jié)論給出簡單說明。

1.故障診斷模擬過程：①人為在軸承支座下添加薄墊片，形成量，啟動轉(zhuǎn)子臺直流電機;②通過數(shù)據(jù)采集裝置采集故障下轉(zhuǎn)速、擺度、振動等信號，并進行信號預處理;③故障信號輸入計算機，通過LabVIEW信號分析系統(tǒng)對信號進行時域和頻域分析，如圖2和3所示;④通過Matlab軟件對水輪發(fā)電機組故障進行模擬仿真，得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時域波形圖、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)果進行對比分析，并與理論分析想結(jié)合。

2.故障診斷模擬結(jié)果。實驗結(jié)果與理論分析的對比表明，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在聯(lián)軸器連接時，其振動主要特征如下：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荷將有較大變化，負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)子負荷的增大而增高，當存在時，軸承上的振幅隨著負荷的增加呈增高趨勢;③故障的特征頻率為工頻的2倍;④主要引起徑向振動;⑤由故障產(chǎn)生的對轉(zhuǎn)子的激勵力隨轉(zhuǎn)速的升高而加大，激勵力與量成正比;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

本文設計并開發(fā)了水輪發(fā)電機組故障診斷模擬教學實驗臺。該實驗臺采用了開放性和模塊化的結(jié)構(gòu)設計理念，便于學生理解各子系統(tǒng)在實驗模擬不同環(huán)節(jié)中的作用，熟練掌握其操作情況，最終對整個實驗形成一個整體概念。用該實驗臺可進行各種故障診斷模擬實驗，建立以學生為主體的教學模式，讓學生融入到實驗中去，不僅能激發(fā)學生學習相關知識的興趣，提升學生創(chuàng)新能力和實踐動手能力，并且能提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，對水輪發(fā)電機組故障診斷模擬實踐教學起到很好的促進作用。[4]從長遠看，將該實驗臺用于高校實踐教學中具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]胡延平，宋曉娜，卜祥麗，等.數(shù)控機床故障診斷模擬教學實驗臺的設計與開發(fā)[J].中國電力教育，2014，（2）：180-181.

[2]周綺鳳，蔡維由.機組振動監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中信號的采集及處理[J].華東電力，2002，（4）：61-63.

[3]張艷芝，谷群.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動機理及特征分析[J].壓縮機技術(shù)，2010，（5）：12-15.

[4]冷軍發(fā)，華偉，荊雙喜.機械故障診斷實驗教學改革與創(chuàng)新[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009，（11）：104-106.endprint