水轮发电机组故障诊断模拟教学实验台的设计与开发

符向前+徐浩+贾梧桐

摘要：水轮发电机组故障是影响水轮发电机组安全、稳定运行的最重要因素之一。设计开发出合适的水轮发电机组故障诊断模拟教学实验台，对于学生深刻理解和掌握各种故障机理的形成和排除手段，培养学生实践和创新能力有很大帮助。

关键词：水轮发电机组;故障诊断;教学实验台

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）25-0277-02

水轮发电机组故障诊断技术属于流体机械及工程专业的一个重要研究方向，与水电能源的开发和生产实践紧密相关。随着水轮发电机组单机装机容量和水头的不断提高，机组在长期运行中不可避免地会出现各种故障，因此高校有必要结合传感检测技术、电子计算机技术以及信号处理技术等，就已有故障诊断实验设备，设计并开发出集教学和实验于一体的水轮发电机组故障诊断模拟实验平台，对学生进行专业性、实践性的实验教学，通过学生的实际动手操作，发挥学生主体作用，激发他们的创新意识和实践动手能力。

一、总体设计

实验台的设计应采用开放式、模块化的思想，尽可能多地将控制实验模拟各环节的实验设备、电器元件等在实验台上展示出来，使学生能更轻松地对机组故障诊断模拟的各个环节进行逐个理解和掌握，便于更好地完成教学方案。[1]本文基于DH5922动态信号测试分析系统，开发研制出水轮发电机组故障诊断模拟教学实验台。实验台包括四大部分：计算机设备，进行编程控制、故障振动仿真和信号输出显示;水轮发电机组监测与智能故障诊断系统，作为机组振动、摆度等模拟信号的输入通道;转子台控制器，控制转子实验台的启停、转速等;转子实验台，作为水轮发电机组的简化实验模型。

该试验台故障诊断模拟包括以下几个环节：机组典型故障信号采集;信号分析，基于转子系统监测与诊断软件LabVIEW编程进行信号的时域和频域分析;机组典型故障振动的Matlab仿真，并与分析结果对比;根据分析结果对转子台的状态进行判定、诊断和预测;根据判定结果对转子台控制器进行相应操作。

二、实验台硬件配置

1.转子实验台。水轮发电机组转子实验台简化图如下图1所示，应包括以下几个部分：①底座;②主轴支座;③飞轮;④联轴器;⑤轴承;⑥直流电机;⑦含油轴承及油杯;⑧光电转速传感器;⑨保护挡板支架。本文选择DHRMT转子实验台，既可用于实验教学，也可用作动态实验研究，具有结构紧凑、体积小、运作方便、实验项目多、测试手段先进等特点。

2.信号采集装置。信号采集是机组故障诊断的前提和基础，模拟过程中必须采集到最能反映机组状态的信号，故障诊断才能准确进行。所选择的信号采集装置要能够准确得到机组振动、摆度等故障信号，并考虑到灵敏性、响应特性、线性范围、性价比等因素。本文选择DH9522水轮发电机组监测与智能故障诊断系统，其包含转速、摆度、振动等信号调理器，直流电压放大器，抗混滤波器，A/D转换器以及采样控制和计算机通讯。

3.传感器。信号的采集是通过各种传感器进行的。传感器将某些变化过程的物理量转换为电信号的形式输出以供分析。为了使最后的分析结果具有最小的误差，所使用的传感器应该具有足够宽的频带以及线性范围，从而保证信号波形的畸变较小。此外，传感器的输出应该具有较大的动态范围，以保证有较大的信噪比。[2]本文在详细分析水轮发电机组故障诊断模拟所需参数要求和仪器性能的基础上，对转速传感器、摆度传感器、振动传感器进行了选择。其中摆度传感器适配器型号UB5，输入范围-5V～5V，传感器不供电;振动传感器适配器型号UB1P，传感器供电24V、4mA、恒流。

三、实验台软件配置

1.基于LabVIEW软件的信号分析。进行水轮发电机组故障诊断模拟时，必须进行故障信号的采集和分析处理，而这两方面几乎是所有数据采集系统和测试仪器系统设计和分析的重要组成部分。由于虚拟仪器软件LabVIEW智能化程度、处理能力、可操作性等方面具有明显优势，且在实验教学中便于学生掌握。

2.典型故障的Matlab仿真。Matlab软件具有强大的数值计算和仿真功能，针对水轮机组运行中的几种典型故障，利用Matlab软件，构建相应仿真模型，得到转子轴心轨迹图、分岔图、Poincare图、时域图和频域图，进行仿真试验。通过仿真结果与实验分析结果对比分析，不仅能加深学生对相关理论知识的理解，还有助于培养学生的创新能力和分析问题的能力。

四、典型故障诊断

本实验台根据实验教学要求构建转子实验台及其控制器、故障信号采集装置，基于LabVIEW开发了故障信号分析系统，并结合Matlab仿真，与实验结果分析对比，可以准确模拟水轮发电机组各种典型故障。本文针对故障的实验模拟过程和结论给出简单说明。

1.故障诊断模拟过程：①人为在轴承支座下添加薄垫片，形成量，启动转子台直流电机;②通过数据采集装置采集故障下转速、摆度、振动等信号，并进行信号预处理;③故障信号输入计算机，通过LabVIEW信号分析系统对信号进行时域和频域分析，如图2和3所示;④通过Matlab软件对水轮发电机组故障进行模拟仿真，得到转子系统时域波形图、幅值谱图等，如图4和5所示;⑤将LabVIEW分析结果与Matlab仿真结果进行对比分析，并与理论分析想结合。

2.故障诊断模拟结果。实验结果与理论分析的对比表明，转子系统存在联轴器连接时，其振动主要特征如下：①轴承中的油膜压力发生变化，由于联轴器两端轴承的支承负荷将有较大变化，负荷减小的轴承在某些情况下可引起油膜失稳;②轴承的振幅随转子负荷的增大而增高，当存在时，轴承上的振幅随着负荷的增加呈增高趋势;③故障的特征频率为工频的2倍;④主要引起径向振动;⑤由故障产生的对转子的激励力随转速的升高而加大，激励力与量成正比;⑥在二维全息谱上除了转频分量较大外，其二倍频分量明显增大，可伴随高次谐波。[3，4]

五、结语

本文设计并开发了水轮发电机组故障诊断模拟教学实验台。该实验台采用了开放性和模块化的结构设计理念，便于学生理解各子系统在实验模拟不同环节中的作用，熟练掌握其操作情况，最终对整个实验形成一个整体概念。用该实验台可进行各种故障诊断模拟实验，建立以学生为主体的教学模式，让学生融入到实验中去，不仅能激发学生学习相关知识的兴趣，提升学生创新能力和实践动手能力，并且能提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，对水轮发电机组故障诊断模拟实践教学起到很好的促进作用。[4]从长远看，将该实验台用于高校实践教学中具有较好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]胡延平，宋晓娜，卜祥丽，等.数控机床故障诊断模拟教学实验台的设计与开发[J].中国电力教育，2014，（2）：180-181.

[2]周绮凤，蔡维由.机组振动监测与故障诊断系统中信号的采集及处理[J].华东电力，2002，（4）：61-63.

[3]张艳芝，谷群.转子系统振动机理及特征分析[J].压缩机技术，2010，（5）：12-15.

[4]冷军发，华伟，荆双喜.机械故障诊断实验教学改革与创新[J].中国现代教育装备，2009，（11）：104-106.endprint