基于SimHydraulics的水轮机调速器电液随动系统故障仿真与分析

夏琳玲， 王印松， 刘 萌， 苏 杰

(华北电力大学自动化系，河北 保定 071003)

0 引 言

水轮机调速器作为水轮机转子转速的调节机构，其稳定性与可靠性直接影响到水轮发电机组的安全稳定运行，实际运行过程中，由于其精密零件较多、抗污染能力差，且常年处于高温高压等恶劣环境，导致故障发生率较高[1-2]。由于调速器系统结构复杂，内部故障具有一定的耦合性与隐蔽性，很难通过经验判断故障产生的位置及原因，在检修运维浪费大量人力、物力，因此进行水轮机调速器电液随动系统的故障模拟及诊断对于提高整个水轮发电机组的安全性、稳定性和经济性都有重要意义。

近年来，众多学者针对水轮机调速器电液随动系统的故障模拟与分析进行了大量研究。文献[3-5]中根据电液随动系统的数学机理模型证明伺服阀和液压缸分别作为电液随动系统的控制元件和执行元件，对该系统有着很大影响，其相关参数的选择决定了系统的位移响应和速度响应。文献[6-7]利用多个软件协同工作的办法对液压系统进行了故障建模与仿真方面的研究，通过定性分析系统中液压元件参数性能变化对系统性能的影响，归纳出几种主要故障模式及故障原因，为液压缸的故障诊断提供了参考。但多软件协同的仿真计算量较大，内部参数设置较复杂，多种参数不易于现场提取，不利于现场实际应用。文献[8]利用SimHydraulics仿真软件对液压系统了开环仿真分析，通过设置模型中液压元件的参数，模拟了系统在不同故障状态下执行机构的运动和响应特性对飞行操纵的影响并证明了模型有效性，但没有加入液压系统的反馈控制，此外仅利用模型输出曲线作为有效性的验证方法，缺少定量分析结果。

本文在全面分析水轮机调速器电液随动系统结构和工作原理的基础上，基于SimHydraulics软件搭建仿真模型[9]，通过设置系统的相关参数，模拟故障类型，在实际液压系统中，最为常见且危害性极大的故障情况有管路堵塞、液压泵压力不足故障、系统内漏故障、油液混入过量空气故障、摩擦卡死类故障，占据总故障的80%以上[10]，分析在这5种状况下活塞的动态特性，通过对比正常与故障情况下活塞的运动曲线仿真结果，并结合方差的定量分析验证了该仿真模型的有效性、实用性，为水轮机调速器电液随动系统的故障诊断以及预防工作提供了有效理论依据。

1 电液随动系统原理及建模

水轮机调速器电液随动系统作为调速器的重要组成部分，具有调节性能好、输出功率大和噪声低等优点，同时作为水轮机调速器的执行机构，其动态性能直接决定执行器的控制品质[11]。

1.1 系统结构图

水轮机调速器电液随动系统是基于反馈控制的闭环系统，通过位移给定和位移反馈控制活塞的左右移动达到系统的平衡，控制系统方框图如图1所示。该系统主要由控制器、三位四通换向阀、单向双作用液压缸、位移传感器等元件组成。调速器随动系统将位移传感器输出信号与给定信号形成偏差信号，送至控制器经过处理后控制四通换向阀，结合负载力去驱动液压缸的运动，构成循环回路时刻平衡系统的运行特性，达到系统随动目的。

图1 水轮机调速器电液随动系统控制系统方框图

1.2 系统工作原理

该系统的工作原理如图2所示，液压缸借助电磁换向阀控制工作台的往复运动。系统的驱动元件由液压泵和溢流阀以及过滤器构成，液压泵在溢流阀设定的恒定工作压力下持续向系统供油，过滤器过滤掉污物以保证运行安全。液压动力单元由三位四通换向阀和单极双作用液压缸组成。四通阀具有4个油口的控制阀，根据输入信号控制进油和出油，液压缸接收四通阀的油液信号，驱使活塞杆进行运动。连接到液压缸左端的位移传感器用于检测液压缸的位置，以形成反馈控制，从而达到系统稳定[12]。

图2 水轮机调速器电液随动系统工作原理图

当阀芯正向移动一定距离，则四通阀中的节流窗口b和d将接收到与前述误差信号成比例的开度信号，即阀芯移动的距离。滑阀动作后，油口P接收来自液压泵供给的压力油，连通节流窗口b和油口A构成进油口流入液压缸的左腔，此时节流窗口d和油口T连通构成出油口，多余的压力油则从油口B出油口流回油箱中。此时，液压缸活塞杆推动工作台向右移动，通过反馈回路减少误差和阀门的节流窗口开度，直到位移传感器的反馈信号与指令之间的误差为零，电液转换器返到零位，四通阀回到中心位置。当输出油液流量为零时，液压缸停止正向运行，保持静止状态，此时整个系统处于最佳平衡状态，这就实现了电液随动系统的控制目的。阀芯反向运动情况下亦然。

1.3 仿真模型建立

基于SimHydraulics软件提供的液压仿真模块搭建水轮机调速器电液随动系统，每个仿真模块对应真实的液压元件直接构成系统物理模型，在液压缸模型中加入流量传感器、位移传感器以方便观察系统管路内的油液流量以及活塞的运动状况，系统仿真模型如图3所示[13-14]。

图3 水轮机调速器电液随动系统仿真模型

1.4 系统参数设置

某水电站机调速器电液随动系统的相关参数如表1所示。

表1 某水轮机调速器电液随动系统主要参数

根据表1给的相关参数以及结合系统工作原理，仿真模型描述如下：

1）输入信号模块参数设置。为方便观察，建模中采用频率为1 Hz的正弦波信号模拟输入指令信号，在此水轮机调速器电液随动系统中没有应用主配压阀组，而是采用电磁换向阀替代传统的伺服阀，具有结构简单等特点，在此选用的是三位四通换向阀，中间放置PI控制器和电液转换器，将经过处理后的电信号转变为液压信号，从而控制三位四通阀门的开关。

2）液压驱动模块参数设置。设定5 MPa额定压力的常数模块，连接Simulink空间仿真信号到物理信号转换模块构成液压源部分。液压油类型设置为Fliud MIL-F-5606，相对空气含量为0.005，油温和黏度降额系数均保持默认值，为40和1。

3）液压接力器模块参数设置。根据表1将液压缸的A、B腔面积、活塞杆全行程设置为0.020 7 m2、0.17 m。负载部分由液压缸质量、弹簧和阻尼器构成，其中弹簧的弹性参数为250 N/m，阻尼器的系数为2 800 N/（m/s）。

4）其他辅助元件设置。加入了噪声干扰信号、运动传感器、信号转换模块等完善仿真模型，其中在液压缸后连接运动传感器用于检测活塞杆运动信息。另外加入示波器、工作空间模块便于分析系统响应特性。

1.5 模型仿真结果分析

根据所搭建仿真模型，系统接力器活塞杆的位移、接力器入口流量仿真输出曲线如图4、图5所示。

图4 活塞杆位移仿真结果

图5 入口流量仿真结果

根据给定信号输入，电液转换器将电信号转变为液压信号，操纵着三位四通换向阀阀门打开或者关闭，液压缸活塞杆位移也随之时刻发生变化。由图4可知，活塞杆的初始伸出量为0，此时信号发生器发出正向信号，活塞杆经历大约0.3 s后运动至最大行程，即0.17 m处，暂停运动至3.1 s后信号发生器发出反向信号，此时活塞杆开始往回运动，在经历大约0.4 s即在3.5 s时完全回到初始状态。

接力器入口流量随时间变化曲线如图5所示，入口初始油液流量为4×10–4m3/s，此时活塞杆处于正向运动状态，而在活塞杆往回运动时出现最大流量，高达13×10–4m3/s，出现此种状况的原因是活塞杆在正向运动时，接力器处于受压状态，此情况下表现为压力大模式，从而导致入口流量小，而在往回运动时，接力器处于受推状态，此情况下表现为压力小模式，从而导致入口流量大。根据图4、5中接力器活塞杆位移、入口流量变化的性能曲线，反映出系统操纵反应速度较快，仿真模型具有较好的动态特性。

2 电液随动系统模拟故障仿真及分析

实际工况中，水轮机调速器电液随动系统存在着许多故障隐患，例如管路堵塞、油液混入过量空气、液压泵劣化等，当这些系统的部分劣化到一定程度会影响到整个电液系统的运行，进而影响整个水轮机组的运作，造成严重后果。由于电液随动系统结构和元器件较精密，许多故障在初期对系统运行影响较小，不易被察觉，从而造成极大隐患，在检修运维方面浪费大量人力、财力。

基于前文所搭建的系统仿真模型，模拟不同类别的系统故障，分析不同状况下活塞杆的位移动态特性。

2.1 系统管路堵塞故障

研究表明，在液压系统中许多故障发生的根本原因都离不开油液的污染，由于油液污染将导致不同程度的管道堵塞。由图3可知，改变四通阀和液压缸入口之间的液压管路内径可以模拟不同程度的系统管路堵塞，内径参数越小，代表模拟的管路堵塞越严重。根据实际参数，该管路在最佳状态下内径为0.007 m，在此将其设置为0.005 m、0.003 m，分别模拟管路中度堵塞、重度堵塞故障，并分析不同状况下活塞杆的动态特性。

2.1.1 系统管路堵塞仿真图故障分析

管路堵塞仿真结果如图6所示，可以看出中度堵塞情况下与正常情况下活塞杆位移曲线差别并不明显，但重度堵塞情况下可以明显看出此时活塞杆位移变化逐渐变得缓慢，可以初步得出结论：随着系统管路堵塞程度的增加，系统反应变得缓慢，响应性和灵敏度都受到了一定程度的影响，若不及时维修将造成严重后果。

图6 液压缸入口不同堵塞状况下活塞杆的位移仿真

2.1.2 系统管路堵塞统计特征故障分析

前文就活塞杆位移特性动态性能曲线进行了分析，但是由图明显可以观察到，一些故障在初期阶段并不明显，因此在本小节采用位移仿真数据结合统计特征方差的定量分析对系统进行验证。

分别在液压缸入口中度堵塞、重度堵塞2种模拟情况下各采集仿真时间为100 s的数据，计算在正常情况比对下这2组数据的方差值，其中结果如表2所示。

表2 液压缸入口堵塞状况下方差对比

由表可知，液压缸入口管路中度堵塞情况下与正常情况下的方差相差不大，而重度堵塞情况下与正常情况下的方差相差甚远，说明了随着系统管路堵塞的程度加重，整个系统的性能在逐渐恶化。这和前文所呈现出的仿真图曲线特性一致，但根据方差值能够更加直观地看出系统性能的变化，这说明了根据统计特征故障分析能更好刻画系统动态特性。

2.2 液压泵压力不足故障

液压泵是液压系统的主要驱动元件之一，在发电机给定工作压力驱动下，从液压油箱中吸入油液，形成压力油送至执行元件。当额定工作压力不足时，容易造成驱动力的不足以及元件寿命的损害。通过设置给定常数模块可以模拟系统压力不足故障，正常情况下在此水轮机调速器电液随动系统中额定工作压力为 5×106Pa，将其设置为 1×106Pa、5×105Pa，分别模拟压力不足、压力严重不足的情况，并分析不同状况下活塞杆的动态特性。

2.2.1 液压泵压力不足仿真图故障分析

仿真结果如图7所示。由图可知，随着液压泵工作压力的不足，造成液压缸活塞杆运行位移变化的迟缓，在压力严重不足时，运动甚至开始停滞。从而可以得出结论：随着液压泵工作压力不足程度的增加，驱动系统推力不足，整个系统位移运行缓慢，系统变得不稳定，给后续工作造成了严重影响。

图7 液压泵不同工作压力状况下活塞杆的位移仿真

2.2.2 液压泵压力不足统计特征故障分析

前文就活塞杆位移特性仿真图进行了分析，在本小节采用仿真数据结合方差算法进行验证。在液压泵工作压力不足、压力严重不足二种情况下各采集仿真时间为100 s的数据，分别计算在正常情况比对下这2组数据的方差值，结果如表3所示。

表3 液压泵不同压力状况下方差及比值

由表可以观察出，方差值随着液压泵性能的变差逐渐减大，这说明随着液压泵工作压力不足程度的加深，系统整体稳定性下降，这与实际机组运作发生压力故障时的表现是一致的。

2.3 系统内漏故障

系统泄露在液压系统典型故障中较为常见，油液泄露共分为外泄露和内泄露两种类型，各有不同表现[9]。顾名思义，系统外泄露发生在系统外部，主要表现为液压油由内部系统泄露至外部环境中，此种泄露可通过经验观察较为轻松地排查出。而内泄露则不然，发生在系统内部，主要表现为内部元件之间的泄露、侵蚀，此种泄露不能够直观地观察到，隐蔽性极强且危害性极大。通过设置四通换向阀中的相关系数可以模拟系统不同程度的内漏故障，在此分别模拟中度、重度内漏的情况，并分析不同状况下活塞杆的动态特性。

2.3.1 系统内漏仿真图故障分析

3种模拟情况的仿真结果如图8所示，可以由图直观得知，中度内漏情况下相对正常情况下活塞杆位移特性无显著变化，而在重度内漏下活塞杆的位移变化明显逐渐停顿下来，同时可以观察到活塞杆响应时间变长。结合故障原因可以得知，在系统内部发生中度泄露时，液压泵的供油量在一定程度上补充了系统的内漏状况，因此活塞杆位移无明显变化。而发生重度内漏时，液压泵供油能力欠缺，在整个系统中所需的油液流量不足，从而导致工作压力异常，进而导致接力器不能正常运行。

图8 系统不同泄露状况下活塞杆的位移仿真

2.3.2 系统内漏统计特征故障分析

在系统中度内漏、重度内漏2种情况下各采集仿真时间为100 s的数据，分别计算在正常情况比对下这2组数据的方差值，结果如表4所示。

表4 系统不同泄露状况下方差及比值

由表可知，随着系统性能变差，此时系统是越来越不稳定的；同时，中度内漏情况下与轻度内漏情况下的方差值小于重度度内漏情况下与轻度内漏情况下的方差值，这种情况符合实际趋势。

2.4 油液空气含量过度故障

在液压系统中，油液系统里含有适量的空气含量会使油液有良好的可压缩性，使系统运作灵敏，但空气中相对气泡含量超标会导致严重的系统危害，通过在油液模块中设置不同的相对空气含量，其值越大，表明油液中相对空气含量越高，所导致的系统危害越严重。根据正常情况，该油液模块所默认状态下的油液相对空气含量为0.005，在此将其设置为0.01、0.05，分别模拟油液混入少量空气、过量空气下的故障情况，并分析不同状况下活塞杆的动态特性。

2.4.1 油液空气含量过度仿真图故障分析

故障仿真结果如图9所示。由图可知，随着油液中相对空气含量的增加，由于空气的可压缩性大，油液的不可压缩性受到破坏，使得液压系统的工作器官产生爬行，破坏工作的平稳性，有时甚至引起振动，影响机床正常工作。如果系统中混进了大量气泡，还容易造成油液变质，从而降低液压油的使用寿命，使液压元件受到损害。

图9 油液中不同相对空气含量下活塞杆的位移仿真

2.4.2 油液空气含量过度统计特征故障分析

在油液中混入少量空气、过量空气2种情况下各采集仿真时间为100 s的数据，分别计算在正常情况比对下这二组数据的方差值，结果如表5所示。

表5 油液中不同相对空气含量下方差及比值

由表可知，随着油液中相对空气含量值的增大，方差增大，此时系统的稳定性能变差，动态响应速度变慢，导致工作效率降低，在电液随动系统中表现为系统对水轮机调速器输入信号响应迟钝，甚至发生非指令自行为现象，对系统危害性极大，因此，要密切注意液压系统的排气，尽可能减少油液中空气的混入量。

2.5 摩擦卡死类故障

在液压油中存在着各种磨屑等污染物，从而造成液压系统中元件寿命的损耗，严重时甚至会发生卡死，造成系统无法正常运作。因此为了解故障现象与故障原因的直接联系，故对系统中的摩擦卡死类故障进行模拟。在该系统中，内部摩擦力主要来自液压缸内筒与其密封圈之间所发生的摩擦，经分析，系统正常运作下的内摩擦力约为2 800 N，在此将摩擦阻力设置为2倍、4倍情况下，分别模拟系统存在中度摩擦力、重度摩擦力下的故障情况，并分析不同状况下活塞杆的动态特性。

2.5.1 摩擦卡死类仿真图故障分析

图10显示了系统在正常情况、中度卡涩、重度卡涩情况下的位移曲线。可以看出，摩擦力增大，控制滑阀的位移控制灵敏度不高，直接导致活塞杆运动卡涩，系统迟缓率大、控制精度低、自动化程度低、引起的机组不稳定因素多、抗干扰能力弱等。因此要及时处理液压系统中油液的污染物，以防其大量堆积，造成严重后果。

图10 系统中不同摩擦阻力情况下活塞杆的位移仿真

2.5.2 摩擦卡死类统计特征故障分析

在系统存在中度摩擦力、重度摩擦力2种情况下各采集仿真时间为100 s的数据，分别计算在正常情况比对下这2组数据的方差值，结果如表6所示。

表6 系统中不同摩擦阻力情况下方差及比值

由表可知，随着系统中摩擦阻力增大，方差值增大，可以判断出系统整体性能变差，此时系统表现为卡涩、迟钝，这与前文中仿真图以及仿真分析表现一致，同时这种情况也符合实际系统中的动态趋势，进一步验证了所构建模型的有效性、输出数据的实用性。

3 结束语

基于SimHydraulics软件建立了水轮机调速器电液随动系统的仿真模型，仿真曲线所呈现出的运动响应特性与系统实际运行情况一致，验证了模型的有效性。在此基础上进一步改变模型中各液压元件的参数，模拟不同的故障状态并分析对活塞杆运动和响应特性的影响。文中对比了5种故障仿真情况，对照正常和故障情况，结合仿真图和方差的定量分析对活塞杆运动特性进行了全面分析，验证了该模型能够有效地反映该系统的运作过程以及工作状态。同时通过模拟故障仿真，能清楚直观了解故障发生机理、位置以及程度，这在实际应用中具有一定的现实意义。