一種汽輪機組專用的油動機性能測試裝置的製作方法
2024-03-28 10:25:05 1
本發明涉及汽輪機發電調節系統油動機的測試領域，特別涉及一種汽輪機組專用的油動機性能測試裝置。
背景技術：
發電廠發電基本過程是通過將水加熱至蒸汽狀態，推動汽輪機發電。汽輪機發電也是我國主要的發電形式。在發電過程中，需要通過調節汽輪機蒸汽的進汽量來保持汽輪機轉子3000轉每分鐘的轉速。同時由於發電過程中電力不能大量儲存，發電量由用戶需求來決定。以此也需要控制汽輪機蒸汽的進氣量來調節發電功率滿足用電需求。汽輪機調節系統的主要作用就是轉速調節與功率調節。
汽輪機調節系統，通過調節汽輪機進汽量來調節汽輪機轉子的轉速與發電功率。其執行機構就是油動機，在油動機的帶動下調節進汽閥門的開度，達到調節進汽量目的。油動機的另外一個主要功能是，在液壓系統中安全油(即插裝閥上腔控制油)卸荷後，在彈簧力的作用下實現快速關閉。
油動機，也稱為液壓伺服馬達，由油缸、伺服閥、電磁閥、卸荷閥、位移傳感器、行程開關、單向閥和測壓接頭等組成。結合附圖可以看到油動機工作原理。油動機具有液壓系統控制精度高、輸出力矩大、行程速度快、便於實現頻繁換向的優點。在汽輪機進汽閥門調節中具有廣泛的應用。對於汽輪機中使用的油動機通常具有精度要求高，功率及體積大。由於汽輪機發電需要高度的可靠性，油動機的性能檢測是不可缺少的。當前，對於油動機進行的專用檢測裝置進行研發設計具有重要意義。
油動機的檢測試驗，通常是油動機開啟、關閉汽門試驗，在緊急情況下快速開啟、快速關閉。對於油動機功能檢測需要模擬實際工況條件進行試驗。在實際汽輪機中使用，還需要給出延遲時間、緩衝時間、終端速度、閥門起始位彈簧彈力、閥門全開位彈簧彈力、摩擦力、開啟時間、關閉時間等參數。這些參數可以用來檢測油動機是否合格，也可以用於整體評估汽輪機發電的性能，提高汽輪機系統建模的準確性。同時對於這些基本參數的檢測，也可以為油動機的設計提供指導。
本發明的方案便是針對上述問題對現有油動機測試裝置進行的改進。
技術實現要素：
為了克服現有技術中的不足，本發明提供一種汽輪機組專用的油動機性能測試裝置，解決現有油動機測試裝置測試不方便、測量精度不高的問題。
為了達到上述發明目的，解決其技術問題所採用的技術方案如下：
一種汽輪機組專用的油動機性能測試裝置，包括第一快關電磁閥、第二快關電磁閥、第一插裝閥、第二插裝閥、伺服閥、過濾器、油泵、油箱、閥門、彈簧、油缸、放油口、緩衝油口、位移傳感器、工控機和伺服卡，其中：
所述油泵經所述過濾器後分別與所述第一快關電磁閥、第二快關電磁閥及伺服閥的p口連通；
所述油箱分別與所述第一快關電磁閥和第二快關電磁閥的t口及油缸的進油口連通；
所述第一插裝閥和第二插裝閥的b口分別與所述伺服閥的t口以及所述油缸的進油口連通，所述第一插裝閥和第二插裝閥的a口分別與所述伺服閥的b口以及所述放油口和緩衝油口連通；
所述彈簧套設在所述油缸的活塞杆外，所述閥門設置於所述活塞杆頂端；
所述位移傳感器分別與所述油缸的活塞杆及所述工控機連接，用於測量油動機活塞的行程變化，並將行程變化量轉換成行程信號輸送至所述工控機；
所述工控機的輸入端分別與所述位移傳感器和油缸放油口連接，用於接收所述位移傳感器輸送過來的行程信號以及所述放油口輸送過來的油壓信號，輸出端與所述伺服卡連接，用於輸出電控制信號至所述伺服卡；
所述伺服閥一端連接所述伺服卡，另一端連接所述第一插裝閥和第二插裝閥，用於將來自所述伺服卡的電控制信號轉換為電壓信號，進而控制進油口的進油量。
進一步的，在正常工況下，第一快關電磁閥和第二快關電磁閥均保持帶電，高壓液壓油經過過濾器，通過兩個帶電的第一快關電磁閥和第二快關電磁閥，到達第一插裝閥和第二插裝閥，由於油壓很高，第一插裝閥和第二插裝閥均關閉，第一插裝閥和第二插裝閥的a和b口不通，所述油缸的進油口與油箱之間的通路處於斷開狀態，
當所述伺服閥從所述伺服卡中獲得開啟閥門的控制信號後，所述伺服閥的閥芯右移，高壓液壓油從所述伺服閥經過放油口和緩衝油口進入所述油缸的入口處，所述油缸的進油壓力升高，高壓液壓油克服彈簧和摩擦阻力，通過所述油缸中的活塞杆帶動所述閥門運動，實現所述閥門的開度打開；
當所述伺服閥從所述伺服卡中獲得關閉閥門的控制信號，所述伺服閥的閥芯左移，所述油缸的進油口與所述油箱相連，所述閥門關閉。
進一步的，當出現緊急情況時，所述閥門快速關閉，通過斷開第一快關電磁閥或者第二快關電磁閥或者二者均斷開，所述油泵的高壓液壓油經過所述過濾器，通過第一快關電磁閥和第二快關電磁閥，使得第一插裝閥和第二插裝閥的上部保持高壓，第一插裝閥和第二插裝閥的a和b口之間接通，所述油缸的進油口和所述油箱相連，實現快速洩油，並在彈簧力的作用下，所述油缸中的活塞杆迅速右移，帶動所述閥門關閉，從而實現快關。
進一步的，還包括緩衝裝置，所述緩衝裝置設置於所述油缸的活塞杆上，用於降低活塞杆的運動速度以此實現所述閥門的低速關閉。
進一步的，還包括壓力傳感器，所述壓力傳感器與所述油缸連接，用於測量所述油動機的緩衝腔壓力、進油口壓力和回油口壓力。
進一步的，所述工控機還包括控制輸出模塊、數據採集模塊、濾波處理模塊、算法計算模塊、數據顯示模塊、報表生成模塊和列印模塊。
優選的，所述數據採集模塊為數據採集卡，所述數據採集卡採用帶隔離功能的多功能數據採集卡。
優選的，所述第一快關電磁閥和第二快關電磁閥為2位2通電磁閥，所述伺服閥為2位3通電磁閥。
優選的，所述位移傳感器採用lvdt型直線式差動位移傳感器，所述lvdt型直線式差動位移傳感器包括鐵芯和線圈骨架，所述鐵芯連接於所述油動機的活塞上，所述線圈骨架連接於所述油動機的殼體上。
本發明由於採用以上技術方案，使之與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果：
本發明性能測試裝置用於測試油動機的快關時間、開啟關閉性能、油動機的彈簧力大小、油動機活塞與油缸之間摩擦力大小的參數，並將這些參數進行分析計算之後以報表的形式保存在裝置中，方便存取。本發明對油動機的測試功能完善，所測數據準確，實用性強。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹。顯而易見，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。附圖中：
圖1是本發明一種汽輪機組專用的油動機性能測試裝置中的油動機工作原理圖；
圖2是本發明一種汽輪機組專用的油動機性能測試裝置中的油動機伺服控制方框圖；
圖3是本發明一種汽輪機組專用的油動機性能測試裝置中的油動機快關試驗程序框圖；
圖4是本發明一種汽輪機組專用的油動機性能測試裝置中的軟體設計模塊框圖。
【主要符號說明】
1-第一快關電磁閥；2-第二快關電磁閥；3-第一插裝閥；4-第二插裝閥；5-伺服閥；6-過濾器；7-油泵；8-油箱；9-閥門；10-彈簧；11-油缸；12-放油口；13-緩衝油口；14-位移傳感器；15-工控機；16-伺服卡。
具體實施方式
以下將結合本發明的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述和討論，顯然，這裡所描述的僅僅是本發明的一部分實例，並不是全部的實例，基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明的保護範圍。
本發明主要給出了用於油動機性能檢測的測試裝置，包括硬體設計及軟體設計。主要用於檢測油動機的快關特性、彈簧力大小、油動機摩擦力大小、油動機行程中的過衝量與過衝時間。其測試裝置能夠完成的試驗有：快關試驗、油壓試驗、開啟關閉試驗。該測試裝置的搭建，主要通過下述技術方案解決的：
如圖1所示，本發明公開了一種汽輪機組專用的油動機性能測試裝置，包括第一快關電磁閥1、第二快關電磁閥2、第一插裝閥3、第二插裝閥4、伺服閥5、過濾器6、油泵7、油箱8、閥門9、彈簧10、油缸11、放油口12、緩衝油口13、位移傳感器14、工控機15和伺服卡16，其中：
所述油泵7經所述過濾器6後分別與所述第一快關電磁閥1、第二快關電磁閥2及伺服閥5的p口連通；
所述油箱8分別與所述第一快關電磁閥1和第二快關電磁閥2的t口及油缸11的進油口連通；
所述第一插裝閥3和第二插裝閥4的b口分別與所述伺服閥5的t口以及所述油缸11的進油口連通，所述第一插裝閥3和第二插裝閥4的a口分別與所述伺服閥5的b口以及所述放油口12和緩衝油口13連通；
所述彈簧10套設在所述油缸11的活塞杆外，所述閥門9設置於所述活塞杆頂端；
所述位移傳感器14分別與所述油缸11的活塞杆及所述工控機15連接，用於測量油動機活塞的行程變化，並將行程變化量轉換成行程信號輸送至所述工控機15；
所述工控機15的輸入端分別與所述位移傳感器14和油缸放油口12連接，用於接收所述位移傳感器14輸送過來的行程信號以及所述放油口12輸送過來的油壓信號，輸出端與所述伺服卡16連接，用於輸出電控制信號至所述伺服卡16；
所述伺服閥5一端連接所述伺服卡16，另一端連接所述第一插裝閥3和第二插裝閥4，用於將來自所述伺服卡16的電控制信號轉換為電壓信號，進而控制進油口的進油量。
結合附圖1，油動機試驗臺的工作原理圖。在正常工況下，第一快關電磁閥1和第二快關電磁閥2均保持帶電，高壓液壓油經過濾器6，通過帶電的第一快關電磁閥1和第二快關電磁閥2，到達第一插裝閥3和第二插裝閥4，由於油壓很高，第一插裝閥3和第二插裝閥4均關閉，因此第一插裝閥3和第二插裝閥4的a和b口不通，所述油缸11的進油口與油箱8之間的通路處於斷開狀態。與此同時，當所述伺服閥5從所述伺服卡16中獲得開啟閥門9的控制信號後，所述伺服閥5的閥芯右移，高壓液壓油從所述伺服閥5經過放油口12和緩衝油口13進入所述油缸11的入口處，所述油缸11的進油壓力升高，高壓液壓油克服彈簧10和摩擦阻力，通過所述油缸11中的活塞杆帶動所述閥門9運動，實現所述閥門9的開度打開；當所述伺服閥5從所述伺服卡16中獲得關閉閥門9的控制信號，所述伺服閥5的閥芯左移，所述油缸11的進油口與所述油箱8相連，所述閥門9關閉。
當出現緊急情況，如甩負荷，需要所述閥門9快速關閉，此時通過斷開第一快關電磁閥1或者第二快關電磁閥2，或者二者均斷開，如圖1，此時所述油泵7的高壓液壓油經過所述過濾器6，通過第一快關電磁閥1和第二快關電磁閥2，使得第一插裝閥3和第二插裝閥4的上部保持高壓，第一插裝閥3和第二插裝閥4的a和b口之間接通，因此，所述油缸11的進油口和所述油箱8相連，實現快速洩油，並在彈簧力的作用下，所述油缸11中的活塞杆迅速右移，帶動所述閥門9關閉，從而實現快關。
快關時，由於所述彈簧10的作用力通常很大，會使得所述閥門9劇烈撞擊門壁，如果不採取措施，勢必會對所述閥門9和整個系統造成很大的損失，同時存在巨大的安全隱患。所以，設計緩衝裝置是必須的，即，所述測試裝置還包括緩衝裝置(未圖示)，所述緩衝裝置設置於所述油缸11的活塞杆上，用於降低活塞杆的運動速度以此實現所述閥門9的低速關閉。在圖1中，當活塞快關右移時，開始活塞中的液壓油可以從放油口12和緩衝油口13兩處節流閥同時出油，活塞快速關閉，當活塞的緩衝柱塞運動到關閉節流閥時，液壓油只能從緩衝油口13出油，由於緩衝油口13明顯的節流作用，剩餘的油形成強烈的反作用力，迫使活塞繼續右移，從而降低活塞運動速度，實現所述閥門9低速關閉。
該測試裝置的控制原理如附圖2所示，本測試裝置的硬體平臺系統除了建立複雜的數據採集、分析、顯示，以便對油動機的性能進行反映和研究外，還通過使用伺服卡16，對整個油動機系統實現閉環控制，從而實現對閥門9開度的任意控制，以設計完成我們相關參數測量實驗。其控制原理方框圖如附圖2所示。
進一步的，所述測試裝置還包括壓力傳感器(未圖示)，所述壓力傳感器與所述油缸11連接，用於測量所述油動機的緩衝腔壓力、進油口壓力和回油口壓力。本實施例中，所述壓力傳感器的壓力測量範圍覆蓋0-250bar，輸出信號4-20ma。根據實際使用中油動機型號不同，其內入油壓範圍也不同，需要根據實際情況選用不同測量等級的液壓傳感器。
優選的，所述數據採集模塊為數據採集卡，所述數據採集卡採用帶隔離功能的多功能數據採集卡，用於提供精確的測量和精準控制。其中，隔離性能包括：瞬間安全、去噪、降低接地循環、抑制共模電壓。本實施例中，所述數據採集卡採用與上位機軟體接口兼容性強的高速採集卡，為適應高速採集的要求，這裡要求採樣率高於1000hz的數據採集卡。
優選的，所述第一快關電磁閥1和第二快關電磁閥2為2位2通電磁閥，所述伺服閥5為2位3通電磁閥。
優選的，所述位移傳感器14採用lvdt(linearvariabledifferentialtransformer，線性可變差動變壓器)型直線式差動位移傳感器，所述lvdt型直線式差動位移傳感器包括鐵芯和線圈骨架，所述鐵芯連接於所述油動機的活塞上，所述線圈骨架連接於所述油動機的殼體上。在測量油動機活塞位置時工作原理為：當油動機活塞運動時，使得鐵芯與線圈產生相對位移，在其內部產生感應電動勢，該電壓大小取決於位移量的大小。感應電動勢的輸出也可以得出油動機活塞的位移。本實施例中採用所述lvdt型直線式差動位移傳感器進行測量，在於該位移傳感器測量精度高，量程也適於油動機活塞的行程。
在電氣控制部分，所述伺服卡16在油動機控制系統中具有重要作用，利用pid控制算法，對油動機的伺服閥5進行控制，由於控制閉環為負反饋控制，所以在伺服卡16和伺服閥5的共同作用下，可實現油動機活塞停留在任意位置上。
本實施例中，所述伺服卡16包括兩部分，一部分是i/o卡，包括了整個伺服卡16的輸入和輸出部分，具有lvdt反饋、deh輸入部分經通道切換至adc模數轉換部分，以及後面的dac數模轉換到電流輸出，同時也包含了短線檢測環節。另一部分是cpu板，主要包括了可編程邏輯器件及單片機到cpu環節、4-20ma閥位輸出顯示、電源電壓轉換模塊等。所述伺服卡16是基於arm板設計的單片機。其能接收輸入信號、運算的到輸出數據，其內部程序可以在對於arm板卡設計的單片機編程平臺上進行修改。
油動機使用現場一般環境惡劣，震動與噪聲較大，溫度變化也大，信號傳遞的導線一般比較長，導致信號在傳遞過程中容易收到幹擾，為了保住採集卡件安全和信號的穩定性，在測試裝置的搭建中，需要使用信號隔離器。通過採用信號隔離器能有效提高輸入、輸出和電源之間的電氣隔離性能。本實施例中，所述信號隔離器(未圖示)通常採用帶有屏蔽功能的電纜、隔離放大器等。
在完成油動機測試裝置的硬體部分的設計之後，還需要對軟體進行設計。本發明實現控制程序與交互界面的軟體編程。軟體設計可以分為以下幾個部分：控制輸出、數據採集保存、濾波處理、算法計算、數據顯示、報表生成、列印，具體的軟體設計流程圖如附圖3所示。該些軟體功能模塊主要設置於所述工控機中。即，所述工控機14還包括控制輸出模塊、數據採集模塊、濾波處理模塊、算法計算模塊、數據顯示模塊、報表生成模塊和列印模塊。
在油動機性能測試裝置中，我們需要測量行程信號、緩衝腔壓力信號和一些監測信號，這些路信號均為模擬電流信號；同時，為了對油動機測試裝置進行控制，我們要輸出一些控制信號：如電磁閥的開關信號、伺服閥的控制信號等，這裡需要三路do信號用於控制三個電磁閥和一路ao信號用於控制伺服閥。數據採集卡每塊使用兩路的ai通道，所以在硬體上需要rtsi總線電纜，該電纜可連接測量、視覺、運動和can板卡上的rtsi總線連接器，硬體上連接後還需要在軟體上編程實現連接。
附圖4顯示快關試驗設計的流程框圖。從流程圖可以看出，軟體設計可以分為如下幾個部分：控制輸出、數據採集保存、濾波處理、算法計算、數據顯示、報表生成、列印等。
首先，程序會執行一系列初始代碼，提醒用戶輸入各種數據存儲路徑、報表保存路徑等。同時，在做不同的實驗時，均需要輸入不同的初始設置，這種強大的交互性操作界面方便易用。
其次，初始化之後，整個程序將等待數據採集，此時，程序需要產生電磁閥、伺服閥等控制執行件的控制信號。
第三，控制信號驅使快關、油壓、開啟關閉、步響應不同的實驗模式開始，採集卡採集完數據後，一方面把原始數據進行保存，以便後續離線運算，另一方面，進行在線的參數計算和分析。在線分析過程中，先要對原始數據進行濾波處理，之後，在八種不同的採集模式下，進行算法的運算，計算出實驗模式下的測量參數，並進行保存。
第四，利用採集到的數據，進行離線分析處理，特別是波形處理，波形需要平滑，這裡程序中可以採用不同種濾波方法，如一階滯後濾波法、巴斯沃通濾波法等。得到不同模式下的圖形圖像並保存。
最後，利用報表系統模塊把實驗測得的油動機參數和圖形圖像分別導入已有的模板報表中，得到完整的實驗報告。模版報表根據設計為excel報表，方便列印及在其他電腦設備上的保存查閱。最後，列印生成報告。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。