文/蔡繼峰 王丹丹 黃宇同 孫少華
風(fēng)電機(jī)組模態(tài)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析方法探討
文/蔡繼峰 王丹丹 黃宇同 孫少華
近年來,隨著資源消耗、環(huán)境污染等問題日漸突出,風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源越來越受到重視。目前,我國風(fēng)電裝機(jī)總量位居世界第一,新增裝機(jī)容量穩(wěn)中有降,風(fēng)電事業(yè)已進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期。由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)步入多兆瓦級(jí)并國產(chǎn)化后廣泛投入到風(fēng)電場(chǎng)中使用。葉片作為兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中核心部件其長度已達(dá)幾十米且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,傳動(dòng)鏈以及塔筒等關(guān)鍵部件尺寸也隨之增加,通過試驗(yàn)測(cè)試風(fēng)電機(jī)組相關(guān)部件的固有頻率難度隨之增加,且在此基礎(chǔ)上能夠消除測(cè)試中干擾因素以及提高模態(tài)識(shí)別精度顯得更為重要。目前,模態(tài)測(cè)試主要部位為葉片、傳動(dòng)鏈和塔架,通常的測(cè)量是在相應(yīng)的位置粘貼應(yīng)變片,然后進(jìn)行時(shí)序信號(hào)的采集,最后通過信號(hào)分析,來獲取相應(yīng)位置的模態(tài)頻率。但是目前直接進(jìn)行時(shí)序信號(hào)的頻譜分析時(shí),常會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值將真正的模態(tài)頻率淹沒其中,或者沒有峰值造成無法辨識(shí)真正的模態(tài)頻率,如圖1所示。本文在通過大量實(shí)踐后,結(jié)合數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn),給出了一套能較為有效的辨識(shí)真正模態(tài)頻率測(cè)試和數(shù)據(jù)分析方法。
本文采用的是MATLAB軟件平臺(tái)下的MCPSDE方法(Modified Covariance Power Spectral Density Estimation),相比簡單的FFT變換,該方法會(huì)額外進(jìn)行修正濾波,以減少頻域分析結(jié)果曲線的毛刺,對(duì)比結(jié)果見圖2,使用該方法時(shí)需要輸入用以進(jìn)行FFT變換的樣本點(diǎn)數(shù)和濾波的階數(shù)。
圖1 葉片正常運(yùn)行揮舞信號(hào)FFT變換譜線圖
單純使用MCPSDE方法,依然會(huì)出現(xiàn)真正的模態(tài)頻率被其它信號(hào)所淹沒,無法區(qū)分的情況。這就需要對(duì)測(cè)試時(shí)的機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行選擇,讓待分析的模態(tài)在該機(jī)組狀態(tài)下能量成分相對(duì)較高。例如:葉片揮舞方向在正常運(yùn)行下,模態(tài)能量成分相比其它成分并不明顯,而在空轉(zhuǎn)時(shí)則相對(duì)較高,如圖3所示。因此,當(dāng)需要進(jìn)行葉片揮舞頻率的測(cè)試時(shí),應(yīng)選擇機(jī)組在空轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)行測(cè)試和分析。
圖2 MCPSDE方法與FFT方法結(jié)果比對(duì)
經(jīng)過對(duì)大量的機(jī)組模態(tài)分析經(jīng)驗(yàn)歸納,各個(gè)部位的模態(tài)頻率測(cè)量推薦機(jī)組狀態(tài)見表1。
表1的結(jié)果雖然是從實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)歸納而來,但結(jié)合理論分析也能找到相關(guān)原因:
a:傳動(dòng)鏈模態(tài)適宜在停機(jī)過程中測(cè)試,因?yàn)橥C(jī)過程對(duì)傳動(dòng)鏈有較大的沖擊,引起傳動(dòng)鏈較大的振動(dòng),使模態(tài)能量成分較高。
圖3 正常運(yùn)行和空轉(zhuǎn)下葉片揮舞方向的頻譜結(jié)果比對(duì)
表1 風(fēng)電機(jī)組各部位模態(tài)分析推薦機(jī)組狀態(tài)表
a 葉片揮舞模態(tài)頻譜圖(空轉(zhuǎn))
b 葉片擺振模態(tài)頻譜圖(正常運(yùn)行)
c 傳動(dòng)鏈模態(tài)頻譜圖(急停)
d 塔架前后模態(tài)頻譜圖(急停)
圖4 推薦機(jī)組狀態(tài)下的各部位頻譜圖(a-e)
b:塔架模態(tài)不適宜在正常運(yùn)行中測(cè)試,因?yàn)樵谡_\(yùn)行時(shí)風(fēng)輪的3P分量會(huì)傳遞給塔架,影響塔架模態(tài)分析,而在停機(jī)過程和空轉(zhuǎn)下則無該影響。
c:葉片模態(tài)測(cè)試,在空轉(zhuǎn)時(shí)槳距角在90度附近,加上沒有機(jī)組運(yùn)行帶來的影響,葉片揮舞方向的振動(dòng)可以在空
對(duì)傳動(dòng)鏈有較大的沖擊,引起傳動(dòng)鏈較大的振動(dòng),使模態(tài)能量成分較高。
b:塔架模態(tài)不適宜在正常運(yùn)行中測(cè)試,因?yàn)樵谡_\(yùn)行時(shí)風(fēng)輪的3P分量會(huì)傳遞給塔架,影響塔架模態(tài)分析,而在停機(jī)過程和空轉(zhuǎn)下則無該影響。c:葉片模態(tài)測(cè)試,在空轉(zhuǎn)時(shí)槳距角在90度附近,加
上沒有機(jī)組運(yùn)行帶來的影響,葉片揮舞方向的振動(dòng)可以在空轉(zhuǎn)時(shí)很好的被凸顯,而對(duì)于葉片擺振方向的振動(dòng),則在槳距角0度附近的時(shí)候才能較好的體現(xiàn),所以選擇正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行葉片擺振模態(tài)的測(cè)試。
按上述推薦方法,對(duì)某機(jī)組的模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出,被測(cè)機(jī)組的各個(gè)部位的模態(tài)頻率,通過該方法可以很好在頻譜圖中得以表現(xiàn)。
本文通過合理的理論分析結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),給出風(fēng)電機(jī)組不同部位的模態(tài)測(cè)試時(shí)優(yōu)選的機(jī)組狀態(tài),結(jié)合優(yōu)化的數(shù)據(jù)分析處理方法,給出一套風(fēng)電機(jī)組模態(tài)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析方案。并且以某機(jī)組為例,使用該方法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析,其結(jié)果表明該方法下待測(cè)頻率的能量峰值突出,能進(jìn)行很好模態(tài)頻率的辨識(shí)。
(作者單位:北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司)