文 | 劉文斌

2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系模態(tài)特性試驗(yàn)研究

文 | 劉文斌

隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題日益突出，已成為影響機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。轉(zhuǎn)子軸系（簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)子系）是風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈的關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)子系振動(dòng)是影響風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)的關(guān)鍵因素，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子系振動(dòng)頻率與電網(wǎng)頻率成一倍頻和兩倍頻關(guān)系時(shí)，風(fēng)電機(jī)組易產(chǎn)生共振，導(dǎo)致鐵芯變形、槽楔松動(dòng)、絕緣破壞、渦流損耗增加、局部過(guò)熱、電機(jī)燒毀等嚴(yán)重事故。因此在設(shè)計(jì)階段對(duì)轉(zhuǎn)子系模態(tài)振動(dòng)頻率進(jìn)行模態(tài)測(cè)試和分析研究非常重要。本文以某新型2MW中低速風(fēng)電機(jī)組為原型，對(duì)該2MW風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子系振動(dòng)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試和分析研究。

模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。通過(guò)試驗(yàn)將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。

模態(tài)試驗(yàn)是采用錘擊法得到力錘和各測(cè)定點(diǎn)之間的頻率響應(yīng)函數(shù)，通過(guò)參數(shù)辨識(shí)得到被測(cè)對(duì)象的模態(tài)頻率和振型。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由加速度傳感器、力傳感器、數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)采集儀和電腦組成。安裝在力錘錘頭的力傳感器用來(lái)捕捉每次敲擊時(shí)產(chǎn)生的力，加速度傳感器捕捉結(jié)構(gòu)在力錘激勵(lì)下的振動(dòng)響應(yīng)加速度，數(shù)據(jù)采集儀采集傳感器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至電腦中，從而獲取直觀的數(shù)據(jù)。模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中加速度傳感器固定在被測(cè)對(duì)象上，力傳感器固定在力錘錘頭。

邊界條件

圖1 模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

邊界條件可分為自由支承、固支支承和實(shí)際工作狀態(tài)支承。自由支承和固支支承邊界理論上容易實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)有困難。因?yàn)橛糜谧杂蛇吔绲膽覓旎蛑С邢到y(tǒng)不可能剛度為零，用于固支邊界的夾具系統(tǒng)不可能剛度無(wú)窮大。因此，在模態(tài)試驗(yàn)條件下不可能做到完全自由和完全固支。

對(duì)于自由邊界，要求實(shí)際支承的最高剛體頻率小于結(jié)構(gòu)最低的彈性頻率，即可減少懸掛系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響，實(shí)現(xiàn)模擬近似自由的邊界條件。因此對(duì)于低頻模態(tài)實(shí)現(xiàn)自由邊界很困難，但是對(duì)于高頻模態(tài)實(shí)現(xiàn)自由邊界很容易。目前，用于模擬自由邊界的方法主要有：橡皮繩懸掛（但要求橡皮繩足夠長(zhǎng)、足夠柔）、海綿墊支承、氣囊支承、橡膠墊支承、空氣彈簧支承、軟彈性支承或懸掛等。如模擬自由邊界條件，要求彈性體頻率是剛體頻率的5倍至10倍。如果不滿足此要求，應(yīng)考慮更換剛度更小的懸掛支承系統(tǒng)；其次應(yīng)保證包含支承結(jié)構(gòu)的剛體模態(tài)頻率小于結(jié)構(gòu)第一階固有模態(tài)頻率的20%或10%，以保證測(cè)試結(jié)果的可信度。

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，模擬自由邊界擬選擇以下兩種方案：方案一：支承式，考慮海綿等較軟的支承；方案二：懸掛式，考慮各種彈性吊具；本文模態(tài)特性試驗(yàn)選用方案二。

測(cè)點(diǎn)布置和錘頭選擇

模態(tài)試驗(yàn)采用錘擊的激勵(lì)方式，根據(jù)被測(cè)試對(duì)象的特點(diǎn)，共選擇布設(shè)64個(gè)激勵(lì)點(diǎn)，以第#1、#33、#34點(diǎn)作為參考點(diǎn)，各布置1個(gè)傳感器。#1點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置為轉(zhuǎn)子端面X向，#33點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置為轉(zhuǎn)子中部Z向，#34點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置為轉(zhuǎn)子中部Y向，方向均與GL坐標(biāo)系一致。選用尼龍錘頭對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行錘擊。風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)試驗(yàn)激勵(lì)點(diǎn)布置圖如圖2所示。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集主要包括：力信號(hào)數(shù)據(jù)和加速度信號(hào)數(shù)據(jù)。本次模態(tài)試驗(yàn)共布設(shè)有64個(gè)測(cè)點(diǎn)，力錘每敲擊一個(gè)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生力數(shù)據(jù)信號(hào)和3組加速度信號(hào)數(shù)據(jù)，共產(chǎn)生256組數(shù)據(jù)。為減少操作誤差，除避免力錘連擊現(xiàn)象外，采取對(duì)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)敲擊三次取平均的數(shù)據(jù)采集方式。

一、傳函相干分析

相干函數(shù)是判斷模態(tài)試驗(yàn)錘頭是否合適，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞的最主要手段。工程應(yīng)用中一般要求傳遞函數(shù)（FRF）峰值附近的相干函數(shù)大于0.75。選取#64激勵(lì)點(diǎn)的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行頻響函數(shù)計(jì)算，得到力信號(hào)與加速度信號(hào)傳遞函數(shù)和相干函數(shù)的曲線，如圖3所示。從曲線可以明顯看出，兩組信號(hào)的相干性較好，說(shuō)明結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是由激勵(lì)引起，也說(shuō)明選用的力錘錘頭符合模態(tài)試驗(yàn)要求。

圖2 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)試驗(yàn)激勵(lì)點(diǎn)布置圖

圖3 信號(hào)數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)和相干函數(shù)曲線圖

表1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)試驗(yàn)頻率結(jié)果（0Hz—2500Hz）

二、模態(tài)參數(shù)識(shí)別與篩選

為保證分析結(jié)果的正確性，模態(tài)識(shí)別算法的選取非常關(guān)鍵，本次模態(tài)試驗(yàn)選用PolyIIR參數(shù)識(shí)別算法，對(duì)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別和篩選。篩選出2500Hz以內(nèi)的模態(tài)頻率，并對(duì)篩選出的頻率進(jìn)行模態(tài)擬合。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)試驗(yàn)頻率表如表1所示

參考點(diǎn)分析得到的前8階試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型圖如圖4和圖5所示，從圖4和圖5可以明顯看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的低階模態(tài)主要集中在轉(zhuǎn)子兩端的細(xì)軸上，能夠較好地反映出轉(zhuǎn)子的固有特性。

三、試驗(yàn)結(jié)果校驗(yàn)

模態(tài)置信度MAC矩陣能夠很好地評(píng)價(jià)模態(tài)向量空間交角。