杜濤(安徽東風(fēng)機電科技股份有限公司,安徽合肥230601)
儲能飛輪系統(tǒng)的動力學(xué)分析
杜濤(安徽東風(fēng)機電科技股份有限公司,安徽合肥230601)
為了研究儲能飛輪系統(tǒng)的動力學(xué),工程樣機選擇為電力儲能機械,在模態(tài)分析理論的基礎(chǔ)上,完成磁懸浮儲能飛輪模態(tài)分析系統(tǒng)的構(gòu)建。開展模態(tài)分析實驗時,樣機分析利用單自由度法,得出識別結(jié)果:一階模態(tài)頻率、模態(tài)阻尼分別為76.190Hz、3.73%。
儲能;飛輪;模態(tài)分析
飛輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下時,受到不平衡作用力、外界動力荷載的作用,相應(yīng)振動產(chǎn)生,振動比較輕時,會形成噪音污染,嚴重時會破壞結(jié)構(gòu),造成重大的安全事故。因此,開展儲能飛輪系統(tǒng)的動力學(xué)分析現(xiàn)實意義巨大。
結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中,具有基礎(chǔ)作用的為模態(tài)分析理論,模態(tài)分析屬于現(xiàn)代分析方法中的一種,主要對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進行研究,屬于工程振動領(lǐng)域中應(yīng)用的系統(tǒng)識別方法[1~7]。之所以要進行模態(tài)分析,目的在于通過系統(tǒng)特征方程,將特征值、特征向量求出。結(jié)構(gòu)振動時,固有頻率由特征值決定,固定頻率最低時,稱之為基頻。應(yīng)用于實際工程中時,有時為能將結(jié)構(gòu)共振避免,固有頻率需要設(shè)法避開,但有時需要將振動加強,此時固有頻率即會被利用起來。結(jié)構(gòu)整體上的剛度可以通過基頻表征,基頻如比較低,說明結(jié)構(gòu)整體剛度比較低,偏向柔軟,相反則表示結(jié)構(gòu)剛度比較強。特征向量就是振型,表示的意義為在特定頻率下結(jié)構(gòu)振動變形趨勢。通過振型,結(jié)構(gòu)剛度偏低的具體方向可以準確知曉,并采取措施提升此方向的剛度,促進結(jié)構(gòu)抗振性提升。理想狀態(tài)時,結(jié)構(gòu)模態(tài)可以獲得,然而在實際中并不能實現(xiàn),也沒有必要實現(xiàn)。振動頻率比較低時,并不會嚴重影響高階模態(tài),為了將計算效率提升,并降低工作量,一般只對前幾階或十幾階的模態(tài)進行獲取,更高階的模態(tài)直接舍棄。在本文中,以模態(tài)分析理論為基礎(chǔ),建立工程樣機,開展模態(tài)分析實驗。
工程上,振動結(jié)構(gòu)可以離散呈n自由度系統(tǒng),系統(tǒng)組成包含3部分,分別為有限個質(zhì)量元件、彈性元件、阻尼元件。在線性范圍內(nèi),n個主振動的疊加即可等于系統(tǒng)響應(yīng)[8~10]。對于主振動,均為自由振動,系統(tǒng)的主頻率即為其振動頻率,主振型也是其振動形態(tài)。在無阻尼系統(tǒng)和比例阻尼系統(tǒng)中,實數(shù)向量為主振型,即實模態(tài)系統(tǒng),該系統(tǒng)模態(tài)分析時,整個過程稱之為實模態(tài)分析。阻尼系統(tǒng)的粘性與結(jié)構(gòu)均一般時,復(fù)向量為主振型,其模態(tài)系統(tǒng)屬于復(fù)模態(tài)系統(tǒng),模態(tài)分析過程即復(fù)模態(tài)分析。在本文中,選擇結(jié)構(gòu)比例阻尼系統(tǒng),對模態(tài)分析理論做出介紹。
在結(jié)構(gòu)比例阻尼系統(tǒng)中,存在:
式中:[M]、[K]與[G]=α[M]+β[K]均表示矩陣,第一個為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣,第二個為剛度矩陣,第三個為結(jié)構(gòu)必留阻尼矩陣;{F}、{X}··均表示向量,第一個為激勵向量,第二個為加速度向量。此外,{X}表示離散質(zhì)量的n維位移。
在結(jié)構(gòu)中,質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、結(jié)構(gòu)比例阻尼矩陣均為已知時,激勵向量取數(shù)值0,同時,令離散質(zhì)量的n維位移為{X}={φ}eλt,可知:
在公式(2)中,特征值利用λ2表示,廣義上的特征向量的特征值問題即為φ。由此,可將二者的系統(tǒng)模態(tài)得出,此種方法即為模態(tài)解析求法。然而,已知的三個矩陣多數(shù)情況下并非為已知,這就需要將系統(tǒng)模態(tài)利用實驗方法求出。模態(tài)參數(shù)識別時,可采用的方法有兩種,一種為時域法,一種為頻域法,本文中簡單的介紹第二種方法。
經(jīng)傅立葉變換公式(1)后,得出如下公式:
或
式中:[H(ω)]是指頻響函數(shù)矩陣,利用{-ω2[M]+j[G]+[K]}-1表示。
接著再進行線性變換:
公式(5)中:{φ}表示特征矩陣,其構(gòu)成為n個特征向量,各特征向量線性無關(guān)。
同時,特征向量具備正交性:
在公式(1)中帶入公式(5)、(6)、(7)及公式(8),同時,左乘{φ}T,由此,將系統(tǒng)解耦方程組得出:
傅立葉變換公式(9)后,得到:
在公式(5)中帶入公式(10),得出:
通過對比公式(4)與(11),將頻響函數(shù)模態(tài)展開式得出:
將激勵{F}給予系統(tǒng)后,將響應(yīng){X}測量出來,即可將頻響函數(shù)[H(ω)]得到,最終,模態(tài)參數(shù)獲得。
在儲能飛輪系統(tǒng)中,組成零件比較多,開展建模工作時,首先對各個零件建模,之后再進行結(jié)合部建模工作,同時,裝配所有零件。建模時,簡化儲能飛輪,將其組成劃分為7個部分,分別為底座、下支撐、中間圓筒、電機定子、上支撐、真空罩、轉(zhuǎn)子,建立各部分實體模型時采用三維設(shè)計軟件,儲能飛輪結(jié)構(gòu)見圖1。
圖1 磁懸浮儲能飛輪結(jié)構(gòu)
圖2 為儲能飛輪系統(tǒng)的實物圖。
圖2 儲能飛輪
在進行模態(tài)分析實驗時,步驟包含三步:①建立測量系統(tǒng),建立時,磁懸浮儲能飛輪實際結(jié)構(gòu)為依據(jù),完成激振器、力傳感器及相應(yīng)傳感器的安裝;②測量頻率響應(yīng)函數(shù),采取恰當(dāng)?shù)姆椒ㄞD(zhuǎn)換時域數(shù)據(jù),將其變?yōu)轭l域數(shù)據(jù);③參數(shù)估計,估計工作依照頻響函數(shù)開展,或以時間歷程為直接方法進行。參數(shù)估計是,常用方法包含兩種,一種為單自由度方法,一種為多自由度方法。
多個模態(tài)振型疊加到一起后形成機械系統(tǒng)的振動。假設(shè),在給定頻帶內(nèi),重要模態(tài)只有一個,那么就可以確定其模態(tài)參數(shù),根據(jù)該假設(shè),測定模態(tài)時的采用的方法就是單自由度方法。利用單自由度方法進行參數(shù)估計時,可快速的完成計算,且不會占用比較大內(nèi)存,具有比較好的優(yōu)勢。但一階模態(tài)會在很大程度上影響系統(tǒng)運行,因此,本文中只識別系統(tǒng)一階模態(tài)。模態(tài)分析儲能飛輪系統(tǒng)時,利用但自由度法,由識別結(jié)果可知,一階模態(tài)頻率及模態(tài)阻尼比分別為76.190Hz、3.73%。見圖3。
圖3 峰值和模態(tài)檢測
在進行儲能飛輪系統(tǒng)模態(tài)分析時,以模態(tài)分析理論為基礎(chǔ),經(jīng)過模態(tài)分析實驗,參數(shù)估計采用單自由度法,將系統(tǒng)固有頻率及模態(tài)阻尼比獲得。
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2095-2066(2016)30-0267-02
2016-10-11