趙震，譚亮，梁雙全，黃奕

(江蘇中車電機(jī)有限公司，江蘇 大豐 224100)

0 引言

國(guó)內(nèi)外風(fēng)電市場(chǎng)經(jīng)過前幾年的迅速發(fā)展，目前進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展階段，但是隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展，也出現(xiàn)了很多意想不到的問題。其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)機(jī)組的主要旋轉(zhuǎn)部件，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響著整個(gè)機(jī)組的性能。發(fā)電機(jī)運(yùn)行振動(dòng)大是一種常見的故障，已經(jīng)成為影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組整體性能的重要因素。振動(dòng)過大不僅影響到發(fā)電機(jī)本身部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性、疲勞強(qiáng)度等，也會(huì)影響發(fā)電機(jī)機(jī)組主要部件的運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性及疲勞等問題[1]。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為一種廣泛應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域[2]，如果在設(shè)計(jì)初期不能對(duì)發(fā)電機(jī)每個(gè)部件及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)仿真分析，并選擇合適的彈性支撐，一旦裝機(jī)后出現(xiàn)發(fā)電機(jī)振動(dòng)大，就可能導(dǎo)致零部件損壞、電動(dòng)機(jī)掃膛、主軸彎曲及斷裂等問題，直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行等問題。因此對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行模態(tài)仿真分析，避免發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)方面的問題尤為重要[3]。

發(fā)電機(jī)振動(dòng)評(píng)價(jià)不僅在電動(dòng)機(jī)行業(yè)也在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)作為評(píng)價(jià)一個(gè)電動(dòng)機(jī)能不能可靠運(yùn)行的重要指標(biāo)[4]，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)問題也做了很多研究，而在彈性支撐選擇對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)影響方面研究的還是比較少的。本文以某款雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為原型，對(duì)其在兩種剛度彈性支撐下進(jìn)行模態(tài)仿真分析，對(duì)比彈性支撐剛度對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)頻率的影響，進(jìn)而尋找更有效的減少發(fā)電機(jī)振動(dòng)的措施。

1 建立發(fā)電機(jī)有限元仿真模型[5-7]

用三維軟件建立實(shí)體三維模型，在有限元仿真分析軟件中對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性添加。實(shí)體三維模型如圖1所示。

圖1 某雙饋實(shí)體三維模型

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要部件材料屬性如表1所示。

表1 分析采用的材料力學(xué)參數(shù)

2 模態(tài)仿真分析[8-10]

對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行模態(tài)仿真分析，首先對(duì)發(fā)電機(jī)主要部件進(jìn)行固有頻率仿真分析，其次對(duì)發(fā)電機(jī)在使用剛度為10kN/mm的彈性支撐下進(jìn)行模態(tài)分析，最后對(duì)發(fā)電機(jī)在使用剛度為12kN/mm的彈性支撐下進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析時(shí)軸承剛度輸入條件如表2所示。

表2 軸承剛度 (N/mm)

2.1 發(fā)電機(jī)固有頻率仿真分析

對(duì)發(fā)電機(jī)整體進(jìn)行模態(tài)仿真分析，前9階固有頻率如表3所示，前9階固有頻率振型如圖2所示。

表3 發(fā)電機(jī)整體的固有頻率

圖2 前9階固有頻率振型

2.2 彈性支撐剛度為10 kN/mm時(shí)模態(tài)分析

對(duì)發(fā)電機(jī)整體在安裝彈性支撐為10kN/mm的彈性支撐時(shí)進(jìn)行模態(tài)仿真分析，彈性支撐主要參數(shù)如表4和表5所示，前9階振動(dòng)頻率如表6所示，其中前9階靜態(tài)剛度時(shí)振型如圖3所示(由于前9階振型一致只是頻率不一致，動(dòng)態(tài)剛度振型圖在此省略)。

表4 彈性支撐為10 kN/mm靜態(tài)剛度 (N/mm)

表5 彈性支撐為10 kN/mm動(dòng)態(tài)剛度 (N/mm)

表6 彈性支撐為10 kN/mm時(shí)的振動(dòng)頻率 Hz

圖3 彈性支撐為10 kN/mm靜態(tài)剛度前9階振型

2.3 彈性支撐剛度為12 kN/mm時(shí)模態(tài)分析

對(duì)發(fā)電機(jī)整體在安裝彈性支撐為12kN/mm的彈性支撐時(shí)進(jìn)行模態(tài)仿真分析，彈性支撐主要參數(shù)如表7和表8所示，前9階振動(dòng)頻率如表9所示，其中前9階靜態(tài)剛度時(shí)振型如圖4所示(由于前9階振型一致只是頻率不一致，動(dòng)態(tài)剛度振型圖在此省略)。

表7 彈性支撐12 kN/mm靜態(tài)剛度 (N/mm)

表8 彈性支撐12 kN/mm動(dòng)態(tài)剛度 (N/mm)

表9 彈性支撐12 kN/mm時(shí)的振型頻率 Hz

圖4 彈性支撐為12kN/mm靜態(tài)剛度前9階振型

3 結(jié)語

1) 發(fā)電機(jī)在自由狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)的第一階頻率比較高，發(fā)電機(jī)振型主要是局部的振動(dòng)；在使用不同剛度彈性支撐后，發(fā)電機(jī)振型及頻率發(fā)生了一定的變化。從第一階頻率可以看出來，隨著彈性支撐的剛度增加，第一階的振動(dòng)頻率也在增加；從振型來看，前幾階主要是發(fā)電機(jī)的整體振動(dòng)，這種變化雖然不大，但是已經(jīng)可以看出不同剛度彈性支撐對(duì)發(fā)電機(jī)振型和頻率有一定影響。

2) 在沒有使用彈性支撐的圖2振型中可以看出來，振型都是局部振動(dòng)。在使用彈性支撐后，從圖3和圖4中可以看出前7階主要是發(fā)電機(jī)的整體振動(dòng)，7階以后才出現(xiàn)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)，這種變化主要是選擇的彈性支撐剛度引起的。

3) 在使用彈性支撐后，7階以后的振動(dòng)出現(xiàn)主要是發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引起的局部振動(dòng)，要想消除7階以后的振動(dòng)，只能對(duì)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止出現(xiàn)共振現(xiàn)象。