陳博 何洪陽(yáng) 張曉光

摘要：核級(jí)設(shè)備必須通過(guò)抗震鑒定，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性，設(shè)備冷卻水泵配套電機(jī)要求在地震過(guò)程中正常啟停，然而各激勵(lì)引起的電機(jī)振動(dòng)未知?；诖?，采用了一種改進(jìn)EEMD方法，運(yùn)用該方法提取抗震試驗(yàn)過(guò)程中各激勵(lì)引起的振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)電機(jī)振動(dòng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：相比于地震載荷，電機(jī)在抗震試驗(yàn)中自啟動(dòng)引起的振動(dòng)明顯加劇，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)提出了更高要求。

關(guān)鍵詞：配套電機(jī) 抗震試驗(yàn) 改進(jìn)EEMD 振動(dòng)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TM623? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：

Vibration Analysis of Supporting Motor of Equipment Cooling Water Pump in Seismic Evaluation Test

CHEN Bo1? ?HE Hongyang2? ?ZHANG Xiaoguang3

（1. CNNP Nuclear Power Operations Management Co.， Ltd， Jiaxing， Zhejiang Province， 314300 China; 2. Nuclear Power Institute of China， Chengdu， Sichuan Province， 610213 China; 3. China National Nuclear Supply Chain Operation Co.， Ltd.， Shanghai， 200023 China）

Abstract： Nuclear grade equipment must pass seismic evaluation to verify its structural integrity and functional integrity. The supporting motor of cooling water pump is required to start and stop normally during earthquake， but the motor vibration caused by various excitation is unknown. Based on this， an improved EEMD method was used to extract vibration signals caused by various excitation in the process of seismic test， and the vibration of the motor was analyzed and evaluated. The results show that compared with the seismic load， the vibration caused by the motor's self-start in the seismic test is obviously aggravated， which puts forward higher requirements on the motor structure.

Key Words： Supporting motor; Seismic test; Improved EEMD; Vibration analysis

核電站泵及電機(jī)數(shù)量眾多，對(duì)核電站的安全運(yùn)行具有極其重要的作用，要求所有抗震I類(lèi)核級(jí)設(shè)備均需進(jìn)行抗震鑒定，以及在地震條件下保持結(jié)構(gòu)完整和功能完好[1-2]。抗震鑒定方法有分析法、試驗(yàn)法、分析與試驗(yàn)相結(jié)合、經(jīng)驗(yàn)反饋法。針對(duì)核電站泵及配套電機(jī)等核級(jí)設(shè)備第一次進(jìn)行抗震鑒定時(shí)，宜采用試驗(yàn)方法[3]。采用地震模擬振動(dòng)臺(tái)模擬地震載荷并加載其載荷，是目前核級(jí)設(shè)備抗震研究的重要手段之一。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)大綱要求，對(duì)核電站設(shè)備冷卻水泵配套電機(jī)進(jìn)行抗震鑒定試驗(yàn)，要求前3次運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）試驗(yàn)中電機(jī)不工作，后2次OBE試驗(yàn)在抗震開(kāi)始8s時(shí)電機(jī)進(jìn)行啟停操作?？拐痂b定試驗(yàn)主要驗(yàn)證被試樣機(jī)在試驗(yàn)前后結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性，然而國(guó)內(nèi)外學(xué)者鮮有研究冷卻水泵配套電機(jī)在抗震試驗(yàn)過(guò)程中各激勵(lì)對(duì)設(shè)備的振動(dòng)影響。

基于此，本文采用一種改進(jìn)的集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法（IEEMD），驗(yàn)證此方法的有效性;同時(shí)提取電機(jī)抗震試驗(yàn)中各激勵(lì)引起的振動(dòng)信號(hào)，并分析各激勵(lì)對(duì)電機(jī)振動(dòng)影響，為核級(jí)設(shè)備抗震及安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 鑒定試驗(yàn)

抗震鑒定試驗(yàn)在中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院6m6m大型高性能地震模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。地震臺(tái)臺(tái)面最大承載為60t，水平和垂直方向最大加速度分別為1g和0.8g，工作頻率為0.1～100Hz。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)抗震試驗(yàn)采用人工模擬加速度時(shí)程作為輸入，包括5次運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）和1次安全停堆地震（SSE）試驗(yàn)。本文抗震試驗(yàn)的樓層反應(yīng)譜為公共筏基上的核島廠房（BRX、BFX、BSX）設(shè)計(jì)樓層反應(yīng)譜;阻尼系數(shù)取2%，標(biāo)高-9.6m。要求OBE試驗(yàn)時(shí)間為30s，前3次OBE試驗(yàn)中電機(jī)不工作，后2次OBE試驗(yàn)在抗震開(kāi)始8s時(shí)電機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)入工作狀態(tài)。

設(shè)備冷卻水泵配套電機(jī)為安全級(jí)K3類(lèi)10kV級(jí)電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1489r/min，安全等級(jí)為SC1級(jí)，抗震等級(jí)為SSE1類(lèi)。在電機(jī)頂部布置一組三向加速度傳感器。系統(tǒng)輸入激勵(lì)為上述模擬的人工加速度時(shí)程。限于篇幅，僅對(duì)OBE第3次試驗(yàn)和OBE第4次試驗(yàn)時(shí)，電機(jī)頂部的橫向振動(dòng)進(jìn)行分析。系統(tǒng)的采樣頻率為2048Hz。

圖1為電機(jī)頂部的橫向振動(dòng)時(shí)域波形。在OBE第3次試驗(yàn)中電機(jī)一直處于不工作狀態(tài)，由于地震載荷引起的振動(dòng)幅值在±5m/s2左右;OBE第4次試驗(yàn)中抗震開(kāi)始8s時(shí)電機(jī)啟動(dòng)，在啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng)，其加速度振動(dòng)幅值達(dá)10.3m/s2。

2 振動(dòng)信號(hào)分析方法研究

2.1 分析方法及驗(yàn)證

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）是美國(guó)華裔科學(xué)家Huang提出的一種新型的時(shí)域分析方法 [4-5]，可將信號(hào)分解為含有不同時(shí)間尺度的本征函數(shù)（IMF）和一個(gè)余項(xiàng)，且需要滿(mǎn)足以下兩個(gè)定義條件：（1）對(duì)于一組數(shù)據(jù)極值點(diǎn)和過(guò)零點(diǎn)數(shù)相等或至多相差1;（2）在任一點(diǎn)由局部極大值和局部極小值構(gòu)成的包絡(luò)，其平均值為0。其表達(dá)式為：

（1）

其中，x（t）為原始信號(hào)，ci（t）為篩選出來(lái)的信號(hào)，rn（t）為殘余項(xiàng)。EMD有許多優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域取得了應(yīng)用，然而該方法也存在一些問(wèn)題，如端點(diǎn)效應(yīng)、模態(tài)混疊等，阻礙它的進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。本文采用改進(jìn)EEMD方法[6]：

（1）利用最小二乘支持向量機(jī)和余弦函數(shù)窗對(duì)端點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)延拓，盡可能消除端點(diǎn)效應(yīng);

（2）采用一種集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥EMD）方法[7-9]，通過(guò)噪聲輔助分析促進(jìn)抗混分解，從而有效抑制模態(tài)混疊。

改進(jìn)EEMD方法可有效地消除端點(diǎn)效應(yīng)和抑制模態(tài)混疊。本文采用仿真信號(hào)由幅值為1頻率為8Hz正弦信號(hào)、幅值為0.6頻率為60Hz正弦信號(hào)和高斯脈沖信號(hào)組成，仿真信號(hào)s如圖2所示。

圖3（a）為對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行EMD分解得到4階IMF分量和余項(xiàng)，可知各本征分量?jī)啥藬?shù)據(jù)產(chǎn)生發(fā)散，同時(shí)各IMF分量也存在嚴(yán)重的模態(tài)混疊現(xiàn)象。

下面，采用2.1節(jié)所述的改進(jìn)EEMD方法對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行分解，首先利用最小二乘支持向量機(jī)預(yù)測(cè)延拓原始信號(hào)的端點(diǎn)，然后通過(guò)余弦加窗處理;再對(duì)加窗處理的信號(hào)進(jìn)行EEMD分解，將分解結(jié)果得到的IMF分量去掉延拓部分，圖3（b）為改進(jìn)EEMD分解結(jié)果。由圖可知，高斯脈沖信號(hào)（為IMF1分量）、頻率為60Hz正弦信號(hào)（為IMF2分量）和頻率為8Hz的正弦信號(hào)（為IMF3和IMF4重構(gòu)獲?。┛捎行У胤蛛x出來(lái)，采用改進(jìn)方法分解的信號(hào)明顯更符合實(shí)際，說(shuō)明該方法對(duì)消除端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊具有很好的效果。

2.2 電機(jī)振動(dòng)信號(hào)提取

如圖1所示的OBE第4次實(shí)測(cè)振動(dòng)，電機(jī)在抗震鑒定試驗(yàn)中啟動(dòng)，引起電機(jī)振動(dòng)的激勵(lì)有：地震載荷和電機(jī)自啟動(dòng)。其中地震載荷引起的電機(jī)振動(dòng)可視為隨機(jī)非平穩(wěn)信號(hào)，地震過(guò)程中電機(jī)自啟動(dòng)引起的振動(dòng)視為高斯脈沖信號(hào)。

針對(duì)OBE第4次實(shí)測(cè)信號(hào)10.5～12.5s的數(shù)據(jù)，采用2.1小節(jié)的方法進(jìn)行分解。圖4所示為對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)EEMD分解結(jié)果（限于篇幅，這里只列出IMF2～I(xiàn)MF5和余項(xiàng)res），可以看出：信號(hào)延拓和加窗處理對(duì)端點(diǎn)效應(yīng)具有良好效果，集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸庖部梢种颇B(tài)混疊。

相關(guān)性系數(shù)可很好地表征各IMF分量和原始信號(hào)的相關(guān)性，具體值如表1所示。通常認(rèn)為相關(guān)性系數(shù)大于閥值λ（取0.5）的IMF分量視為有效分量。

IMF1的頻譜分布在整個(gè)頻段，表現(xiàn)為信號(hào)包含的噪聲或其他干擾信號(hào);IMF2～I(xiàn)MF3的相關(guān)系數(shù)均大于0.5，認(rèn)為是抗震試驗(yàn)中電機(jī)自啟動(dòng)引起的振動(dòng)（用綠色表示）;同時(shí)重構(gòu)其他剩余的IMF分量，得到地震載荷引起的電機(jī)振動(dòng)（用藍(lán)色表示）。各激勵(lì)引起的振動(dòng)見(jiàn)圖5所示，可知在抗震試驗(yàn)中電機(jī)自啟動(dòng)，將導(dǎo)致振動(dòng)明顯加劇。

2.3 信號(hào)提取結(jié)果驗(yàn)證

將2.2節(jié)重構(gòu)得到的地震載荷引起的振動(dòng)（圖5藍(lán)色所示）與OBE第3次試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。忽略時(shí)域上可能存在的相位差異，由圖6可知，振動(dòng)加速度幅值大致相等，且變化趨勢(shì)基本相同，說(shuō)明該方法能有效提取出電機(jī)抗震試驗(yàn)中自啟動(dòng)引起的振動(dòng)，從而驗(yàn)證了該方法的有效性。

3 結(jié)果分析

采用加速度最大值、最小值和均方根值等指標(biāo)評(píng)價(jià)電機(jī)抗震試驗(yàn)中各激勵(lì)引起的振動(dòng)。

由表2所示可知，由于地震載荷激勵(lì)引起的電機(jī)振動(dòng)加速度幅值絕對(duì)值最大為4.948m/s2，電機(jī)自啟動(dòng)引起的振動(dòng)加速度幅值絕對(duì)值最大為8.335m/s2，比僅地震載荷作用下的振動(dòng)大很多;在抗震鑒定試驗(yàn)中電機(jī)自啟動(dòng)引起的振動(dòng)是地震載荷和自啟動(dòng)兩種激勵(lì)共同的結(jié)果，是僅地震載荷下的2倍多;相比于地震載荷，抗震鑒定試驗(yàn)中電機(jī)自啟動(dòng)引起的振動(dòng)加速度均方根值由1.409增大到1.867，增加了32.51%。

地震載荷激勵(lì)引起電機(jī)產(chǎn)生較大振動(dòng)，然而在地震過(guò)程某時(shí)刻啟動(dòng)電機(jī)，將導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)明顯加劇，這對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)提出了更高要求。該電機(jī)經(jīng)抗震試驗(yàn)鑒定，在規(guī)定的地震載荷作用下及作用后結(jié)構(gòu)完整、功能完好，抗震鑒定合格。

4 結(jié)語(yǔ)

核級(jí)設(shè)備必須通過(guò)抗震鑒定，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性，設(shè)備冷卻水泵配套電機(jī)要求在抗震試驗(yàn)過(guò)程中啟停，導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)明顯加劇，對(duì)其結(jié)構(gòu)提出更高要求。本文采用一種改進(jìn)EEMD方法對(duì)抗震試驗(yàn)中電機(jī)自啟動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)進(jìn)行提取，并分析各激勵(lì)對(duì)電機(jī)振動(dòng)影響。得出如下結(jié)論：（1）改進(jìn)的EEMD方法能有效抑制端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊，對(duì)仿真信號(hào)分解驗(yàn)證了該方法的可行性，同時(shí)能有效提取出抗震試驗(yàn)中電機(jī)自啟動(dòng)時(shí)引起的振動(dòng);（2）相比于地震載荷，電機(jī)在抗震試驗(yàn)中自啟動(dòng)引起的振動(dòng)明顯加劇，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)提出了更高要求。為核級(jí)設(shè)備抗震及安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-5154 中圖分類(lèi)號(hào)：TM623 作者簡(jiǎn)介：

陳博（1983—），男，本科，工程師，研究方向?yàn)楹穗娫O(shè)備管理。

何洪陽(yáng)（1988—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榉磻?yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)及振動(dòng)控制。

張曉光（1978—），女，本科，工程師，研究方向?yàn)楹穗姀S設(shè)備質(zhì)保管理。