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

文 | 劉文斌

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

文 | 劉文斌

隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的振動問題日益突出，已成為影響機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問題。轉(zhuǎn)子軸系（簡稱轉(zhuǎn)子系）是風(fēng)電機(jī)組傳動鏈的關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)子系振動是影響風(fēng)電機(jī)組振動的關(guān)鍵因素，特別是當(dāng)轉(zhuǎn)子系振動頻率與電網(wǎng)頻率成一倍頻和兩倍頻關(guān)系時，風(fēng)電機(jī)組易產(chǎn)生共振，導(dǎo)致鐵芯變形、槽楔松動、絕緣破壞、渦流損耗增加、局部過熱、電機(jī)燒毀等嚴(yán)重事故。因此在設(shè)計階段對轉(zhuǎn)子系模態(tài)振動頻率進(jìn)行模態(tài)測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，對該2MW風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子系振動進(jìn)行模態(tài)測試和分析研究。

模態(tài)測試系統(tǒng)

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗?zāi)B(tài)分析。

模態(tài)試驗是采用錘擊法得到力錘和各測定點之間的頻率響應(yīng)函數(shù)，通過參數(shù)辨識得到被測對象的模態(tài)頻率和振型。振動測試系統(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捕捉每次敲擊時產(chǎn)生的力，加速度傳感器捕捉結(jié)構(gòu)在力錘激勵下的振動響應(yīng)加速度，數(shù)據(jù)采集儀采集傳感器傳輸過來的數(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對象上，力傳感器固定在力錘錘頭。

邊界條件

圖1 模態(tài)測試系統(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現(xiàn)，但現(xiàn)實中實現(xiàn)有困難。因為用于自由邊界的懸掛或支承系統(tǒng)不可能剛度為零，用于固支邊界的夾具系統(tǒng)不可能剛度無窮大。因此，在模態(tài)試驗條件下不可能做到完全自由和完全固支。

對于自由邊界，要求實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)對結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響，實現(xiàn)模擬近似自由的邊界條件。因此對于低頻模態(tài)實現(xiàn)自由邊界很困難，但是對于高頻模態(tài)實現(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、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%，以保證測試結(jié)果的可信度。

根據(jù)試驗現(xiàn)場的具體條件，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)特性試驗選用方案二。

測點布置和錘頭選擇

模態(tài)試驗采用錘擊的激勵方式，根據(jù)被測試對象的特點，共選擇布設(shè)64個激勵點，以第#1、#33、#34點作為參考點，各布置1個傳感器。#1點對應(yīng)的位置為轉(zhuǎn)子端面X向，#33點對應(yīng)的位置為轉(zhuǎn)子中部Z向，#34點對應(yīng)的位置為轉(zhuǎn)子中部Y向，方向均與GL坐標(biāo)系一致。選用尼龍錘頭對各測點進(jìn)行錘擊。風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)試驗激勵點布置圖如圖2所示。

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

模態(tài)試驗數(shù)據(jù)采集主要包括：力信號數(shù)據(jù)和加速度信號數(shù)據(jù)。本次模態(tài)試驗共布設(shè)有64個測點，力錘每敲擊一個測點，同時產(chǎn)生力數(shù)據(jù)信號和3組加速度信號數(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，采取對每一個測點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激勵點的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行頻響函數(shù)計算，得到力信號與加速度信號傳遞函數(shù)和相干函數(shù)的曲線，如圖3所示。從曲線可以明顯看出，兩組信號的相干性較好，說明結(jié)構(gòu)的響應(yīng)是由激勵引起，也說明選用的力錘錘頭符合模態(tài)試驗要求。

圖2 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)試驗激勵點布置圖

圖3 信號數(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)試驗頻率結(jié)果（0Hz—2500Hz）

二、模態(tài)參數(shù)識別與篩選

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

參考點分析得到的前8階試驗?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、試驗結(jié)果校驗

模態(tài)置信度MAC矩陣能夠很好地評價模態(tài)向量空間交角。