模態(tài)分析在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

李 俊，裘科名，楊藝偉，張 璟，莊益孌

（紹興市上虞區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，浙江 紹興 312300）

風(fēng)機(jī)是對(duì)氣體壓縮和氣體輸送機(jī)械的簡稱，通常包括通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其為從動(dòng)的流體機(jī)械，能利用輸入的機(jī)械能提高氣體壓力并排送氣體。風(fēng)機(jī)作為經(jīng)常出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)問題的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將受到較多因素的影響，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)無法平穩(wěn)運(yùn)行。而在機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究領(lǐng)域，模態(tài)分析為強(qiáng)有力的工具。目前，在風(fēng)機(jī)工程振動(dòng)研究領(lǐng)域，模態(tài)分析已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。因此，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)模態(tài)分析在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用分析，從而更好地利用該方法解決風(fēng)機(jī)振動(dòng)超標(biāo)問題。

1 模態(tài)分析在風(fēng)機(jī)中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究方面，模態(tài)分析為近代提出的一種方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程振動(dòng)問題的系統(tǒng)辨別。所謂的模態(tài)，即為機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性。而各模態(tài)擁有各自的固有頻率、振型和阻尼比，可以通過計(jì)算或試驗(yàn)獲得，獲得的過程被稱之為模態(tài)分析。在現(xiàn)代工業(yè)中，風(fēng)機(jī)為重要的機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)，在工作中會(huì)受到各種外界激勵(lì)，本身葉片不平衡量的存在也將導(dǎo)致不平衡作用力的產(chǎn)生，導(dǎo)致葉片承受氣流的激振力。在各種激勵(lì)的作用下，風(fēng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)問題。因此，在風(fēng)機(jī)研制的過程中，需要通過模態(tài)分析確認(rèn)風(fēng)機(jī)的固有振動(dòng)特性，以便采取科學(xué)的措施避免風(fēng)機(jī)出現(xiàn)共振問題。

2 模態(tài)分析在風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模態(tài)分析方面，主要通過2種途徑獲得模態(tài)參數(shù)：①可以通過理論計(jì)算分析獲得模態(tài)參數(shù)，該種分析過程被稱之為計(jì)算模態(tài)分析；②可以通過試驗(yàn)對(duì)采集的系統(tǒng)輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，該種分析過程被稱之為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。實(shí)際上，在風(fēng)機(jī)中應(yīng)用模態(tài)分析，既需要理論計(jì)算，也需要試驗(yàn)研究，以實(shí)現(xiàn)相互促進(jìn)。通過理論計(jì)算，可以確定風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型。通過試驗(yàn)，可以確定該結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)，然后利用動(dòng)力學(xué)模型對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的激勵(lì)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)。近年來，工程界普遍開展了以模態(tài)分析為基礎(chǔ)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究。在風(fēng)機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)上，運(yùn)用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)工作葉片的固有頻率特性及動(dòng)頻率特性展開數(shù)值分析，得到的振動(dòng)分析計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比誤差不超出3%.利用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片造型、網(wǎng)格劃分、載荷及約束的添加，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、改進(jìn)。在風(fēng)機(jī)輪轂設(shè)計(jì)上，目前，普遍利用有限元分析對(duì)同一材料條件下的輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行減重分析，然后結(jié)合分析結(jié)果采用鉆孔、變密度拓?fù)鋬?yōu)化等多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化。風(fēng)機(jī)輪轂作為大型金屬曲面結(jié)構(gòu)，具有載荷負(fù)載、實(shí)體體積大等特點(diǎn)，難以利用一般工程算法進(jìn)行分析。采用有限元方法展開模態(tài)分析，可以利用數(shù)學(xué)近似方法提高計(jì)算精度，也能適應(yīng)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析研究。

2.2 在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)方面，模態(tài)分析也得到了廣泛應(yīng)用。在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能評(píng)估上，可以結(jié)合模態(tài)振型、模態(tài)頻率和模態(tài)阻尼等參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。按照模態(tài)分析的基本方法，針對(duì)風(fēng)機(jī)組成的一般結(jié)構(gòu)，要求各階模態(tài)的工作頻率在半功率帶寬以外。針對(duì)葉片、輪轂等重要結(jié)構(gòu)，由于其模態(tài)振型給風(fēng)機(jī)整體振動(dòng)的貢獻(xiàn)較大，所以，還應(yīng)確保各結(jié)構(gòu)不影響風(fēng)機(jī)正常工作。

2.3 在風(fēng)機(jī)故障診斷和監(jiān)測中的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用的過程中，風(fēng)機(jī)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)故障。而在風(fēng)機(jī)故障診斷和監(jiān)測方面，模態(tài)分析方法也能得到應(yīng)用。利用模態(tài)分析，可以結(jié)合獲得的模態(tài)參數(shù)進(jìn)行故障識(shí)別。作為有效的故障診斷和監(jiān)測方法，采用該方法可以結(jié)合模態(tài)頻率變化對(duì)裂紋的出現(xiàn)情況進(jìn)行判別，并結(jié)合振型確認(rèn)裂紋的位置。針對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)引發(fā)的振動(dòng)故障，可以結(jié)合模態(tài)阻尼的變化判斷轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。而針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)裂紋缺陷引發(fā)風(fēng)機(jī)葉輪局部振動(dòng)的問題，通過對(duì)失諧葉輪結(jié)構(gòu)的固有頻率變化和模態(tài)局部化程度進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)裂紋引發(fā)葉輪結(jié)構(gòu)失諧的機(jī)理，并通過建立裂紋深度與葉輪結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性關(guān)系提出預(yù)防和改進(jìn)措施。采用計(jì)算模態(tài)分析方法，可以利用葉片等效模型對(duì)風(fēng)機(jī)故障進(jìn)行診斷。而針對(duì)真實(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下的故障診斷和監(jiān)測，還要利用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法展開研究。就目前來看，針對(duì)離心式風(fēng)機(jī)含裂紋葉片的風(fēng)機(jī)全狀態(tài)監(jiān)測問題，采用LMS Test Lab模態(tài)分析系統(tǒng)，可以完成風(fēng)機(jī)葉片模態(tài)分析試驗(yàn)，采用PolyMAX識(shí)別算法和最小二乘復(fù)頻域法進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別，然后采用多點(diǎn)激勵(lì)單點(diǎn)拾振的方法開展測試試驗(yàn)。通過對(duì)不同裂紋深度下的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)固有頻率與振型展開對(duì)比，則能得到葉輪結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)影響規(guī)律，繼而為葉輪故障的監(jiān)測和識(shí)別提供數(shù)據(jù)支撐。現(xiàn)階段，在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)事故監(jiān)測方面，也可以采用隨機(jī)子空間法的非加權(quán)主分量算法等算法對(duì)不同工況條件下的風(fēng)機(jī)一階自振頻率和阻尼比參數(shù)進(jìn)行獲取，然后通過有限元分析確定葉輪旋轉(zhuǎn)給風(fēng)機(jī)動(dòng)力特性帶來的影響，因此，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)失效問題的判斷和監(jiān)測。

3 結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)和故障診斷與監(jiān)測等領(lǐng)域，模態(tài)分析技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。通過模態(tài)分析，可以確定風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，確定風(fēng)機(jī)各部分組成的固有頻率、模態(tài)振型和阻尼比，所以，能夠確定結(jié)構(gòu)的性能，為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。此外，通過模態(tài)分析掌握風(fēng)機(jī)固有振動(dòng)影響規(guī)律，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)故障的有效監(jiān)測和判斷，繼而使風(fēng)機(jī)保持安全、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

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