風力發(fā)電機軸承振動及模態(tài)測試分析

張劍

由于使用環(huán)境特殊，風電機組的現(xiàn)場定期檢測和維修十分困難，而且一旦發(fā)生重大事故，其維修費用甚至超過產(chǎn)出費用，因此，用于風力發(fā)電的電機應比燃煤、燃氣、燃油和水力發(fā)電機具有更高的可靠性。振動是風力發(fā)電機出廠性能和質量評定的主要指標之一，其在設備的各種故障中占有很大比例，是影響設備安全、穩(wěn)定運行的重要因素。

電機振動過大會造成集電環(huán)和電刷間的摩擦不均勻，導致電機三相電流不平衡，嚴重時會引發(fā)電機轉子軸彎曲和編碼器損壞。振動過大還會使得其他部件承受大幅交變應力，容易造成轉子、連接螺栓、聯(lián)軸器、基礎平面等損壞。由于風力發(fā)電機安裝在一個柔性支撐座上，振動故障發(fā)生的概率更大。因此，必須對風力發(fā)電機振動的評定、分析、監(jiān)測和故障診斷加以重視。

本文主要對一臺3.5MW雙饋電機軸承振動過大問題進行分析，基于電機振動模態(tài)的基本原理，通過振動及模態(tài)對比測試，提出一種有效的解決方法。

電機振動及模態(tài)分析原理

電機振動按照產(chǎn)生機理主要分為三類：一是電磁振動，由氣隙磁場產(chǎn)生的單邊磁拉力作用于定子鐵芯的徑向和切向使定子鐵芯產(chǎn)生變形振動。電磁振動產(chǎn)生的原因有三相電壓不平衡、電機定轉子偏心、定子繞組斷路、轉子籠條與端環(huán)開焊、轉子斷條等。二是機械振動，由轉子旋轉過程中的機械力周期性地作用在電機本體上產(chǎn)生的振動。機械振動產(chǎn)生的原因有結構整體剛度不足、轉子動平衡不良、軸承及基礎安裝不當、內部風扇損壞以及聯(lián)軸器對中精度不足等。三是機電耦合振動，由電機氣隙不勻引起單邊電磁拉力，其周期性作用又使氣隙不均衡進一步加劇，最終作用到電機引起振動。機電耦合振動產(chǎn)生的原因有定子內徑和轉子外徑圓度不足、轉子安裝不良引起的軸向竄動等。

研究電機的振動離不開模態(tài)分析，結構模態(tài)分析是研究結構動力特性的一種方法，是經(jīng)典線性動力學理論及系統(tǒng)辨識方法在工程振動領域中的應用。電機的機械結構可以看成多自由度的振動系統(tǒng)，具有多個固有頻率，在阻抗實驗中表現(xiàn)為有多個共振區(qū)，在幅頻特性曲線中表現(xiàn)為有多個峰值。結構模態(tài)是由結構本身的特性與材料特性決定的，與外載條件等無關，多自由度系統(tǒng)有多個模態(tài)存在，每階振動模態(tài)可用一組模態(tài)參數(shù)來確定。

電機的模態(tài)分析主要分為計算模態(tài)分析和試驗模態(tài)分析。計算模態(tài)分析是利用有限元方法通過對結構進行建模，仿真計算出結構的每一階模態(tài)；試驗模態(tài)分析是使用敲擊法通過將測量設備采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號進行參數(shù)識別后獲得結構的每一階模態(tài)。由于計算模態(tài)分析的結果精度很難保證，本文采用試驗模態(tài)分析方法。

電機振動及模態(tài)測試

電機振動試驗的主要內容有電機振動測試和振動模態(tài)測試，前者是電機振動的具體響應，后者是檢驗電機的固有特性，為電機設計提供依據(jù)。本文針對一臺3.5MW 6極50Hz、額定轉速1120rpm 、中心高630mm的雙饋風力發(fā)電機在樣機測試階段振動過大的問題，運用西門子LMS Test Lab振動分析設備對數(shù)據(jù)進行采集分析。由該電機在空載升降速過程中的時域振動情況（圖1）可以發(fā)現(xiàn)，電機軸承兩端在1000rpm時振動急劇增大并超出標準，但在其他轉速點均處于合格范圍內。由經(jīng)FFT變換后的軸承頻域振動波形（如圖2）可以看出，振動主要成分集中在50Hz和100Hz兩個頻率，與電磁頻率一倍、二倍相符合。但核算電磁設計方案及改變供電頻率后并沒有發(fā)現(xiàn)振動超標情況，故可初步排除電磁振動的可能性。接下來采用錘擊法對電機端蓋進行模態(tài)敲擊測試，得到系統(tǒng)前兩階固有頻率分別為50.5Hz和102.7Hz，具體模態(tài)振型如圖3所示，與實際軸承振動現(xiàn)象相吻合。其前兩階固有頻率與軸承主要振動頻率50Hz與100Hz非常接近，故可判斷該電機軸承振動超標是由共振問題所致。

從電機整體結構來看，電機轉子的支撐包括軸承室、端蓋、機殼和地腳等，機械結構的固有頻率只受剛度分布和質量分布影響（阻尼對固有頻率的影響非常有限，可以忽略）。該款電機端蓋由于外徑較大而厚度相對較薄，存在整體剛度不足的可能性，在低頻段會引起共振問題。為避開50Hz和100Hz頻率共振，本文通過對驅動與非驅動端蓋原材料進行更換，并在徑向增加數(shù)條加強筋以改善結構后，其本體剛度約增加2倍（如圖4），進而提高其軸承支撐系統(tǒng)的固有頻率。通過重新進行模態(tài)敲擊測試得到的固有頻率如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)前兩階固有頻率增加10%以上，可完全避開50Hz與100Hz兩個共振點。最后重新進行空載1000rpm振動測試，由具體對比結果（見表1）可知，軸承振動值已明顯降低并在國標要求范圍之內，證明了此次設計改進的合理性。

結論

振動問題是電機行業(yè)最基本、最普遍的問題之一。本文針對風力發(fā)電機樣機開發(fā)試驗階段出現(xiàn)的振動超標問題，采取基本振動分析理論與模態(tài)測試相結合的方法，找出該電機振動超標的根本原因，并對設計加以改進，最終將振動降低到標準范圍之內。本文對發(fā)電機振動的分析與驗證，對今后大兆瓦風力發(fā)電機的設計具有一定的指導和借鑒意義。

（作者單位：西門子電氣傳動有限公司）