設(shè)備冷卻水泵配套電機(jī)抗震鑒定試驗中的振動分析

陳博 何洪陽 張曉光

摘要：核級設(shè)備必須通過抗震鑒定，驗證其結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性，設(shè)備冷卻水泵配套電機(jī)要求在地震過程中正常啟停，然而各激勵引起的電機(jī)振動未知。基于此，采用了一種改進(jìn)EEMD方法，運(yùn)用該方法提取抗震試驗過程中各激勵引起的振動信號，并對電機(jī)振動進(jìn)行分析評價。結(jié)果表明：相比于地震載荷，電機(jī)在抗震試驗中自啟動引起的振動明顯加劇，對電機(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 改進(jìn)EEMD 振動分析

中圖分類號：TM623? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：

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類核級設(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]?？拐痂b定方法有分析法、試驗法、分析與試驗相結(jié)合、經(jīng)驗反饋法。針對核電站泵及配套電機(jī)等核級設(shè)備第一次進(jìn)行抗震鑒定時，宜采用試驗方法[3]。采用地震模擬振動臺模擬地震載荷并加載其載荷，是目前核級設(shè)備抗震研究的重要手段之一。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及試驗大綱要求，對核電站設(shè)備冷卻水泵配套電機(jī)進(jìn)行抗震鑒定試驗，要求前3次運(yùn)行基準(zhǔn)地震（OBE）試驗中電機(jī)不工作，后2次OBE試驗在抗震開始8s時電機(jī)進(jìn)行啟停操作?？拐痂b定試驗主要驗證被試樣機(jī)在試驗前后結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性，然而國內(nèi)外學(xué)者鮮有研究冷卻水泵配套電機(jī)在抗震試驗過程中各激勵對設(shè)備的振動影響。

基于此，本文采用一種改進(jìn)的集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法（IEEMD），驗證此方法的有效性;同時提取電機(jī)抗震試驗中各激勵引起的振動信號，并分析各激勵對電機(jī)振動影響，為核級設(shè)備抗震及安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 鑒定試驗

抗震鑒定試驗在中國核動力研究設(shè)計院6m6m大型高性能地震模擬試驗臺上進(jìn)行。地震臺臺面最大承載為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)抗震試驗采用人工模擬加速度時程作為輸入，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。本文抗震試驗的樓層反應(yīng)譜為公共筏基上的核島廠房（BRX、BFX、BSX）設(shè)計樓層反應(yīng)譜;阻尼系數(shù)取2%，標(biāo)高-9.6m。要求OBE試驗時間為30s，前3次OBE試驗中電機(jī)不工作，后2次OBE試驗在抗震開始8s時電機(jī)啟動，進(jìn)入工作狀態(tài)。

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

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

2 振動信號分析方法研究

2.1 分析方法及驗證

經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（EMD）是美國華裔科學(xué)家Huang提出的一種新型的時域分析方法 [4-5]，可將信號分解為含有不同時間尺度的本征函數(shù)（IMF）和一個余項，且需要滿足以下兩個定義條件：（1）對于一組數(shù)據(jù)極值點和過零點數(shù)相等或至多相差1;（2）在任一點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，ci（t）為篩選出來的信號，rn（t）為殘余項。EMD有許多優(yōu)點，在很多領(lǐng)域取得了應(yīng)用，然而該方法也存在一些問題，如端點效應(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)窗對端點進(jìn)行預(yù)測延拓，盡可能消除端點效應(yīng);

（2）采用一種集合經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸猓‥EMD）方法[7-9]，通過噪聲輔助分析促進(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效應(yīng)和抑制模態(tài)混疊。本文采用仿真信號由幅值為1頻率為8Hz正弦信號、幅值為0.6頻率為60Hz正弦信號和高斯脈沖信號組成，仿真信號s如圖2所示。

圖3（a）為對仿真信號進(jìn)行EMD分解得到4階IMF分量和余項，可知各本征分量兩端數(shù)據(jù)產(chǎn)生發(fā)散，同時各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方法對原始信號進(jìn)行分解，首先利用最小二乘支持向量機(jī)預(yù)測延拓原始信號的端點，然后通過余弦加窗處理;再對加窗處理的信號進(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（為IMF1分量）、頻率為60Hz正弦信號（為IMF2分量）和頻率為8Hz的正弦信號（為IMF3和IMF4重構(gòu)獲?。┛捎行У胤蛛x出來，采用改進(jìn)方法分解的信號明顯更符合實際，說明該方法對消除端點效應(yīng)和模態(tài)混疊具有很好的效果。

2.2 電機(jī)振動信號提取

如圖1所示的OBE第4次實測振動，電機(jī)在抗震鑒定試驗中啟動，引起電機(jī)振動的激勵有：地震載荷和電機(jī)自啟動。其中地震載荷引起的電機(jī)振動可視為隨機(jī)非平穩(wěn)信號，地震過程中電機(jī)自啟動引起的振動視為高斯脈沖信號。

針對OBE第4次實測信號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所示為對原始信號進(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res），可以看出：信號延拓和加窗處理對端點效應(yīng)具有良好效果，集合經(jīng)驗?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的頻譜分布在整個頻段，表現(xiàn)為信號包含的噪聲或其他干擾信號;IMF2～I(xiàn)MF3的相關(guān)系數(shù)均大于0.5，認(rèn)為是抗震試驗中電機(jī)自啟動引起的振動（用綠色表示）;同時重構(gòu)其他剩余的IMF分量，得到地震載荷引起的電機(jī)振動（用藍(lán)色表示）。各激勵引起的振動見圖5所示，可知在抗震試驗中電機(jī)自啟動，將導(dǎo)致振動明顯加劇。

2.3 信號提取結(jié)果驗證

將2.2節(jié)重構(gòu)得到的地震載荷引起的振動（圖5藍(lán)色所示）與OBE第3次試驗實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。忽略時域上可能存在的相位差異，由圖6可知，振動加速度幅值大致相等，且變化趨勢基本相同，說明該方法能有效提取出電機(jī)抗震試驗中自啟動引起的振動，從而驗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)評價電機(jī)抗震試驗中各激勵引起的振動。

由表2所示可知，由于地震載荷激勵引起的電機(jī)振動加速度幅值絕對值最大為4.948m/s2，電機(jī)自啟動引起的振動加速度幅值絕對值最大為8.335m/s2，比僅地震載荷作用下的振動大很多;在抗震鑒定試驗中電機(jī)自啟動引起的振動是地震載荷和自啟動兩種激勵共同的結(jié)果，是僅地震載荷下的2倍多;相比于地震載荷，抗震鑒定試驗中電機(jī)自啟動引起的振動加速度均方根值由1.409增大到1.867，增加了32.51%。

地震載荷激勵引起電機(jī)產(chǎn)生較大振動，然而在地震過程某時刻啟動電機(jī)，將導(dǎo)致電機(jī)振動明顯加劇，這對電機(jī)結(jié)構(gòu)提出了更高要求。該電機(jī)經(jīng)抗震試驗鑒定，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

核級設(shè)備必須通過抗震鑒定，驗證其結(jié)構(gòu)完整性和功能完整性，設(shè)備冷卻水泵配套電機(jī)要求在抗震試驗過程中啟停，導(dǎo)致電機(jī)振動明顯加劇，對其結(jié)構(gòu)提出更高要求。本文采用一種改進(jìn)EEMD方法對抗震試驗中電機(jī)自啟動時引起的振動進(jìn)行提取，并分析各激勵對電機(jī)振動影響。得出如下結(jié)論：（1）改進(jìn)的EEMD方法能有效抑制端點效應(yīng)和模態(tài)混疊，對仿真信號分解驗證了該方法的可行性，同時能有效提取出抗震試驗中電機(jī)自啟動時引起的振動;（2）相比于地震載荷，電機(jī)在抗震試驗中自啟動引起的振動明顯加劇，對電機(jī)結(jié)構(gòu)提出了更高要求。為核級設(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 中圖分類號：TM623 作者簡介：

陳博（1983—），男，本科，工程師，研究方向為核電設(shè)備管理。

何洪陽（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)及振動控制。

張曉光（1978—），女，本科，工程師，研究方向為核電廠設(shè)備質(zhì)保管理。