風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同約束狀態(tài)下轉(zhuǎn)子彎曲模態(tài)仿真分析

趙 震，譚 亮，鄒強(qiáng)龍，黃 奕

（江蘇中車電機(jī)有限公司，江蘇 大豐 224100）

隨著風(fēng)電市場的蓬勃發(fā)展，風(fēng)電作為一種清潔能源在發(fā)電市場占據(jù)一席之地。風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)機(jī)組的重要旋轉(zhuǎn)部件，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響整個(gè)機(jī)組的性能。而發(fā)電機(jī)運(yùn)行振動大目前是一種常見故障，已成為影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組整體性能的重要因素[1]。

機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計(jì)分為結(jié)構(gòu)振動特性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)振動特性設(shè)計(jì)的核心，多自由度系統(tǒng)振動時(shí)，同時(shí)又多階模態(tài)存在，每階振動模態(tài)可用一組模態(tài)參數(shù)來確認(rèn)。通常，模態(tài)參數(shù)包括固有振動、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等，其中最重要的是頻率、振型和阻尼比[2]。模態(tài)參數(shù)對于改善結(jié)構(gòu)動態(tài)特性有著重要意義，對旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行模態(tài)分析很有必要。因此在設(shè)計(jì)初期對發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行模態(tài)仿真分析，避免發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)振動方面的問題已經(jīng)是發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[3][4]。

本文采用有限元分析法對某款風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲模態(tài)進(jìn)行仿真分析，為進(jìn)一步研究該類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子彎曲模態(tài)情況及試驗(yàn)?zāi)B(tài)提供依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。

1 模型建立[5][6]

圖1 某發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三維模型

用三維軟件建立實(shí)體三維模型，在有限元仿真分析軟件中對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性添加。轉(zhuǎn)子三維模型如圖1所示。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分主要材料屬性如表1所示。

表1 分析采用的材料力學(xué)參數(shù)

2 模態(tài)仿真分析[7][8]

轉(zhuǎn)子的分析模型采用與實(shí)物一致的模型，包括轉(zhuǎn)子軸、立筋、硅鋼片及通風(fēng)槽片，線圈質(zhì)量以質(zhì)量點(diǎn)的方式布置于硅鋼片的線槽內(nèi)。

首先對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在自由狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)分析，其次對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有軸承固定時(shí)進(jìn)行模態(tài)仿真分析。為了模擬真實(shí)轉(zhuǎn)子的兩端支承，軸承支承系統(tǒng)被簡化為彈簧-阻尼支承，軸承剛度設(shè)置，如表2所示，計(jì)算所得各主要振型對應(yīng)頻率如表3所示，自由狀態(tài)下轉(zhuǎn)子振型如圖2所示，軸承固定狀態(tài)下轉(zhuǎn)子振型如圖3所示。

表2 軸承剛度

表3 軸承固定狀態(tài)下轉(zhuǎn)子主要振型及頻率值

圖2 轉(zhuǎn)子在自由狀態(tài)下的前四階彎曲振型圖

圖3 轉(zhuǎn)子在軸承固定狀態(tài)下的前三階彎曲振型圖

3 轉(zhuǎn)子自由狀態(tài)下模態(tài)測試[9][10]

轉(zhuǎn)子自由狀態(tài)下的模態(tài)測試，是將轉(zhuǎn)子用吊車將兩端吊起，由于繩索是細(xì)長彈性體，此種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子類似于自由狀態(tài)。試驗(yàn)采用錘擊激勵方式，根據(jù)被測試對象特點(diǎn)，選擇不同數(shù)量激勵點(diǎn)，并選取幾個(gè)點(diǎn)為參考點(diǎn)，各布置一個(gè)傳感器。本次試驗(yàn)采用細(xì)繩將轉(zhuǎn)子吊起，選用尼龍錘頭對各測點(diǎn)進(jìn)行敲擊的試驗(yàn)方式。由于本試驗(yàn)傳感器數(shù)量限制，一般只能體現(xiàn)彎曲振型，無法體現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振型。

試驗(yàn)檢測的原理是將采集得到的各通道的時(shí)域信號濾波后進(jìn)行FFT變換，可得到頻域信號。如果把系統(tǒng)的激振力f（t）看作輸入，振動的位移響應(yīng)值x（t）看作輸出，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

對多自由度系統(tǒng)，其在任意激振力下的運(yùn)動方程為：

對方程做拉普拉斯變換，并設(shè)所有坐標(biāo)的初始位移和初始速度均為零，則有：

式中：[m]——質(zhì)量矩陣；

[k]、[c]——系數(shù)矩陣；

X（s）、F（s）——分別為x（t）和f（t）的拉普拉斯變換。通過變換可以得到各自由度下的頻響函數(shù)。

在頻響函數(shù)的基礎(chǔ)上，通過最小二乘法可以得出模態(tài)的參數(shù)。經(jīng)對該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，得到該型轉(zhuǎn)子的固有頻率和振型。試驗(yàn)結(jié)果如表4及圖4所示。

表4 轉(zhuǎn)子自由狀態(tài)下主要振型及頻率值

4 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)子自由模態(tài)和在軸承支撐下的模態(tài)是有區(qū)別的，其受到軸承支撐簡化模型的影響比較大。

圖4 前三階的彎曲振型圖

（2）從試驗(yàn)結(jié)果看，有限元仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果還有一定的偏差，主要是由對硅鋼片的處理而致，需要對仿真模型的簡化方式進(jìn)行深入研究。

[1]李慧新，呂杏梅，等.彈性支撐下風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力分析[J].動力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2015，13（4）293-294.

[2]馬艷霞，鄧春峰，等.電機(jī)聯(lián)軸控制的旋轉(zhuǎn)機(jī)械定轉(zhuǎn)子模態(tài)分析［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（2）：107-108.

[3]溫 斌，李書強(qiáng).基于ADAMS的風(fēng)電雙饋發(fā)電機(jī)振動研究[J].機(jī)械制造，2017，（1）：71-74.

[4]劉木清.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動故障分析和實(shí)例處理［J］.上海大中型電機(jī)，2012，（1）：71-75.

[5]薛延華，王志廣，邵 濱，等.齒輪箱箱體結(jié)構(gòu)對其振動模態(tài)的影響研究[J].機(jī)械傳動，2008，32（6）：107-109.

[6]翁 雷，楊自春，等.某船用發(fā)電氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子模態(tài)及動力學(xué)分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2014，（3）：62-63.