2MW风力发电机转子系模态特性试验研究

文 | 刘文斌

2MW风力发电机转子系模态特性试验研究

文 | 刘文斌

随着风电机组的大型化发展，风电机组的振动问题日益突出，已成为影响机组安全、稳定运行的关键问题。转子轴系（简称转子系）是风电机组传动链的关键部件，转子系振动是影响风电机组振动的关键因素，特别是当转子系振动频率与电网频率成一倍频和两倍频关系时，风电机组易产生共振，导致铁芯变形、槽楔松动、绝缘破坏、涡流损耗增加、局部过热、电机烧毁等严重事故。因此在设计阶段对转子系模态振动频率进行模态测试和分析研究非常重要。本文以某新型2MW中低速风电机组为原型，对该2MW风电机组的转子系振动进行模态测试和分析研究。

模态测试系统

模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。

模态试验是采用锤击法得到力锤和各测定点之间的频率响应函数，通过参数辨识得到被测对象的模态频率和振型。振动测试系统由加速度传感器、力传感器、数据线、数据采集仪和电脑组成。安装在力锤锤头的力传感器用来捕捉每次敲击时产生的力，加速度传感器捕捉结构在力锤激励下的振动响应加速度，数据采集仪采集传感器传输过来的数据，并把数据转换至电脑中，从而获取直观的数据。模态测试系统结构框图如图1所示。其中加速度传感器固定在被测对象上，力传感器固定在力锤锤头。

边界条件

图1 模态测试系统结构框图

边界条件可分为自由支承、固支支承和实际工作状态支承。自由支承和固支支承边界理论上容易实现，但现实中实现有困难。因为用于自由边界的悬挂或支承系统不可能刚度为零，用于固支边界的夹具系统不可能刚度无穷大。因此，在模态试验条件下不可能做到完全自由和完全固支。

对于自由边界，要求实际支承的最高刚体频率小于结构最低的弹性频率，即可减少悬挂系统对结构模态的影响，实现模拟近似自由的边界条件。因此对于低频模态实现自由边界很困难，但是对于高频模态实现自由边界很容易。目前，用于模拟自由边界的方法主要有：橡皮绳悬挂（但要求橡皮绳足够长、足够柔）、海绵垫支承、气囊支承、橡胶垫支承、空气弹簧支承、软弹性支承或悬挂等。如模拟自由边界条件，要求弹性体频率是刚体频率的5倍至10倍。如果不满足此要求，应考虑更换刚度更小的悬挂支承系统；其次应保证包含支承结构的刚体模态频率小于结构第一阶固有模态频率的20%或10%，以保证测试结果的可信度。

根据试验现场的具体条件，模拟自由边界拟选择以下两种方案：方案一：支承式，考虑海绵等较软的支承；方案二：悬挂式，考虑各种弹性吊具；本文模态特性试验选用方案二。

测点布置和锤头选择

模态试验采用锤击的激励方式，根据被测试对象的特点，共选择布设64个激励点，以第#1、#33、#34点作为参考点，各布置1个传感器。#1点对应的位置为转子端面X向，#33点对应的位置为转子中部Z向，#34点对应的位置为转子中部Y向，方向均与GL坐标系一致。选用尼龙锤头对各测点进行锤击。风电机组发电机转子模态试验激励点布置图如图2所示。

发电机转子模态试验结果分析

模态试验数据采集主要包括：力信号数据和加速度信号数据。本次模态试验共布设有64个测点，力锤每敲击一个测点，同时产生力数据信号和3组加速度信号数据，共产生256组数据。为减少操作误差，除避免力锤连击现象外，采取对每一个测点敲击三次取平均的数据采集方式。

一、传函相干分析

相干函数是判断模态试验锤头是否合适，以及数据质量好坏的最主要手段。工程应用中一般要求传递函数（FRF）峰值附近的相干函数大于0.75。选取#64激励点的两组数据进行频响函数计算，得到力信号与加速度信号传递函数和相干函数的曲线，如图3所示。从曲线可以明显看出，两组信号的相干性较好，说明结构的响应是由激励引起，也说明选用的力锤锤头符合模态试验要求。

图2 风电机组发电机转子模态试验激励点布置图

图3 信号数据的传递函数和相干函数曲线图

表1 发电机转子模态试验频率结果（0Hz—2500Hz）

二、模态参数识别与筛选

为保证分析结果的正确性，模态识别算法的选取非常关键，本次模态试验选用PolyIIR参数识别算法，对试验采集的数据进行模态参数识别和筛选。筛选出2500Hz以内的模态频率，并对筛选出的频率进行模态拟合。发电机转子模态试验频率表如表1所示

参考点分析得到的前8阶试验模态振型图如图4和图5所示，从图4和图5可以明显看出，发电机转子的低阶模态主要集中在转子两端的细轴上，能够较好地反映出转子的固有特性。

三、试验结果校验

模态置信度MAC矩阵能够很好地评价模态向量空间交角。