風(fēng)力機(jī)葉片振動分析的頻率分析

風(fēng)力機(jī)葉片振動分析的頻率分析

隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，風(fēng)力作為清潔能源和可支配能源的主要功能發(fā)揮著重要作用。風(fēng)力發(fā)電作為風(fēng)能的一種應(yīng)用正受到世界各國的廣泛重視、并得到大力推廣及應(yīng)用。葉片在工作中如何保證其安全運(yùn)行是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備設(shè)計制造的關(guān)鍵。在風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,葉片受到動載荷及各種隨機(jī)變化的載荷作用,由于旋轉(zhuǎn)部件的存在,在風(fēng)力機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中存在著離心慣性力、空氣阻力及重力變化而引起的激振力作用,若激振力作用激起葉片共振時,葉片上的動應(yīng)力急劇增大,會產(chǎn)生災(zāi)難性破壞。大量資料表明風(fēng)力機(jī)葉片常常先于整機(jī)或其他部件而破壞。因此,為了搞清其破壞原因,必須對其進(jìn)行動態(tài)分析,確定各階頻率及振型及其與轉(zhuǎn)動參數(shù)之間的關(guān)系。頻響分析法作為模態(tài)分析中的核心問題,它的主要優(yōu)點是能以較少的自由度,全面而又相當(dāng)精確地去描述一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動特性,從而大大簡化問題的分析與計算。1基本理論1.1等效阻尼振動傳遞函數(shù)法設(shè)彈性體離散化為N個集中質(zhì)量,考慮三維振動,離散系統(tǒng)具有n=3N個自由度。第i個質(zhì)量的位移坐標(biāo)向量為:{X}i={xi,yi,zi}T,i=1,2,…,N,則系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)向量是n維向量:{q}={x1,y1,z1,…,xn,yn,zn}T,考慮等效阻尼情形,系統(tǒng)三維振動運(yùn)動方程為Mx¨+Cx˙+Kx=F(t)Μx¨+Cx˙+Κx=F(t)根據(jù)復(fù)模態(tài)理論,傳遞函數(shù)可表示為:H1p(s)=a0+a1s+?+a2N?2s2N?21+b1s+?+b2Ns2N=N(s)D(s)=∑i=1N(A1piS?Si+A?1piS?S?i)A?1pi=φ?1iφ?pim?ii(S?1?Si)(i=1,2,?,N)Η1p(s)=a0+a1s+?+a2Ν-2s2Ν-21+b1s+?+b2Νs2Ν=Ν(s)D(s)=∑i=1Ν(A1piS-Si+A1pi*S-Si*)A1pi*=φ1i*φpi*mii*(S1*-Si)(i=1,2,?,Ν)以上是參數(shù)識別的基本公式。式中,H1p(s)表示P點激振,L點響應(yīng)的傳遞函數(shù)。A*1pi為H1p(s)在極點Si的留數(shù)。1.2模態(tài)參數(shù)識別傳遞函數(shù)的極點,即D(s)=0的根si為復(fù)頻率。由以上公式得:A*1pi=D(s)/D′(s)=φ1iφpi/[mii(S-S*i)]于是得模態(tài)參數(shù)識別的計算公式:Si=-ni+jωd,S*i=-ni-jωdi;ωi=n2i+ω2di???????√?ξi=ni/ωiωi=ni2+ωdi2?ξi=ni/ωi;φ1pi=φppiA1pi/Appi;mii=(2jAppi?ωi1?ξ2i?????√)?1mii=(2jAppi-ωi1-ξi2)-1;Kii=miiω2ii2,Cii=2miini以上可見,參數(shù)識別首先要確定系統(tǒng)的ai,bi。因此,選用頻響函數(shù)曲線擬合法。2檢測頻率及擬合分析按照上述理論,對葉片結(jié)構(gòu)的三維振動,用錘擊法進(jìn)行了測試分析。在模型的二個面選取54個測點,因而離散系統(tǒng)具有n=162個自由度,見圖1。對葉片進(jìn)行用特別夾具進(jìn)行夾緊,使其處于懸臂梁狀態(tài)。在測試前,為選取頻率范圍,首先對葉片用有限元方法進(jìn)行了動態(tài)計算,邊界條件按試驗條件處理,算出了前8階固有頻率及振型曲線圖。得知:在200Hz內(nèi)共有8個模態(tài)。按照計算出的頻率范圍,選用橡膠錘頭,頻率范圍取200Hz。儀器匹配:敲擊錘,三向傳感器,磁帶記錄儀,CF—920動態(tài)分析儀,電荷放大器,計算機(jī),MODAL3.0分析軟件,其主測試系統(tǒng)路線圖為:葉片—電荷放大器—磁帶記錄儀—CF-920分析儀—計算機(jī)。用三向加速度傳感器測量,用一點激勵,多點測量的方法采集信號,平均16次,每點測出3個頻響函數(shù),共162個。圖2為某測點的相干函數(shù)曲線圖。從圖中可見,各階頻率的相干系數(shù)都較好,所得結(jié)果是可靠的。通過測試,分析各點的頻響函數(shù)曲線,可知在頻率范圍0～200Hz內(nèi)存在8個模態(tài),為建立離散系統(tǒng)的模態(tài)模型,以實測的加速度頻率響應(yīng)為基礎(chǔ),采用了兩種參數(shù)識別方法:(1)頻率分析的單模態(tài)曲線擬合法;(2)復(fù)峰值法。采用MODAL3.0軟件,計算結(jié)果見表1,并附有計算機(jī)屏幕上的三維振動的振型動畫顯示并用計算機(jī)畫出各階振型圖,圖3是前8階振型圖。3錘擊法測試aa)該葉片為5kW風(fēng)力機(jī)葉片,額定轉(zhuǎn)速為125r/min,葉片表面由玻璃剛粘結(jié)而成,內(nèi)部充滿泡沫塑料。該葉片具有多諧振,阻尼小,頻率密集等特點。用錘擊法測試時,錘子及錘頭的選取一要適當(dāng),這樣才能激出該頻段內(nèi)的全部模態(tài)。b)葉片在工作中受各種動載荷作用,使其產(chǎn)生振動,而葉片在共振情況下,能產(chǎn)生災(zāi)難性破壞,該文得出的葉片一階頻率為18.92Hz,恰