CN105651477A - 风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，步骤为：1)风力发电机运行时，实时采集正常工作状态下弹性支撑的振动输入端、输出端的多组振动数据，得到弹性支撑的输入、输出信号；2)由输入、输出信号得到传递函数；通过输入、输出信号的相干系数选取传递函数中部分传递函数值生成第一传递函数曲线；选取弹性支撑振动输入端激励源的特征频率在传递函数中对应的传递函数值并生成第二传递函数曲线；3)比较第一传递函数曲线与第二传递函数曲线的变化趋势是否一致，若一致，以第一传递函数曲线或第二传递函数曲线作为隔振性能的分析结果。本发明具有实现方法简单、能够适用于复杂的振动环境且分析结果可信度高的优点。

Description

风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法。

背景技术

风力发电机是一个极其庞大而复杂的系统，其振动来源较广，包括气动、机械、电磁以及各种耦合等各方面的激励，因此一般都需要通过弹性支撑来隔离和减少振动能量的传递，从而改善结构的振动环境。常见机型的风力发电机主要部件以及振动能量传递结构如图1所示，齿轮箱和发电机都是通过弹性支撑与机架相连，整个风力发电机构成一个振动能量相互流动的系统。弹性支撑作为风力发电机的重要部件，其对整个系统振动能量的传递、隔离和吸收等都起到了重要的作用，主要包括：一是用于支撑齿轮箱、发电机重量和承载风机的载荷，这同时也要求在机组运行时弹性支撑的刚度不超过一定的变形量，从而保证机组运行的稳定性；二是用于减振和隔振，其主要是隔离振动能量在齿轮箱、发电机与机架之间的传递。因此在风机设计中，弹性支撑参数的选择也是风力发电机设计中的一个重要考虑。

目前风力发电机的弹性支撑设计时主要是以单自由度隔振理论为考量基础，单自由度隔振系统模型如图2所示，隔振系统连接在质量为M的被支撑物以及基座之间，其中隔振系统的刚度为k，被支撑物的输入激振力为F(t)，激振力F(t)通过隔振系统后传递给基座的阻力为F_f(t)，则由振动理论得出力的传递函数为：

${\mathrm{\μ}}_F=\frac{\left|F_f\right|}{\left|F\right|}=\sqrt{\frac{1+{\left(2\mathrm{\ζ}\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2}{{(1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{{\mathrm{\ω}}_n^2})}^2+{\left(2\mathrm{\ζ}\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n}\right)}^2}}---\left(2\right)$

其中为隔振系统的固有频率，ω为激励频率，为相对阻尼比，为临界阻尼系数。位移X(t)或加速度的传递函数与力的传递函数类似。由式(3)分析可知只有当频率比时，隔振系统才有隔振效果，因此风力发电机弹性支撑的隔振设计通常就是依据上述理论要求弹性支撑的固有频率ω_n小于最小激励频率的0.707倍，而弹性支撑在风力发电机系统中的实际隔振性能则还需要通过具体试验进行分析，由分析结果再进行进一步优化。

现有技术中，对弹性支撑隔振性能的分析通常是通过施加人为激励进行试验的方法，即在无外界干扰的情况下，通过人为的激励(如安装激振器、力锤等)激发弹性支撑一端结构的振动，再用传感器采集被激发结构的响应作为输入、弹性支撑另一端结构的响应作为输出，由输出与输入信号进行传递函数来分析弹性支撑的隔振性能。此类方法中，为了使输入、输出信号具有强相关性，试验通常需要在车间或试验台等外界干扰小的环境下进行，同时需要试验系统都处于理想运行状态。而在实际的风场运行环境中，弹性支撑在工作状态时所处的振动环境复杂且干扰信号多，因此上述通过施加人为激励的试验方法与弹性支撑的实际工况差距较大，不利于准确分析弹性支撑在实际工况下的隔振性能，实用性不高，而采用直接获取实际工况下隔振性能指标(例如传递函数)的方法则难度大且可信度也不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、能够适用于复杂的振动环境且分析结果可信度高的风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，具体实施步骤为：

1)风力发电机运行时，实时采集弹性支撑在正常工作状态下的振动输入端、输出端的多组振动数据，分别得到弹性支撑的输入、输出信号；

2)由所述输入、输出信号得到传递函数；通过输入、输出信号的相干系数选取传递函数中部分传递函数值生成第一传递函数曲线；选取弹性支撑振动输入端激励源的特征频率在所述传递函数中对应的传递函数值并生成第二传递函数曲线；

3)比较第一传递函数曲线与第二传递函数曲线的变化趋势是否一致，若一致，以第一传递函数曲线或第二传递函数曲线作为隔振性能的分析结果。

优选地，所述步骤2)中生成第一传递函数曲线的具体步骤为：

2.11)计算输入、输出信号的相干系数；

2.12)取相干系数在预设范围内的目标频率点，在传递函数中选取出目标频率点对应的传递函数值；

2.13)由选取出的传递函数值生成第一传递函数曲线。

优选地，所述步骤2.12)中相干系数的预设范围为0.7～1。

优选地，所述步骤2.11)中按式(1)计算输入、输出信号的相干系数；

r² _xy(ω)＝|Pxy(ω)|²/(Pyy(ω)Pxx(ω))(1)

式(1)中r² _xy为输入、输出信号的相干系数的频域表示，Pxx(ω)、Pyy(ω)分别为输入信号的自功率谱、输出信号的自功率谱，Pxy(ω)是输入信号与输出信号的互功率谱。

优选地，所述步骤2)中生成第二传递函数曲线的具体步骤为：

2.21)查找出风力发电机运行时弹性支撑振动输入端激励源的各个特征频率；

2.22)在传递函数中选取出所述各个特征频率对应频率点的传递函数值；

2.23)由选取出的传递函数值生成第二传递函数曲线。

优选地，所述步骤2)中弹性支撑振动输入端激励源的特征频率包括啮合频率、转动频率以及发电机轴承的特征频率。

优选地，所述步骤1)中振动数据为X、Y方向和Z方向中一种或多种方向上的振动数据。

优选地，所述步骤1)中振动数据为位移、速度或加速度中一种。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明直接采集风力发电机运行时弹性支撑的振动数据，通过传递函数分析风力发电机中弹性支撑的隔振性能，能够直接适用于风场实际的复杂振动环境，从而更为准确的分析弹性支撑的隔振性能，同时通过相干系数、激励源特征频率两种方式生成传递函数曲线来对传递函数进行修正，实现方法简单且能够有效滤除各种干扰信号，从而提高分析结果的可信度。

2)本发明通过两种方式来提高传递函数的可信度：一是利用相干系数选取传递函数值生成第一传递函数曲线，以利用采集信号数据本身的特征选出可信度高的传递函数值；二是通过计算激励源特征频率的传递函数值生成第二传递函数曲线，以利用风机振动特点来尽可能的排除干扰信号，再通过两条曲线的比较来进行相互验证，进一步确保传递函数的可信度。

附图说明

图1是常见机型的风力发电机主要部件以及振动能量传递的结构示意图。

图2是单自由度隔振系统模型的结构原理示意图。

图3是本实施例风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法的流程示意图。

图4是隔振系统中传递函数的分析原理示意图。

图5是本发明具体实施例中传递函数的结果示意图。

图6是本发明具体实施例中相干系数的结果示意图。

图7是本发明具体实施例中三个方向的第一传递函数曲线结果示意图。

图8是本发明具体实施例中输入信号和输出信号的频谱曲线示意图。

图9是本发明具体实施例中三个方向的第二传递函数曲线结果示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图3所示，本实施例风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，具体实施步骤为：

1)风力发电机运行时，实时采集弹性支撑在正常工作状态下的振动输入端、输出端的多组振动数据，分别得到弹性支撑的输入、输出信号；

2)由输入、输出信号得到传递函数；通过输入、输出信号的相干系数选取传递函数中部分传递函数值生成第一传递函数曲线；选取弹性支撑振动输入端激励源的特征频率在传递函数中对应的传递函数值并生成第二传递函数曲线；

3)比较第一传递函数曲线与第二传递函数曲线的变化趋势是否一致，若一致，以第一传递函数曲线或第二传递函数曲线作为隔振性能的分析结果。

本实施例中，首先在弹性支撑的输入端(如齿轮箱箱体、发电机机座等)和输出端(如机架)安装传感器，风力发电机运行后再通过传感器采集弹性支撑在正常工作状态下的振动数据，其中振动数据可以是位移、速度或加速度等，振动数据可以为一个方向的振动数据，如X方向(横向)、Y方向(纵向)或Z方向(垂直方向)，也可以为其中两个或三个方向的振动数据。传感器的个数则可按照实际需求进行安装，如需要采集三个方向的振动数据时，可同时安装三个传感器分别采集三个方向的振动数据进行三个方向的隔振性能分析。直接采集风力发电机运行环境下的数据进行分析，更为符合弹性支撑的实际工况，能够真实的反应弹性支撑在工作状态下的隔振性能，为风机发电机的弹性支撑设计中提供更为准确的参考。

本实施例中通过传递函数来描述弹性支撑的隔振性能，传递函数反映的是弹性支撑隔振系统对信号的传递特性，取决于系统本身特性。如图4所示，对于一个隔振系统，传递函数的分析就是通过输入信号x(t)与输出信号y(t)进行系统的频域响应分析，计算传递函数的表达式为：

Hxy(ω)＝Sy(ω)/Sx(ω)＝Pxy(ω)/Pxx(ω)(3)

其中，Hxy(ω)为输入、输出信号的传递函数的频域表示，Sx(ω)、Sy(ω)分别是输入、输出信号的傅立叶变换，Pxx(ω)、Pxy(ω)分别是输入信号的自功率谱和输入、输出信号的互功率谱。

由于在风力发电机运行时，弹性支撑两端采集到的输入、输出信号会受到干扰信号的影响，而信号之间的相关性可以采用相干系数来表征，相干系数越小，则表示信号受外界干扰越大，相应的相干系数的值越接近1，则表明信号之间的相关性越好，即受外界的干扰越少，则对应的传递函数的可信度也越高。本实施例中，步骤2.11)中按式(1)计算输入、输出信号的相干系数，通过输入、输出信号中各频率点的相干系数来排除传递函数中可靠性低的频率点。

r² _xy(ω)＝|Pxy(ω)|²/(Pyy(ω)Pxx(ω))(1)

式(1)中，r² _xy(ω)为输入、输出信号相干系数的频域表示且0≤r² _xy(ω)≤1，Pxx(ω)、Pyy(ω)分别是输入信号的自功率谱、输出信号的自功率谱，Pxy(ω)为输入、输出信号的互功率谱。

本实施例中，步骤2)中生成第一传递函数曲线的具体步骤为：

2.11)计算输入、输出信号的相干系数；

2.12)取相干系数在预设范围内的目标频率点，在传递函数中选取出目标频率点对应的传递函数值；

2.13)由选取出的传递函数值生成第一传递函数曲线。

采集到弹性支撑两端在指定方向(X方向、Y方向或Z方向)上的输入、输出信号后，按式(3)计算得到输入、输出信号的传递函数Hxy(ω)，此时传递函数Hxy(ω)中包含很多外界干扰信号的信息，本实施例通过相干系数来筛选出可信度高的频率点，生成一条表征弹性支撑隔振性能的传递函数曲线，排除干扰信号对传递函数可信度的影响。首先根据式(1)计算输入、输出信号的相干系数r² _xy(ω)，然后选取相干系数r² _xy(ω)中预设范围(本实施例具体取0.7～1)内的目标频率点，由筛选出目标频率点对应的传递函数值生成第一传递函数曲线，得到弹性支撑在指定方向上的传递特性并作为隔振性能的分析指标。相干系数是以采集信号数据本身的特征为依据，利用相干系数选取的传递函数值可信度高，使得能够在复杂的振动环境下分析弹性支撑的隔振性能且分析可信度高。

激励源的特征频率反应的是风力发电机的振动特点，当风力发电机的转速稳定时，其振动响应频率存在明显的特征，其中部分振动是由内部的激励源激发，而这些激励源激发频率对应的响应受外界干扰较小、可信度较高，因此可通过激励源的特征频率来得到可信度高的传递函数曲线。

本实施例中，步骤2)中生成第二传递函数曲线的具体步骤为：

2.21)查找出风力发电机运行时弹性支撑振动输入端激励源的各个特征频率；

2.22)在传递函数中选取出各个特征频率对应频率点的传递函数值；

2.23)由选取出的传递函数值生成第二传递函数曲线。

本实施例中，步骤2.22)具体是通过筛选出特征频率对应频率点选取得到对应的传递函数值，具体实施步骤为：对输入、输出信号进行傅立叶变换，得到输入、输出信号的频谱；筛选出激励源的特征频率对应的输入、输出信号的频谱值，由筛选出的频谱值按照传递函数的表达式计算得到各特征频率点对应的传递函数值。由激励源筛选获得第二传递函数曲线作为隔振性能的分析指标，第二传递函数曲线表征的也是弹性支撑的传递特性。

本实施中，步骤2)中弹性支撑振动输入端激励源的特征频率包括啮合频率、转动频率以及发电机轴承的特征频率，也可以包括其他激励源对应的特征频率。

将步骤2)中两种方式得到的传递函数曲线进行相互验证，若结果一致，则表明得到的传递函数曲线可信度高，可作为隔振性能的分析结果，由传递函数曲线即可获得有隔振效果的频率范围以及无隔振效果的频率范围。本实施例中，将得到的两条传递函数曲线进行比较，若变化趋势一致则将两条曲线作为分析结果；若两种方式得到的传递函数曲线差别较大时，先对数据采集过程、传感器可靠性、激励源确认等进行排查再对分析结果进行修正，当无法修正时则重新进行测试，直到两条传递函数曲线的变化趋势一致。当两条传递函数曲线具有如下特征：①在无隔振效果的频率范围内，即传递函数值大于0的范围内，两条传递函数曲线中的相应峰值对应的频率差值在误差范围内，例如本实施例取误差范围为30％；②在有隔振效果的频率范围内，即传递函数值小于0的范围内，两条传递函数曲线的上升、下降趋势基本一致；则可判定两条传递函数曲线的变化趋势基本一致，变化趋势一致程度则可根据实际需求设置生成传递函数曲线的频率点数，频率点越多时，生成的两条传递函数曲线的变化趋势也越趋于一致。

本实施例通过两种方式来对传递函数进行修正：一是利用相干系数筛选出传递函数中可信度高的传递函数值，二是通过激励源特征频率来排除干扰信号得出可信度高的传递函数值，通过两种方式进行相互验证，从而获得可信度高的传递函数，为风力发电机中弹性支撑的设计及优化提供有效的依据和参考。

以下以某型风力发电机中齿轮箱的弹性支撑的隔振性能分析为例对本发明进行进一步说明。

步骤1：

在风场1200rpm工况下对某型风力发电机中的弹性支撑正常工作时的振动进行检测，采集靠近弹性支撑的箱体和主机架X、Y和Z三个方向的振动加速度，其中采样频率为5120Hz，采样点数是1616k，分别得到三个方向的输入、输出信号。

步骤2：

①相干性筛选

a.计算各方向的传递函数以及相干系数

如图5所示为传递函数结果，其中横坐标为频率(HZ)、纵坐标为传递函数值；如图6所示为相干系数结果图，其中横坐标为频率(HZ)、纵坐标为相干系数值。参照图6，相干系数大部分频域段都远小于1，表明输入、输出信号受干扰较大，传递函数的可信度不高。

b.选取相干系数较大的频率点

本实施中，单独取出相干系数大于0.7的频率点，相干系数大于0.7的频率点参见图6中阿拉伯数字(1～13)所示，各频率点对应的传递函数值参见图5。

c.生成第一传递函数曲线

将各频率点对应的传递函数值取对数后生成第一传递函数曲线，其中以频率为横坐标、传递函数值为纵坐标，X、Y和Z方向得到的第一传递函数曲线如图7所示，通过第一传递函数曲线可以对弹性支撑在工作状态下的隔振性能进行直观、可靠的分析。通过上述相干性筛选判定得到的传递函数，去除了干扰大的频率点，提高传递函数的可信度。

②激励源特征频率筛选

风力发电机中齿轮箱箱体的振动存在多个激励源，这些激励源引起的振动将由箱体通过弹性支撑传递到主机架上，由于信号频域特征具有稳定性，因此可根据齿轮箱的激励源特征频率来分析传递特性，从而减少干扰信号的影响，提高分析的可信度。

a.计算输入、输出信号的频谱，查找出激励源特征频率

本实施例中弹性支撑输入、输出信号(X方向)频谱曲线如图8所示，其中由12个阿拉伯数字对应的12阶频率都是齿轮箱的啮合频率，它们是引起齿轮箱振动的主要激励源。

b.筛选出激励源特征频率对应的频率点

在输入、输出信号的频谱中提取上述12阶频率对应的频谱值，由输入、输出信号的频谱值按式(2)所示进行相除得到各阶频率的传递函数值。

c.生成第二传递函数曲线

将各阶频率的传递函数值取对数后生成第二传递函数曲线，其中以频率为横坐标、传递函数值为纵坐标，X、Y和Z方向得到的第二传递函数曲线如图9所示，第二传递函数曲线也即反映弹性支撑在工作状态下的隔振性能。

步骤3：

比较得到的第一传递函数曲线、第二传递函数曲线的变化趋势，通过分析可知三个方向上的第一传递函数曲线、第二传递函数曲线的变化趋势均基本一致，则将得到的第一传递函数曲线或第二传递函数曲线作为弹性支撑的隔振性能的分析结果，获取得到弹性支撑有隔振效果的频率范围以及无隔振效果的频率范围。

通过相干性筛选、激励源特征频率筛选判定两种方式的相互验证，有效提高了齿轮箱的弹性支撑隔振性能分析的可信度。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，其特征在于具体实施步骤为：

1)风力发电机运行时，实时采集弹性支撑在正常工作状态下的振动输入端、输出端的多组振动数据，分别得到弹性支撑的输入、输出信号；

2)由所述输入、输出信号得到传递函数；通过输入、输出信号的相干系数选取传递函数中部分传递函数值生成第一传递函数曲线；选取弹性支撑振动输入端激励源的特征频率在所述传递函数中对应的传递函数值并生成第二传递函数曲线；

3)比较第一传递函数曲线与第二传递函数曲线的变化趋势是否一致，若一致，以第一传递函数曲线或第二传递函数曲线作为隔振性能的分析结果。

2.根据权利要求1所述的风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，其特征在于，所述步骤2)中生成第一传递函数曲线的具体步骤为：

2.11)计算输入、输出信号的相干系数；

2.12)取相干系数在预设范围内的目标频率点，在传递函数中选取出目标频率点对应的传递函数值；

2.13)由选取出的传递函数值生成第一传递函数曲线。

3.根据权利要求2所述的风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，其特征在于，所述步骤2.12)中相干系数的预设范围为0.7～1。

4.根据权利要求3所述的风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，其特征在于，所述步骤2.11)中按式(1)计算输入、输出信号的相干系数；

r² _xy(ω)＝|Pxy(ω)|²/(Pyy(ω)Pxx(ω))(1)

式(1)中r² _xy为输入、输出信号的相干系数的频域表示，Pxx(ω)、Pyy(ω)分别为输入信号的自功率谱、输出信号的自功率谱，Pxy(ω)是输入信号与输出信号的互功率谱。

5.根据权利要求1所述的风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，其特征在于，所述步骤2)中生成第二传递函数曲线的具体步骤为：

2.21)查找出风力发电机运行时弹性支撑振动输入端激励源的各个特征频率；

2.22)在传递函数中选取出所述各个特征频率对应频率点的传递函数值；

2.23)由选取出的传递函数值生成第二传递函数曲线。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，其特征在于：所述步骤2)中弹性支撑振动输入端激励源的特征频率包括啮合频率、转动频率以及发电机轴承的特征频率。

7.根据权利要求6所述的风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，其特征在于：所述步骤1)中振动数据为X、Y方向和Z方向中一种或多种方向上的振动数据。

8.根据权利要7所述的风力发电机中弹性支撑的隔振性能分析方法，其特征在于：所述步骤1)中振动数据为位移、速度或加速度中一种。