模態分析在風機中的應用現狀

李 俊，裘科名，楊藝偉，張 璟，莊益孌

（紹興市上虞區產品質量監督檢驗所，浙江 紹興 312300）

風機是對氣體壓縮和氣體輸送機械的簡稱，通常包括通風機、鼓風機、風力發電機，其為從動的流體機械，能利用輸入的機械能提高氣體壓力并排送氣體。風機作為經常出現振動超標問題的機械結構，將受到較多因素的影響，導致風機無法平穩運行。而在機械結構振動研究領域，模態分析為強有力的工具。目前，在風機工程振動研究領域，模態分析已經得到了廣泛應用。因此，還應加強對模態分析在風機中的應用分析，從而更好地利用該方法解決風機振動超標問題。

1 模態分析在風機中應用的理論基礎

在結構動力特性研究方面，模態分析為近代提出的一種方法，可以實現對工程振動問題的系統辨別。所謂的模態，即為機械結構的固有振動特性。而各模態擁有各自的固有頻率、振型和阻尼比，可以通過計算或試驗獲得，獲得的過程被稱之為模態分析。在現代工業中，風機為重要的機械設備結構，在工作中會受到各種外界激勵，本身葉片不平衡量的存在也將導致不平衡作用力的產生，導致葉片承受氣流的激振力。在各種激勵的作用下，風機會出現振動超標問題。因此，在風機研制的過程中，需要通過模態分析確認風機的固有振動特性，以便采取科學的措施避免風機出現共振問題。

2 模態分析在風機中的應用進展

2.1 在風機結構設計中的應用

在風機結構設計的模態分析方面，主要通過2種途徑獲得模態參數：①可以通過理論計算分析獲得模態參數，該種分析過程被稱之為計算模態分析；②可以通過試驗對采集的系統輸入和輸出信號進行參數識別，該種分析過程被稱之為試驗模態分析。實際上，在風機中應用模態分析，既需要理論計算，也需要試驗研究，以實現相互促進。通過理論計算，可以確定風機結構的動力學模型。通過試驗，可以確定該結構的特征參數，然后利用動力學模型對整個結構的激勵響應進行計算，實現結構動力學優化設計。近年來，工程界普遍開展了以模態分析為基礎的風機結構動態設計研究。在風機葉片優化設計上，運用有限元結構分析軟件對動葉可調軸流風機工作葉片的固有頻率特性及動頻率特性展開數值分析，得到的振動分析計算結果與試驗數據相比誤差不超出3%.利用有限元結構分析軟件實現對葉片造型、網格劃分、載荷及約束的添加，可以實現對風機結構的優化、改進。在風機輪轂設計上，目前，普遍利用有限元分析對同一材料條件下的輪轂結構進行減重分析，然后結合分析結果采用鉆孔、變密度拓撲優化等多種結構優化方式實現輪轂結構優化。風機輪轂作為大型金屬曲面結構，具有載荷負載、實體體積大等特點，難以利用一般工程算法進行分析。采用有限元方法展開模態分析，可以利用數學近似方法提高計算精度，也能適應各種復雜結構的分析研究。

2.2 在風機結構性能評價中的應用

在風機結構性能評價方面，模態分析也得到了廣泛應用。在風機結構動態性能評估上，可以結合模態振型、模態頻率和模態阻尼等參數進行評價。按照模態分析的基本方法，針對風機組成的一般結構，要求各階模態的工作頻率在半功率帶寬以外。針對葉片、輪轂等重要結構，由于其模態振型給風機整體振動的貢獻較大，所以，還應確保各結構不影響風機正常工作。

2.3 在風機故障診斷和監測中的應用

在實際應用的過程中，風機時常會出現振動故障。而在風機故障診斷和監測方面，模態分析方法也能得到應用。利用模態分析，可以結合獲得的模態參數進行故障識別。作為有效的故障診斷和監測方法，采用該方法可以結合模態頻率變化對裂紋的出現情況進行判別，并結合振型確認裂紋的位置。針對風機轉子失穩引發的振動故障，可以結合模態阻尼的變化判斷轉子支撐系統是否出現故障。而針對風機葉片出現裂紋缺陷引發風機葉輪局部振動的問題，通過對失諧葉輪結構的固有頻率變化和模態局部化程度進行分析，可發現裂紋引發葉輪結構失諧的機理，并通過建立裂紋深度與葉輪結構振動特性關系提出預防和改進措施。采用計算模態分析方法，可以利用葉片等效模型對風機故障進行診斷。而針對真實風機運行狀態下的故障診斷和監測，還要利用試驗模態分析方法展開研究。就目前來看，針對離心式風機含裂紋葉片的風機全狀態監測問題，采用LMS Test Lab模態分析系統，可以完成風機葉片模態分析試驗，采用PolyMAX識別算法和最小二乘復頻域法進行結構模態參數識別，然后采用多點激勵單點拾振的方法開展測試試驗。通過對不同裂紋深度下的實驗模態固有頻率與振型展開對比，則能得到葉輪結構固有振動影響規律，繼而為葉輪故障的監測和識別提供數據支撐。現階段，在風機結構事故監測方面，也可以采用隨機子空間法的非加權主分量算法等算法對不同工況條件下的風機一階自振頻率和阻尼比參數進行獲取，然后通過有限元分析確定葉輪旋轉給風機動力特性帶來的影響，因此，可以實現風機結構失效問題的判斷和監測。

3 結論

通過研究可以發現，在風機結構設計、結構性能評價和故障診斷與監測等領域，模態分析技術得到了廣泛應用。通過模態分析，可以確定風機結構的固有振動特性，確定風機各部分組成的固有頻率、模態振型和阻尼比，所以，能夠確定結構的性能，為風機結構的優化設計提供數據。此外，通過模態分析掌握風機固有振動影響規律，也能實現對風機結構故障的有效監測和判斷，繼而使風機保持安全、高效運轉。

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