模态分析在风机中的应用现状

李 俊，裘科名，杨艺伟，张 璟，庄益娈

（绍兴市上虞区产品质量监督检验所，浙江 绍兴 312300）

风机是对气体压缩和气体输送机械的简称，通常包括通风机、鼓风机、风力发电机，其为从动的流体机械，能利用输入的机械能提高气体压力并排送气体。风机作为经常出现振动超标问题的机械结构，将受到较多因素的影响，导致风机无法平稳运行。而在机械结构振动研究领域，模态分析为强有力的工具。目前，在风机工程振动研究领域，模态分析已经得到了广泛应用。因此，还应加强对模态分析在风机中的应用分析，从而更好地利用该方法解决风机振动超标问题。

1 模态分析在风机中应用的理论基础

在结构动力特性研究方面，模态分析为近代提出的一种方法，可以实现对工程振动问题的系统辨别。所谓的模态，即为机械结构的固有振动特性。而各模态拥有各自的固有频率、振型和阻尼比，可以通过计算或试验获得，获得的过程被称之为模态分析。在现代工业中，风机为重要的机械设备结构，在工作中会受到各种外界激励，本身叶片不平衡量的存在也将导致不平衡作用力的产生，导致叶片承受气流的激振力。在各种激励的作用下，风机会出现振动超标问题。因此，在风机研制的过程中，需要通过模态分析确认风机的固有振动特性，以便采取科学的措施避免风机出现共振问题。

2 模态分析在风机中的应用进展

2.1 在风机结构设计中的应用

在风机结构设计的模态分析方面，主要通过2种途径获得模态参数：①可以通过理论计算分析获得模态参数，该种分析过程被称之为计算模态分析；②可以通过试验对采集的系统输入和输出信号进行参数识别，该种分析过程被称之为试验模态分析。实际上，在风机中应用模态分析，既需要理论计算，也需要试验研究，以实现相互促进。通过理论计算，可以确定风机结构的动力学模型。通过试验，可以确定该结构的特征参数，然后利用动力学模型对整个结构的激励响应进行计算，实现结构动力学优化设计。近年来，工程界普遍开展了以模态分析为基础的风机结构动态设计研究。在风机叶片优化设计上，运用有限元结构分析软件对动叶可调轴流风机工作叶片的固有频率特性及动频率特性展开数值分析，得到的振动分析计算结果与试验数据相比误差不超出3%.利用有限元结构分析软件实现对叶片造型、网格划分、载荷及约束的添加，可以实现对风机结构的优化、改进。在风机轮毂设计上，目前，普遍利用有限元分析对同一材料条件下的轮毂结构进行减重分析，然后结合分析结果采用钻孔、变密度拓扑优化等多种结构优化方式实现轮毂结构优化。风机轮毂作为大型金属曲面结构，具有载荷负载、实体体积大等特点，难以利用一般工程算法进行分析。采用有限元方法展开模态分析，可以利用数学近似方法提高计算精度，也能适应各种复杂结构的分析研究。

2.2 在风机结构性能评价中的应用

在风机结构性能评价方面，模态分析也得到了广泛应用。在风机结构动态性能评估上，可以结合模态振型、模态频率和模态阻尼等参数进行评价。按照模态分析的基本方法，针对风机组成的一般结构，要求各阶模态的工作频率在半功率带宽以外。针对叶片、轮毂等重要结构，由于其模态振型给风机整体振动的贡献较大，所以，还应确保各结构不影响风机正常工作。

2.3 在风机故障诊断和监测中的应用

在实际应用的过程中，风机时常会出现振动故障。而在风机故障诊断和监测方面，模态分析方法也能得到应用。利用模态分析，可以结合获得的模态参数进行故障识别。作为有效的故障诊断和监测方法，采用该方法可以结合模态频率变化对裂纹的出现情况进行判别，并结合振型确认裂纹的位置。针对风机转子失稳引发的振动故障，可以结合模态阻尼的变化判断转子支撑系统是否出现故障。而针对风机叶片出现裂纹缺陷引发风机叶轮局部振动的问题，通过对失谐叶轮结构的固有频率变化和模态局部化程度进行分析，可发现裂纹引发叶轮结构失谐的机理，并通过建立裂纹深度与叶轮结构振动特性关系提出预防和改进措施。采用计算模态分析方法，可以利用叶片等效模型对风机故障进行诊断。而针对真实风机运行状态下的故障诊断和监测，还要利用试验模态分析方法展开研究。就目前来看，针对离心式风机含裂纹叶片的风机全状态监测问题，采用LMS Test Lab模态分析系统，可以完成风机叶片模态分析试验，采用PolyMAX识别算法和最小二乘复频域法进行结构模态参数识别，然后采用多点激励单点拾振的方法开展测试试验。通过对不同裂纹深度下的实验模态固有频率与振型展开对比，则能得到叶轮结构固有振动影响规律，继而为叶轮故障的监测和识别提供数据支撑。现阶段，在风机结构事故监测方面，也可以采用随机子空间法的非加权主分量算法等算法对不同工况条件下的风机一阶自振频率和阻尼比参数进行获取，然后通过有限元分析确定叶轮旋转给风机动力特性带来的影响，因此，可以实现风机结构失效问题的判断和监测。

3 结论

通过研究可以发现，在风机结构设计、结构性能评价和故障诊断与监测等领域，模态分析技术得到了广泛应用。通过模态分析，可以确定风机结构的固有振动特性，确定风机各部分组成的固有频率、模态振型和阻尼比，所以，能够确定结构的性能，为风机结构的优化设计提供数据。此外，通过模态分析掌握风机固有振动影响规律，也能实现对风机结构故障的有效监测和判断，继而使风机保持安全、高效运转。

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