一种基于刚度可调式动力吸振器的风机塔架减振方法与流程
1.本发明涉及风电机组振动控制领域，具体涉及一种基于刚度可调式动力吸振器的风机塔架减振方法。
背景技术：
2.我国的风电机组装机容量取得了长足发展。新装风电机组趋于单机容量更高、结构尺寸更大的方向发展，这对风电机组塔架结构稳定性提出更高的要求。风机塔架结构稳定性受风载荷、地震等自然因素影响，考虑制造、运输、安装等成本因素，单纯依靠增加塔架自身结构刚度来提高结构稳定性的方法既不经济也不科学。动力吸振器作为一种风机塔架减振方法主要分为主动式减振和被动式减振两大类，主动式减振需要系统提供额外的电气阻尼且控制链较复杂，在地震、台风等极端条件下会受到限制；被动式减振具有构造简单，维护方便、可靠性高等优点，目前被广泛应用于风机塔架减振技术中。但传统的被动式动力吸振器由于结构参数固定，其减振频带窄，它对偏离设计频率范围的外部激励，减振效果很差甚至有增加振动的趋势。基于此，丞需寻一种既不依赖电气阻尼又具有宽频带且适用于风机塔架的减振方法。
技术实现要素：
3.针对上述情况，为克服现有技术之不足，本发明之目的就是提供一种基于刚度可调式动力吸振器的风机塔架减振方法，可有效解决风机塔架高效自调节减振的问题。
4.本发明采用的技术方案是：
5.一种基于刚度可调式动力吸振器的风机塔架减振方法，包括以下步骤：
6.s1：将刚度可调式动力吸振器安装在风机塔架的上端部用于减振；
7.刚度可调式动力吸振器的固有频率ω2为：
[0008][0009]
其中，k2为动力吸振器的刚度，m2为动力吸振器的质量；
[0010]
通过改变时变激励电流i可调节动力吸振器的剪切刚度k2在(k
2,min
～k
2,max
)范围内变化，使得刚度可调式动力吸振器的固有频率ω2在(ω
2,min
～ω
2,max
)范围内变化；
[0011]
s2：对风机塔架的时域振动信号进行采集；
[0012]
将加速度传感器安装在风电机组的风机塔架上端，获取风电机组风机塔架的振动信息；
[0013]
s3：利用海明窗函数和快速傅里叶变换法对时域振动信号进行处理，获得风机塔架一阶自振频率；
[0014]
在外界环境激励下，加速度传感器测量风机塔架一段时间t内的时域振动信号s(t)；但该信号s(t)在频域内表现为集中分布在某一频率附近的区间上，存在较大的频域误差；
[0015]
通过海明窗函数对时域振动信号进行处理；
[0016]
所述海明窗函数为：
[0017][0018]
式中：n＝1,2,3,......n，n是采样点数；
[0019]
对时域振动信号s(t)进行快速傅里叶变换前，先利用窗函数对信号进行处理，其表达式为：
[0020]st
(t)＝s(t)
×
h(n)
[0021]
进一步地，获取该时域振动信号的频谱s
t
(ω)：
[0022][0023]
式中：e为自然常数；ω为角频率；j为复数虚部单位；
[0024]
则该段t内的频率ω
t
表示为：
[0025][0026]
选取峰值最大的点对应的频率作为风机塔架的一阶自振频率ω1；
[0027]
s4：利用最小二乘法，拟合刚度可调式动力吸振器的时变激励电流i随风机塔架一阶自振频率ω1的变化曲线i＝f(ω1)；
[0028]
s5:风机塔架一阶自振频率ω1是需要减振的目标；基于刚度可调式动力吸振器的刚度变化范围，判断ω1是否在刚度可调式动力吸振器减振频率范围(ω
2,min
～ω
2,max
)为内；若是，基于 i＝f(ω1)，触发时变激励电流i，进而调节动力吸振器刚度k2，引导动力吸振器的固有频率ω2与ω1相当，达到减振效果。
[0029]
所述刚度可调式动力吸振器的剪切刚度为：
[0030][0031]
式中：k2是动力吸振器的剪切刚度；g0是无磁场作用时有效剪切模量；p是剪切厚度； a是有效剪切面积，当有磁场作用在动力吸振器时，其剪切刚度为：
[0032][0033]
其中δg是因磁场作用而产生的模量变化量，其表达式为：
[0034][0035]
β＝(μ
p-μf)
×
(μ
p
+2μf)
[0036]
式中：是磁性颗粒在磁流变弹性体中所占体积；μf和μ
p
分别是磁性颗粒和弹性基体的相对磁导率；μ0是真空磁导率；h是施加磁场大小，来源于电流；r是磁性颗粒的平均半径； d是磁性颗粒之间的距离；ζ是常数，取1.202；基于毕奥-萨法尔定律，时变激励电流i与磁场h的关系表达式：
[0037]
h＝λ
×i[0038]
式中，λ是比例常数。
[0039]
由以上可知，时变激励电流i可调节动力吸振器刚度在(k
2,min
～k
2,max
)范围内变化。
[0040]
本发明通过增设基于磁流变弹性体的理化特性设计刚度可调式动力吸振器，利用其励磁性的软铁颗粒在磁场的作用下磁化而彼此产生相互作用力，因相互作用力的大小和方向的不同会导致模量不同的特性，通过改变磁流变弹性体时变激励电流i可调节动力吸振器刚度在 (k2,min～k
2,max
)范围内变化，进而使得刚度可调式动力吸振器的固有频率ω2在(ω
2,min
～ω
2,max
)范围内变化。通过加速度传感器采集风机塔架的振动信号，获取风机塔架一阶自振频率ω1，调节刚度可调式动力吸振器的固有频率ω2，使得ω2与ω1相当，达到减振效果。与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
[0041]
(1)设计了一种用于风机塔架减振的刚度可调式动力吸振器，和主动式吸振器相比，具有结构简单，控制链可靠的优点；和被动式吸振器相比，具有刚度可调、减振频带宽的优点。
[0042]
(2)将海明窗函数用于风机塔架一阶自振频率识别，提高振动模态识别效率；建立动力吸振器刚度和风机塔架一阶自振频率函数关系式，使减振频率自调节更加高效迅速。
附图说明
[0043]
图1为本发明动力吸振器安装位置示意图。
[0044]
图2为本发明加速度传感器安装位置示意图。
[0045]
图3为本发明风机塔架减振方法流程图。
[0046]
图4为本发明应用例风机塔架上原始振动信号。
[0047]
图5为本发明应用例窗函数处理后的振动信号。
[0048]
图6为本发明应用例获取该时域振动信号的频谱图。
[0049]
图7为本发明应用例动力吸振器固有频率范围图。
[0050]
图8为本发明应用例减振前后风机塔架时域振动位移对比图。
具体实施方式
[0051]
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
[0052]
本发明公开了一种基于刚度可调式动力吸振器的风机塔架减振方法，包括以下步骤：
[0053]
s1：将刚度可调式动力吸振器安装在风机塔架的上端部用于减振；
[0054]
如图1所示，刚度可调式动力吸振器可悬挂式安装在靠近机仓的风机塔架的上端部；所述刚度可调式动力吸振器为磁流变弹性体制成，所述磁流变弹性体是一种由纳米尺度的软铁磁性颗粒和高分子聚合物组成的复合材料，用磁流变弹性体制造的动力吸振器具有刚度可调的优点，其原理是励磁性的软铁颗粒在磁场的作用下磁化而彼此产生相互作用力，因相互作用力的大小和方向的不同会导致模量不同。
[0055]
刚度可调式动力吸振器的固有频率ω2为：
[0056][0057]
其中，k2为动力吸振器的刚度，m2为动力吸振器的质量；
[0058]
通过改变时变激励电流i可调节动力吸振器的剪切刚度k2在(k
2,min
～k
2,max
)范围内变化，使得刚度可调式动力吸振器的固有频率ω2在(ω
2,min
～ω
2,max
)范围内变化；
[0059]
s2：对风机塔架的时域振动信号进行采集；
[0060]
将加速度传感器安装在风电机组的风机塔架上端，获取风电机组风机塔架的振动信息；传感器安装位置示意图如图2所示，实际安装时，可在主轴承座、机座、风机塔架、主轴承、变速箱、发电机轴承这6个部位安装加速度传感器，本案中的风机塔架为图示
③
位置，通过该位置的加速度传感器获取风机塔架的振动信号，其余位置的加速度传感器用于其他检测时全面采集风电机组的振动信号；
[0061]
s3：利用海明窗函数和快速傅里叶变换法对时域振动信号进行处理，获得风机塔架一阶自振频率；
[0062]
在外界环境激励下，加速度传感器测量风机塔架一段时间t内的时域振动信号s(t)；但该信号s(t)在频域内表现为集中分布在某一频率附近的区间上，存在较大的频域误差；
[0063]
通过海明窗函数对时域振动信号进行处理；
[0064]
对时域振动信号处理中，海明窗函数能够加强主瓣的幅值和高度，同时减小旁瓣的幅值和高度且不影响信号的连续性；
[0065]
所述海明窗函数为：
[0066][0067]
式中：n＝1,2,3,......n，n是采样点数；
[0068]
对时域振动信号s(t)进行快速傅里叶变换(fft)前，先利用窗函数对信号进行处理，其表达式为：
[0069]st
(t)＝s(t)
×
h(n)
[0070]
进一步地，获取该时域振动信号的频谱s
t
(ω)：
[0071][0072]
式中：e为自然常数；ω为角频率；j为复数虚部单位；
[0073]
则该段t内的频率ω
t
表示为：
[0074][0075]
选取峰值最大的点对应的频率作为风机塔架的一阶自振频率ω1；
[0076]
s4：利用最小二乘法，拟合刚度可调式动力吸振器的时变激励电流i随风机塔架一阶自振频率ω1的变化曲线i＝f(ω1)；
[0077]
s5:风机塔架一阶自振频率ω1是需要减振的目标；基于刚度可调式动力吸振器的
刚度变化范围，判断ω1是否在刚度可调式动力吸振器减振频率范围(ω
2,min
～ω
2,max
)为内；若是，基于 i＝f(ω1)，触发时变激励电流i，进而调节动力吸振器刚度k2，引导动力吸振器的固有频率ω2与ω1相当，达到减振效果。
[0078]
若否，动力吸振器无法达到减振效果。
[0079]
固有频率ω2与ω1相当的标准为：
[0080]
定义是减振误差率，当δ≤5％，则固有频率ω2与ω1相当，减振效果明显；否则，减振效果较差。风机塔架减振流程图如图3所示。
[0081]
所述刚度可调式动力吸振器的剪切刚度为：
[0082][0083]
式中：k2是动力吸振器的剪切刚度；g0是无磁场作用时有效剪切模量；p是剪切厚度；a是有效剪切面积，当有磁场作用在动力吸振器时，其剪切刚度为：
[0084][0085]
其中δg是因磁场作用而产生的模量变化量，其表达式为：
[0086][0087]
β＝(μ
p-μf)
×
(μ
p
+2μf)
[0088]
式中：是磁性颗粒在磁流变弹性体中所占体积；μf和μ
p
分别是磁性颗粒和弹性基体的相对磁导率；μ0是真空磁导率；h是施加磁场大小，来源于电流；r是磁性颗粒的平均半径； d是磁性颗粒之间的距离；ζ是常数，取1.202；基于毕奥-萨法尔定律，时变激励电流i与磁场h的关系表达式：
[0089]
h＝λ
×i[0090]
式中，λ是比例常数。
[0091]
由以上可知，时变激励电流i可调节动力吸振器刚度在(k
2,min
～k
2,max
)范围内变化。
[0092]
本发明方法经实际应用，取得了良好的技术效果，在某风电机组风机塔架的应用例如下：
[0093]
s1:将刚度可调式动力吸振器安装在风机塔架上端部，风机塔架减振系统的结构参数如表 1所示：
[0094]
表1减振系统的结构参数
[0095][0096]
设计的动力吸振器可调刚度范围内的固有频率是(ω2,min～ω
2,max
)是0.45～2.0rad/s。
[0097]
s2:基于风机塔架上加速度传感器获取100s内一段原始振动信号，如图4所示，明显地，该信号存在干扰信息。
[0098]
s3:为减小频率误差，采用海明窗函数对该原始振动信号进行处理，其结果如图5所示。进一步地，利用快速傅里叶变换方法获取该信号的幅频特性曲线，如图6，并得出其一阶自振角频率为ω1＝1.7rad/s。如图7所示，可知ω
2,min
≤ω1≤ω
2,max
，则动力吸振器可起到减振作用。 s4:基于i＝f(ω1)和k2＝x(i)，计算出动力吸振器刚度k2与ω1的关系式：
[0099][0100]
s5:通过调节动力吸振器刚度，使风机塔架系统的振动位移最小，达到减振效果，如图8所示。由上述情况可以清楚的看出，本发明基于刚度可调式动力吸振器的风机塔架减振方法优点是
[0101]
1)调节迅速，减振明显。在100s时，减振前振动位移是2mm，减振后振动位移是1mm，其减振幅度达50％；
[0102]
2)减振频带宽，减振时效长。减振频带在0.45～2.0rad/s，覆盖风机塔架常规振动
频率，在1000s内，振动位移接近0，可完全消纳振动。
