传动系统动力学设计中的模态分析方法

风力发电机组一般运行在工况变化大、载荷复杂、工作条件恶劣的环境中，机组要承受循环载荷、瞬变载荷和随机载荷等多种类型动态载荷的激励作用。随着风力发电机组功率不断提高，整机结构尺寸（例如，叶片尺寸和塔架高度）不断增大，整体刚度随之降低，机组的固有频率也相应地下降到和激振频率相同的数量级，使得发生结构共振的危险性加大。因此，模态分析是风力发电机组设计过程中必须考虑的问题。

经过调研和分析后可以得出，风力发电机组中主要的弹性振动体为：

1.叶片和塔架振动

在特大型风力发电机组中，叶片和塔架具有尺寸大、质量重，刚度低的特点，一旦发生共振则振动振幅和惯性力也是较大的，对风力发电机组整机动态特性产生很大影响。

叶片振动包括挥舞、摆振和扭振三种主要形式。其中，挥舞是指叶片在垂直于旋转平面方向上的弯曲振动，也称为面外振动；摆振指叶片在旋转平面内的弯曲振动，也称为面内振动；扭振指叶片绕变桨距轴线的扭转振动。

塔架振动包括在风轮旋转轴线方向上的纵向弯曲振动，也称前后振动；与风轮轴线垂直平面内的横向弯曲振动，也称为左右振动，以及塔架的扭转振动。由于塔架的刚度和阻尼都比较小，如果叶片旋转频率接近塔架的固有频率，将产生较大幅度的振动。

2.传动系统振动

风力发电机组增速箱在运行中的振动形式复杂，包括齿轮及传动轴的扭转振动、弯曲振动和轴向振动，使得传动系统振动特性非常复杂，容易与外界激振力重合引起共振。目前，在传动系统动力学设计中，主要考虑主传动链及发电机转子构成系统的扭转振动。

3.机舱振动(www.xing528.com)

机舱振动主要包括风轮旋转引起的纵向扭振和偏航系统引起的横向扭振。

4.风力发电机组整机振动

在外载荷作用下，风力发电机组会产生多个自由度的振动。机组整机振动分析要考虑风轮与塔架的耦合振动，这种耦合振动容易产生自激振动。但其相互之间只在一定的条件下会发生耦合振动，而其中也只有一小部分耦合振动产生实际作用，其他耦合振动仅限于理论探讨。

目前，在风电行业内多采用两款软件计算风力发电机组结构件的模态。

1）GH Bladed软件：GH Bladed软件作为风力发电机组的设计计算和认证软件之一，可以进行风力发电机组动力学分析计算。部件采用模态分析方法，独立计算转动部件和非转动部件的模态，然后采用模态叠加方法进行整机模态分析。采用能量守恒原理和拉格朗日方程建立运动方程，方程中考虑风轮挥舞和摆振的最大六阶模态、塔架前后、左右振动的最大五阶模态，方程中包含初期与陀螺相关的非线性项，方程考虑了气动弹性的影响，求解采用四阶变步长龙格-库塔法。

2）ANSYS软件：ANSYS软件的结构动力学分析功能可以进行模态分析，用于确定设计中的结构或设备部件的振动特性，既固有频率和振型，属于线性分析。ANSYS软件中提供了7种模态提取方法：子空间法（subspace）、分块兰索斯法（Block Lanczos）、PowerDynamic法、缩减法（Reduced）、非对称法（Unsymmetric）、阻尼法（Damp）、QR阻尼法。

对于风力发电机组的结构模态特性，通常采用坎贝尔（Campbell）图进行评估，如图12-7所示。坎贝尔图以风轮转速（r/min）作为横坐标，振动频率（Hz）作为纵坐标。图中可分别用垂直线，水平线和过原点的倾斜线表示风轮工作转速、风力发电机组各个部件或子系统的各阶固有频率、风轮旋转产生的周期性激励频率。周期性激励的倾斜线与固有频率水平线的交点对应的横坐标为发生共振的转速，风轮的工作转速范围应该避开这些共振转速，否则将引起共振损害。