設備冷卻水泵配套電機抗震鑒定試驗中的振動分析

陳博 何洪陽 張曉光

摘要：核級設備必須通過抗震鑒定，驗證其結構完整性和功能完整性，設備冷卻水泵配套電機要求在地震過程中正常啟停，然而各激勵引起的電機振動未知。基于此，采用了一種改進EEMD方法，運用該方法提取抗震試驗過程中各激勵引起的振動信號，并對電機振動進行分析評價。結果表明：相比于地震載荷，電機在抗震試驗中自啟動引起的振動明顯加劇，對電機結構提出了更高要求。

關鍵詞：配套電機 抗震試驗 改進EEMD 振動分析

中圖分類號：TM623? 文獻標識碼：A? 文章編號：

Vibration Analysis of Supporting Motor of Equipment Cooling Water Pump in Seismic Evaluation Test

CHEN Bo1? ?HE Hongyang2? ?ZHANG Xiaoguang3

（1. CNNP Nuclear Power Operations Management Co.， Ltd， Jiaxing， Zhejiang Province， 314300 China; 2. Nuclear Power Institute of China， Chengdu， Sichuan Province， 610213 China; 3. China National Nuclear Supply Chain Operation Co.， Ltd.， Shanghai， 200023 China）

Abstract： Nuclear grade equipment must pass seismic evaluation to verify its structural integrity and functional integrity. The supporting motor of cooling water pump is required to start and stop normally during earthquake， but the motor vibration caused by various excitation is unknown. Based on this， an improved EEMD method was used to extract vibration signals caused by various excitation in the process of seismic test， and the vibration of the motor was analyzed and evaluated. The results show that compared with the seismic load， the vibration caused by the motor's self-start in the seismic test is obviously aggravated， which puts forward higher requirements on the motor structure.

Key Words： Supporting motor; Seismic test; Improved EEMD; Vibration analysis

核電站泵及電機數量眾多，對核電站的安全運行具有極其重要的作用，要求所有抗震I類核級設備均需進行抗震鑒定，以及在地震條件下保持結構完整和功能完好[1-2]。抗震鑒定方法有分析法、試驗法、分析與試驗相結合、經驗反饋法。針對核電站泵及配套電機等核級設備第一次進行抗震鑒定時，宜采用試驗方法[3]。采用地震模擬振動臺模擬地震載荷并加載其載荷，是目前核級設備抗震研究的重要手段之一。

根據相關標準及試驗大綱要求，對核電站設備冷卻水泵配套電機進行抗震鑒定試驗，要求前3次運行基準地震（OBE）試驗中電機不工作，后2次OBE試驗在抗震開始8s時電機進行啟停操作。抗震鑒定試驗主要驗證被試樣機在試驗前后結構完整性和功能完整性，然而國內外學者鮮有研究冷卻水泵配套電機在抗震試驗過程中各激勵對設備的振動影響。

基于此，本文采用一種改進的集合經驗模態分解方法（IEEMD），驗證此方法的有效性;同時提取電機抗震試驗中各激勵引起的振動信號，并分析各激勵對電機振動影響，為核級設備抗震及安全運行提供技術支持。

1 鑒定試驗

抗震鑒定試驗在中國核動力研究設計院6m6m大型高性能地震模擬試驗臺上進行。地震臺臺面最大承載為60t，水平和垂直方向最大加速度分別為1g和0.8g，工作頻率為0.1～100Hz。根據標準抗震試驗采用人工模擬加速度時程作為輸入，包括5次運行基準地震（OBE）和1次安全停堆地震（SSE）試驗。本文抗震試驗的樓層反應譜為公共筏基上的核島廠房（BRX、BFX、BSX）設計樓層反應譜;阻尼系數取2%，標高-9.6m。要求OBE試驗時間為30s，前3次OBE試驗中電機不工作，后2次OBE試驗在抗震開始8s時電機啟動，進入工作狀態。

設備冷卻水泵配套電機為安全級K3類10kV級電機，其額定轉速為1489r/min，安全等級為SC1級，抗震等級為SSE1類。在電機頂部布置一組三向加速度傳感器。系統輸入激勵為上述模擬的人工加速度時程。限于篇幅，僅對OBE第3次試驗和OBE第4次試驗時，電機頂部的橫向振動進行分析。系統的采樣頻率為2048Hz。

圖1為電機頂部的橫向振動時域波形。在OBE第3次試驗中電機一直處于不工作狀態，由于地震載荷引起的振動幅值在±5m/s2左右;OBE第4次試驗中抗震開始8s時電機啟動，在啟動瞬間會產生強烈的沖擊振動，其加速度振動幅值達10.3m/s2。

2 振動信號分析方法研究

2.1 分析方法及驗證

經驗模態分解（EMD）是美國華裔科學家Huang提出的一種新型的時域分析方法 [4-5]，可將信號分解為含有不同時間尺度的本征函數（IMF）和一個余項，且需要滿足以下兩個定義條件：（1）對于一組數據極值點和過零點數相等或至多相差1;（2）在任一點由局部極大值和局部極小值構成的包絡，其平均值為0。其表達式為：

（1）

其中，x（t）為原始信號，ci（t）為篩選出來的信號，rn（t）為殘余項。EMD有許多優點，在很多領域取得了應用，然而該方法也存在一些問題，如端點效應、模態混疊等，阻礙它的進一步發展及應用。本文采用改進EEMD方法[6]：

（1）利用最小二乘支持向量機和余弦函數窗對端點進行預測延拓，盡可能消除端點效應;

（2）采用一種集合經驗模式分解（EEMD）方法[7-9]，通過噪聲輔助分析促進抗混分解，從而有效抑制模態混疊。

改進EEMD方法可有效地消除端點效應和抑制模態混疊。本文采用仿真信號由幅值為1頻率為8Hz正弦信號、幅值為0.6頻率為60Hz正弦信號和高斯脈沖信號組成，仿真信號s如圖2所示。

圖3（a）為對仿真信號進行EMD分解得到4階IMF分量和余項，可知各本征分量兩端數據產生發散，同時各IMF分量也存在嚴重的模態混疊現象。

下面，采用2.1節所述的改進EEMD方法對原始信號進行分解，首先利用最小二乘支持向量機預測延拓原始信號的端點，然后通過余弦加窗處理;再對加窗處理的信號進行EEMD分解，將分解結果得到的IMF分量去掉延拓部分，圖3（b）為改進EEMD分解結果。由圖可知，高斯脈沖信號（為IMF1分量）、頻率為60Hz正弦信號（為IMF2分量）和頻率為8Hz的正弦信號（為IMF3和IMF4重構獲取）可有效地分離出來，采用改進方法分解的信號明顯更符合實際，說明該方法對消除端點效應和模態混疊具有很好的效果。

2.2 電機振動信號提取

如圖1所示的OBE第4次實測振動，電機在抗震鑒定試驗中啟動，引起電機振動的激勵有：地震載荷和電機自啟動。其中地震載荷引起的電機振動可視為隨機非平穩信號，地震過程中電機自啟動引起的振動視為高斯脈沖信號。

針對OBE第4次實測信號10.5～12.5s的數據，采用2.1小節的方法進行分解。圖4所示為對原始信號進行改進EEMD分解結果（限于篇幅，這里只列出IMF2～IMF5和余項res），可以看出：信號延拓和加窗處理對端點效應具有良好效果，集合經驗模式分解也可抑制模態混疊。

相關性系數可很好地表征各IMF分量和原始信號的相關性，具體值如表1所示。通常認為相關性系數大于閥值λ（取0.5）的IMF分量視為有效分量。

IMF1的頻譜分布在整個頻段，表現為信號包含的噪聲或其他干擾信號;IMF2～IMF3的相關系數均大于0.5，認為是抗震試驗中電機自啟動引起的振動（用綠色表示）;同時重構其他剩余的IMF分量，得到地震載荷引起的電機振動（用藍色表示）。各激勵引起的振動見圖5所示，可知在抗震試驗中電機自啟動，將導致振動明顯加劇。

2.3 信號提取結果驗證

將2.2節重構得到的地震載荷引起的振動（圖5藍色所示）與OBE第3次試驗實測數據進行比較。忽略時域上可能存在的相位差異，由圖6可知，振動加速度幅值大致相等，且變化趨勢基本相同，說明該方法能有效提取出電機抗震試驗中自啟動引起的振動，從而驗證了該方法的有效性。

3 結果分析

采用加速度最大值、最小值和均方根值等指標評價電機抗震試驗中各激勵引起的振動。

由表2所示可知，由于地震載荷激勵引起的電機振動加速度幅值絕對值最大為4.948m/s2，電機自啟動引起的振動加速度幅值絕對值最大為8.335m/s2，比僅地震載荷作用下的振動大很多;在抗震鑒定試驗中電機自啟動引起的振動是地震載荷和自啟動兩種激勵共同的結果，是僅地震載荷下的2倍多;相比于地震載荷，抗震鑒定試驗中電機自啟動引起的振動加速度均方根值由1.409增大到1.867，增加了32.51%。

地震載荷激勵引起電機產生較大振動，然而在地震過程某時刻啟動電機，將導致電機振動明顯加劇，這對電機結構提出了更高要求。該電機經抗震試驗鑒定，在規定的地震載荷作用下及作用后結構完整、功能完好，抗震鑒定合格。

4 結語

核級設備必須通過抗震鑒定，驗證其結構完整性和功能完整性，設備冷卻水泵配套電機要求在抗震試驗過程中啟停，導致電機振動明顯加劇，對其結構提出更高要求。本文采用一種改進EEMD方法對抗震試驗中電機自啟動時引起的振動進行提取，并分析各激勵對電機振動影響。得出如下結論：（1）改進的EEMD方法能有效抑制端點效應和模態混疊，對仿真信號分解驗證了該方法的可行性，同時能有效提取出抗震試驗中電機自啟動時引起的振動;（2）相比于地震載荷，電機在抗震試驗中自啟動引起的振動明顯加劇，對電機結構提出了更高要求。為核級設備抗震及安全運行提供技術支持。

參考文獻

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[9] 陳永高，鐘振宇.基于改進EEMD算法的橋梁結構響應信號模態分解研究[J].振動與沖擊， 2019，38（10）： 23-30.

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-5154 中圖分類號：TM623 作者簡介：

陳博（1983—），男，本科，工程師，研究方向為核電設備管理。

何洪陽（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為反應堆結構力學及振動控制。

張曉光（1978—），女，本科，工程師，研究方向為核電廠設備質保管理。