陈博 何洪阳 张晓光
摘要：核级设备必须通过抗震鉴定，验证其结构完整性和功能完整性，设备冷却水泵配套电机要求在地震过程中正常启停，然而各激励引起的电机振动未知。基于此，采用了一种改进EEMD方法，运用该方法提取抗震试验过程中各激励引起的振动信号，并对电机振动进行分析评价。结果表明：相比于地震载荷，电机在抗震试验中自启动引起的振动明显加剧，对电机结构提出了更高要求。
关键词：配套电机 抗震试验 改进EEMD 振动分析
中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：
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
核电站泵及电机数量众多，对核电站的安全运行具有极其重要的作用，要求所有抗震I类核级设备均需进行抗震鉴定，以及在地震条件下保持结构完整和功能完好[1-2]。抗震鉴定方法有分析法、试验法、分析与试验相结合、经验反馈法。针对核电站泵及配套电机等核级设备第一次进行抗震鉴定时，宜采用试验方法[3]。采用地震模拟振动台模拟地震载荷并加载其载荷，是目前核级设备抗震研究的重要手段之一。
根据相关标准及试验大纲要求，对核电站设备冷却水泵配套电机进行抗震鉴定试验，要求前3次运行基准地震（OBE）试验中电机不工作，后2次OBE试验在抗震开始8s时电机进行启停操作。抗震鉴定试验主要验证被试样机在试验前后结构完整性和功能完整性，然而国内外学者鲜有研究冷却水泵配套电机在抗震试验过程中各激励对设备的振动影响。
基于此，本文采用一种改进的集合经验模态分解方法（IEEMD），验证此方法的有效性;同时提取电机抗震试验中各激励引起的振动信号，并分析各激励对电机振动影响，为核级设备抗震及安全运行提供技术支持。
1 鉴定试验
抗震鉴定试验在中国核动力研究设计院6m6m大型高性能地震模拟试验台上进行。地震台台面最大承载为60t，水平和垂直方向最大加速度分别为1g和0.8g，工作频率为0.1～100Hz。根据标准抗震试验采用人工模拟加速度时程作为输入，包括5次运行基准地震（OBE）和1次安全停堆地震（SSE）试验。本文抗震试验的楼层反应谱为公共筏基上的核岛厂房（BRX、BFX、BSX）設计楼层反应谱;阻尼系数取2%，标高-9.6m。要求OBE试验时间为30s，前3次OBE试验中电机不工作，后2次OBE试验在抗震开始8s时电机启动，进入工作状态。
设备冷却水泵配套电机为安全级K3类10kV级电机，其额定转速为1489r/min，安全等级为SC1级，抗震等级为SSE1类。在电机顶部布置一组三向加速度传感器。系统输入激励为上述模拟的人工加速度时程。限于篇幅，仅对OBE第3次试验和OBE第4次试验时，电机顶部的横向振动进行分析。系统的采样频率为2048Hz。
图1为电机顶部的横向振动时域波形。在OBE第3次试验中电机一直处于不工作状态，由于地震载荷引起的振动幅值在±5m/s2左右;OBE第4次试验中抗震开始8s时电机启动，在启动瞬间会产生强烈的冲击振动，其加速度振动幅值达10.3m/s2。
2 振动信号分析方法研究
2.1 分析方法及验证
经验模态分解（EMD）是美国华裔科学家Huang提出的一种新型的时域分析方法 [4-5]，可将信号分解为含有不同时间尺度的本征函数（IMF）和一个余项，且需要满足以下两个定义条件：（1）对于一组数据极值点和过零点数相等或至多相差1;（2）在任一点由局部极大值和局部极小值构成的包络，其平均值为0。其表达式为：
（1）
其中，x（t）为原始信号，ci（t）为筛选出来的信号，rn（t）为残余项。EMD有许多优点，在很多领域取得了应用，然而该方法也存在一些问题，如端点效应、模态混叠等，阻碍它的进一步发展及应用。本文采用改进EEMD方法[6]：
（1）利用最小二乘支持向量机和余弦函数窗对端点进行预测延拓，尽可能消除端点效应;
（2）采用一种集合经验模式分解（EEMD）方法[7-9]，通过噪声辅助分析促进抗混分解，从而有效抑制模态混叠。
改进EEMD方法可有效地消除端点效应和抑制模态混叠。本文采用仿真信号由幅值为1频率为8Hz正弦信号、幅值为0.6频率为60Hz正弦信号和高斯脉冲信号组成，仿真信号s如图2所示。
图3（a）为对仿真信号进行EMD分解得到4阶IMF分量和余项，可知各本征分量两端数据产生发散，同时各IMF分量也存在严重的模态混叠现象。
下面，采用2.1节所述的改进EEMD方法对原始信号进行分解，首先利用最小二乘支持向量机预测延拓原始信号的端点，然后通过余弦加窗处理;再对加窗处理的信号进行EEMD分解，将分解结果得到的IMF分量去掉延拓部分，图3（b）为改进EEMD分解结果。由图可知，高斯脉冲信号（为IMF1分量）、频率为60Hz正弦信号（为IMF2分量）和频率为8Hz的正弦信号（为IMF3和IMF4重构获取）可有效地分离出来，采用改进方法分解的信号明显更符合实际，说明该方法对消除端点效应和模态混叠具有很好的效果。
2.2 电机振动信号提取
如图1所示的OBE第4次实测振动，电机在抗震鉴定试验中启动，引起电机振动的激励有：地震载荷和电机自启动。其中地震载荷引起的电机振动可视为随机非平稳信号，地震过程中电机自启动引起的振动视为高斯脉冲信号。
针对OBE第4次实测信号10.5～12.5s的数据，采用2.1小节的方法进行分解。图4所示为对原始信号进行改进EEMD分解结果（限于篇幅，这里只列出IMF2～IMF5和余项res），可以看出：信号延拓和加窗处理对端点效应具有良好效果，集合经验模式分解也可抑制模态混叠。
相关性系数可很好地表征各IMF分量和原始信号的相关性，具体值如表1所示。通常认为相关性系数大于阀值λ（取0.5）的IMF分量视为有效分量。
IMF1的频谱分布在整个频段，表现为信号包含的噪声或其他干扰信号;IMF2～IMF3的相关系数均大于0.5，认为是抗震试验中电机自启动引起的振动（用绿色表示）;同时重构其他剩余的IMF分量，得到地震载荷引起的电机振动（用蓝色表示）。各激励引起的振动见图5所示，可知在抗震试验中电机自启动，将导致振动明显加剧。
2.3 信号提取结果验证
将2.2节重构得到的地震载荷引起的振动（图5蓝色所示）与OBE第3次试验实测数据进行比较。忽略时域上可能存在的相位差异，由图6可知，振动加速度幅值大致相等，且变化趋势基本相同，说明该方法能有效提取出电机抗震试验中自启动引起的振动，从而验证了该方法的有效性。
3 结果分析
采用加速度最大值、最小值和均方根值等指标评价电机抗震试验中各激励引起的振动。
由表2所示可知，由于地震载荷激励引起的电机振动加速度幅值绝对值最大为4.948m/s2，电机自启动引起的振动加速度幅值绝对值最大为8.335m/s2，比仅地震载荷作用下的振動大很多;在抗震鉴定试验中电机自启动引起的振动是地震载荷和自启动两种激励共同的结果，是仅地震载荷下的2倍多;相比于地震载荷，抗震鉴定试验中电机自启动引起的振动加速度均方根值由1.409增大到1.867，增加了32.51%。
地震载荷激励引起电机产生较大振动，然而在地震过程某时刻启动电机，将导致电机振动明显加剧，这对电机结构提出了更高要求。该电机经抗震试验鉴定，在规定的地震载荷作用下及作用后结构完整、功能完好，抗震鉴定合格。
4 结语
核级设备必须通过抗震鉴定，验证其结构完整性和功能完整性，设备冷却水泵配套电机要求在抗震试验过程中启停，导致电机振动明显加剧，对其结构提出更高要求。本文采用一种改进EEMD方法对抗震试验中电机自启动时引起的振动进行提取，并分析各激励对电机振动影响。得出如下结论：（1）改进的EEMD方法能有效抑制端点效应和模态混叠，对仿真信号分解验证了该方法的可行性，同时能有效提取出抗震试验中电机自启动时引起的振动;（2）相比于地震载荷，电机在抗震试验中自启动引起的振动明显加剧，对电机结构提出了更高要求。为核级设备抗震及安全运行提供技术支持。
参考文献
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[9] 陈永高，钟振宇.基于改进EEMD算法的桥梁结构响应信号模态分解研究[J].振动与冲击， 2019，38（10）： 23-30.
DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2109-5640-5154 中图分类号：TM623 作者简介：
陈博（1983—），男，本科，工程师，研究方向为核电设备管理。
何洪阳（1988—），男，硕士，工程师，研究方向为反应堆结构力学及振动控制。
张晓光（1978—），女，本科，工程师，研究方向为核电厂设备质保管理。
