大型門座起重機振動模態測試技術探討*

劉柏清 黃國健 王新華 齊凱

（廣州市特種機電設備檢測研究院研發中心）

1 引言

門座起重運輸機械主要由動力裝置、工作機構及金屬結構等組成，是一個復雜的彈性系統。又因為其在潮濕、腐蝕性較大的環境中頻繁工作，負荷變化大，服役時間長，使得金屬結構的振動問題日益突出，并且所產生的振動在大多數情況下是有害的，會導致機械設備加快失效，降低使用壽命，直接影響整機的安全性和可靠性，甚至發生安全事故。模態分析是研究結構動力特性的一種方法。模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。如果通過模態分析方法了解了結構物在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態的特性，就能預測結構在此頻段內、在外部或內部各種振源作用下實際振動響應。因此，模態分析是結構動態設計、設備的故障診斷以及在役設備金屬結構動態安全性能評估的重要方法[1～4,6]。

本文對某港口型號為MQ1030、使用了25年的門座起重機進行金屬結構安全評估，為了解該機現階段金屬結構的動態特性，對該機重要金屬結構件轉臺平面進行了振動模態測試分析。

2 測試原理

現場測試模態分析的目的是對已有結構系統進行識別與評價，從中找出結構系統的動態特性及存在的問題，為驗證和維修該機結構提供數據依據。因此，對已有結構進行現場試驗模態分析是必要的。對于結構的動態性能研究，通過實測結構的輸入(激勵)和輸出(響應)來確定系統的動態特性，建立系統的分析模型，是結構動力學逆問題的一個主要方面，其內容可分為系統識別和參數識別。按系統輸入、輸出個數，振動參數識別則可分為：單輸入/單輸出(SISO)、單輸入/多輸出(SIMO)、多輸入/多輸出(MIMO)，此類方法主要用于結構質量較輕的結構件(指大型結構以下)。對一些超大型結構件，常采用另一種現場測試方法，即工作模態分析方法(OMA)，這是一種不需要知道激勵信號的模態試驗方法。基于模態分析的理論，多自由度系統的振動微分方程為：

將上式兩邊作傅立葉變換，可以得到：

[H(ω)]為位移頻率響應函數矩陣。

假設[φ]=[{φ}1,{φ}2,{φ}3, … ,{φ}n]為結構的主振型矩陣；結構系統的阻尼為比例阻尼，可以證明位移頻率響應函數矩陣和模態參數有如下關系：

式(3)中：Mi、Ci、Ki分別是第i階模態質量、模態阻尼和模態剛度；{φ}i為第i階固有振型。

當在p點作為激勵，第i點測量響應，位移頻率響應函數為：

可以證明加速度頻率響應函數與位移頻率響應函數有如下關系：

習慣上用Hlp(ω)表示加速度頻響函數，從而建立了從加速度頻響函數求模態參數的理論基礎。為求振動模態，只要測定頻率響應函數矩陣中的一行或一列即可[1,3]。

MQ1030型門座起重機金屬結構屬超大型結構件，采用工作模態分析方法（OMA）中的特征系統實現算法（ERA），通過構造廣義 Hankel矩陣，利用奇異值分解技術，得到系統的最小實現，從而得到最小階數的系統矩陣，以此為基礎識別系統的模態參數。

3 測試方案

本測試主要目的是了解在起吊和放下額定載荷時轉臺各測點的振動特性，及整個轉臺平面的振動特性（即模態）。測試的對象為轉臺平面；測試采用的儀器設備為MAS3.0分析系統及其輔助工具；測試傳感器為ICP加速度傳感器。測試采用6傳感器布置整個轉臺平面，傳感器1～6號靈敏度分別為92mV/g、94mV/g、94mV/g、90mV/g、93mV/g 和 106mV/g。測試平面測點示意圖如圖1所示。

圖1 測試平面測點布置示意圖

傳感器通過磁吸座布置在相應的測點位置，測試加速度的方向為垂直于轉臺平面向下（即轉臺上下振動方向）。本次測試工況如下：儀器設備調試好→起吊前采集測試環境數據→起吊 10噸載荷→停留約3min，直至起吊引起的振動衰減完全→正常方式落下10噸載荷→落下載荷引起的振動衰減完全后停止采集。（本次測試以起吊和放下額定載荷作為測試激勵源）

4 結果分析與討論

本次測試的采樣頻率為256Hz，6通道測試的現場原始數據經相應的信號處理完成后結果如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖2 第1測點測試結果數據信號圖

圖3 第2測點測試結果數據信號圖

圖4 第3測點測試結果數據信號圖

圖5 第4測點測試結果數據信號圖

圖6 第5測點測試結果數據信號圖

圖7 第6測點測試結果數據信號圖

從測試數據信號可知：1通道數據與其它5個通道數據相比，振動幅值和相位響應完全不同，1通道幅值較大，達0.528g，振動響應較為劇烈，與重錘激勵信號非常類似。可能是由于1號測點太靠近臂架與轉臺連接的鉸點位置，起吊、制動和放下載荷的激勵源是通過象鼻梁和臂架傳遞到轉臺的。2號測點與1號測點對稱，同樣靠近臂架與轉臺連接的另一鉸點，但數據信號沒有表現振動過大，反而較為平穩。另外從數據信號還可以了解到落下動作引起振動信號持續時間較起吊和起升動作要長。

對上述6通道數據進行模態分析，首先以3號測點為公共點，1、2、4、5和6號測點為參考分析點，對測試數據信號進行互功率譜處理分析[5]，提取相應的參數。最后分析計算模態信息為：一階頻率為2.500Hz，阻尼系數為0.058。一階模態圖如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 振動模態信息

圖9 振動模態信息

圖10 振動模態信息

5 結束語

通過現場實測振動數據分析可見，采用ICP加速度傳感器、MAS3.0數據采集與分析系統和數據處理軟件組成的結構模態測試技術，可以可靠地同步測量門座起重機轉臺平面金屬結構多點振動數據，經零線調整、趨勢提取與排除、濾波等相關信號處理后，對數據進行互功率譜處理與分析，可以有效地提取相應的工作振動模態參數。該實際模態現場測試技術為大型門座起重機金屬結構的模態試驗提供了解決辦法，也為大型門座起重機金屬結構安全評估與健康狀態的檢測提供一定的參考價值。但此方法不一定是最好的，希望與同行探討，找出更好的或更簡便的測試方法，滿足大型門座起重機金屬結構的模態試驗。

[1] 徐有剛,馮加權,等.大型結構件模態試驗方法[J].科學技術與工程,2007,13(7)：3231-3234.

[2] 李德葆,陸秋海.試驗模態分析及其應用[M].北京：科學出版社,2001.

[3] 陳亞娟.大型建筑結構模態測試系統的研究[J].微計算機信息測控自動化,2009,25：129-130.

[4] 徐長生,陶德馨.起重運輸機械試驗技術[M].北京：人民交通出版社,1999.

[5] 昌松,梅志堅,楊叔子,等.機床顫振信號互譜特性分析[J].山東工業大學學報,1990,20(3)：25-31.

[6] 涂振祥,黃海.基于劣化指數的門座起重機安全性評價系統研究[J].中國水運,2009,9(8)：140-141.