橋式起重機變頻改造前后主梁振動狀況對比分析

趙學明 邱法聚 丁高耀

寧波凹凸重工有限公司 浙江寧波市

一、概述

某公司兩臺QD100/50-22.1/12吊鉤橋式起重機，因吊裝精度的需要，其中1臺大、小車調速方式由轉子串電阻調速改造為變頻調速，另外1臺仍然工頻運行。為了比較變頻改造前后主梁在振動加速度上的變化，在不同工況下對兩臺起重機進行振動測試與分析。起重機變頻改造前后基本參數見表1。

表1 改造前后QD100/50-22.1A6起重機基本參數

二、測試準備

1.儀器

（1）動態信號測試分析系統。采用江蘇東華測試技術股份有限公司的DH5920動態信號測試分析系統，它包括動態信號測試所需的信號調理器（應變、振動等調理器）、直流電壓放大器、抗混濾波器、A/D轉換器、緩沖存儲器以及采樣控制和計算機通信的全部硬件，并提供操作方便的控制軟件及分析軟件，是以計算機為基礎、智能化的動態信號測試分析系統。

（2）振動加速度傳感器。常用的振動加速度傳感器按各自的工作原理可分為壓電式、壓阻式、電容式。

壓電式傳感器利用彈簧質量系統原理，具有動態范圍大、頻率范圍寬、堅固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產生電荷信號不需要任何外界電源等特點，是廣泛使用的振動測量傳感器。但與壓阻和電容式相比，最大缺點是不能測量零頻率的信號。

壓阻式加速度傳感器測量頻率范圍可從直流信號到具有剛度高，測量頻率范圍到幾十千赫茲的高頻測量。超小型化的設計是壓阻式傳感器的一個特點。盡管壓阻敏感芯體的設計和應用具有很大靈活性，但對某個特定設計的壓阻式芯體而言，其使用范圍一般要小于壓電型傳感器。壓阻式加速度傳感器的另一缺點是受溫度的影響較大，實用的傳感器一般都需要進行溫度補償。

電容式加速度傳感器的結構形式一般采用彈簧質量系統，當質量受加速度作用運動而改變質量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值變化。電容式加速度計與其他類型的加速度傳感器相比，具有靈敏度高、零頻響應、環境適應性好的特點，尤其是受溫度的影響比較小；不足之處是信號的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給予改善。在實際應用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量。

由于起重機主梁在額定載荷下的振動頻率比較低，根據ISO 22986:2007《起重機 剛度 橋式和門式起重機》的規定，通常情況下只要額定載荷下的主梁動剛度≥2Hz即可滿足設計要求。通過查閱相關參考資料，該型橋式起重機主梁動剛度一般不會超過5Hz，因此測試選用了低頻特性和環境適應性比較好的DH301電容式三向振動加速度傳感器，該傳感器具有直流（零頻）響應特性，可同時測量x、y、z方向加速度。

2.方法

先將加速度傳感器安裝在起重機主梁測點處,主方向與所測振動方向相一致,并與電荷放大器相連接,其輸出信號與動態數據采集系統相連；然后按測試工況加載相應載荷,用動態信號分析儀記錄所產生的動態信號；直接讀取振動加速度值，進行數據分析。

3.測點布置

加速度傳感器布置在起重機主梁中間合適位置處。由于測試屬于低頻測量，對傳感器固定方式要求不高，不需要像高頻測量那樣要采用螺釘安裝的形式，因此現場采用502膠水粘結方式固定加速度傳感器。為保證傳感器水平，先將傳感器粘結到全站儀的底座上，然后再用膠水固定牢靠底座。通過旋轉底座上的3個調整螺母，使水泡處于中心位置，這樣就間接保證了傳感器處于水平面上。

如圖1所示，傳感器安裝完畢后，X軸沿著主梁方向，Y軸垂直于主梁與大車運行方向一致，Z軸垂直于主梁水平面。

圖1 振動加速度傳感器安裝示意圖

4.工況

此次測試共設如下5種工況：

（1）平穩起升制動。額定載荷，小車位于主梁跨中位置，吊重離地0.1m，全速起升吊重至離地面5m，平穩制停。

（2）緊急起升制動。額定載荷，小車位于主梁跨中位置，吊重落地，鋼絲繩松馳，全速起升吊重離地面5m，平穩制停。

（3）點動。額定載荷，小車位于主梁跨中位置，吊重離地1.0m左右，點動起升3次，點動下降3次，每次點動需待重物稍稍穩定后方能進行下1次點動。

（4）小車起制動。額定載荷，吊重離地0.5m左右，小車在司機室側，全速運行至小車位于主梁跨中位置，制停。

圖2 平穩起升制動工況

圖3 緊急起升制動工況

圖5 小車啟制動工況

（5）大車啟制動。額定載荷，小車位于主梁跨中位置，吊重離地0.5m左右，啟動大車至額定速度，制停。

根據起重機的使用特性，司機在操縱起重機時應連續均勻加減擋，每擋停留時間約1s。

三、數據采集與分析

數據采集前，對照傳感器校驗證書輸入每個通道的靈敏度系數，X=66.6mV/EU、Y=5.8mV/EU、Z=66.3mV/EU；選擇合適的量程，如果是第一次采樣，對于所采信號大小不確定，可先預采樣，根據所采信號的大小來確定量程范圍；設置“測量類型”為電壓測量，“輸入方式”為 DIF_DC，“工程單位”為 m/s2，“采樣頻率”為50Hz，設置無誤后，平衡清零開始采樣。每采集完一批數據需進行備份操作，以免誤操作將數據覆蓋。

采集過程中時刻觀察每個通道的時域信號，以免信號過載，若采集過程中有信號過載的現象發生，應停止采樣，更改量程后重新采集。

振動信號分析主要是比較各工況下的振動加速度值。由于上述第1～3工況，大小車不動，在水平方向的沖擊相對于垂直方向要小的多，幾乎為0，因此在上述3種工況中只分析垂直方向Z軸的振動變化情況。第4工況，起升機構和大車不動，同理，只分析沿主梁方向X軸的振動；第5工況，由于改造后的起重機操作聯動臺觸點接觸不良，致使該工況測試失敗，因此暫不予以分析。

（1）從圖2可看出，起升機構在平穩起升制動工況中，工頻運行向上最大加速度為0.15m/s2，最大向下加速度為0.14m/s2；變頻運行最大向上加速度為0.13m/s2，最大向下加速度為0.14m/s2。經算數平均計算，在該工況中工頻運行比變頻運行的振動加速度高7%左右。

（2）從圖3可看出，起升機構在緊急起升制動工況中，工頻運行最大向上加速度為0.15m/s2，最大向下加速度為0.15m/s2；變頻運行最大向上加速度0.18m/s2，最大向下加速度為0.16m/s2。經算數平均計算，在該工況中變頻運行比工頻運行的振動加速度高13%左右。

這主要是因為變頻調速在基頻以下是恒轉矩的，在較低的頻率時就獲得了較大的啟動轉矩（啟動轉矩可以到達70%～120%額定轉矩），而切電阻調速在一擋起升時啟動轉矩相對較小，因此在重物落地、鋼絲繩松馳、全速起升的緊急起升制動工況中變頻運行比工頻運行的振動加速度稍高。

（3）從圖4可看出，起升機構在點動工況中，工頻運行向上最大加速度為0.23m/s2，最大向下加速度為0.28m/s2；變頻運行最大向上加速度為0.20m/s2，最大向下加速度為0.23m/s2。經算數平均計算，在該工況中工頻運行比變頻運行的振動加速度高16%左右。

（4）從圖5可以看出，小車在啟制動工況中，工頻運行最大向前加速度值為0.4m/s2，最大向后加速度為0.4m/s2；變頻運行最大向前加速度0.20m/s2向后加速度最大值為0.18m/s2。經算數平均計算，在該工況中工頻運行比變頻運行的振動加速度高52%左右。從現場的振動感覺，變頻改造以后明顯感到小車運行的沖擊大大減小了，啟制動非常平穩。

四、小結

對兩臺型號相同調速方式不同的橋式起重機，在振動加速度上進行了測試對比，通過振動信號分析發現：

（1）起重機在變頻改造后，主梁并不是像以前想象的那樣，所有工況下振動都會減小。在緊急起升工況中，振動反而比工頻運行時有所增大。

（2）大小車運行工況中，變頻效果最明顯，振動顯著降低，這樣有助于吊裝作業精確就位，也就相應減少了點動的次數，從而起到節電的作用。

（3）振動加速度降低后，可以減小結構上受到的沖擊力，降低部件故障率。通過6個月的跟蹤統計，結果顯示起重機變頻改造后，在不改變使用工況的前提下，故障率降幅在30%以上。