門座起重機振動模態分析研究*

鄧賢遠 黃國健 江愛華 何山

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門座起重機振動模態分析研究*

鄧賢遠 黃國健 江愛華 何山

（廣州特種機電設備檢測研究院）

對于超過一定使用年限的門座起重機，需要進行測試以反映其健康狀況。運用ANSYS有限元分析軟件對門座起重機進行有限元分析，將振動測試技術應用到門座起重機安全評估中，采用環境激勵模態分析技術對門座起重機進行測試，對測得的異常信號進一步分析，取得較好的測試效果。

門座起重機；安全評估；振動模態

0　引言

隨著經濟全球化和物流業的不斷發展，港口在現代貨物流通中的作用日益重要，其發展水平已成為衡量一個國家社會發展水平的主要標志之一。港口裝卸機械設備朝著大型化、連續化、高速化和自動化方向發展，使設備的組成和結構變得越來越復雜。門座起重機是港口生產作業的主要裝卸設備，其運行技術狀態的好壞直接影響港口的生產效率和經濟效益[1]。

門座起重機健康狀態[2]的檢測和診斷已成為起重機安全評估技術應用中的一個重要方面。目前，用于門座起重機的安全評估技術有目視檢測技術、超聲波檢測技術[3]、磁粉檢測技術、應力應變檢測技術[4-5]等。這些技術能很好地反映起重機金屬結構健康狀況，但門座起重機的工作機構起制動頻繁，載荷和速度波動大，其振動特性非常復雜，而上述檢測技術無法解決門座起重機在振動狀態下的結構健康狀態[6]分析問題，因此，有必要將振動測試技術加入到起重機安全評估技術中。

結構可由過載、沖擊、裂紋、腐蝕、疲勞等原因發生損傷，這將導致結構的剛度、質量、阻尼等物理特性發生變化，這種變化伴隨著結構的動態特性發生變化。

本文利用振動測試技術對門座起重機結構進行動態測量，獲取動態數據，并把這些動態特性數據作為評估門座起重機結構健康狀況的依據[7]。

1　振動模態分析

模態分析是結構動力學中一種“逆問題”分析方法，該方法建立在實驗或實測的基礎上，采用實驗與理論相結合的方法處理工程中的振動問題。模態分析的經典定義是將線性定常系統振動微分方程組中的物理坐標變換為模態坐標，使方程組解耦合，成為一組以模態坐標及模態參數描述的獨立方程，以便求出系統的模態參數。模態分析的最終目標是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據[8]。

通過分析具體的結構模型，大多數結構均呈現多自由度系統特征。在物理坐標系統中，一個典型多自由度線性非時變系統的運動方程為[9]

(2)

對式(1)進行拉氏變換得

同時求解式(1)，得到該系統固有頻率矩陣和固有振型矩陣

(4)

，

由物理模型到模態模型的轉換，從物理意義上是一種從力的平衡方程變為能量平衡方程的過程。

門座起重機試驗模態分析常采用環境激勵試驗模態分析。環境激勵模態分析是測試載荷作用下門座起重機結構的響應，僅利用輸出響應識別門座起重機模態參數的方法，又稱為僅利用輸出響應模態分析或工作模態分析。

2　樣機測試

選取1臺型號為M1033/1625，已服役23年的門座起重機作為測試對象，主要金屬材料為Q235鋼，起重量為10000 kg時工作幅度范圍為9 m~33 m；起重量為16000 kg時工作幅度范圍為9 m~25 m。對其進行有限元分析[10]，設計載荷組合為起重量16000 kg，工作幅度為33 m，不考慮風載荷的影響，得到該工況下的整機等效應力云圖如圖1所示。

環境激勵模態分析系統為TMR-211數據采集系統，加速度傳感器為AS-1GB，按照有限元分析的結果，在轉臺4處關鍵性位置布置4個加速度傳感器。以位于轉臺中心，面朝司機室的方向為正方向，這4個測點位置為右側前方箱梁、左側前方箱梁、左側后方箱梁和右側后方箱梁，分別命名為測點1、2、3、4。測試工況2個：工況1為空載狀態，對門座起重機進行變幅、起升、下降和回轉等動作；工況2為16000 kg載荷狀態，對門座起重機進行起升、變幅、下降、回轉和大車行走等工作。

圖1　設計工況下的整機等效應力云圖

整機及各構件應力分布如表1所示。

表1　整機及各構件應力分布表

在上述2個工況下，測試得到4個測點的振動響應結果如表2所示，全時序環境下的振動信號如圖2~5所示。

由表2可知，轉臺結構在垂直方向的振動衰減特性較好；結構激振響應信號中，空載工況時，測點1、測點2主頻率為8.0 Hz；測點3、測點4主頻率為4.2 Hz；16000 kg工況時測點1、測點2主頻率為7.9 Hz；測點3、測點4主頻率為4.6 Hz。

表2　試驗工況下各測點振動響應結果

振動測試數據信號各測點在工況1、工況2下加速度幅值均不大于0.2 g，滿足門座起重機相關標準要求。

圖2　工況1下測點1振動數據信號圖

圖3　工況1下測點3振動數據信號圖

圖4　工況2下測點1振動數據信號圖

圖5　工況2下測點3振動數據信號圖

從測點在對應工況下的加速度值以及振動衰減特性反映出：空載時，轉臺前部振動量級大于后部；16000 kg額載時，轉臺前部與后部振動量級相當。進一步對門座起重機進行安全評估，發現在門腿與支撐圓環連接角焊縫位置存在2條裂紋顯示，長度分別為98 mm和130 mm，如圖6、圖7所示。

圖6　門腿與支撐圓環角焊縫裂紋顯示（98 mm）

圖7　門腿與支撐圓環角焊縫裂紋顯示（130 mm）

3　結論

通過分析采集到的振動數據，發現在空載條件下，轉臺前部振動量級大于后部，再通過進一步的檢測，找出該設備存在的一系列磨損和裂紋等缺陷，這些缺陷的共同作用導致振動異常。運用振動模態分析技術對門座起重機進行測試分析，能發現振動狀態下的結構安全問題，從宏觀上對整機的安全狀態進行預警。

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Research of Portal Crane Vibration Modal Analysis

Deng Xianyuan Huang Guojian Jiang Aihua He Shan

(Research and Development Center, Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

For more than a certain number of service life period of portal crane, it is necessary to do measurement to reflect their state of health. Using ANSYS to finite element analysis a portal crane. And vibration testing was added to the portal crane safety assessment technology in the present study, which use ambient vibration modal analysis to test it, and acquired abnormal vibration signals, achieved the good test results.

Portal Crane; Safety Assessment; Modal Analysis

廣東省質量技術監督局科技項目（2015CT09）；廣州市創新平臺建設與共享專項項目（201509010008）。

鄧賢遠，男，1988年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：特種設備安全評估等。E-mail: cueert@163.com