龍門起重機的振動分析*

張勇 咼中樑 何山

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龍門起重機的振動分析*

張勇 咼中樑 何山

（廣州特種機電設備檢測研究院）

結構動力學的問題可通過模態測試技術解決。針對一臺門腿加高改造后的龍門起重機，工作時存在沿小車方向水平晃動劇烈的現象，通過對門式起重機主梁的振動實測和理論分析，計算不同工況下門架振動的固有特性，并探討其振動的分析方法，結合設計要求與實測值的對比結果，探尋造成異常晃動的原因。通過實測樣機的振動信號，并對測試數據進行分析處理，由實測數據獲取金屬結構振動的關鍵性信息，作為門式起重機改造后的金屬結構服役安全評估與評價的參考依據。

龍門起重機；振動分析；數據處理

0 引言

龍門起重機是港口堆場重要的裝卸設備。在正常工作狀態下，頻繁的啟動、制動、行走小車或大車等耦合運動時，主梁結構由于反復加載和卸載會產生強烈的沖擊和振動。長期振動會放大主梁的動載效應，振幅過大可能導致關鍵焊縫開裂和結構破壞，縮短使用壽命。從設計角度來看，主梁的動力響應分析、振動固有頻率和振型計算是結構動力學分析的一個重要課題。起重機服役多年后，由于結構腐蝕、銹蝕、磨損或改造，其動態參數已逐步改變，如何獲取其工作狀態下的動態參數，是眾多學者探討的問題。本文以門腿加高改造后的龍門起重機為例，以實測為基礎，尋求獲取改造后門式起重機動態參數的方法。

1 振動測試系統

常用的起重機振動測試系統有加速度計振動測試系統和電阻應變振動測試系統，如圖1所示。圖1(a)加速度計振動測試系統以加速度計和頻率分析為目的，用單點激勵作為激勵源，布置多個響應測點同時測試的辦法進行模態參數識別，測得的動態響應數據，通過曲線擬合，求解出結構系統的模態參數，再構造結構的模態振型。圖1(b)電阻應變振動測試系統以頻率分析和強度分析為目的。本文為便于強度計算，在龍門式起重機的試驗中采用加速度計振動測試系統。

圖1　振動測試系統框圖

試驗樣機是跨度42 m的35 t雙梁門式起重機，承載系統由2根主梁、2根端梁、1個剛性腿和1個柔性腿組成。因為業務需求，將龍門吊的門腿進行加高改造，加高后出現整機沿小車方向水平晃動的現象。現以門式起重機的橋架為測試對象，對其橋架平面進行振動測試分析。主梁為箱梁結構，兩端均有7 m的懸臂端；在剛、柔門腿上方，設計2根馬鞍梁以加強主梁承載時的穩定性。雖然橋架上的力主要作用在橋架平面內，但由于水平方向晃動劇烈，因此在橋架的垂直和水平2個方向上均布置了測點。試驗樣機如圖2所示，測試平面測點布置示意圖如圖3所示。

圖2 試驗樣機

圖3　測試平面測點布置示意圖

2 測試原理

機械結構的固有特性之一是振動模態，每一個模態都具有特定的模態振型、固有頻率和阻尼比。試驗模態分析即是通過試驗實測的手段對被測系統的輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數[3]。通過試驗模態分析了解結構在特定頻率范圍內的主要模態特性，可避免在外部或內部各種振源作用下，振動對結構造成的疲勞和共振問題[2]。

一個自由度的試驗系統，滿足運動方程

其中，，，分別為系統的質量、阻尼、剛度矩陣。

其中，標、標為時域波形圖中每個時標的波形長度和每個時標對應的時間；1為1個周期的波形長度。

其中為個周期的波形長度。

振動系統相對阻尼比為

其中，1，2，A分別為第1，2，個波形的振幅。

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，主梁各測點和整個橋架平面的振動特性（即模態）。在主梁上蓋板布置振動測點，通過TMR-211數據采集系統對振動信號進行采樣；利用N-Code軟件對采樣信號進行分析處理；振動傳感器選用量程為1 GB、頻率響應范圍為50 Hz的加速度傳感器。

利用磁吸座將加速度傳感器固定在測點的主梁表面。首先采集起吊前環境數據，即風載荷對主梁振動的影響；然后起吊載荷至起吊引起的振動完全衰減，載荷上升2 m并制動，下降1 m并制動；最后卸載，直至下降制動引起的振動衰減完全后放下載荷并停止采集。

4 測試結果分析

6號振動測點現場如圖4所示。

圖4　6號振動測點現場

分析測點激勵動作對主梁產生的振動響應信號可得出，信號數據在450 s~600 s內可以較好地對應上升和下降制動的激勵動作，且每一激勵動作產生的響應較符合振動衰減特性，如圖5所示。

6號測點振動數據頻譜信號如圖6所示，由圖6可知，信號頻率成分主要在10 Hz以下，主頻成分為3.6 Hz。類似的測點還有2號、3號、4號、6號、7號和10號信號數據。但整個響應過程中，6號測點的起升過程，載荷的上升、下降制動產生的響應都較為劇烈。在載荷落地階段該測點的振動加速度幅值較大，達0.038 g，特別是落地瞬間的振動響應較為劇烈。將試驗測得的10個通道數據導入N-Code中Mode模塊進行模態分析，選取1號測點作為模態振型的公共點，其余9個測點作為對比分析點，通過互功率譜處理分析，提取主梁結構相應的參數。最后分析計算模態信息為：一階模態頻率為2.324 Hz，一階阻尼系數為0.013；二階模態頻率為3.281 Hz，二階阻尼系數為0.073。一、二階模態圖如圖7~圖12所示。

圖5　6號測點振動數據時域信號圖

圖6　6號測點振動數據頻譜信號圖

圖7　一階模態圖

圖8　一階模態圖測點9向上

圖9　一階模態圖測點9向下

圖10　二階模態圖

圖11　二階模態圖測點9向上

圖12　二階模態圖測點9向下

5 結論

當結構受外界激勵時，龍門起重機的橋架以低階固有頻率振動。以小車吊載做激勵源后的振動為低頻振動與隨機振動的疊加，振動幅值較??；在吊重突然升高、突然下降制動的瞬間，振動為單頻衰誠振蕩，振幅較大。

振動特性是結構的固有特性，本文通過對龍門起重機主梁結構進行振動測試與模態分析，得到前2階固有頻率和振型。當激振頻率在2.3 Hz左右容易引起2種振動疊加，從而引起更復雜的振動。

[1] 傅志方.振動模態分析與參數識別[M].北京:機械工業出版社,1990.

[2] 楊景義,王信義.試驗模態分析[M].北京:北京理工大學出版社,1990.

[3] 劉柏清,黃國健,王新華,等.大型門座起重機振動模態測試技術探討[J].自動化與信息工程,2011,32(6):38-40.

Vibration Analysis of Gantry Crane

Zhang Yong Guo Zhongliang He Shan

（Guangzhou Special Electrical Equipment Inspection and Research Institute）

The problem of structural dynamics can be solved by modal testing techniques. Measured by means, this article aims at the phenomenon of shaking horizontally in the direction of the trolley when the container gantry crane is heightened and reformed on the door leg. Through calculation and theoretical analysis of the vibration of the gantry crane, calculate the inherent characteristics of gantry vibration under different conditions. The inherent characteristics of the gantry vibration, and its analysis method of vibration design, combined with the results of the comparison of the design requirements and measured values, to explore the cause of the abnormal shaking. In this paper, the test program is developed to measure the vibration signal of the prototype, and the results of the test data are analyzed and processed. The key information of the metal structure vibration obtained from the measured data is used as the basis for evaluating and evaluating the service safety of the metal structure after gantry crane reconstruction.

Gantry Crane; Vibration Analysis; Data Processing

張勇，男，1984年生，學士，工程師，主要研究方向：起重機安全評估技術現場測試。E-mail: 467096155@qq.com

咼中樑，男，1986年生，碩士，工程師，主要研究方向：起重機安全評估技術現場測試。

何山，男，1987年生，碩士，工程師，主要研究方向：起重機安全評估技術研究。

基金項目：2018年廣州市質量技術監督局科技項目（在役起重機械防風抗滑性能評估方法研究2018KJ09）；廣州市創新平臺建設與共享專項項目（201509010008）。