劉柏清 黃國健 王新華 齊凱

（廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院研發(fā)中心）

1 引言

門座起重運(yùn)輸機(jī)械主要由動(dòng)力裝置、工作機(jī)構(gòu)及金屬結(jié)構(gòu)等組成，是一個(gè)復(fù)雜的彈性系統(tǒng)。又因?yàn)槠湓诔睗瘛⒏g性較大的環(huán)境中頻繁工作，負(fù)荷變化大，服役時(shí)間長，使得金屬結(jié)構(gòu)的振動(dòng)問題日益突出，并且所產(chǎn)生的振動(dòng)在大多數(shù)情況下是有害的，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備加快失效，降低使用壽命，直接影響整機(jī)的安全性和可靠性，甚至發(fā)生安全事故。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。如果通過模態(tài)分析方法了解了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性，就能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)、在外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、設(shè)備的故障診斷以及在役設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)安全性能評(píng)估的重要方法[1～4,6]。

本文對(duì)某港口型號(hào)為MQ1030、使用了25年的門座起重機(jī)進(jìn)行金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，為了解該機(jī)現(xiàn)階段金屬結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)該機(jī)重要金屬結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)臺(tái)平面進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)測(cè)試分析。

2 測(cè)試原理

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試模態(tài)分析的目的是對(duì)已有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別與評(píng)價(jià)，從中找出結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及存在的問題，為驗(yàn)證和維修該機(jī)結(jié)構(gòu)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。因此，對(duì)已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是必要的。對(duì)于結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能研究，通過實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)的輸入(激勵(lì))和輸出(響應(yīng))來確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，建立系統(tǒng)的分析模型，是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)逆問題的一個(gè)主要方面，其內(nèi)容可分為系統(tǒng)識(shí)別和參數(shù)識(shí)別。按系統(tǒng)輸入、輸出個(gè)數(shù)，振動(dòng)參數(shù)識(shí)別則可分為：?jiǎn)屋斎?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(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕的結(jié)構(gòu)件(指大型結(jié)構(gòu)以下)。對(duì)一些超大型結(jié)構(gòu)件，常采用另一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，即工作模態(tài)分析方法(OMA)，這是一種不需要知道激勵(lì)信號(hào)的模態(tài)試驗(yàn)方法。基于模態(tài)分析的理論，多自由度系統(tǒng)的振動(dòng)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(yīng)函數(shù)矩陣。

假設(shè)[φ]=[{φ}1,{φ}2,{φ}3, … ,{φ}n]為結(jié)構(gòu)的主振型矩陣；結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼為比例阻尼，可以證明位移頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣和模態(tài)參數(shù)有如下關(guān)系：

式(3)中：Mi、Ci、Ki分別是第i階模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)阻尼和模態(tài)剛度；{φ}i為第i階固有振型。

當(dāng)在p點(diǎn)作為激勵(lì)，第i點(diǎn)測(cè)量響應(yīng)，位移頻率響應(yīng)函數(shù)為：

可以證明加速度頻率響應(yīng)函數(shù)與位移頻率響應(yīng)函數(shù)有如下關(guān)系：

習(xí)慣上用Hlp(ω)表示加速度頻響函數(shù)，從而建立了從加速度頻響函數(shù)求模態(tài)參數(shù)的理論基礎(chǔ)。為求振動(dòng)模態(tài)，只要測(cè)定頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣中的一行或一列即可[1,3]。

MQ1030型門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)屬超大型結(jié)構(gòu)件，采用工作模態(tài)分析方法（OMA）中的特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法（ERA），通過構(gòu)造廣義 Hankel矩陣，利用奇異值分解技術(shù)，得到系統(tǒng)的最小實(shí)現(xiàn)，從而得到最小階數(shù)的系統(tǒng)矩陣，以此為基礎(chǔ)識(shí)別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

3 測(cè)試方案

本測(cè)試主要目的是了解在起吊和放下額定載荷時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)特性，及整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)平面的振動(dòng)特性（即模態(tài)）。測(cè)試的對(duì)象為轉(zhuǎn)臺(tái)平面；測(cè)試采用的儀器設(shè)備為MAS3.0分析系統(tǒng)及其輔助工具；測(cè)試傳感器為ICP加速度傳感器。測(cè)試采用6傳感器布置整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)平面，傳感器1～6號(hào)靈敏度分別為92mV/g、94mV/g、94mV/g、90mV/g、93mV/g 和 106mV/g。測(cè)試平面測(cè)點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1 測(cè)試平面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

傳感器通過磁吸座布置在相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)試加速度的方向?yàn)榇怪庇谵D(zhuǎn)臺(tái)平面向下（即轉(zhuǎn)臺(tái)上下振動(dòng)方向）。本次測(cè)試工況如下：儀器設(shè)備調(diào)試好→起吊前采集測(cè)試環(huán)境數(shù)據(jù)→起吊 10噸載荷→停留約3min，直至起吊引起的振動(dòng)衰減完全→正常方式落下10噸載荷→落下載荷引起的振動(dòng)衰減完全后停止采集。（本次測(cè)試以起吊和放下額定載荷作為測(cè)試激勵(lì)源）

4 結(jié)果分析與討論

本次測(cè)試的采樣頻率為256Hz，6通道測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)原始數(shù)據(jù)經(jīng)相應(yīng)的信號(hào)處理完成后結(jié)果如圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖2 第1測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)信號(hào)圖

圖3 第2測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)信號(hào)圖

圖4 第3測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)信號(hào)圖

圖5 第4測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)信號(hào)圖

圖6 第5測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)信號(hào)圖

圖7 第6測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)信號(hào)圖

從測(cè)試數(shù)據(jù)信號(hào)可知：1通道數(shù)據(jù)與其它5個(gè)通道數(shù)據(jù)相比，振動(dòng)幅值和相位響應(yīng)完全不同，1通道幅值較大，達(dá)0.528g，振動(dòng)響應(yīng)較為劇烈，與重錘激勵(lì)信號(hào)非常類似。可能是由于1號(hào)測(cè)點(diǎn)太靠近臂架與轉(zhuǎn)臺(tái)連接的鉸點(diǎn)位置，起吊、制動(dòng)和放下載荷的激勵(lì)源是通過象鼻梁和臂架傳遞到轉(zhuǎn)臺(tái)的。2號(hào)測(cè)點(diǎn)與1號(hào)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱，同樣靠近臂架與轉(zhuǎn)臺(tái)連接的另一鉸點(diǎn)，但數(shù)據(jù)信號(hào)沒有表現(xiàn)振動(dòng)過大，反而較為平穩(wěn)。另外從數(shù)據(jù)信號(hào)還可以了解到落下動(dòng)作引起振動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間較起吊和起升動(dòng)作要長。

對(duì)上述6通道數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分析，首先以3號(hào)測(cè)點(diǎn)為公共點(diǎn)，1、2、4、5和6號(hào)測(cè)點(diǎn)為參考分析點(diǎn)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行互功率譜處理分析[5]，提取相應(yīng)的參數(shù)。最后分析計(jì)算模態(tài)信息為：一階頻率為2.500Hz，阻尼系數(shù)為0.058。一階模態(tài)圖如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 振動(dòng)模態(tài)信息

圖9 振動(dòng)模態(tài)信息

圖10 振動(dòng)模態(tài)信息

5 結(jié)束語

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)分析可見，采用ICP加速度傳感器、MAS3.0數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件組成的結(jié)構(gòu)模態(tài)測(cè)試技術(shù)，可以可靠地同步測(cè)量門座起重機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)平面金屬結(jié)構(gòu)多點(diǎn)振動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)零線調(diào)整、趨勢(shì)提取與排除、濾波等相關(guān)信號(hào)處理后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行互功率譜處理與分析，可以有效地提取相應(yīng)的工作振動(dòng)模態(tài)參數(shù)。該實(shí)際模態(tài)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)為大型門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)提供了解決辦法，也為大型門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)估與健康狀態(tài)的檢測(cè)提供一定的參考價(jià)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(jiǎn)便的測(cè)試方法，滿足大型門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的模態(tài)試驗(yàn)。

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