(1.廣州市特種機電設備檢測研究院，廣東廣州 510180; 2.廣州港集團新沙港務有限公司，廣東東莞 523147)

(1.廣州市特種機電設備檢測研究院，廣東廣州 510180; 2.廣州港集團新沙港務有限公司，廣東東莞 523147)

橋式抓斗卸船機在工作時的振動會引起前懸臂金屬結構較大的動態(tài)效應，模態(tài)分析能確定其結構的振動特性。采用有限元軟件ANSYS建立了卸船機前懸臂的動態(tài)分析模型并進行了模態(tài)分析。同時，利用隨機減量法對環(huán)境激勵下的實測信號進行數據處理，通過實測信號的分析結果與模型結果對比分析，證明了該建模方法的可行性，為快速、準確地進行橋式抓斗卸船機結構動態(tài)分析提供了一種新的途徑。

橋式抓斗卸船機;模態(tài)分析;振動

0 前言

橋式抓斗卸船機(以下簡稱卸船機)是港口碼頭煤料卸船中不可或缺的裝卸機械，也是一種在運行過程中存在較高風險的起重設備。卸船機在進行卸船作業(yè)時，抓斗在卸船機前方的懸臂中前部取料，取料后，抓斗從船艙中起升的瞬間會對前懸臂產生較大的沖擊，同時，工作環(huán)境中的風載、載荷上升和下降、及大、小車行走過程中軌道不平整導致的沖擊等都可能成為振動源，引發(fā)卸船機前懸臂的沖擊響應，當這些振動源的頻率與前懸臂的固有頻率接近時，就會增加振幅，振動效應的長時間積累會引發(fā)結構的振動疲勞，導致結構受損、破壞，嚴重地影響了卸船機的工作性能，甚至發(fā)生安全事故。

某港口的一臺服役了近20年的卸船機，通過目視檢查發(fā)現整機存在較為嚴重的腐、銹蝕和部分承載結構件的變形。金屬結構件作為卸船機的主要承載結構，其安全性與可靠性是保障卸船機正常運行的基礎，卸船機的使用壽命很大程度上取決于金屬結構件的壽命［4］。利用大型通用有限元分析軟件ANSYS預先建立該卸船機的前懸臂結構的有限元模型，計算出結構的有限元模態(tài)參數，利用結構有限元模態(tài)參數對結構模態(tài)試驗的具體操作進行優(yōu)化(確定結構模態(tài)試驗的懸掛位置、激勵位置和測量位置)，同時采用實驗模態(tài)分析技術，對卸船機的實際振動信號進行測試分析，通過現場實測得到的模態(tài)與解析分析法的模態(tài)兩種結果差異性的對比，驗證了有限元模型的參數修正準確有效。

1 模型的建立

橋式抓斗卸船機前懸臂為箱形梁，小車承重軌為偏軌梁設計，位于箱形梁上蓋板處，如圖1所示。

該卸船機額定卸船能力850 t/h;利用級別U8;工作級別A8級;懸臂長度27 m。主梁金屬骨架的材料特性參數見表1。

圖1 待測樣機形貌Fig.1Appearance of the tested prototype

表1 主梁的材料特性參數Tab.1Material parameters of the main beam

通過對卸船機前懸臂現場應力測試分析得知，兩根懸臂梁的受力是對稱的，因此，可以在ANSYS中按對稱結構考慮。單根主梁的相關尺寸見表2。

表2 具體的懸臂梁金屬結構截面尺寸Tab.2Section size of cantilever beam structurem

采用有限元軟件ANSYS對懸臂梁建立的計算模型如圖2所示，由于實際結構比較復雜，有些為非標準件，用ANSYS模擬其實際形狀非常困難，還有些結構件對于該機的特性影響不大，所以在不影響計算精度的前提下對起重機結構要做一些必要的簡化。計算時，對簡化的模型進行結構重量補償。其中，小車車輪基距為3.0 m，單輪載荷在懸臂梁上分布均勻，抓斗與小車重量簡化為施加在懸臂梁上CTL=31.36 kN的力，用以計算梁的固有頻率。圖2中卸船機有限元模型關于主梁單元的模擬描述如下:

首先選擇單元類型，卸船機的大多數結構件在實際承載時主要承受軸向力，為了使建立的模型更加符合現實受力狀況，選用考慮彎曲、拉壓和扭轉剛度的空間梁單元BEAM188和集中質量單元MASS21來對應前懸臂在實際狀態(tài)下承受的扭矩、彎矩、剪力等內力。

前懸臂與門架和拉桿的連接用節(jié)點耦合的方法模擬銷軸連接，這樣更趨于實際情況，拉桿與門架梯型梁的連接選用桿件單元連接。

在材料屬性上，選取設計圖紙中Q235的鋼材屬性，即密度7 781 kg/m3、泊松比0.3、彈性模量210 GPa。

圖2 卸船機有限元分析模型Fig.2FEA model of ship unloader

2 模態(tài)分析

在ANSYS中對卸船機的前懸臂結構進行振動模態(tài)分析時，需要考慮其自重受力(在吊載情況下，還需要考慮小車車架與吊具的自重)和零位移約束。前懸臂與海側門架采用鉸接的連接方式，在模型中，耦合海側門架與前懸臂節(jié)點處的ROTX、ROTY、UX、UY、UZ五個自由度;前懸臂為可以繞Z軸(即沿軌道方向)的相對轉動，該模型無論是從節(jié)點的約束能力，還是從結構的受力來看，都與實際結構非常接近。

卸船機的金屬結構為多自由度的振動系統(tǒng)，高階固有頻率對結構的響應影響較小，低階固有頻率對系統(tǒng)的動力響應貢獻較大，所以，提取了卸船機前懸臂的前3階模態(tài)即可較好地反映系統(tǒng)的動力響應特性。各階模態(tài)振型見圖3～圖5，模態(tài)頻率見表3。

表3 各階模態(tài)頻率Tab.3Frequency of each mode

卸船機前懸臂結構的1階振型是前懸臂在水平面內繞固定點左右擺動，振動頻率為1.67 493 Hz。第2階振型反映了卸船機前懸臂繞固定點前后彎曲振動，振動頻率為4.17 712 Hz。第3階振型反映了前懸臂繞固定點上下彎曲振動，振動頻率為5.830 17 Hz。

為了驗證模型分析的結果，依據實驗模態(tài)分析技術原理，采用工作模態(tài)分析儀實測了樣機在環(huán)境激勵下的振動響應信號。

基于在環(huán)境激勵下響應數據的模態(tài)分析，必須考慮激勵源的影響，本次現場測試采用在一定高度卸載額定載荷對前懸臂產生的沖擊作為激勵源，采集額定載荷在卸料中激發(fā)結構振動的響應信號，測試工況為:采集起吊前采集測試環(huán)境數據，起吊額定載荷至5 m高度，停留約3 min，直至起吊引起的振動完全衰減后，迅速開斗，直至卸料引起的振動衰減完全后停止采集。對測得的數據用隨機減量法進行處理后，數據分析結果如圖6所示。

圖6 實際信號的頻率分析Fig.6Frequency analysis of the tested signal

實際信號的分析中，對應第1階、第2階、第3階模態(tài)的頻率分別為1.73 586 Hz、4.22 145 Hz、5.86 654 Hz。與模型分析結果比較見表4。

表4 模態(tài)結果比較Tab.4Comparison of the modal results

表4對比結果表明，建立的模型與實測結果的誤差值范圍滿足工程計算的誤差許可范圍，實測結果有效，說明建立的模型較好地反映出結構在實際工況下的沖擊響應。

3 結論

本文把有限元方法和試驗模態(tài)分析技術有機地結合起來應用于起重機械金屬結構服役安全評估。通過結構有限元模態(tài)參數對結構模態(tài)試驗的具體操作進行優(yōu)化(確定結構模態(tài)試驗的懸掛位置、激勵位置和測量位置)，反之，通過卸船機的實際振動信號的測取和提取的試驗模態(tài)值也能驗證所建模型的有效性［3］。

在在役起重機械金屬結構安全評估與健康狀態(tài)評價方面，通過現場實測得到的模態(tài)與解析分析法的模態(tài)兩種結果差異性的對比，不僅對設備提供更準確、有效、可靠的振動響應結果與模態(tài)數據;還能為對振動造成的金屬結構疲勞損壞提供一些分析診斷方法，但本文中并未涉及這一點，也是文章的不足之處。

有限元模型的建立優(yōu)化了模態(tài)試驗的具體操作，試驗模態(tài)分析也驗證了的模型的正確性，為后續(xù)進一步進行諧響應分析、沖擊響應分析、譜分析等更詳細的動力學分析以及結構損傷判斷等做準備［5］。

［1］夏擁軍，陸念力，羅冰.確定塔式起重機結構低階振頻的實用方法［J］.工程機械，2005(4):34 -37.

［2］馮新，李國強，范穎芳.幾種常用損傷動力指紋的適用性研究［J］.振動、測試與診斷，2004，24 (4):277-280.

［3］Ziad A.Hanna.Vibration fatigue assessment finite element analysis and test correlation［D］.Canada:University of windsor，2005.

［4］徐紅波.基于動力測試的橋式起重機主梁損傷評價及減速器故障診斷［D］.廣州:華南理工大學，2012(06).

［5］Crandall S H，Mark W D.Random vibration in mechanical systems［M］.Academic Press inc，1963.

［6］楊秋偉.基于振動的結構損傷識別方法研究進展［J］.振動與沖擊，2007，26(10):85-88.

［7］王偉雄，王新華.起重機械金屬結構服役安全評估技術的研究［J］.中國特種設備安全，2010，12( 8).

［8］M.HAMBLIN.Fatigue of cantilevered pipe fittings subjected to vibration［J］.Fatigue＆Fracture of Engineering Materials and Structures.2003，26(8): 695-707.

橋式抓斗卸船機的振動模態(tài)分析

咼中樑1，謝超1，王新華1，齊凱1，方夢庚2

Vibration modal analysis of bridge-type grab ship unloader

GUO Zhong-liang1，XIE Chao1，WANG Xi-hua1，QI Kai1，FANG Meng-geng2
(1.Guangzhou Special Electrical Equipment Inspection and Research Institute，Guangzhou 510180，China; 2.Guangzhou Port Xinsha Stevedoring Co.，Ltd.，Dongguan 523147，China)

Bridge-type grab ship unloader produces vibration during working，that would caused larger dynamic effects of front cantilever metal structures，and the vibration characteristics of the structure is determined with modal analysis.A dynamic analysis model of grab ship unloader front cantilever is built in ANSYS，and carry out modal analysis.The random decrement technique is used for date processing to test signal under ambient excitation.In comparison with analysis and simulation results of the test signal，it proves that the scheme is feasible，and provides a new approach for quickly and accurate dynamic analysis of bridge-type grab ship unloader structure.

bridge-type grab ship unloader;modal analysis;vibration

TP212

A

1001-196X(2014)05-0047-04

2014-02-20;

2014-03-12

國家質檢總局科技計劃項目(2011QK323)

咼中樑(1986-)，男，湖北荊州人，碩士，主要從事起重機安全評估技術研究。