鄧賢遠(yuǎn) 黃國(guó)健 江愛(ài)華 何山

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門(mén)座起重機(jī)振動(dòng)模態(tài)分析研究*

鄧賢遠(yuǎn) 黃國(guó)健 江愛(ài)華 何山

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院）

對(duì)于超過(guò)一定使用年限的門(mén)座起重機(jī)，需要進(jìn)行測(cè)試以反映其健康狀況。運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)門(mén)座起重機(jī)進(jìn)行有限元分析，將振動(dòng)測(cè)試技術(shù)應(yīng)用到門(mén)座起重機(jī)安全評(píng)估中，采用環(huán)境激勵(lì)模態(tài)分析技術(shù)對(duì)門(mén)座起重機(jī)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)得的異常信號(hào)進(jìn)一步分析，取得較好的測(cè)試效果。

門(mén)座起重機(jī)；安全評(píng)估；振動(dòng)模態(tài)

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化和物流業(yè)的不斷發(fā)展，港口在現(xiàn)代貨物流通中的作用日益重要，其發(fā)展水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家社會(huì)發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。港口裝卸機(jī)械設(shè)備朝著大型化、連續(xù)化、高速化和自動(dòng)化方向發(fā)展，使設(shè)備的組成和結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜。門(mén)座起重機(jī)是港口生產(chǎn)作業(yè)的主要裝卸設(shè)備，其運(yùn)行技術(shù)狀態(tài)的好壞直接影響港口的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益[1]。

門(mén)座起重機(jī)健康狀態(tài)[2]的檢測(cè)和診斷已成為起重機(jī)安全評(píng)估技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)重要方面。目前，用于門(mén)座起重機(jī)的安全評(píng)估技術(shù)有目視檢測(cè)技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)[3]、磁粉檢測(cè)技術(shù)、應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)[4-5]等。這些技術(shù)能很好地反映起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)健康狀況，但門(mén)座起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)起制動(dòng)頻繁，載荷和速度波動(dòng)大，其振動(dòng)特性非常復(fù)雜，而上述檢測(cè)技術(shù)無(wú)法解決門(mén)座起重機(jī)在振動(dòng)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)[6]分析問(wèn)題，因此，有必要將振動(dòng)測(cè)試技術(shù)加入到起重機(jī)安全評(píng)估技術(shù)中。

結(jié)構(gòu)可由過(guò)載、沖擊、裂紋、腐蝕、疲勞等原因發(fā)生損傷，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、阻尼等物理特性發(fā)生變化，這種變化伴隨著結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性發(fā)生變化。

本文利用振動(dòng)測(cè)試技術(shù)對(duì)門(mén)座起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并把這些動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)作為評(píng)估門(mén)座起重機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀況的依據(jù)[7]。

1　振動(dòng)模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中一種“逆問(wèn)題”分析方法，該方法建立在實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)的基礎(chǔ)上，采用實(shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合的方法處理工程中的振動(dòng)問(wèn)題。模態(tài)分析的經(jīng)典定義是將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦合，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)[8]。

通過(guò)分析具體的結(jié)構(gòu)模型，大多數(shù)結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)多自由度系統(tǒng)特征。在物理坐標(biāo)系統(tǒng)中，一個(gè)典型多自由度線性非時(shí)變系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為[9]

(2)

對(duì)式(1)進(jìn)行拉氏變換得

同時(shí)求解式(1)，得到該系統(tǒng)固有頻率矩陣和固有振型矩陣

(4)

，

由物理模型到模態(tài)模型的轉(zhuǎn)換，從物理意義上是一種從力的平衡方程變?yōu)槟芰科胶夥匠痰倪^(guò)程。

門(mén)座起重機(jī)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析常采用環(huán)境激勵(lì)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。環(huán)境激勵(lì)模態(tài)分析是測(cè)試載荷作用下門(mén)座起重機(jī)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，僅利用輸出響應(yīng)識(shí)別門(mén)座起重機(jī)模態(tài)參數(shù)的方法，又稱為僅利用輸出響應(yīng)模態(tài)分析或工作模態(tài)分析。

2　樣機(jī)測(cè)試

選取1臺(tái)型號(hào)為M1033/1625，已服役23年的門(mén)座起重機(jī)作為測(cè)試對(duì)象，主要金屬材料為Q235鋼，起重量為10000 kg時(shí)工作幅度范圍為9 m~33 m；起重量為16000 kg時(shí)工作幅度范圍為9 m~25 m。對(duì)其進(jìn)行有限元分析[10]，設(shè)計(jì)載荷組合為起重量16000 kg，工作幅度為33 m，不考慮風(fēng)載荷的影響，得到該工況下的整機(jī)等效應(yīng)力云圖如圖1所示。

環(huán)境激勵(lì)模態(tài)分析系統(tǒng)為T(mén)MR-211數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，加速度傳感器為AS-1GB，按照有限元分析的結(jié)果，在轉(zhuǎn)臺(tái)4處關(guān)鍵性位置布置4個(gè)加速度傳感器。以位于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，面朝司機(jī)室的方向?yàn)檎较?，這4個(gè)測(cè)點(diǎn)位置為右側(cè)前方箱梁、左側(cè)前方箱梁、左側(cè)后方箱梁和右側(cè)后方箱梁，分別命名為測(cè)點(diǎn)1、2、3、4。測(cè)試工況2個(gè)：工況1為空載狀態(tài)，對(duì)門(mén)座起重機(jī)進(jìn)行變幅、起升、下降和回轉(zhuǎn)等動(dòng)作；工況2為16000 kg載荷狀態(tài)，對(duì)門(mén)座起重機(jī)進(jìn)行起升、變幅、下降、回轉(zhuǎn)和大車行走等工作。

圖1　設(shè)計(jì)工況下的整機(jī)等效應(yīng)力云圖

整機(jī)及各構(gòu)件應(yīng)力分布如表1所示。

表1　整機(jī)及各構(gòu)件應(yīng)力分布表

在上述2個(gè)工況下，測(cè)試得到4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果如表2所示，全時(shí)序環(huán)境下的振動(dòng)信號(hào)如圖2~5所示。

由表2可知，轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)在垂直方向的振動(dòng)衰減特性較好；結(jié)構(gòu)激振響應(yīng)信號(hào)中，空載工況時(shí)，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2主頻率為8.0 Hz；測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4主頻率為4.2 Hz；16000 kg工況時(shí)測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2主頻率為7.9 Hz；測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4主頻率為4.6 Hz。

表2　試驗(yàn)工況下各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果

振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)信號(hào)各測(cè)點(diǎn)在工況1、工況2下加速度幅值均不大于0.2 g，滿足門(mén)座起重機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2　工況1下測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)圖

圖3　工況1下測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)圖

圖4　工況2下測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)圖

圖5　工況2下測(cè)點(diǎn)3振動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)圖

從測(cè)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)工況下的加速度值以及振動(dòng)衰減特性反映出：空載時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)前部振動(dòng)量級(jí)大于后部；16000 kg額載時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)前部與后部振動(dòng)量級(jí)相當(dāng)。進(jìn)一步對(duì)門(mén)座起重機(jī)進(jìn)行安全評(píng)估，發(fā)現(xiàn)在門(mén)腿與支撐圓環(huán)連接角焊縫位置存在2條裂紋顯示，長(zhǎng)度分別為98 mm和130 mm，如圖6、圖7所示。

圖6　門(mén)腿與支撐圓環(huán)角焊縫裂紋顯示（98 mm）

圖7　門(mén)腿與支撐圓環(huán)角焊縫裂紋顯示（130 mm）

3　結(jié)論

通過(guò)分析采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在空載條件下，轉(zhuǎn)臺(tái)前部振動(dòng)量級(jí)大于后部，再通過(guò)進(jìn)一步的檢測(cè)，找出該設(shè)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(dǎo)致振動(dòng)異常。運(yùn)用振動(dòng)模態(tài)分析技術(shù)對(duì)門(mén)座起重機(jī)進(jìn)行測(cè)試分析，能發(fā)現(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，從宏觀上對(duì)整機(jī)的安全狀態(tài)進(jìn)行預(yù)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(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目（2015CT09）；廣州市創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)與共享專項(xiàng)項(xiàng)目（201509010008）。

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