大型门座起重机振动模态测试技术探讨*

刘柏清 黄国健 王新华 齐凯

（广州市特种机电设备检测研究院研发中心）

1 引言

门座起重运输机械主要由动力装置、工作机构及金属结构等组成，是一个复杂的弹性系统。又因为其在潮湿、腐蚀性较大的环境中频繁工作，负荷变化大，服役时间长，使得金属结构的振动问题日益突出，并且所产生的振动在大多数情况下是有害的，会导致机械设备加快失效，降低使用寿命，直接影响整机的安全性和可靠性，甚至发生安全事故。模态分析是研究结构动力特性的一种方法。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。如果通过模态分析方法了解了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就能预测结构在此频段内、在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计、设备的故障诊断以及在役设备金属结构动态安全性能评估的重要方法[1～4,6]。

本文对某港口型号为MQ1030、使用了25年的门座起重机进行金属结构安全评估，为了解该机现阶段金属结构的动态特性，对该机重要金属结构件转台平面进行了振动模态测试分析。

2 测试原理

现场测试模态分析的目的是对已有结构系统进行识别与评价，从中找出结构系统的动态特性及存在的问题，为验证和维修该机结构提供数据依据。因此，对已有结构进行现场试验模态分析是必要的。对于结构的动态性能研究，通过实测结构的输入(激励)和输出(响应)来确定系统的动态特性，建立系统的分析模型，是结构动力学逆问题的一个主要方面，其内容可分为系统识别和参数识别。按系统输入、输出个数，振动参数识别则可分为：单输入/单输出(SISO)、单输入/多输出(SIMO)、多输入/多输出(MIMO)，此类方法主要用于结构质量较轻的结构件(指大型结构以下)。对一些超大型结构件，常采用另一种现场测试方法，即工作模态分析方法(OMA)，这是一种不需要知道激励信号的模态试验方法。基于模态分析的理论，多自由度系统的振动微分方程为：

将上式两边作傅立叶变换，可以得到：

[H(ω)]为位移频率响应函数矩阵。

假设[φ]=[{φ}1,{φ}2,{φ}3, … ,{φ}n]为结构的主振型矩阵；结构系统的阻尼为比例阻尼，可以证明位移频率响应函数矩阵和模态参数有如下关系：

式(3)中：Mi、Ci、Ki分别是第i阶模态质量、模态阻尼和模态刚度；{φ}i为第i阶固有振型。

当在p点作为激励，第i点测量响应，位移频率响应函数为：

可以证明加速度频率响应函数与位移频率响应函数有如下关系：

习惯上用Hlp(ω)表示加速度频响函数，从而建立了从加速度频响函数求模态参数的理论基础。为求振动模态，只要测定频率响应函数矩阵中的一行或一列即可[1,3]。

MQ1030型门座起重机金属结构属超大型结构件，采用工作模态分析方法（OMA）中的特征系统实现算法（ERA），通过构造广义 Hankel矩阵，利用奇异值分解技术，得到系统的最小实现，从而得到最小阶数的系统矩阵，以此为基础识别系统的模态参数。

3 测试方案

本测试主要目的是了解在起吊和放下额定载荷时转台各测点的振动特性，及整个转台平面的振动特性（即模态）。测试的对象为转台平面；测试采用的仪器设备为MAS3.0分析系统及其辅助工具；测试传感器为ICP加速度传感器。测试采用6传感器布置整个转台平面，传感器1～6号灵敏度分别为92mV/g、94mV/g、94mV/g、90mV/g、93mV/g 和 106mV/g。测试平面测点示意图如图1所示。

图1 测试平面测点布置示意图

传感器通过磁吸座布置在相应的测点位置，测试加速度的方向为垂直于转台平面向下（即转台上下振动方向）。本次测试工况如下：仪器设备调试好→起吊前采集测试环境数据→起吊 10吨载荷→停留约3min，直至起吊引起的振动衰减完全→正常方式落下10吨载荷→落下载荷引起的振动衰减完全后停止采集。（本次测试以起吊和放下额定载荷作为测试激励源）

4 结果分析与讨论

本次测试的采样频率为256Hz，6通道测试的现场原始数据经相应的信号处理完成后结果如图2、图3、图4、图5、图6、图7所示。

图2 第1测点测试结果数据信号图

图3 第2测点测试结果数据信号图

图4 第3测点测试结果数据信号图

图5 第4测点测试结果数据信号图

图6 第5测点测试结果数据信号图

图7 第6测点测试结果数据信号图

从测试数据信号可知：1通道数据与其它5个通道数据相比，振动幅值和相位响应完全不同，1通道幅值较大，达0.528g，振动响应较为剧烈，与重锤激励信号非常类似。可能是由于1号测点太靠近臂架与转台连接的铰点位置，起吊、制动和放下载荷的激励源是通过象鼻梁和臂架传递到转台的。2号测点与1号测点对称，同样靠近臂架与转台连接的另一铰点，但数据信号没有表现振动过大，反而较为平稳。另外从数据信号还可以了解到落下动作引起振动信号持续时间较起吊和起升动作要长。

对上述6通道数据进行模态分析，首先以3号测点为公共点，1、2、4、5和6号测点为参考分析点，对测试数据信号进行互功率谱处理分析[5]，提取相应的参数。最后分析计算模态信息为：一阶频率为2.500Hz，阻尼系数为0.058。一阶模态图如图8、图9、图10所示。

图8 振动模态信息

图9 振动模态信息

图10 振动模态信息

5 结束语

通过现场实测振动数据分析可见，采用ICP加速度传感器、MAS3.0数据采集与分析系统和数据处理软件组成的结构模态测试技术，可以可靠地同步测量门座起重机转台平面金属结构多点振动数据，经零线调整、趋势提取与排除、滤波等相关信号处理后，对数据进行互功率谱处理与分析，可以有效地提取相应的工作振动模态参数。该实际模态现场测试技术为大型门座起重机金属结构的模态试验提供了解决办法，也为大型门座起重机金属结构安全评估与健康状态的检测提供一定的参考价值。但此方法不一定是最好的，希望与同行探讨，找出更好的或更简便的测试方法，满足大型门座起重机金属结构的模态试验。

[1] 徐有刚,冯加权,等.大型结构件模态试验方法[J].科学技术与工程,2007,13(7)：3231-3234.

[2] 李德葆,陆秋海.试验模态分析及其应用[M].北京：科学出版社,2001.

[3] 陈亚娟.大型建筑结构模态测试系统的研究[J].微计算机信息测控自动化,2009,25：129-130.

[4] 徐长生,陶德馨.起重运输机械试验技术[M].北京：人民交通出版社,1999.

[5] 昌松,梅志坚,杨叔子,等.机床颤振信号互谱特性分析[J].山东工业大学学报,1990,20(3)：25-31.

[6] 涂振祥,黄海.基于劣化指数的门座起重机安全性评价系统研究[J].中国水运,2009,9(8)：140-141.