桥式抓斗卸船机的振动模态分析

(1.广州市特种机电设备检测研究院，广东广州 510180; 2.广州港集团新沙港务有限公司，广东东莞 523147)

(1.广州市特种机电设备检测研究院，广东广州 510180; 2.广州港集团新沙港务有限公司，广东东莞 523147)

桥式抓斗卸船机在工作时的振动会引起前悬臂金属结构较大的动态效应，模态分析能确定其结构的振动特性。采用有限元软件ANSYS建立了卸船机前悬臂的动态分析模型并进行了模态分析。同时，利用随机减量法对环境激励下的实测信号进行数据处理，通过实测信号的分析结果与模型结果对比分析，证明了该建模方法的可行性，为快速、准确地进行桥式抓斗卸船机结构动态分析提供了一种新的途径。

桥式抓斗卸船机;模态分析;振动

0 前言

桥式抓斗卸船机(以下简称卸船机)是港口码头煤料卸船中不可或缺的装卸机械，也是一种在运行过程中存在较高风险的起重设备。卸船机在进行卸船作业时，抓斗在卸船机前方的悬臂中前部取料，取料后，抓斗从船舱中起升的瞬间会对前悬臂产生较大的冲击，同时，工作环境中的风载、载荷上升和下降、及大、小车行走过程中轨道不平整导致的冲击等都可能成为振动源，引发卸船机前悬臂的冲击响应，当这些振动源的频率与前悬臂的固有频率接近时，就会增加振幅，振动效应的长时间积累会引发结构的振动疲劳，导致结构受损、破坏，严重地影响了卸船机的工作性能，甚至发生安全事故。

某港口的一台服役了近20年的卸船机，通过目视检查发现整机存在较为严重的腐、锈蚀和部分承载结构件的变形。金属结构件作为卸船机的主要承载结构，其安全性与可靠性是保障卸船机正常运行的基础，卸船机的使用寿命很大程度上取决于金属结构件的寿命［4］。利用大型通用有限元分析软件ANSYS预先建立该卸船机的前悬臂结构的有限元模型，计算出结构的有限元模态参数，利用结构有限元模态参数对结构模态试验的具体操作进行优化(确定结构模态试验的悬挂位置、激励位置和测量位置)，同时采用实验模态分析技术，对卸船机的实际振动信号进行测试分析，通过现场实测得到的模态与解析分析法的模态两种结果差异性的对比，验证了有限元模型的参数修正准确有效。

1 模型的建立

桥式抓斗卸船机前悬臂为箱形梁，小车承重轨为偏轨梁设计，位于箱形梁上盖板处，如图1所示。

该卸船机额定卸船能力850 t/h;利用级别U8;工作级别A8级;悬臂长度27 m。主梁金属骨架的材料特性参数见表1。

图1 待测样机形貌Fig.1Appearance of the tested prototype

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

通过对卸船机前悬臂现场应力测试分析得知，两根悬臂梁的受力是对称的，因此，可以在ANSYS中按对称结构考虑。单根主梁的相关尺寸见表2。

表2 具体的悬臂梁金属结构截面尺寸Tab.2Section size of cantilever beam structurem

采用有限元软件ANSYS对悬臂梁建立的计算模型如图2所示，由于实际结构比较复杂，有些为非标准件，用ANSYS模拟其实际形状非常困难，还有些结构件对于该机的特性影响不大，所以在不影响计算精度的前提下对起重机结构要做一些必要的简化。计算时，对简化的模型进行结构重量补偿。其中，小车车轮基距为3.0 m，单轮载荷在悬臂梁上分布均匀，抓斗与小车重量简化为施加在悬臂梁上CTL=31.36 kN的力，用以计算梁的固有频率。图2中卸船机有限元模型关于主梁单元的模拟描述如下:

首先选择单元类型，卸船机的大多数结构件在实际承载时主要承受轴向力，为了使建立的模型更加符合现实受力状况，选用考虑弯曲、拉压和扭转刚度的空间梁单元BEAM188和集中质量单元MASS21来对应前悬臂在实际状态下承受的扭矩、弯矩、剪力等内力。

前悬臂与门架和拉杆的连接用节点耦合的方法模拟销轴连接，这样更趋于实际情况，拉杆与门架梯型梁的连接选用杆件单元连接。

在材料属性上，选取设计图纸中Q235的钢材属性，即密度7 781 kg/m3、泊松比0.3、弹性模量210 GPa。

图2 卸船机有限元分析模型Fig.2FEA model of ship unloader

2 模态分析

在ANSYS中对卸船机的前悬臂结构进行振动模态分析时，需要考虑其自重受力(在吊载情况下，还需要考虑小车车架与吊具的自重)和零位移约束。前悬臂与海侧门架采用铰接的连接方式，在模型中，耦合海侧门架与前悬臂节点处的ROTX、ROTY、UX、UY、UZ五个自由度;前悬臂为可以绕Z轴(即沿轨道方向)的相对转动，该模型无论是从节点的约束能力，还是从结构的受力来看，都与实际结构非常接近。

卸船机的金属结构为多自由度的振动系统，高阶固有频率对结构的响应影响较小，低阶固有频率对系统的动力响应贡献较大，所以，提取了卸船机前悬臂的前3阶模态即可较好地反映系统的动力响应特性。各阶模态振型见图3～图5，模态频率见表3。

表3 各阶模态频率Tab.3Frequency of each mode

卸船机前悬臂结构的1阶振型是前悬臂在水平面内绕固定点左右摆动，振动频率为1.67 493 Hz。第2阶振型反映了卸船机前悬臂绕固定点前后弯曲振动，振动频率为4.17 712 Hz。第3阶振型反映了前悬臂绕固定点上下弯曲振动，振动频率为5.830 17 Hz。

为了验证模型分析的结果，依据实验模态分析技术原理，采用工作模态分析仪实测了样机在环境激励下的振动响应信号。

基于在环境激励下响应数据的模态分析，必须考虑激励源的影响，本次现场测试采用在一定高度卸载额定载荷对前悬臂产生的冲击作为激励源，采集额定载荷在卸料中激发结构振动的响应信号，测试工况为:采集起吊前采集测试环境数据，起吊额定载荷至5 m高度，停留约3 min，直至起吊引起的振动完全衰减后，迅速开斗，直至卸料引起的振动衰减完全后停止采集。对测得的数据用随机减量法进行处理后，数据分析结果如图6所示。

图6 实际信号的频率分析Fig.6Frequency analysis of the tested signal

实际信号的分析中，对应第1阶、第2阶、第3阶模态的频率分别为1.73 586 Hz、4.22 145 Hz、5.86 654 Hz。与模型分析结果比较见表4。

表4 模态结果比较Tab.4Comparison of the modal results

表4对比结果表明，建立的模型与实测结果的误差值范围满足工程计算的误差许可范围，实测结果有效，说明建立的模型较好地反映出结构在实际工况下的冲击响应。

3 结论

本文把有限元方法和试验模态分析技术有机地结合起来应用于起重机械金属结构服役安全评估。通过结构有限元模态参数对结构模态试验的具体操作进行优化(确定结构模态试验的悬挂位置、激励位置和测量位置)，反之，通过卸船机的实际振动信号的测取和提取的试验模态值也能验证所建模型的有效性［3］。

在在役起重机械金属结构安全评估与健康状态评价方面，通过现场实测得到的模态与解析分析法的模态两种结果差异性的对比，不仅对设备提供更准确、有效、可靠的振动响应结果与模态数据;还能为对振动造成的金属结构疲劳损坏提供一些分析诊断方法，但本文中并未涉及这一点，也是文章的不足之处。

有限元模型的建立优化了模态试验的具体操作，试验模态分析也验证了的模型的正确性，为后续进一步进行谐响应分析、冲击响应分析、谱分析等更详细的动力学分析以及结构损伤判断等做准备［5］。

［1］夏拥军，陆念力，罗冰.确定塔式起重机结构低阶振频的实用方法［J］.工程机械，2005(4):34 -37.

［2］冯新，李国强，范颖芳.几种常用损伤动力指纹的适用性研究［J］.振动、测试与诊断，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］徐红波.基于动力测试的桥式起重机主梁损伤评价及减速器故障诊断［D］.广州:华南理工大学，2012(06).

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

［6］杨秋伟.基于振动的结构损伤识别方法研究进展［J］.振动与冲击，2007，26(10):85-88.

［7］王伟雄，王新华.起重机械金属结构服役安全评估技术的研究［J］.中国特种设备安全，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.

桥式抓斗卸船机的振动模态分析

呙中樑1，谢超1，王新华1，齐凯1，方梦庚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

国家质检总局科技计划项目(2011QK323)

呙中樑(1986-)，男，湖北荆州人，硕士，主要从事起重机安全评估技术研究。