施工升降機(jī)振動(dòng)測試分析及應(yīng)用研究

許 輝，劉丁丁，劉海華，田苗苗，朱 磊

（中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長沙 410000）

1 測試平臺(tái)的搭建

1.1 系統(tǒng)硬件的組成

施工升降機(jī)振動(dòng)測試平臺(tái)的系統(tǒng)硬件由各類NI采集模塊（如9234、9237）、機(jī)箱（如9188）各類傳感器（如加速度傳感器）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備和圖形編程軟件Labview組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 施工升降機(jī)振動(dòng)測試平臺(tái)系統(tǒng)框圖

1.2 數(shù)據(jù)分析的理論基礎(chǔ)及程序編制

由于計(jì)算機(jī)及精密電子儀器、虛擬儀器的快速發(fā)展，特別是多通道、高分辨率的快速傅立葉變換（FFT）分析技術(shù)的應(yīng)用，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻譜分析變得快速、準(zhǔn)確和有效，所謂快速傅立葉變換（FFT）并不是一種新變換，而是離散傅立葉變換的一種新算法，對于一般周期函數(shù)x（t）可表達(dá)為

運(yùn)用廣義函數(shù)概念，可以認(rèn)為X（t）的傅立葉變換由下式給出

此處令

運(yùn)用符號(hào)Xk，則其傅立葉變換對為

若將周期函數(shù)的1個(gè)周期T分為N等分，則式（3）中的Xk是離散序列Xr（r=0，1，2，…，N-1）的離散傅立葉變換，并可得以下離散變換對，即

Labview是專為測量、數(shù)據(jù)分析并提交結(jié)果而設(shè)計(jì)的，其功能眾多的圖形用戶界面又易于編程，廣泛應(yīng)用與仿真、結(jié)果顯示、通用編程等方面，本文研究中的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)頻譜分析程序分別如圖2和圖3所示。

1.3 試驗(yàn)的具體方法

本文研究測試了施工升降機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及吊籠的振動(dòng)加速度值，傳感器安裝布置情況如下：

（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)左立柱上端，測量驅(qū)動(dòng)架加速度值，如圖4所示；

圖2 數(shù)據(jù)采集程序

圖3 數(shù)據(jù)頻譜分析程序

圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測點(diǎn)布置

（2）吊籠籠底左側(cè)橫梁，靠近司機(jī)室一端，測量籠底結(jié)構(gòu)加速度值，如圖5所示。

載荷放置按GB26557-2011中要求的單位面積載荷p＜4.0kN/m2，載荷均布于籠底板80%面積上，且處于最不利的位置，加額定載荷及1.25倍額定載荷，采用2個(gè)1t及1個(gè)0.5t的特制砝碼，模擬2t或2.5t的試驗(yàn)載荷，載荷布置如圖6中A1區(qū)域所示。

圖5 吊籠測點(diǎn)布置

圖6 載荷布置區(qū)域

按空載、額載兩種狀態(tài)，測量驅(qū)動(dòng)架、吊籠測點(diǎn)處上行和下行的振動(dòng)加速度，記錄并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 振動(dòng)測試分析

本文以SC200/200E二傳動(dòng)施工升降機(jī)為研究對象，按空載、滿載及上行、下行工況進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄和分析相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 驅(qū)動(dòng)架振動(dòng)頻譜分析

通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，經(jīng)FFT后得到驅(qū)動(dòng)架振動(dòng)頻譜圖。

由圖7可知，驅(qū)動(dòng)架空載上行和下行時(shí)，振源的基頻頻率分別22.8Hz和23.6Hz，上行時(shí)振動(dòng)能量主要集中在基頻處，下行時(shí)振動(dòng)能量主要集中在3階倍頻處，即70.8Hz。

由頻譜分析可知振源基頻為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪與齒條的嚙合頻率，通過齒輪齒數(shù)（z=15）及減速機(jī)減速比（i=16）可計(jì)算出空載上行和下行時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)頻分別為24.32Hz和25.17Hz，即電機(jī)轉(zhuǎn)速為1459.2r/min和1510.2r/min，電機(jī)下行轉(zhuǎn)速比上行快，處于發(fā)電狀態(tài)。

圖7 驅(qū)動(dòng)架空載振動(dòng)頻譜圖

由圖8可知，驅(qū)動(dòng)架滿載上行和下行時(shí)，振源的基頻頻率分別22.3Hz和23.8Hz，上行時(shí)振動(dòng)能量主要集中在基頻處，下行時(shí)振動(dòng)能量主要集中在3階倍頻處，即71.4Hz。滿載運(yùn)行時(shí)，其振動(dòng)頻譜較空載運(yùn)行時(shí)復(fù)雜，倍頻成份更多，這是由于驅(qū)動(dòng)架離振源更近，振動(dòng)來不及衰減。上行和下行的頻率差異特性與圖7相似，即下行時(shí)電機(jī)運(yùn)行更快處于發(fā)電狀態(tài)，且滿載上行比空載上行稍慢，滿載下行比空載下行稍快。

圖8 驅(qū)動(dòng)架滿載振動(dòng)頻譜圖

空載和滿載時(shí)振動(dòng)量值相差不大。

2.2 吊籠振動(dòng)頻譜分析

通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，經(jīng)FFT后得到吊籠振動(dòng)頻譜圖。

由圖9可知，吊籠空載上行和下行時(shí)，振源的基頻頻率分別22.8Hz和23.6Hz，且上下和下行的振動(dòng)能量都主要集中在基頻處，振動(dòng)頻譜中倍頻成分較少，這是由于吊籠距振源（驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪齒條嚙合處）較遠(yuǎn)，其他頻率成分振動(dòng)能量衰減較快。上行和下行時(shí)的電機(jī)運(yùn)行特性與前述分析一致。

圖9 吊籠空載振動(dòng)頻譜圖

圖10 吊籠滿載振動(dòng)頻譜圖

由圖10可知，吊籠滿載上行和下行時(shí)，振源的基頻頻率分別22.3Hz和23.8Hz，且上下和下行的振動(dòng)能量都主要集中在基頻處。上行和下行時(shí)的電機(jī)運(yùn)行特性與前述分析一致。空載和滿載時(shí)振動(dòng)量值相差不大。

3 模態(tài)的有限元計(jì)算

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模態(tài)計(jì)算

以前述測試的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)架、驅(qū)動(dòng)單元、背輪和滾輪等構(gòu)成，由于計(jì)算需要，將滾輪、背輪等去除，電機(jī)和減速機(jī)外形簡化，賦予相應(yīng)的質(zhì)量特性，在保證計(jì)算結(jié)果的前提下節(jié)省計(jì)算資源。運(yùn)用通用的有限元計(jì)算軟件Abaqus，導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三維模型，并設(shè)置好材料特性及邊界條件，計(jì)算得到系統(tǒng)固有模態(tài)，本文只計(jì)算前6階固有模態(tài)。

由圖11和表1可知，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)前6階固有模態(tài)與振源頻率值22.3Hz、22.8Hz、23.6Hz、23.8Hz不重合，不會(huì)發(fā)生共振。

圖11 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固有振型

3.2 吊籠模態(tài)計(jì)算

以前述測試的吊籠為例，該吊籠由籠架、網(wǎng)片、進(jìn)料門、出料門、籠頂板、籠底板等組成，由于計(jì)算需要，保留籠架及籠底板，其余部件在原位置處賦予相應(yīng)的質(zhì)量特性，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文只計(jì)算前6階固有模態(tài)。

表1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)固有頻率

由圖12和表2可知，吊籠前6階固有模態(tài)與振源頻率值22.3Hz、22.8Hz、23.6Hz、23.8Hz不重合，不會(huì)發(fā)生共振。

圖12 吊籠固有振型

4 結(jié)束語

（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、吊籠的振源基頻頻率為22.3～23.8Hz，由此可以推算出電機(jī)轉(zhuǎn)頻（即轉(zhuǎn)速）和施工升降機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度；

表2 吊籠固有頻率計(jì)算值

（2）施工升降機(jī)下行時(shí)振源頻率比上行時(shí)稍高，處于發(fā)電狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速＞同步轉(zhuǎn)速1500r/min；

（3）空載上行的振源頻率比滿載上行的稍高，運(yùn)行速度稍快，空載下行的振源頻率比滿載下行的稍低，運(yùn)行速度稍慢；

（4）通過振動(dòng)頻譜分析及模態(tài)有限元計(jì)算值的對比，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及吊籠固有頻率值與振源頻率值不重合，不會(huì)發(fā)生共振，本文的研究對施工升降機(jī)各結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)及優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。