CN102363508B - 基于刚度的塔身钢结构完好状态监测方法及装置 - Google Patents

基于刚度的塔身钢结构完好状态监测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于刚度的塔身钢结构完好状态监测方法，根据在正常工作、非工作状态下，起重臂-平衡臂方向、垂直于起重臂—平衡臂方向上的塔身顶端最大位移值，建立塔机钢结构完好状态刚度空间模型，根据测得的塔身顶端坐标是否处于塔机完好状态刚度模型范围之内，判断塔机塔身钢结构是否处于完好状态；本发明还公开了用于该方法的监测装置，包括塔身刚度检测传感器（4）、显示记录报警装置（7），刚度检测传感器（4）固定连接在回转塔身主肢（2）上，刚度检测传感器（4）通过电缆线（8）与显示记录报警装置（7）连接。本发明结构简单、操作简便，对塔机安全检查知识要求不高，又能实时进行监测。

Description

基于刚度的塔身钢结构完好状态监测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种基于刚度的塔身钢结构完好状态监测方法，具体是建立了塔机塔身钢结构完好状态刚度空间模型，并以此模型为判断标准监测塔机塔身钢结构是否处于完好状态。
背景技术
塔式起重机(简称塔机)作为一种能够实现垂直和水平运输物料的机械，特别是因其起升高度高、起升重量大、工作幅度大等特点，在建筑业得到了广泛的应用。但是，由于塔机结构较庞大，加之工作环境恶劣，工作负荷量大，极容易出现联接螺栓松动，焊缝结构被削弱，地基出现不均匀沉降等破坏塔机钢结构完好的不良因素，而这些因素往往不容易被人发现，当塔机带着这些安全隐患工作时会造成意想不到的严重后果，轻者财产损失，重者家破人亡，这些都给国家造成了巨大的损失。
由于塔机结构复杂，维护费用很高，实际使用过程中定期对塔机进行安全检查需要大量的人力物力，而一般的人员也不具备塔机安全检查的相关技术知识，这就给塔机安检带来了不便，而对塔身钢结构完好状态的检查又是十分必要的。
塔机完好状态：即符合国家标准并验收合格的塔机。
发明内容
基于以上不足及实际需要，本发明提供了一种基于塔身刚度的塔机塔身钢结构完好状态实时监测方法及实施该方法的装置，使得监测更方便和实时。
为实现上述目的本发明提供了一种基于刚度的塔身钢结构完好状态监测方法，包括以下步骤：
第一步：建立了塔身钢结构完好状态刚度空间模型：
在塔机额载时，塔身顶端端点沿塔机起重臂—平衡臂方向上最大位移值Δ0，塔机在空载时，塔身顶端端点沿塔机起重臂—平衡臂方向上最大位移值Δ1，得，塔机塔身顶端端点在沿起重臂-平衡臂方向上最大位移值范围(Δ1，Δ0)，其中，E为塔身的弹性模量；I为塔身的惯性矩；M0为额定载荷下塔身受到的弯矩，M1为空载状态下塔身受到的弯矩，l为独立状态塔身高度或附着状态下最高附着点以上塔身高度；根据国家标准要求塔身轴心线的侧向垂直度允差为4/‰，即塔身顶端端点在坐标轴y’上的最大位移范围为：(-4/‰l，4/‰l)；
塔机完好状态下塔机塔身刚度模型为：在坐标系x'y'z'中，一个长L＝Δ0-Δ1，宽L’＝8/‰l*K的矩形，K为安全刚度调整系数；
第二步：在空载或工作状态时，根据塔身顶端坐标是否处于塔机完好状态刚度模型范围之内，判断塔机塔身钢结构是否处于完好状态。
塔身顶端坐标通过安装在回转塔身主肢上或与塔身轴心线存在平行度要求的结构上的刚度检测传感器测得。
本发明还提供了一种应用于上述方法的基于刚度的塔身钢结构完好状态监测装置，该装置包括塔身刚度检测传感器4、显示记录报警装置7，刚度检测传感器4固定连接在塔机的回转塔身主肢2上，刚度检测传感器4通过电缆线8与显示记录报警装置7连接。
刚度检测传感器4上有V形口6并通过V形口6卡在回转塔身主肢上或与塔身轴心线存在平行度要求的结构2上，刚度检测传感器4并通过抱箍1和长螺栓3与回转塔身主肢或与塔身轴心线存在平行度要求的结构2固定联接。
塔机工作时，刚度检测传感器4由于与塔机回转主肢2固联，所以当塔身发生倾斜时，刚度检测传感器4即可得到塔身顶端位移信息，该信息通过电缆线8传递到显示记录报警装置7，显示记录报警装置7将刚度检测传感器4所测得并传递过来的信号进行处理，然后计算出该塔身顶端当前的坐标，并与塔身钢结构完好状态刚度模型比较，如果塔身顶端坐标处于塔身钢结构完好状态刚度模型范围之内，则可判断塔机刚度处于完好状态；如果塔身顶端坐标处于塔身钢结构完好状态刚度模型范围之外，显示记录报警装置7报警，可判断塔机刚度处于不完好状态。
本发明结构简单、操作简便，对塔机安全检查知识要求不高，又能实时进行监测。
附图说明
图1是塔机正常状态的力学模型简图；
图2是正常状态下塔身的形变简图；
图3是建立的塔机坐标系示意图；
图4是塔身钢结构完好状态刚度模型；
图5是塔身刚度检测装置的安装方式。
其中，1、抱箍，2、回转塔身主肢，3、长螺杆，4、刚度检测传感器，5、螺母，6、V形口，7、显示记录报警装置，8、电缆线。
具体实施方式
塔身刚度定义为塔身结构在一定载荷作用下的位移量的倒数。该方法以塔身顶端位移为刚度测量量建立塔机塔身钢结构完好状态刚度空间模型，并以此模型来监测塔身钢结构是否处于完好状态。
首先建立塔身钢结构完好状态刚度空间模型：
塔机塔身上部相连接的回转支承、顶升套架、回转塔身、司机室、回转机构、起重臂、变幅机构、平衡臂、起升机构、塔帽、变幅小车以及拉索(杆)、钢丝绳等附着物，当然，起重载荷由吊钩悬挂在变幅小车上。塔身上部相对塔身产生一个指向地心的正压力F和由于偏心造成的弯矩M，如果将塔身看作一个均质弹性体，在正常工作及非工作状态时，塔身因受弯矩M的影响而发生弯曲变形，塔身顶端在水平方向上的位移为S，顶端的倾角为θ，建立力学模型如图1，其形变简图如下图2所示。
如图3所示。塔机在受力不变的情况下，上部在回转机构驱动下进行360°的回转运动时，塔身顶端荷载将随回转支承做360°旋转。为此，设定两个坐标系，如图3所示，一个坐标系原点O为塔身在地面固定截面的中心点，坐标轴x正方向为地面北向，坐标轴y正方向为地面西向，坐标轴z正方向为垂直于地面向上；另一个坐标系原点O'为塔身顶端回转支承与回转塔身连接截面中心点，坐标轴x'正方向为起重臂轴线远离塔身方向，坐标轴z'正方向为垂直于地面向上，坐标轴y'正方向为垂直于起重臂轴线与x'、z'轴符合右手螺旋法则。O与O'连线永远为垂直于地面。
1)建立塔机完好状态下塔机塔身刚度模型：
a.建立模型坐标系x'y'z'，以O'为坐标系原点，其中O'为塔身顶端回转支承回转平面与过O点(塔身在地面固定截面的中心点)且垂直于地面的直线的交点，坐标轴x'正方向为起重臂在平行于地面时，远离塔身方向，坐标轴z'正方向为垂直于地面向上，坐标轴y'正方向为垂直于起重臂轴线与x'、z'轴符合右手螺旋法则；
b.在模型坐标系x'y'z'中，
在塔机额载时，塔身顶端端点沿塔机起重臂—平衡臂方向上最大位移值Δ0，塔机在空载时，塔身顶端端点沿塔机起重臂—平衡臂方向上最大位移值Δ1，得，塔机塔身顶端端点在沿起重臂-平衡臂方向上最大位移值范围(Δ1，Δ0),
其中，E：塔身的弹性模量；I：塔身的惯性矩；M0为额定载荷下塔身受到的弯矩，M1为空载状态下塔身受到的弯矩，l为独立状态塔身(或附着状态下最高附着点以上塔身)高度。
根据国家标准要求塔身轴心线的侧向垂直度允差为4‰，即塔身顶端端点在坐标轴y’上的最大位移范围为：(-4‰l，4‰l)。
综上所述，塔机完好状态下塔机塔身刚度模型为：在坐标系x'y'z'中，一个长L＝Δ0-Δ1，宽L’＝8‰l*K的矩形。其中，K为安全刚度调整系数。如图4，以此模型为基础可以检测塔机塔身钢结构是否处于完好状态。
判断方法：
2)在坐标系x'y'z'中，塔机塔身顶端端点在实际工况中的坐标变化表示为塔身刚度，塔机塔身顶端端点当前坐标为(X,Y)。
3)根据塔机塔身顶端端点的坐标(X,Y)与步骤1)所述的塔机塔身刚度模型的位置关系，判断塔机塔身钢结构是否处于完好状态：
若塔机塔身顶端端点的坐标(X,Y)在塔机塔身刚度模型范围内，判断塔机塔身钢结构处于完好状态；反之，塔机塔身钢结构处于不完好状态。
本发明进行塔身刚度检测的装置：
如图5所示。塔身刚度检测装置包括塔身刚度检测传感器4和显示记录报警装置7。刚度检测传感器4通过其V形口6卡在回转塔身主肢2上，并通过抱箍1和长螺栓3与回转主肢2固定联接，随着回转塔身的回转实时测量塔身顶端坐标。显示记录报警装置7安装于司机室中，便于司机实时查看塔机是否处于完好状态。刚度检测传感器4通过电缆线8与显示记录报警装置7连接。
本装置安装在塔机上，在确认塔机处于完好状态后，装置设置包括空载数据采集和额定载荷数据采集两个过程，根据空载数据和额载数据确定图4矩形，即为该塔机完好状态刚度模型。
空载数据集合：
(Δkxi，Δkyi)(i＝1-n1)
额载数据集合：
(ΔLxj,ΔLyj)(j＝1-n2)
图4中：
矩形长L＝Δ0-Δ1＝sub(max(Δkxi),max(ΔLxj))Kx
矩形宽L’＝Δ3-Δ2＝sub(max(Δkyi),max(ΔLyj))Ky
式中Kx，Ky为实际实施过程中刚度安全调整系数。
塔机工作时，刚度检测传感器4由于与塔机回转主肢2固联，所以当塔身发生变形时，刚度检测传感器4即可得到塔身顶端位移信息，该信息通过电缆线8传递到显示记录报警装置7，显示记录报警装置7将刚度检测传感器4所测得并传递过来的信号进行处理，然后计算出该塔身顶端当前的坐标，并与塔身钢结构完好状态刚度模型比较，如果塔身顶端坐标处于塔身钢结构完好状态刚度模型范围之内，则判断塔身处于完好状态；反之，判断塔身处于不完好状态，显示记录报警装置7报警。
本发明结构简单、操作简便，对塔机安全检查知识要求不高，又能实时进行监测。
虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于刚度的塔身钢结构完好状态监测方法，其特征是：包括以下步骤：
第一步：建立了塔身钢结构完好状态刚度空间模型：
在塔机额载时，塔身顶端端点沿塔机起重臂—平衡臂方向上最大位移值Δ0，塔机在空载时，塔身顶端端点沿塔机起重臂—平衡臂方向上最大位移值Δ1，得，塔机塔身顶端端点在沿起重臂-平衡臂方向上最大位移值范围(Δ1，Δ0)，其中，E为塔身的弹性模量；I为塔身的惯性矩；M0为额定载荷下塔身受到的弯矩，M1为空载状态下塔身受到的弯矩，l为独立状态塔身高度或附着状态下最高附着点以上塔身高度；根据国家标准要求塔身轴心线的侧向垂直度允差为4‰，即塔身顶端端点在坐标轴y’上的最大位移范围为：(-4‰l，4‰l)；
塔机完好状态下塔机塔身刚度模型为：在坐标系x'y'z'中，一个长L＝Δ0-Δ1，宽L’＝8‰l*K的矩形，K为安全刚度调整系数；
第二步：在空载或工作状态时，根据塔身顶端坐标是否处于塔机完好状态刚度模型范围之内，判断塔机塔身钢结构是否处于完好状态；
塔身顶端坐标通过安装在回转塔身主肢上或与塔身轴心线存在平行度要求的结构上的刚度检测传感器测得。
2.一种应用于权利要求1所述方法的基于刚度的塔身钢结构完好状态监测装置，其特征在于：该装置包括塔身刚度检测传感器(4)、显示记录报警装置(7)，刚度检测传感器(4)固定连接在回转塔身主肢(2)上，刚度检测传感器(4)通过电缆线(8)与显示记录报警装置(7)连接。
3.根据权利要求2所述的基于刚度的塔身钢结构完好状态监测装置，其特征在于：刚度检测传感器(4)上有V形口(6)并通过V形口(6)卡在回转塔身主肢上或与塔身轴心线存在平行度要求的结构(2)上，刚度检测传感器(4)并通过抱箍(1)和长螺栓(3)与回转塔身主肢或与塔身轴心线存在平行度要求的结构(2)固定联接。
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