CN103274299A - 塔式起重机及其回转控制系统和回转控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种塔式起重机及其回转控制系统和回转控制方法。回转控制系统包括：风力检测装置，用于检测塔式起重机所在位置的风速；吊重检测装置，用于检测起吊重物的重量和起吊重物相对于回转中心的距离；回转控制器，与风力检测装置和吊重检测装置分别连接，用于获取风速、重量、和距离，并根据风速、重量、和距离计算回转电机的目标参数，按照目标参数向回转电机发送控制指令。应用本发明的技术方案，塔式起重机通过实时获取风速、起吊载荷、重物回转距离等工况信息，从而实时根据不同风载荷、惯性矩、吊重调控吊臂回转速度，有效地避免了回转臂扭臂、抖动等问题，实现回转平稳运行。

Description

塔式起重机及其回转控制系统和回转控制方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体而言，涉及一种塔式起重机及其回转控制系统和回转控制方法。

背景技术

现有技术中的塔式起重机特别是吊重大、臂架长的大型和超大型塔式起重机，在设计塔机的回转速度时，其最大回转加速度是以风速最大，吊载最大或臂尖吊载来确定的。

但是对于现有的大型和超大型塔式起重机，无论塔机空载还是满载，吊重在臂根还是臂尖，塔机都只能用设定的最大速度来回转，这样大大降低了电机的利用率和塔机的工作效率，多余消耗了能量，造成能量浪费。另外这类塔式起重机回转运转时，由于回转速度和加速度不可调节，当惯性矩、吊重、风载荷很大时，塔机回转吃力、从而引起回转臂抖动，吊重摆幅偏大，影响了塔机的使用性能下降，造成了安全隐患。

针对现有技术中塔式起重机的回转速度和回转加速度无法适时调节造成塔机的工作效率低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种塔式起重机及其回转控制系统和回转控制方法，以解决现有技术中塔式起重机的回转速度和回转加速度无法适时调节造成塔机的工作效率低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了一种塔式起重机的回转控制系统，包括：风力检测装置，用于检测塔式起重机所在位置的风速；吊重检测装置，用于检测起吊重物的重量和起吊重物相对于回转中心的距离；回转控制器，与风力检测装置和吊重检测装置分别连接，用于获取风速、重量、和距离，并根据风速、重量、和距离计算回转电机的目标参数，按照目标参数向回转电机发送控制指令。

进一步地，风力检测装置包括：风速仪，安装在起重臂的撑架上，用于测量风速；第一无线传输模块，与风速仪连接，用于将风速仪测量得到的风速以无线方式发送给回转控制器；第一蓄电池，分别与风速仪和第一无线传输模块连接，用于向风速仪和第一无线传输模块供电。

进一步地，吊重检测装置包括：销轴传感器，安装在起吊小车的滑轮组上，用于测量起吊重物的重量；第二无线传输模块，与销轴传感器连接，用于将销轴传感器测量得到的起吊重物的重量以无线方式发送给回转控制器；第二蓄电池，分别与销轴传感器和第二无线传输模块连接，用于向销轴传感器和第二无线传输模块供电；发电模块，与第二蓄电池连接，用于在起吊小车的滑轮带动下产生电能向第二蓄电池充电。

进一步地，吊重检测装置还包括：角度感应器，设置在起吊小车的变幅机构上，用于根据变幅机构的转动情况对应得出起吊重物相对于回转中心的距离；第三无线传输模块，与角度感应器连接，用于将角度感应器测量得到的起吊重物相对于回转中心的距离以无线方式发送给回转控制器。

进一步地，回转控制器还用于：根据重量和距离计算目标回转加速度，根据风速和重量计算目标回转速度，并按照目标回转加速度和目标回转速度向回转电机发送控制指令。

进一步地，还包括：变频器，与回转控制器和回转电机分别连接，用于将回转控制器发送的控制指令转换为对应的变频驱动信号，并按照变频驱动信号驱动回转电机。

根据本发明的第二个方面，提供了一种塔式起重机的回转控制方法，包括：分别获取塔式起重机所在位置的风速、起吊重物的重量以及起吊重物相对于回转中心的距离；根据风速、重量、和距离计算回转电机的目标参数；按照目标参数向回转电机发送控制指令。

进一步地，根据风速、重量、和距离计算回转电机的目标参数包括：根据重量和距离计算目标回转加速度；根据风速和重量计算目标回转速度。

进一步地，在根据风速、重量、和距离计算回转电机的目标参数之后还包括：判断计算得出的目标回转加速度是否大于第一预设值，当计算得出的目标回转加速度大于第一预设值时，将第一预设值赋值给目标回转加速度；判断计算得出的目标回转速度是否大于第二预设值，当计算得出的目标回转速度大于第二预设值时，将第二预设值赋值给目标回转加速度，其中第一预设值按照塔式起重机起重臂可承受的最大回转加速度进行设置，第二预设值按照塔式起重机起重臂可承受的最大回转速度进行设置。

进一步地，按照目标参数向回转电机发送控制指令包括：将控制指令发送给变频器；由变频器将控制指令转换为对应的变频驱动信号，并按照变频驱动信号驱动回转电机。

根据本发明的第三个方面，提供了一种塔式起重机，包括回转机构，该回转机构包括上述的回转控制系统。

应用本发明的技术方案，塔式起重机通过实时获取风速、起吊载荷、重物回转距离等工况信息，从而实时根据不同风载荷、惯性矩、吊重调控吊臂回转速度，有效地避免了回转臂扭臂、抖动等问题，实现回转平稳运行。回转电机的控制目标参数由实时工况确定并实时进行调整，是电机的出力与塔机的实际运转条件相适应，提高了塔机的工作效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的塔式起重机的回转控制系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的塔式起重机的结构示意图；

图3A是根据本发明实施例的塔式起重机中风力检测装置部分的放大正视图；

图3B是根据本发明实施例的塔式起重机中风力检测装置部分的放大立体图；

图4A是根据本发明实施例的塔式起重机中变幅机构部分的放大正视图；

图4B是根据本发明实施例的塔式起重机中变幅机构部分的放大立体图；

图5A是根据本发明实施例的塔式起重机中起吊小车部分的放大正视图；

图5B是根据本发明实施例的塔式起重机中起吊小车部分的放大立体图；

图6是根据本发明实施例的塔式起重机的回转控制方法的示意图；

图7是本根据本发明实施例的塔式起重机的回转控制系统在回转启动的工作示意图；

图8是本根据本发明实施例的塔式起重机的回转控制系统在回转过程的工作示意图。

在以上图中，11为风力检测装置，13为吊重检测装置，15为回转控制器，17为回转电机17，111为风速仪，112为第一无线传输模块，113为第一蓄电池，131为销轴传感器，132为第二无线传输模块，133为第二蓄电池，134为发电模块，135为角度感应器，136为第二无线传输模块，201为撑架，202为平衡臂拉杆，203为起重臂拉杆，204为起重臂，205为起吊小车，206为吊钩，207为起吊重物，208为变幅机构，209为起升机构，211为平衡臂。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种塔式起重机的回转控制系统，图1是根据本发明实施例的塔式起重机的回转控制系统的示意图，如图1所示，该塔式起重机的回转控制系统包括：风力检测装置11，用于检测该塔式起重机所在位置的风速；吊重检测装置13，用于检测起吊重物的重量和起吊重物相对于回转中心的距离；回转控制器15，与风力检测装置11和吊重检测装置13分别连接，用于获取风速、重量、和距离，并根据风速、重量、和距离计算回转电机17的目标参数，按照目标参数向回转电机17发送控制指令。

上述回转电机17的目标参数包括：目标回转加速度、目标回转速度、目标功率T等。其中，，以上目标回转加速度和目标回转速度可以为角速度形式。

利用以下公式（1）计算回转电机17的目标功率T：

$T=\frac{(\mathrm{Tm}+\mathrm{Tp}+\mathrm{Tw}+(1.1~1.3)\mathrm{Tg})}{\mathrm{\η}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{as}}\·i}\·\·\·\left(1\right),$ 在公式（1）中，

Tm为回转支撑装置中的摩擦阻力矩，

其中，ω为回转阻力系数，D为滚道平均直径，∑N为全部滚球或滚柱所受总压力；

Tp为坡道阻力矩，Tp=∑Gi·Li·sinθ·sinΦ，其中，Gi为起重机第i回转部件质量的重力，Li为起重机第i回转部件回转轴线的距离，θ为起重机起吊臂的坡道角度，Φ为起重机回转角度；

Tw为最大风阻力矩，Tw=F_eq·R+F_wq·l，其中，F_eq为起吊重物承受的风力，F_eq=C_w·P_w·A，C_w为风力系数，P_w为风压，P_w≈0.613V_w ²，V_w为所述风速，A为起吊重物的迎风面积，R为起重机的变幅幅度，F_wq为起重机回转部分承受的风力，l为所述起重机回转部分承受的风力作用线至起重机回转中心线的距离；

Tg为惯性阻力矩，Tg=Tg_自+Tg_吊重，其中，Tg_自为塔机本身的惯性力矩，Tg_吊重为塔机所吊重物的惯性力矩，Tg_吊重≈mεr²，m为起吊重物的重量，ε为回转角加速度，r为所述起吊重物相对于回转中心的距离；

λ_as为回转电机17的平均启动转矩与基准截点持续率时的额定转矩之比；

η为所述回转电机17的效率；

i为回转部件的数量。

回转点击的输出功率通过公式（2）来计算

P=∑F×V……（2），在公式（2）中，∑F代表摩擦阻力、坡道阻力、和风阻之和，V代表回转速度。

在设计塔机回转速度过程中，是以风速最大，吊载负荷最大或以及吊载处于臂尖的极限情况来确定起重臂允许的最大回转加速度的。从以上公式（1）可以得出风速V_w、吊重m、以及吊重到回转中心的距离l、回转加速度ε是影响电机输出功率T的主要因素。而且，塔机的角加速度ε主要影响塔机惯性阻力矩Tg。，

所以，在回转电机17功率额定以及不超过起重臂本身能够承受的最大回转加速度的情况下，风速，吊重、以及吊重到回转中心的位置决定了塔机的回转加速度。而且由惯性阻力矩公式Tg_吊重≈mεr²也可看出，在惯性阻力矩Tg设为定值的情况下，起吊重物的重量m（包括小车、吊钩），起吊重物相对于回转中心的距离r决定了塔机的回转加速度ε。

另外由公式（2）也可以得出在电机功率额定，回转速度主要受摩擦阻力，坡道阻力，风阻等的影响，所以，在回转速度不超过塔机起重臂本身能够承受的最大回转速度的情况下，起吊重物的重量（包括小车、吊钩）m，风速V_w决定了塔机的回转速度V。

通过以上分析可以得出，回转控制器15可以根据起吊重物的重量m和起吊重物相对于回转中心的距离r计算目标回转加速度，根据风速V_w和起吊重物的重量m计算目标回转速度。在得出以上控制目标参数后，按照目标回转加速度和目标回转速度向回转电机17发送对应的控制指令。

利用本实施例的回转控制系统，通过实时获取风速、起吊载荷、重物回转距离等工况信息，从而实时根据不同风载荷、惯性矩、吊重调控吊臂回转速度，有效地避免了回转臂扭臂、抖动等问题，实现回转平稳运行。回转电机17的控制目标参数由实时工况确定并实时进行调整，是电机的出力与塔机的实际运转条件相适应，提高了塔机的工作效率。

以上风速V_w可以通过风力检测装置11得到，起吊重物相对于回转中心的距离r和起吊重物的重量m可以通过吊重检测装置13得到。

具体地，风力检测装置11可以包括：风速仪111，安装在起重臂204的撑架201上，用于测量风速；第一无线传输模块112，与风速仪111连接，用于将风速仪111测量得到的风速数据以无线方式发送给回转控制器15；第一蓄电池113，分别与风速仪111和第一无线传输模块112连接，用于向风速仪111和第一无线传输模块112供电。

吊重检测装置13可以包括：销轴传感器131，安装在起吊小车205的滑轮组上，用于测量起吊重物207的重量；第二无线传输模块136，与销轴传感器131连接，用于将销轴传感器131测量得到的起吊重物207的重量以无线方式发送给回转控制器15；第二蓄电池133，分别与销轴传感器131和第二无线传输模块136连接，用于向销轴传感器131和第二无线传输模块136供电；发电模块134，与第二蓄电池133连接，用于在起吊小车205的滑轮带动下产生电能向第二蓄电池133充电；角度感应器135，设置在塔式起重机的起吊变幅机构208上，用于根据变幅机构208的转动情况对应得出起吊重物207相对于回转中心的距离；第二无线传输模块136，与角度感应器135连接，用于将角度感应器135测量得到的吊重207相对于回转中心的距离以无线方式发送给回转控制器15。

回转电机17可以采用变频调速方式控制，在这种情况下，本实施例的塔式起重机的回转控制系统还可以包括：变频器，与回转控制器15和回转电机17分别连接，用于将回转控制器15发送的控制指令转换为对应的变频驱动信号，并按照变频驱动信号驱动回转电机17。从而充分利用变频器性能和电机特性，提高了工作效率，实现了节能环保。

本发明实施例还提供了一种塔式起重机，其回转机构包括上述实施例的回转控制系统，并使用上述回转控制系统进行回转控制。图2是根据本发明实施例的塔式起重机的结构示意图。由图可以看出，撑架201通过平衡臂拉杆202和起重臂拉杆203分别吊拉平衡臂203和起重臂204，起吊小车205通过滚轮组设置在起重臂204上，可沿起重臂204移动，起吊小车205通过吊钩206挂在起吊重物207，起升机构209通过钢丝绳上拉或下放吊钩206，风力检测装置11安装在载撑架201的顶端，吊重检测装置13分为测量起吊重物207的重量的部件和测量起吊重物207相对于回转中心的距离的部件，分别设置在起吊小车205和变幅机构208上。

图3A和图3B分别是根据本发明实施例的塔式起重机中风力检测装置11部分的放大正视图和放大立体图。安装在撑架201顶部的风速仪111实时测出风速，通过第一无线传输模块112以无线方式向主控制器实时反馈风速信号，第一蓄电池113作为风力检测装置11的电源。通过无线方式解决了回转控制器15至风力检测装置11的通信问题。

图4A和图4B分别是根据本发明实施例的塔式起重机中变幅机构208部分的放大正视图和放大立体图。角度感应器135，设置在塔式起重机的起吊小车205的变幅机构208上，用于根据变幅机构208的转动情况对应得出起吊重物207相对于回转中心的距离，通过第三无线传输模块以无线方式向主控制器实时反馈该距离信号。从而回转控制器15据此计算得出吊重与回转中心之间的实时距离。

图5A和图5B分别是根据本发明实施例的塔式起重机中起吊小车205部分的放大正视图和放大立体图。在起吊小车205的滑轮组上安装销轴传感器131，通过第二无线传输模块136以无线方式向回转控制器15实时反馈销轴传感器131的信息，回转控器据此算出吊重，第二蓄电池133作为电源。优选地，还可以设置发电模块134，当起吊小车205运动时，小车上面安装的小轮带动发电模块134发电，给直接向销轴传感器131和第二无线传输模块136提供电力或者向第二蓄电池133充电。

本发明实施例还提供了一种塔式起重机的回转控制方法，该塔式起重机的回转控制方法可以通过本发明上述实施例所提供的任一种塔式起重机的回转控制系统来执行，并且，该塔式起重机的回转方法可以应用于包括以上控制系统的塔式起重机，图6是根据本发明实施例的塔式起重机的回转控制方法的示意图，如图6，该回转控制方法包括：

步骤S61，分别获取起重臂204所在位置的风速、起吊重物207的重量以及起吊重物相对于回转中心的距离；

步骤S63，根据风速、重量、和距离计算回转电机17的目标参数；

步骤S65，按照目标参数向回转电机17发送控制指令。

其中，步骤S63可以包括：根据重量和距离计算目标回转加速度；根据风速和重量计算目标回转速度。具体的计算公式，可以通过上述的公式（1）和公式（2）得出。

限于对塔式起重机起重臂204结构，所能承受的最大回转速度和最大回转加速度是可以通过极限情况计算得出的，因此，步骤S63之后还可以包括：判断计算得出的目标回转加速度是否大于第一预设值，当计算得出的目标回转加速度大于第一预设值时，将第一预设值赋值给目标回转加速度；判断计算得出的目标回转速度是否大于第二预设值，当计算得出的目标回转速度大于第二预设值时，将第二预设值赋值给目标回转加速度，其中第一预设值按照塔式起重机起重臂204可承受的最大回转加速度进行设置，第二预设值按照塔式起重机起重臂204可承受的最大回转速度进行设置。通过这一步骤，可以保证回转运动不会超出结构的限制，避免了超出限制引起的故障隐患。

在使用变频调速的情况下，步骤S65具体可以包括：将控制指令发送给变频器；由变频器将控制指令转换为对应的变频驱动信号，并按照变频驱动信号驱动回转电机17。从而充分利用变频器性能和电机特性，提高了工作效率，实现了节能环保。

下面结合附图，对本发明实施例的塔式起重机的回转控制在不同阶段中控制流程进行说明，在进行回转之前，回转控制器15首先获取电机的最大功率，最小运行频率、最大运行频率，最小变频时间，以及塔机能承受的最大回转速度、最大回转加速度。

图7是本根据本发明实施例的塔式起重机的回转控制系统在回转启动的工作示意图，塔机开始进行回转运动时，回转控制器15利用各无线传输模块，获取实时风速、吊重、吊重到回转中心的距离，并利用以上信息，计算出回转的目标角加速度和目标回转速度，相应向变频器发送变频时间和变频频率的控制信号，变频器驱动回转电机17加速启动。当塔机的实际回转速度接近上述目标回转速度时，相应减小角加速度，逐渐使塔机达到目标会转速度时，回转角加速度为零。

图8是本根据本发明实施例的塔式起重机的回转控制系统在回转过程的工作示意图，塔机进行回转过程中，回转控制器15利用各无线传输模块，获取实时风速、吊重、吊重到回转中心的距离，并利用以上信息计算目标回转速度，并通过变频器调节电机频率来实时调控回转速度维持在目标回转速度。当塔机需要停止回转时，，回转控制器15利用各无线传输模块，获取实时风速、吊重、吊重到回转中心的距离，并利用以上信息计算出回转的目标角加速度，调节变频器变频时间，塔机的回转减速停止。

利用以上方法完成回转动作，具有高智能、高安全的特点，可以简化操作，有效避免一些不必要的失误；充分利用了变频器性能和电机特性，提高了工作效率，能够实现节能环保，实时根据不同风载荷、惯性矩、吊重调控回转速度，有效避免了回转臂扭臂、抖动等问题，实现回转平稳运行。

应用本发明的技术方案，通过实时获取风速、起吊载荷、重物回转距离等工况信息，从而实时根据不同风载荷、惯性矩、吊重调控吊臂回转速度，有效地避免了回转臂扭臂、抖动等问题，实现回转平稳运行。回转电机17的控制目标参数由实时工况确定并实时进行调整，是电机的出力与塔机的实际运转条件相适应，提高了塔机的工作效率。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种塔式起重机的回转控制系统，其特征在于，包括：

风力检测装置，用于检测塔式起重机所在位置的风速；

吊重检测装置，用于检测起吊重物的重量和起吊重物相对于回转中心的距离；

回转控制器，与所述风力检测装置和所述吊重检测装置分别连接，用于获取所述风速、所述重量、和所述距离，并根据所述风速、所述重量、和所述距离计算回转电机的目标参数，按照所述目标参数向所述回转电机发送控制指令。

2.根据权利要求1所述的回转控制系统，其特征在于，所述风力检测装置包括：

风速仪，安装在所述起重臂的撑架上，用于测量风速；

第一无线传输模块，与所述风速仪连接，用于将所述风速仪测量得到的风速以无线方式发送给所述回转控制器；

第一蓄电池，分别与所述风速仪和所述第一无线传输模块连接，用于向所述风速仪和所述第一无线传输模块供电。

3.根据权利要求1所述的回转控制系统，其特征在于，所述吊重检测装置包括：

销轴传感器，安装在所述起吊小车的滑轮组上，用于测量所述起吊重物的重量；

第二无线传输模块，与所述销轴传感器连接，用于将所述销轴传感器测量得到的起吊重物的重量以无线方式发送给所述回转控制器；

第二蓄电池，分别与所述销轴传感器和所述第二无线传输模块连接，用于向所述销轴传感器和所述第二无线传输模块供电；

发电模块，与所述第二蓄电池连接，用于在所述起吊小车的滑轮带动下产生电能向所述第二蓄电池充电。

4.根据权利要求3所述的回转控制系统，其特征在于，所述吊重检测装置还包括：

角度感应器，设置在所述起吊小车的变幅机构上，用于根据变幅机构的转动情况对应得出所述起吊重物相对于回转中心的距离；

第三无线传输模块，与所述角度感应器连接，用于将所述角度感应器测量得到的起吊重物相对于回转中心的距离以无线方式发送给所述回转控制器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的回转控制系统，其特征在于，所述回转控制器还用于：根据所述重量和所述距离计算目标回转加速度，根据所述风速和所述重量计算目标回转速度，并按照所述目标回转加速度和所述目标回转速度向所述回转电机发送控制指令。

6.根据权利要求5所述的回转控制系统，其特征在于，还包括：

变频器，与所述回转控制器和所述回转电机分别连接，用于将所述回转控制器发送的控制指令转换为对应的变频驱动信号，并按照所述变频驱动信号驱动所述回转电机。

7.一种塔式起重机的回转控制方法，其特征在于，包括：

分别获取塔式起重机所在位置的风速、起吊重物的重量以及起吊重物相对于回转中心的距离；

根据所述风速、所述重量、和所述距离计算回转电机的目标参数；

按照所述目标参数向所述回转电机发送控制指令。

8.根据权利要求7所述的塔式起重机的回转控制方法，其特征在于，根据所述风速、所述重量、和所述距离计算回转电机的目标参数包括：

根据所述重量和所述距离计算目标回转加速度；

根据所述风速和所述重量计算目标回转速度。

9.根据权利要求8所述的塔式起重机的回转控制方法，其特征在于，在根据所述风速、所述重量、和所述距离计算回转电机的目标参数之后还包括：

判断计算得出的目标回转加速度是否大于第一预设值，当计算得出的目标回转加速度大于所述第一预设值时，将所述第一预设值赋值给目标回转加速度；

判断计算得出的目标回转速度是否大于第二预设值，当计算得出的目标回转速度大于所述第二预设值时，将所述第二预设值赋值给目标回转加速度，其中所述第一预设值按照所述塔式起重机起重臂可承受的最大回转加速度进行设置，所述第二预设值按照所述塔式起重机起重臂可承受的最大回转速度进行设置。

10.根据权利要求8所述的塔式起重机的回转控制方法，其特征在于，按照所述目标参数向所述回转电机发送控制指令包括：

将所述控制指令发送给变频器；

由变频器将所述控制指令转换为对应的变频驱动信号，并按照所述变频驱动信号驱动所述回转电机。

11.一种塔式起重机，包括回转机构，其特征在于，所述回转机构包括根据权利要求1至6中任一项所述的回转控制系统。

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