CN104239717A - 一种起重机的起升机构能耗特征值提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种起重机的起升机构能耗特征值提取方法，包括以下步骤：选取起重机在起升过程中的特征物理量：起升载荷、起升高度、起升速度作为输入，总能耗值作为输出，构建多元回归方程：E＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+β₃x₃+ε；设计具有梯度等级变化的不同起重载荷值与高度、速度值的测试方案进行测试，并记录获得的数据样本；将获得的数据样本代入所述多元回归方程，求解多元回归方程，得到偏回归系数β₁、β₂和β₃；对偏回归系数值进行分析，得到单一物理量变化单位值对应的能耗相应变化量。本发明能够对起重机起升机构能源利用进行分析检测。

Description

一种起重机的起升机构能耗特征值提取方法

技术领域

本发明涉及起升机构运行过程的能效测试和评价技术领域，特别是涉及一种起重机的起升机构能耗特征值提取方法。

背景技术

现阶段，对于能源消耗大户起重机等特种设备侧重在安全性与效率性的考量，缺少对于能源利用效率的评价。能效等级评价已广泛应用于如洗衣机、空调等家用电器，但是世界各国的能耗测试以及等级划分方法仍存在一些差异，主要原因在于需结合电器自身的运行特性和本国的国情来综合评价。

通常情况下，现在采用总消耗的能量值或功率来表征一台电气设备的耗电情况，也可用有用功与总功的比值表示其效率，如现行标准JT314-2009T港口电动式起重机能源利用效率检测方法，就采用上述方法进行计算测试。但是当结合起重设备运行的特殊性时，该测试方法就会存在以下几点不足：

(1)起重机起升的载荷质量，以及所需提升的高度，往往由实际的运行工况所决定，变化较大，故而所耗能量的数值也差异较大。

上述方法中以岸边集装箱起重机为例，规定“以额定速度起升，载荷质量取额定起重量的60％，载荷起升高度不小于额定起升高度的50％”，进行重复三次测量，取平均值。这样单一的工况并不能全面反映起重机起升机构的能耗状况，其所求得的效率值也不具有平均意义，由于机械电气的运行构造，在满载与空载状况下，并不满足同样的效率值。

(2)起升机构的卷筒与钢丝绳间以及轴承间都存在着一定的摩擦。因其使用年限，工作环境的不同，其摩擦因数值会存在较大的差异，故选取一个固定值的摩擦因数经验值有失妥当。在方法所涉及到的公式中，摩擦因数值的选取不同，会导致最终能耗计算结果的差异较大。

(3)该测试方法，仅从整体角度计算了能量的消耗情况，但却对分解的运行物理量所产生的能耗没有相应的计算，不能进一步对每一过程产生的能耗进行分析比较。

因而，需要发明一种更为精细的方法对起重机运行能耗进行分析，并提取相应的特征参数。目前从事该方面研究的有：李向东、叶伟、童一飞在《起重运输机械》2014年1期90-91页“起重机械能耗检测与评价研究”中从粗糙集的理论角度将影响各机构能效因素进行多组数据融合，但其指标选取过于宽泛，不具有针对性，实施中对硬件及软件设别提出了较高的要求。胡海霞在论文中通过系统工程的方法定性地分析了起重机影响环境的各个因素，然后建立了起重机环境评价指标的量化系统，但是需要人为打分确定指标权重，对主观性依赖较高。在专利方面，刘秀苗的专利——起重机综合监测系统和方法(公开号：CN101224854A)提供了通过若干开关信号采集器对运行状态进行分类和分析的方法；吴刚，邹胜，李会勤等人的专利——起重机用起升机构实时监控方法(公开号:CN101590986A)通过行星减速器实现对起重机用起升机构的监控方法。

现有的大部分方法多是对起重机运行的整体或部分机构的运行状况进行检测，缺少对能源利用方面的分析和数据处理方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种起重机的起升机构能耗特征值提取方法，能够对起重机起升机构能源利用进行分析检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种起重机的起升机构能耗特征值提取方法，包括以下步骤：

(1)选取起重机在起升过程中的特征物理量：起升载荷、起升高度、起升速度作为输入，总能耗值作为输出，构建多元回归方程：E＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+β₃x₃+ε，其中，E为总能耗值；β₀为模型修正的回归常数项；x₁为起升载荷的质量；x₂为起升高度；x₃为起升速度；β₁、β₂和β₃为偏回归系数，ε为随机误差项，服从ε～N(0，δ²)，即随机误差服从均值为0，方差为δ²的正态分布；

(2)设计具有梯度等级变化的不同起重载荷值与高度、速度值的测试方案进行测试，并记录获得的数据样本；

(3)将获得的数据样本代入所述多元回归方程，求解多元回归方程，得到偏回归系数β₁、β₂和β₃；

(4)对偏回归系数值进行分析，得到单一物理量变化单位值对应的能耗相应变化量。

所述步骤(4)后还包括利用能耗相应变化量对起重机不同工况下的能耗进行预测或进行同类型起重机间的能耗特征值的比较。

所述步骤(2)中设计从空载到满载，20％起升高度至最大起升高度、不同起升速度多组测试方案，每一组测试方案测试三次，求其平均值，并记录数据。

所述步骤(3)中利用最小二乘法求解多元回归方程，其中，输出预测的与实际测得的y_i之间的偏差平方和为： $Q={\mathrm{\Σ}}_i{(y_i-{\hat{y}}_i)}^2={\mathrm{\Σ}}_i{(y_i-{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\Σ}}_j{\mathrm{\β}}_j{x}_{\mathrm{ij}})}^2,$ 根据最小二乘法原理，以及j＝1,2,3求得偏回归系数β₁、β₂和β₃，其中x_ij为第i组实验，第j个变量所对应实验数据。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：通过本发明的方法，避免了繁杂的数学模型计算，可直接获取能耗的特征值，用以表征每一单位物理量变化所对应的能耗值，填补了能耗分析该领域的不足；将摩擦损耗等一系列不可测损耗值，化归平摊到每个物理量的能耗变化上。宏观角度的能耗值的变化，体现包含了摩擦等因素造成损失的能量；通过能耗特征值的分析和比较，可以方便相关技术监督部门建立对起重机的能效等级分类，进而淘汰和优选一部分起重机，制定相应指导性的政策法规。同时也便于起重机使用单位，即用户在购买及选型时，考虑其能耗使用情况。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是ZP65t型岸边起重机通过该方法预测值与实测值的比较曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种起重机的起升机构能耗特征值提取方法，包括以下步骤：选取起重机在起升过程中的特征物理量：起升载荷、起升高度、起升速度作为输入，总能耗值作为输出，构建多元回归方程：E＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+β₃x₃+ε，其中，E为总能耗值；β₀为模型修正的回归常数项；x₁为起升载荷的质量；x₂为起升高度；x₃为起升速度；β₁、β₂和β₃为偏回归系数，ε为随机误差项，服从ε～N(0，δ²），即随机误差服从均值为0，方差为δ²的正态分布；设计具有梯度等级变化的不同起重载荷值与高度、速度值的测试方案进行测试，并记录获得的数据样本；将获得的数据样本代入所述多元回归方程，求解多元回归方程，得到偏回归系数β₁、β₂和β₃；对偏回归系数值进行分析，得到单一物理量变化单位值对应的能耗相应变化量。

下面以ZP65t型岸边起重机为例，结合图1具体说明本发明的实现步骤。

(1)建立多元回归模型

取起重机的起升载荷，起升高度以及起升速度为输入量，每一次工况所对应的能耗为输出量，建立方程：

E＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+β₃x₃+ε   (1)

其中，x₁为起升载荷的质量，单位吨；x₂为起升高度，单位米；x₃为起升速度，单位米/秒。β₀为模型修正的回归常数项，β₁、β₂和β₃分别为待求的偏回归系数，ε为随机误差项，服从ε～N(0，δ²)，即随机误差服从均值为0，方差为δ²的正态分布。

(2)获取数据样本

设计从空载到满载，20％起升高度至最大起升高度、不同起升速度等多组测试方案。每一组测试方案测试三次，求其平均值，并记录数据。利用电力质量分析仪记录实验过程所消耗的总电能数值，针对有安装能量回馈装置的设备，需要通过回馈电表将测得的回馈能量从总的能耗当中减去。实验所采集到的有效组数越多，实验结果越准确。

以ZP65t型岸边起重机为例，按照上述方法，记录多组试验运行数据及其所消耗的电能。部分采集数据如下表所示：

序号	载重量(t)	起升高度(m)	运行速度(m/s)	起升总能耗(KWh)
					1	0	0	0	0.207
2	0	15	1.5	1.324
					3	0	30	1.00	2.162
4	65	30	2.00	9.153
					5	52.5	30	1.50	7.332
6	45	23	1.50	4.832
					7	45	15	0.75	3.163
8	40	35	0.83	6.351
					9	31.5	30	1.50	5.163
10	22.2	40	0.5	3.762

表1部分实验样本数据簇

(3)利用最小二乘法求解系数

输出预测的与实际测得的y_i之间的偏差平方和

$Q={\mathrm{\Σ}}_i{(y_i-{\hat{y}}_i)}^2={\mathrm{\Σ}}_i{(y_i-{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\Σ}}_j{\mathrm{\β}}_j{x}_{\mathrm{ij}})}^2---\left(2\right)$

根据最小二乘法原理求解方程组

$\frac{\∂Q}{\∂{\mathrm{\β}}_0}=0$ 以及 $\frac{\∂Q}{\∂{\mathrm{\β}}_j}=0,$ j＝1,2,3   (3)

即可得到欲求的偏回归系数β₁、β₂和β₃，其中x_ij为第i组实验，第j个变量所对应实验数据。

依据上面采集到的数据，得到方程：E＝1.728+0.102x₁+0.132x₂-1.143x₃

(4)对偏回归系数值进行分析

该方程表明，每增加1吨的重量，系统增加能耗0.102KWh；每提升1米的高度，系统能耗增加0.132KWh；每增加1m/s的速度，能耗反而减小1.143KWh。

(5)进行起升能耗的预测与能耗特征值的比较

如图2所示，ZP65t型岸边起重机通过模型所得到的预测值与现场测得实际值的比较，可以看到它们非常接近，本方法能够较好的预测能耗值的变化，由此可见，采用本方法可依据不同的工况数值，预测起重机起升机构所产生的能耗。同时，也可以进行同种类型不同起重机间能耗特征值的比较，为相关部门建立能耗等级划分提供理论依据。

Claims (4)

1.一种起重机的起升机构能耗特征值提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选取起重机在起升过程中的特征物理量：起升载荷、起升高度、起升速度作为输入，总能耗值作为输出，构建多元回归方程：E＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+β₃x₃+ε，其中，E为总能耗值；β₀为模型修正的回归常数项；x₁为起升载荷的质量；x₂为起升高度；x₃为起升速度；β₁、β₂和β₃为偏回归系数，ε为随机误差项，服从ε～N(0，δ²)，即随机误差服从均值为0，方差为δ²的正态分布；

(2)设计具有梯度等级变化的不同起重载荷值与高度、速度值的测试方案进行测试，并记录获得的数据样本；

(3)将获得的数据样本代入所述多元回归方程，求解多元回归方程，得到偏回归系数β₁、β₂和β₃；

(4)对偏回归系数值进行分析，得到单一物理量变化单位值对应的能耗相应变化量。

2.根据权利要求1所述的起重机的起升机构能耗特征值提取方法，其特征在于，所述步骤(4)后还包括利用能耗相应变化量对起重机不同工况下的能耗进行预测或进行同类型起重机间的能耗特征值的比较。

3.根据权利要求1所述的起重机的起升机构能耗特征值提取方法，其特征在于，所述步骤(2)中设计从空载到满载，20％起升高度至最大起升高度、不同起升速度多组测试方案，每一组测试方案测试三次，求其平均值，并记录数据。

4.根据权利要求1所述的起重机的起升机构能耗特征值提取方法，其特征在于，所述步骤(3)中利用最小二乘法求解多元回归方程，其中，输出预测的与实际测得的y_i之间的偏差平方和为： $Q={\mathrm{\Σ}}_i{(y_i-{\hat{y}}_i)}^2={\mathrm{\Σ}}_i{(y_i-{\mathrm{\β}}_0-{\mathrm{\Σ}}_j{\mathrm{\β}}_j{x}_{\mathrm{ij}})}^2,$ 根据最小二乘法原理，以及j＝1,2,3求得偏回归系数β₁、β₂和β₃，其中x_ij为第i组实验，第j个变量所对应实验数据。