CN107285201A - 一种塔式起重机塔身损伤的判断方法 - Google Patents

Abstract

一种塔式起重机塔身损伤的判断方法，通过建立塔机塔身顶端端点轨迹的数学模型，利用塔身回转一周后的塔身顶端端点轨迹坐标值(x,y)对模型参数进行求解，根据主频函数中各参数的取值进行损伤的判断：频率的取值范围确定塔身是否存在损伤，振幅的取值范围确定塔身的损伤类型，并根据塔身顶端轨迹外接矩形的面积值进行损伤程度的判断。本发明所述的方法简单易行，能够快速有效进行塔身损伤类型及损伤程度的判断。

Description

一种塔式起重机塔身损伤的判断方法

技术领域

本发明涉及一种塔式起重机塔身损伤的判断方法，属于建筑机械损伤检测的技术领域。

技术背景

塔式起重机，以下简称塔机，作为一种大型起重运输机械，因其安装拆卸方便、工作空间大、工作效率高、起升高度高等诸多优点在建筑行业得到广泛的运用。但是由于结构疲劳损伤、塔身主肢断裂、塔身螺栓松动等原因造成的事故时有发生。为保证塔机的安全运行，对塔身损伤检测的实效性、准确性和可靠性提出了新的要求。由于塔身本身结构的复杂性，现有的塔身损伤检测，大多依靠的人的定期排查。该方法存在一定的局限性：一是人为排查费时费力，且难免存在疏忽；二是由于塔机较高，排查操作危险性大，难以保证排查人员的人身安全。因此，迫切需要找到一种方便快捷的方法实现对塔身状态的快速检测，及时排除隐患，保证塔机的安全运行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种塔式起重机塔身损伤的判断方法，解决了现有技术中塔身损伤检测实效性弱、准确率低、可靠性差的问题。

本发明的技术方案如下：

一种塔式起重机塔身损伤的判断方法，包括如下步骤：

步骤1.提取塔机塔身在静坐标系内绕回转台回转360°后，所述塔身顶端端点在动坐标系内的轨迹坐标数据P＝(x_i,y_i)，并按照所述轨迹坐标数据P在动坐标系内绘制数据P的坐标轨迹；

所述的静坐标系其原点O’为塔机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；

所述的动坐标系其原点O为塔机塔身顶端端点回转支承平面与过原点O’且垂直于地面的直线的交点，坐标轴x正方向为起重臂轴线远离塔身方向，幅度增大方向；坐标轴y为垂直于起重臂轴线，坐标轴z正方向为垂直于地面向上，且与x、z轴符合右手螺旋法则，原点O与原点O’的连线永远垂直于地面；

所述的轨迹坐标数据P＝(x_i,y_i)为塔机塔身顶端端点在动坐标系的oxy平面内的投影坐标数据，塔机塔身回转角度的变化在oxy平面内表现为坐标的变化，x_i,y_i为轨迹点在oxy平面内沿x方向和沿y方向的坐标值,i为轨迹点的序列号,i＝1,2…n；

步骤2.将所述坐标轨迹绘制外接矩形，并计算所述外接矩形面积S；

步骤3.将坐标轨迹分别沿动坐标系的x方向，得到归一化后的模型数据x′_i；或，将坐标轨迹分别沿动坐标系的y方向，得到归一化后的模型数据y′_i；

步骤4.基于时间序列对归一化后的模型数据进行正弦N次和函数拟合,计算模型数据参数取值：

所述的正弦N次和函数拟合公式为：

或，

公式(III)、(IV)中,a_i，b_i，c_i分别为正弦函数的振幅、频率和初始相位角；t为时间，单位是秒；

步骤5.确定主频函数，提取主频函数的振幅a_i和频率b_i；频率最大的正弦函数为主频函数；

步骤6.首先，获取大量已知损伤情况的实际塔机数据：塔机的型号、塔机塔身是否存在损伤、塔机塔身存在损伤的类型、塔机塔身的损伤程度；

其次，按照步骤1-步骤5，分别采集、统计上述塔机塔身的模型数据参数a_i，b_i，S，形成塔机塔身参数数据库，其中：

主频函数的频率b_i对应塔机塔身是否有损伤；

主频函数的振幅a_i对应塔机塔身存在损伤的类型；

外接矩形面积S对应塔机塔身的损伤程度；此步骤的作用在于，采集、统计相同型号、已知存在不同损伤的塔机塔身的模型数据参数a_i，b_i，S；最后根据上述统计划分同种型号塔机不同损伤时所对应的参数，得到判定损伤参数范围形成数据库，以供实时监测判定塔机塔身损伤时使用；

步骤7.在相同型号的塔机的前提下，将步骤5所述主频函数的频率b_i的取值与步骤6中所述塔机塔身参数数据库相比：

如步骤5所述主频函数的频率b_i与存在损伤的塔机塔身的主频函数的频率相同或范围相同，则判定所述塔机塔身存在损伤；否则判定塔机塔身不存在损伤；

步骤8.将步骤5所述主频函数的振幅a_i的取值与步骤6中所述塔机塔身参数数据库相比：

如步骤5所述主频函数的振幅a_i与存在损伤类型的塔机塔身的主频函数的振幅相同或范围相同，则判定所述塔机塔身存在相同类型的损伤；

如确定塔机塔身的损伤类型，则根据外接矩形的面积S判定所存在该类型损伤的程度。所述外接矩形的面积S越小，则损伤程度越小。

根据本发明优选的，所述步骤2中，绘制外接矩形并计算所述外接矩形面积S的方法包括：

1)取动坐标系中x方向坐标的最大值和最小值为外接矩形的两个对边；取动坐标系中y方向坐标的最大值和最小值为外接矩形的另外两个对边；

2)计算所述外接矩形面积S公式如下：

S＝(x_max-x_min)×(y_max-y_min) (I)

公式(I)中x_max、x_min分别为轨迹坐标在x方向坐标的最大值和最小值，y_max、y_min分别为轨迹坐标在y方向的最大值和最小值。

根据本发明优选的，所述步骤3中的归一化处理的公式为：

在公式(II)中的x_i为塔身顶端端点轨迹在x方向的坐标值，y_i为塔身顶端端点轨迹在y方向的坐标值；x′_i或y′_i均为归一化后的模型数据。

本发明的优势在于：

本发明通过建立塔机塔身顶端端点轨迹的数学模型，利用塔身回转一周后的塔身顶端端点轨迹坐标值(x,y)对模型参数进行求解，根据主频函数中各参数的取值进行损伤的判断：频率的取值范围确定塔身是否存在损伤，振幅的取值范围确定塔身的损伤类型，并根据塔身顶端轨迹外接矩形的面积值进行损伤程度的判断。本发明所述的方法简单易行，能够快速有效进行塔身损伤类型及损伤程度的判断。

附图说明

图1是本发明所述塔机塔身损伤判断方法的流程示意图；

图2是本发明中所述动态坐标系和静态坐标系的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但不限于此。

如图1、2所示。

本实施例以QTZ40型号的塔机为例，根据统计对比相同型号塔机不同损伤所对应的塔机塔身参数数据库，实时监测该型号的塔机塔身损伤情况。

实施例1、

一种塔式起重机塔身损伤的判断方法，包括如下步骤：

步骤1.提取塔机塔身在静坐标系内绕回转台回转360°后，所述塔身顶端端点在动坐标系内的轨迹坐标数据P＝(x_i,y_i)，并按照所述轨迹坐标数据P在动坐标系内绘制数据P的坐标轨迹；

所述的静坐标系其原点O’为塔机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；

所述的动坐标系其原点O为塔机塔身顶端端点回转支承平面与过原点O’且垂直于地面的直线的交点，坐标轴x正方向为起重臂轴线远离塔身方向，幅度增大方向；坐标轴y为垂直于起重臂轴线，坐标轴z正方向为垂直于地面向上，且与x、z轴符合右手螺旋法则，原点O与原点O’的连线永远垂直于地面；

所述的轨迹坐标数据P＝(x_i,y_i)为塔机塔身顶端端点在动坐标系的oxy平面内的投影坐标数据，塔机塔身回转角度的变化在oxy平面内表现为坐标的变化，x_i,y_i为轨迹点在oxy平面内沿x方向和沿y方向的坐标值,i为轨迹点的序列号,i＝1,2…n；

步骤2.将所述坐标轨迹绘制外接矩形，并计算所述外接矩形面积S；所述步骤2中，绘制外接矩形并计算所述外接矩形面积S的方法包括：

1)取动坐标系中x方向坐标的最大值和最小值为外接矩形的两个对边；取动坐标系中y方向坐标的最大值和最小值为外接矩形的另外两个对边；

2)计算所述外接矩形面积S公式如下：

S＝(x_max-x_min)×(y_max-y_min) (I)

公式(I)中x_max、x_min分别为轨迹坐标在x方向坐标的最大值和最小值，y_max、y_min分别为轨迹坐标在y方向的最大值和最小值；

步骤3.将坐标轨迹分别沿动坐标系的x方向进行归一化处理，得到归一化后的模型数据x′_i；

所述步骤3中的归一化处理的公式为：

在公式(II)中的x_i为塔身顶端端点轨迹在x方向的坐标值，x′_i为归一化后的模型数据；

步骤4.基于时间序列对归一化后的模型数据进行正弦N次和函数拟合,计算模型数据参数取值：

所述的正弦N次和函数拟合公式为：

公式(III)中,a_i，b_i，c_i分别为正弦函数的振幅、频率和初始相位角；t为时间，单位是秒；

步骤5.确定主频函数，提取主频函数的振幅a_i和频率b_i；频率最大的正弦函数为主频函数；

步骤6.首先，获取大量已知损伤情况的实际塔机数据：塔机的型号、塔机塔身是否存在损伤、塔机塔身存在损伤的类型、塔机塔身的损伤程度；

其次，按照步骤1-步骤5，分别采集、统计上述塔机塔身的模型数据参数a_i，b_i，S，形成塔机塔身参数数据库，其中：

主频函数的频率b_i对应塔机塔身是否有损伤；

主频函数的振幅a_i对应塔机塔身存在损伤的类型；

外接矩形面积S对应塔机塔身的损伤程度；

步骤7.在相同型号的塔机的前提下，将步骤5所述主频函数的频率b_i的取值与步骤6中所述塔机塔身参数数据库相比：

如步骤5所述主频函数的频率b_i与存在损伤的塔机塔身的主频函数的频率相同或范围相同，则判定所述塔机塔身存在损伤；否则判定塔机塔身不存在损伤；

在本实施例中，当所述主频函数的频率b_i＜7时，则确定塔机塔身不存在损伤，是完好的；

当所述主频函数的频率b_i≥7时，则确定塔机塔身存在损伤，此时可根据该监测数据向塔机塔身监控装置报警；

步骤8.将步骤5所述主频函数的振幅a_i的取值与步骤6中所述塔机塔身参数数据库相比：

如步骤5所述主频函数的振幅a_i与存在损伤类型的塔机塔身的主频函数的振幅相同或范围相同，则判定所述塔机塔身存在相同类型的损伤；

在本实施例中，当所述主频函数的振幅a_i＜0.1时，则确定塔机塔身是完好的；

当所述主频函数的振幅0.1≤a_i＜0.3时，则确定塔机塔身中同一层相邻两主肢损伤；此时可根据该监测数据向塔机塔身监控装置报警；

当所述主频函数的振幅0.3≤a_i＜0.45时，则确定塔机塔身中单主肢损伤；此时可根据该监测数据向塔机塔身监控装置报警；

当所述主频函数的振幅a_i≥0.45时，则确定塔机塔身中同一层对角两主肢损伤；此时可根据该监测数据向塔机塔身监控装置报警；

如确定塔机塔身的损伤类型，则根据外接矩形的面积S判定所存在该类型损伤的程度：

在本实施例中，当S≥0.1时，说明对应类型的损伤已经大于二分之一，损伤较为严重，此时可根据该监测数据向塔机塔身监控装置报警。根据本判断结论，特派遣维护人员前往查看核对塔机塔身损伤的具体情况，正确无误。

Claims (3)

1.一种塔式起重机塔身损伤的判断方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1.提取塔机塔身在静坐标系内绕回转台回转360°后，所述塔身顶端端点在动坐标系内的轨迹坐标数据P＝(x_i,y_i)，并按照所述轨迹坐标数据P在动坐标系内绘制数据P的坐标轨迹；

步骤2.将所述坐标轨迹绘制外接矩形，并计算所述外接矩形面积S；

步骤3.将坐标轨迹分别沿动坐标系的x方向，得到归一化后的模型数据x′_i；或，将坐标轨迹分别沿动坐标系的y方向，得到归一化后的模型数据y′_i；

步骤4.基于时间序列对归一化后的模型数据进行正弦N次和函数拟合,计算模型数据参数取值：

所述的正弦N次和函数拟合公式为：

<mrow> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <msub> <mi>a</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>b</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> <mo>,</mo> <mn>0.1</mn> <mo>,</mo> <mn>0.2</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mn>2.4</mn> <mo>,</mo> <mi>N</mi> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mi>I</mi> <mi>I</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

或，

公式(III)、(IV)中,a_i，b_i，c_i分别为正弦函数的振幅、频率和初始相位角；t为时间，单位是秒；

步骤5.确定主频函数，提取主频函数的振幅a_i和频率b_i；

步骤6.首先，获取大量已知损伤情况的实际塔机数据：塔机的型号、塔机塔身是否存在损伤、塔机塔身存在损伤的类型、塔机塔身的损伤程度；

其次，按照步骤1-步骤5，分别采集、统计上述塔机塔身的模型数据参数a_i，b_i，S，形成塔机塔身参数数据库，其中：

主频函数的频率b_i对应塔机塔身是否有损伤；

主频函数的振幅a_i对应塔机塔身存在损伤的类型；

外接矩形面积S对应塔机塔身的损伤程度；

步骤7.在相同型号的塔机的前提下，将步骤5所述主频函数的频率b_i的取值与步骤6中所述塔机塔身参数数据库相比：

如步骤5所述主频函数的频率b_i与存在损伤的塔机塔身的主频函数的频率相同或范围相同，则判定所述塔机塔身存在损伤；否则判定塔机塔身不存在损伤；

步骤8.将步骤5所述主频函数的振幅a_i的取值与步骤6中所述塔机塔身参数数据库相比：

如步骤5所述主频函数的振幅a_i与存在损伤类型的塔机塔身的主频函数的振幅相同或范围相同，则判定所述塔机塔身存在相同类型的损伤；

如确定塔机塔身的损伤类型，则根据外接矩形的面积S判定所存在该类型损伤的程度。

2.根据权利要求1所述一种塔式起重机塔身损伤的判断方法，其特征在于，所述步骤2中，绘制外接矩形并计算所述外接矩形面积S的方法包括：

1)取动坐标系中x方向坐标的最大值和最小值为外接矩形的两个对边；取动坐标系中y方向坐标的最大值和最小值为外接矩形的另外两个对边；

2)计算所述外接矩形面积S公式如下：

S＝(x_max-x_min)×(y_max-y_min) (I)

公式(I)中x_max、x_min分别为轨迹坐标在x方向坐标的最大值和最小值，y_max、y_min分别为轨迹坐标在y方向的最大值和最小值。

3.根据权利要求1所述一种塔式起重机塔身损伤的判断方法，其特征在于，所述步骤3中的归一化处理的公式为：

<mrow> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> <msubsup> <mi>y</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>max</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mi>I</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

在公式(II)中的x_i为塔身顶端端点轨迹在x方向的坐标值，y_i为塔身顶端端点轨迹在y方向的坐标值；x′_i或y′_i均为归一化后的模型数据。