CN108466947B - 一种实时监测评价平衡臂侧塔身刚度状态的方法 - Google Patents

一种实时监测评价平衡臂侧塔身刚度状态的方法 Download PDF

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Abstract

一种实时监测评价平衡臂侧塔身刚度状态的方法，包括：建立评价塔机平衡臂一侧塔身刚度状态的数据库；根据所述数据库建立起重力矩、顶端位移、对应塔身刚度三者之间的数学模型；实测待评价塔机工作时的起重力矩及相应的塔机塔身顶端位移，并结合所述数学模型计算评价塔机塔身的刚度。本发明通过实时检测塔机起重力矩以及对应的塔身顶端位移，通过建立顶端位移、起重力矩、与塔机塔身刚度之间的数学模型，进而获知所述塔机平衡臂侧塔身刚度的状态以及损伤情况。

Description

一种实时监测评价平衡臂侧塔身刚度状态的方法
技术领域
本发明涉及一种实时监测评价平衡臂侧塔身刚度状态的方法及应用，属于大型钢结构安全监测的技术领域。
背景技术
根据国家统计局的数据显示，截至2014年底，我国塔机的保有量超过22万台。大量在役塔机目前安装的安全监控系统都包含力矩限制、起重量限制、幅度限制、风速监测等内容，有效的降低了塔机事故的发生率。
现有技术也对塔机平衡臂做了对应的研究，山东建筑大学2016年6月发表的硕士论文《塔式起重机预应力起重臂的研究》，根据建立的参数化模型对塔机的强度、刚度以及稳定性进行了分析，通过有限元结果分析结合实际生产经验对预应力拉杆系的参数进一步作出调整，使其满足设计要求，并通过相同工况下与同型号平头塔机的应变图与最大应力值对比，验证了预应力起重臂塔机的有效性和优越性。《计算技术与自动化》2017年4月5日郭纪斌等人发表的《基于Ansys的超大型平头塔式起重机平衡臂优化设计》首先建立平衡臂有限元仿真模型，然后采用Ansys中的APDL算法语言和参数化技术对平衡臂结构相关设计尺寸进行参数化建模，通过结构优化，最后得到平衡臂主体结构的最优截面尺寸，结果表明平衡臂整体结构强度和刚度满足设计方案要求，参数化设计能提高工程机械的设计质量。
虽然现有技术已经对平衡臂做出相应的研究，但是并未针对平衡臂侧塔身的钢结构实时监测、判断危险系数、反馈安全信息，即对塔机钢结构状态的实时监测仍然是一个空白，目前针对塔机钢结构检测的方法多为目测、超声检查、磁粉探伤、停机测量等，常规检测手段基本上都是在停机状态下进行，不能实现对塔机工作过程中塔身结构状态的实时评价和监测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种实时监测评价平衡臂侧塔身刚度状态的方法。
本发明还提供了上述评价塔机平衡臂侧塔身刚度状态方法的具体应用。
本发明的技术方案如下：
一种实时监测评价平衡臂侧塔身刚度状态的方法，包括：建立评价塔机平衡臂一侧塔身刚度状态的数据库；根据所述数据库建立起重力矩、顶端位移、对应塔身刚度三者之间的数学模型；实测待评价塔机工作时的起重力矩及相应的塔机塔身顶端位移，并结合所述数学模型计算评价塔机塔身的刚度；
所述建立评价塔机平衡臂一侧塔身刚度状态的数据库，包括：
(1)塔机塔身空载时：塔机塔身结构为完好状态，刚度为K0，塔机塔身顶端位移为DX；
(2)塔机刚度完好状态K0，空载记为起重力矩为M0，记录塔机塔身顶端位移为DX00；
(3)塔机刚度完好状态K0，施加不同起重力矩M1，M2，......，MJ时，分别记录塔机塔身顶端位移为DX01，DX02，......，DX0J；
(4)调整塔机平衡臂一侧塔身刚度为K1，空载记为起重力矩为M0，记录塔机塔身顶端位移为DX10；
(5)调整所述塔机平衡臂一侧塔身刚度为K1，起重臂起重力矩为M1，M2，.....，MJ时，记录塔身顶端相应位移为DX11，DX12，......，DX1J；
(6)调整所述塔机平衡臂一侧塔身刚度为K2，K3，......，Kn后，再按照步骤(4)(5)，分别记录不同刚度、不同力矩时所对应的塔机塔身顶端位移：
当塔机平衡臂一侧塔身刚度为K2，起重力矩为M0，M1，......，MJ时，所述塔机塔身顶端位移分别为DX20，DX21，......，DX2J；
当塔机平衡臂一侧塔身刚度为K3，起重力矩为M0，M1，......，MJ时，所述塔机塔身顶端位移分别为DX30，DX31，......，DX3J；
……
当塔机平衡臂一侧塔身刚度为Kn，起重力矩为M0，M1，......，MJ时，所述塔机塔身顶端位移分别为DXn0，DXn1，......，DXnJ；
(7)选取步骤(3)至(6)中同一起重力矩、不同刚度对应的塔机塔身顶端位移数据，MJ下对应的塔身顶端位移DX0J，DX1J，......，DXnJ；计算与完好状态塔机塔身顶端位移变化量的相对值X0＝ (DX0J-DX)/DX，X1＝(DX1J-DX)/DX，......，Xn＝(DXnJ-DX)/DX；
根据所述数据库建立起重力矩、顶端位移、对应塔身刚度三者之间的数学模型的步骤如下：
(8)对数据X0，X1，......，Xn与刚度K0，K1，......，Kn按公式(I)进行拟合：
在公式(I)中，i＝1，2，......n，其中，根据现有拟合算法可知，a，c均为变量，与被拟合参数相关，根据公式(I)即求出指数b；
(9)建立优化目标函数：
其中，minf：是使目标函数f的值最小；
(10)根据前述的不同刚度、不同力矩下的数据库数据，以及前述求出的指数b，用优化方法求出各系数P1，P2，P3，即建立顶端位移与刚度、力矩的函数关系：
公式(II)是把公式(III)和数据库中对应的的各值拟合，推导出P1，P2，P3的具体值，及确定公式(III)；在公式(III)中，y为塔机塔身的顶端位移。
实测待评价塔机工作时的起重力矩及相应的塔机塔身顶端位移，并结合所述数学模型计算评价塔机塔身的刚度，包括：
(11)实测待评价塔机起重力矩M，记录与此对应的塔机塔身的顶端位移y；利用位移传感器测量塔机塔身顶端位移y，按照常规安装方式将所述位移传感器安装在回转塔身上；按照常规安装方式将起重量传感器和幅度传感器安装在塔机塔身上，利用起重量传感器和幅度传感器测量并计算所述塔机塔身的起重力矩M；
(12)将公式(III)变形为公式(IV)：
并求解出塔机平衡臂侧塔身对应刚度Ki与完好状态刚度K0的比值；
(13)根据公式(V)计算得到刚度损伤量L为：
(14)预设塔机平衡臂侧塔身刚度损伤预警值LL；
(15)评价塔机平衡臂侧塔身刚度状态：
当塔机塔身平衡臂侧塔身刚度损伤值L≤LL时，判定所述塔机平衡臂侧塔身刚度处于安全范围；
当塔机塔身平衡臂侧塔身刚度损伤值L＞LL时，判定所述塔机平衡臂侧塔身刚度处于刚度预警范围。
根据本发明优选的，所述预设塔机平衡臂侧塔身刚度损伤预警值LL，0≤LL≤0.8。
根据本发明优选的，所述预设塔机平衡臂侧塔身刚度损伤预警值LL，0.3≤LL≤0.7。
本发明的优势在于：
本发明通过实时检测塔机起重力矩以及对应的塔身顶端位移，通过建立顶端位移、起重力矩、与塔机塔身刚度之间的数学模型，进而获知所述塔机平衡臂侧塔身刚度的状态以及损伤情况。本发明所述应用方法无需对塔机停机、无需在塔身上粘贴大量传感器，可以实现塔机在吊重工作中对其塔身钢结构状态的实时评价与监测，快捷的获知塔机的工作状态是否安全，是否预警，弥补了现有塔机安全监控领域的不足。
附图说明
图1是塔机起重力矩、顶端位移和平衡臂侧塔身刚度对应数据图；
图2是塔身顶端位移坐标方向图；
在图2中，x轴是塔身垂直于地基安装时向上的方向，0点是塔身中心线与平衡臂中心线的交点，所述平衡臂向外延伸方向是y轴的正方向，即公式(IV)中的y；
图3是起重力矩为400Knm时，平衡臂侧塔身刚度与本方法评价结果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
将位移传感器安装于塔机塔身顶端易于安装处，安装幅度传感器，起重量传感器。
实施例1、
一种实时监测评价平衡臂侧塔身刚度状态的方法，包括：建立评价塔机平衡臂一侧塔身刚度状态的数据库；根据所述数据库建立起重力矩、顶端位移、对应塔身刚度三者之间的数学模型；实测待评价塔机工作时的起重力矩及相应的塔机塔身顶端位移，并结合所述数学模型计算评价塔机塔身的刚度；
所述建立评价塔机平衡臂一侧塔身刚度状态的数据库，包括：
(1)塔机塔身空载时：塔机塔身结构为完好状态，刚度为K0，塔机塔身顶端位移为DX；其中，刚度为K0＝2.2E8n/m；塔身顶端位移为DX＝0.04m；
(2)塔机刚度完好状态K0，空载记为起重力矩为M0，记录塔机塔身顶端位移为DX00；起重力矩为 M0＝0，记录塔机塔身顶端位移为DX00＝0.04m；
(3)塔机刚度完好状态K0，施加不同起重力矩M1，M2，......，MJ时，分别记录塔机塔身顶端位移为DX01，DX02，......，DX0J；其中，J＝7，M1＝100Knm、M2＝150Knm、M3＝200Knm、M4＝250Knm、 M5＝300Knm、M6＝350Knm、M7＝400Knm时，分别记录塔机塔身顶端位移为DX01＝-0.0133、DX02＝-0.040、DX03＝-0.0662、DX04＝-0.0928、DX05＝-0.1190、DX06＝-0.1456、DX07＝-0.1723；
(4)调整所述塔机平衡臂一侧塔身刚度为K1，空载记为起重力矩为M0，记录塔机塔身顶端位移为 DX10；其中，K1＝K0 ＊(9/10)，空载M0＝0，记录塔身顶端相应位移为DX10＝0.0692m；
(5)调整所述塔机平衡臂一侧塔身刚度为K1，起重臂起重力矩为M1，M2，......，MJ时，记录塔身顶端相应位移为DX11，DX12，......，DX1J；记录塔身顶端相应位移为DX11＝0.0164m、DX12＝-0.0103m、 DX13＝-0.0369m、DX14＝-0.0631m DX15＝-0.0897m、DX16＝-0.1164m、DX17＝-0.1426m；
(6)调整所述塔机平衡臂一侧塔身刚度为K2K3......Kn后，再按照步骤(4)(5)，分别记录不同刚度、不同力矩时所对应的塔机塔身顶端位移：
当塔机平衡臂一侧塔身刚度为K2，起重力矩为M0，M1，......，MJ时，所述塔机塔身顶端位移分别为DX20，DX21，......，DX2J；其中，DX20＝0.1062m、DX21＝0.0533m、DX22＝0.0267m、DX23＝0.0008m、DX24＝-0.0262m、DX25＝-0.0528m、DX26＝-0.0795m、DX27＝-0.1056m；
当塔机平衡臂一侧塔身刚度为K3，起重力矩为M0，M1，......，MJ时，所述塔机塔身顶端位移分别为DX30，DX31，......，DX3J；其中，力矩为M0M1......M7时，所述塔机塔身顶端位移分别为DX30＝ 0.1538m、DX31＝0.1005m、DX32＝0.0744m、DX33＝0.0477m、DX34＝0.0215m、DX35＝-0.0056m、DX36＝-0.0318m、DX37＝-0.0585m；
……
当塔机平衡臂一侧塔身刚度为K8，起重力矩为M0，M1，......，MJ时，所述塔机塔身顶端位移分别为DXn0，DXn1，......，DXnJ；其中，DX80＝1.1026m、DX81＝1.0497m、DX82＝1.0231m、DX83＝0.9969m、 DX84＝0.9703m、DX85＝0.9441m、DX86＝0.9174m、DX87＝0.8913m；K2＝K0 ＊(8/10)、K3＝K0 ＊(7/10)、 K4＝K0 ＊(6/10)、K5＝K0 ＊(5/10)、K6＝K0 ＊(4/10)、K7＝K0 ＊(3/10)、K8＝K0 ＊(2/10)；
(7)选取步骤(3)至(6)中同一起重力矩、不同刚度对应的塔机塔身顶端位移数据，MJ下对应的塔身顶端位移DX0J，DX1J，......，DXnJ；计算与完好状态塔机塔身顶端位移变化量的相对值X0＝(DX0J-DX)/DX， X1＝(DX1J-DX)/DX，......，Xn＝(DXnJ-DX)/DX；
根据所述数据库建立起重力矩、顶端位移、对应塔身刚度三者之间的数学模型的步骤如下：
(8)对数据X0，X1，......，Xn与刚度K0，K1，......，Kn按公式(I)进行拟合：
在公式(I)中，i＝1，2，......n，其中，根据现有拟合算法可知，所述a，c均为变量，与被拟合参数相关，根据公式(I)即求出指数b，b＝-1.01；
(9)建立优化目标函数：
其中，minf：是使目标函数f的值最小；
(10)根据前述的不同刚度、不同力矩下的数据库数据，以及前述求出的指数b，用优化方法求出各系数P1，P2，P3，即建立顶端位移与刚度、力矩的函数关系：
公式(II)是把公式(III)和数据库中对应的的各值拟合，推导出P1，P2，P3的具体值，及确定公式(III)；在公式(III)中，y为塔机塔身的顶端位移。
在此，用附图1中前7列的数据进行优化，用最后一列数据进行后面的评价，建立数学模型，求出：P1＝0.2585，P2＝-0.00053，P3＝-0.2164。
实施例2、
如实施例1所述评价塔机平衡臂侧塔身刚度状态方法的具体应用如下：实测待评价塔机工作时的起重力矩及相应的塔机塔身顶端位移，并结合所述数学模型计算评价塔机塔身的刚度，包括：
(11)实测待评价塔机起重力矩M，记录与此对应的塔机塔身的顶端位移y；其中，M＝400Knm，记录与此对应的塔机塔身的顶端位移y＝-0.1723m；
(12)将公式(III)变形为公式(IV)：
并求解出所述塔机平衡臂侧塔身对应刚度Ki与完好状态刚度K0的比值为1.009；
(13)根据公式(V)计算得到刚度损伤量L为：
刚度损伤量L≈0，平衡臂侧塔身刚度无损伤；
(14)预设塔机平衡臂侧塔身刚度损伤预警值LL；
(15)评价塔机平衡臂侧塔身刚度状态：
当所述塔机塔身平衡臂侧塔身刚度损伤值L≤LL时，判定所述塔机平衡臂侧塔身刚度处于安全范围；
当所述塔机塔身平衡臂侧塔身刚度损伤值L＞LL时，判定所述塔机平衡臂侧塔身刚度处于刚度预警范围。
所述预设塔机平衡臂侧塔身刚度损伤预警值LL，0≤LL≤0.8。
进一步优化，所述预设塔机平衡臂侧塔身刚度损伤预警值LL，0.3≤LL≤0.7。
类似于步骤(11)，实测待评价塔机起升力矩M＝400Knm，记录与此对应的塔机塔身的顶端位移y 分别为图3中第一行的数据，对应的实际刚度比为第二行，本发明评价的刚度比为图第三行数据，第四行为本发明刚度损伤量的评价，可见本方法的有效性；在图3中，可以看到实际刚度比；与利用本发明所述方法获得到评价刚度比Ki/K0，通过对比可知，实测和本发明所计算得到的数值范围极为相近，近乎一致。

Claims (3)

1.一种实时监测评价平衡臂侧塔身刚度状态的方法，其特征在于，该方法包括：建立评价塔机平衡臂一侧塔身刚度状态的数据库；根据所述数据库建立起重力矩、顶端位移、对应塔身刚度三者之间的数学模型；实测待评价塔机工作时的起重力矩及相应的塔机塔身顶端位移，并结合所述数学模型计算评价塔机塔身的刚度；
所述建立评价塔机平衡臂一侧塔身刚度状态的数据库，包括：
(1)塔机塔身空载时：塔机塔身结构为完好状态，刚度为K0，塔机塔身顶端位移为DX；
(2)塔机刚度完好状态K0，空载记为起重力矩为M0，记录塔机塔身顶端位移为DX00；
(3)塔机刚度完好状态K0，施加不同起重力矩M1，M2，......，MJ时，分别记录塔机塔身顶端位移为DX01，DX02，......，DX0J；
(4)调整塔机平衡臂一侧塔身刚度为K1，空载记为起重力矩为M0，记录塔机塔身顶端位移为DX10；
(5)调整所述塔机平衡臂一侧塔身刚度为K1，起重臂起重力矩为M1，M2，......，MJ时，记录塔身顶端相应位移为DX11，DX12，......，DX1J；
(6)调整所述塔机平衡臂一侧塔身刚度为K2，K3，......，Kn后，再按照步骤(4)(5)，分别记录不同刚度、不同力矩时所对应的塔机塔身顶端位移：
当塔机平衡臂一侧塔身刚度为K2，起重力矩为M0，M1，......，MJ时，所述塔机塔身顶端位移分别为DX20，DX21，......，DX2J；
当塔机平衡臂一侧塔身刚度为K3，起重力矩为M0，M1，......，MJ时，所述塔机塔身顶端位移分别为DX30，DX31，......，DX3J；
……
当塔机平衡臂一侧塔身刚度为Kn，起重力矩为M0，M1，......，MJ时，所述塔机塔身顶端位移分别为DXn0，DXn1，......，DXnJ；
(7)选取步骤(3)至(6)中同一起重力矩、不同刚度对应的塔机塔身顶端位移数据，MJ下对应的塔身顶端位移DX0J，DX1J，......，DXnJ；计算与完好状态塔机塔身顶端位移变化量的相对值X0＝(DX0J-DX)/DX，X1＝(DX1J-DX)/DX，......，Xn＝(DXnJ-DX)/DX；
根据所述数据库建立起重力矩、顶端位移、对应塔身刚度三者之间的数学模型的步骤如下：
(8)对数据X0，X1，......，Xn与刚度K0，K1，......，Kn按公式(I)进行拟合：
在公式(I)中，i＝1，2，......n，其中，a，c均为变量，与被拟合参数相关，根据公式(I)即求出指数b；
(9)建立优化目标函数：
在公式(II)中，其中，minf：是使目标函数f的值最小；
(10)根据前述的不同刚度、不同力矩下的数据库数据，以及前述求出的指数b，用优化方法求出各系数P1，P2，P3，即建立顶端位移与刚度、力矩的函数关系：
公式(II)是把公式(III)和数据库中对应的的各值拟合，推导出P1，P2，P3的具体值，及确定公式(III)；在公式(III)中，y为塔机塔身的顶端位移；
实测待评价塔机工作时的起重力矩及相应的塔机塔身顶端位移，并结合所述数学模型计算评价塔机塔身的刚度，包括：
(11)实测待评价塔机起重力矩M，记录与此对应的塔机塔身的顶端位移y；
(12)将公式(III)变形为公式(IV)：
并求解出塔机平衡臂侧塔身对应刚度Ki与完好状态刚度K0的比值；
(13)根据公式(V)计算得到刚度损伤量L为：
(14)预设塔机平衡臂侧塔身刚度损伤预警值LL；
(15)评价塔机平衡臂侧塔身刚度状态：
当塔机塔身平衡臂侧塔身刚度损伤值L≤LL时，判定所述塔机平衡臂侧塔身刚度处于安全范围；
当塔机塔身平衡臂侧塔身刚度损伤值L＞LL时，判定所述塔机平衡臂侧塔身刚度处于刚度预警范围。
2.如权利要求1所述一种实时监测评价塔机平衡臂侧塔身刚度状态的方法，其特征在于，所述预设塔机平衡臂侧塔身刚度损伤预警值LL，0≤LL≤0.8。
3.如权利要求2所述一种实时监测评价塔机平衡臂侧塔身刚度状态的方法，其特征在于，所述预设塔机平衡臂侧塔身刚度损伤预警值LL，0.3≤LL≤0.7。
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