CN111606215B - 缆机吊物的摆幅计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及缆机领域，本发明旨在解决有的缆机吊物摆幅分析方法存在准确度较低的问题，提出一种缆机吊物的摆幅计算方法，包括：获取缆机吊钩相对于缆机主索直线的第一实时摆幅；实时检测缆机吊钩范围内的风速、风向和空气密度，获取吊物的受风面积、风向与缆机主索直线的第一夹角和吊钩缆绳的长度；根据所述风速、风向、空气密度、吊物的受风面积和第一夹角计算吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅，根据第一实时摆幅和第二实时摆幅计算吊物相对于缆机主索直线的实时摆幅。本发明提高了缆机吊物的摆幅计算的准确度，适用于在深窄峡谷运行的缆机。

Description

缆机吊物的摆幅计算方法

技术领域

本发明涉及缆机技术领域，具体来说涉及一种缆机吊物的摆幅计算方法。

背景技术

缆机是混凝土坝施工资源入仓的主要途径。缆机运行是否安全对大坝工程施工至关重要，也是管理水平的体现。在深窄峡谷中，缆机运行安全受大风影响十分明显，在长时间大风或瞬时大风条件下，极易发生缆机缆绳或吊罐碰撞。

现有技术中对缆机吊物摆幅分析时通常将吊物与吊钩视为一个整体，没有考虑大风作用对吊物的影响，导致摆幅分析结果与吊物的实际摆幅存在误差。

发明内容

本发明旨在解决有的缆机吊物摆幅分析方法存在准确度较低的问题，提出一种缆机吊物的摆幅计算方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：缆机吊物的摆幅计算方法，包括以下步骤：

获取缆机吊钩相对于缆机主索直线的第一实时摆幅δ₁；

实时检测缆机吊钩范围内的风速V、风向θ和空气密度ρ，获取吊物的受风面积S、风向与缆机主索直线的第一夹角α和吊钩缆绳的长度L，所述吊钩缆绳的长度L为缆机吊钩与吊物之间的缆绳长度；

根据所述风速V、风向θ、空气密度ρ、吊物的受风面积S和第一夹角α计算吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅δ₂，根据所述第一实时摆幅δ₁和第二实时摆幅δ₂计算吊物相对于缆机主索直线的实时摆幅δ。

进一步的，所述获取缆机吊钩相对于缆机主索直线的第一实时摆幅的方法包括：

实时获取缆机主塔的第一坐标P1(x₁，y₁，z₁)、缆机副塔的第二坐标P2(x₂，y₂，z₂)和缆机吊钩的第三坐标P3(x₃，y₃，z₃)；

根据所述第一坐标P1和第二坐标P2确定缆机主索直线在水平面上的直线方程，根据所述直线方程和第三坐标P3计算水平面上缆机吊钩到缆机主索直线的垂直距离，所述垂直距离即为缆机吊钩相对于缆机主索直线的第一实时摆幅δ₁。

进一步的，所述第一实时摆幅δ₁的计算公式为：

式中，

进一步的，所述吊物相对于缆机主索直线的实时摆幅δ的计算公式为：

δ＝(-1)^ωδ₁+δ₂；

式中，当y₃-y₁≥0时，ω＝0，当y₃-y₁＜0时，ω＝1。

进一步的，所述第二实时摆幅δ₂的计算方法包括：

根据所述风速V、空气密度ρ和吊物的受风面积S计算吊物所受风力F_t；

获取吊物的重量G_t，根据所述吊物所受的风力F_t与吊物的重量G_t计算吊钩缆绳与垂直轴线的第二夹角β；

根据所述第一夹角α、第二夹角β和吊钩缆绳的长度L计算吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅δ₂。

进一步的，所述风向与缆机主索直线的第一夹角α的获取方法包括：

根据所述第一坐标P1和第二坐标P2计算缆机轨道与缆机主索直线的第三夹角γ，获取缆机轨道的方位角φ，根据所述缆机轨道的方位角φ、风向θ与第三夹角γ计算风向与缆机主索直线的第一夹角α。

进一步的，所述缆机轨道与缆机主索直线的第三夹角γ的计算公式为：

式中，

所述第一夹角α的计算公式为：

α＝θ-(φ+π-γ)。

进一步的，所述吊钩缆绳与垂直轴线的第二夹角β的计算公式为：

进一步的，所述第二实时摆幅δ₂的计算公式为：

δ₂＝L sin α sin β。

进一步的，所述吊钩缆绳的长度L获取的方法包括：

获取吊钩缆绳的原长度l、吊钩缆绳的弹性系数K和吊钩缆绳空载与负载的拉力变化ΔG；

根据所述吊钩缆绳的原长度l、吊钩缆绳的弹性系数K和吊钩缆绳空载与负载的拉力变化ΔG计算吊钩缆绳的长度L，计算公式如下：

L＝l+ΔGK。

本发明的有益效果是：本发明所述的缆机吊物的摆幅计算方法，根据缆机吊钩相对于缆机主索直线的第一实时摆幅和吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅来计算吊物相对于缆机主索直线的实时摆幅，提高了缆机吊物的摆幅计算的准确度，降低了外界风环境因素对摆幅误差的影响，提高了缆机运行的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例所述的缆机吊物的摆幅计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所述的缆机结构示意图；

图3为本发明实施例所述的缆机吊物受力分析示意图；

附图标记说明：

1-缆机主塔；2-缆机副塔；3-缆机吊钩；4-吊物；5-缆机小车；δ₁₁-缆机小车相对于缆机主索直线的摆幅；δ₁₂-缆机吊钩相对于缆机小车的摆幅；δ₂-吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅；β-吊钩缆绳与垂直轴线的第二夹角；F_t-吊物所受风力；G_t-吊物的重量。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本发明所述的缆机吊物的摆幅计算方法，包括以下步骤：获取缆机吊钩相对于缆机主索直线的第一实时摆幅δ₁；实时检测缆机吊钩范围内的风速V、风向θ和空气密度ρ，获取吊物的受风面积S、风向与缆机主索直线的第一夹角α和吊钩缆绳的长度L，所述吊钩缆绳的长度L为缆机吊钩与吊物之间的缆绳长度；根据所述风速V、风向θ、空气密度ρ、吊物的受风面积S和第一夹角α计算吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅δ₂，根据所述第一实时摆幅δ₁和第二实时摆幅δ₂计算吊物相对于缆机主索直线的实时摆幅δ。

其中，缆机包括缆机主塔、缆机副塔、缆机小车和缆机吊钩，缆机主塔与缆机副塔通过缆机主索连接，缆机小车设置于缆机主索上并且可以在主索上左右移动，缆机吊钩通过缆绳设置于缆机小车上并且可以上下移动，吊物通过吊钩缆绳悬挂于缆机吊钩上，缆机主索直线为无风状态下缆机主塔与缆机副塔之间的缆机主索所在的直线。首先获取缆机吊钩相对于缆机主索直线的第一实时摆幅δ₁，第一实时摆幅δ₁为缆机吊钩在水平面上偏移缆机主索直线的垂直距离，然后，根据监测的大风数据以及吊物的相关数据计算得到吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅δ₂，其中，大风数据包括：风速V、风向θ和空气密度ρ，吊物的相关数据包括：吊物的受风面积S、风向与缆机主索直线的第一夹角α和吊钩缆绳的长度L；最后根据第一实时摆幅δ₁和第二实时摆幅δ₂计算得到最终的吊物相对于缆机主索直线的实时摆幅δ。

实施例

本发明实施例所述的缆机吊物的摆幅计算方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1.获取缆机吊钩3相对于缆机主索直线的第一实时摆幅δ₁；

如图2所述，第一实时摆幅δ₁实质包括两部分：缆机小车5相对于缆机主索直线的实时摆幅δ₁₁和缆机吊钩3相对于缆机小车5的实时摆幅δ₁₂，缆机小车5相对于缆机主索直线的实时摆幅δ₁₁为缆机小车5在水平面上偏移缆机主索直线的垂直距离，缆机吊钩3相对于缆机小车5的实时摆幅δ₁₂为缆机吊钩3在水平面上与缆机小车5的距离。

其中，获取缆机吊钩3相对于缆机主索直线的第一实时摆幅δ₁的方法可以包括：

实时获取缆机主塔1的第一坐标P1(x₁，y₁，z₁)、缆机副塔2的第二坐标P2(x₂，y₂，z₂)和缆机吊钩3的第三坐标P3(x₃，y₃，z₃)；

根据所述第一坐标P1和第二坐标P2确定缆机主索直线在水平面上的直线方程，根据所述直线方程和第三坐标P3计算水平面上缆机吊钩3到缆机主索直线的垂直距离，所述垂直距离即为缆机吊钩3相对于缆机主索直线的第一实时摆幅δ₁，其计算公式为：

式中，k为缆机主索直线方程的斜率，

当缆机主塔1和缆机副塔2的横坐标相等，即x₁＝x₂时，此时缆机主索直线在水平面上的直线方程的斜率k为0，则上述公式可以变换为：

δ₁＝|y₃-y₁|。

其中，第一坐标P1、第二坐标P2和第三坐标P3可基于全球卫星定位技术(GNSS-RTK)获取。

步骤S2.实时检测缆机吊钩3范围内的风速V、风向θ和空气密度ρ，获取吊物4的受风面积S、风向与缆机主索直线的第一夹角α和吊钩缆绳的长度L，所述吊钩缆绳的长度L为缆机吊钩3与吊物4之间的缆绳长度；

可以理解，缆机吊钩范围内的风速V、风向θ和空气密度ρ可以通过在缆机吊钩3横梁上安装风传感器和空气密度传感器来获取，吊物的受风面积S可根据现场情况进行设置。

其中，风向与缆机主索直线的第一夹角α的获取方法可以包括：

步骤S211.根据所述第一坐标P1和第二坐标P2计算缆机轨道与缆机主索直线的第三夹角γ，计算公式为：

式中，

步骤S212.获取缆机轨道的方位角φ，根据所述缆机轨道的方位角φ、风向θ与第三夹角γ计算风向与缆机主索直线的第一夹角α。

可以理解，缆机轨道包括主塔轨道和副塔轨道，主塔轨道和副塔轨道相互平行，缆机轨道的方位角φ即为缆机轨道与正北方向的夹角。其中，第一夹角α的计算公式为：

α＝θ-(φ+π-γ)。

为了进一步提高摆幅计算的准确性，所述吊钩缆绳的长度L获取的方法包括：

步骤S221.获取吊钩缆绳的原长度l、吊钩缆绳的弹性系数K和吊钩缆绳空载与负载的拉力变化ΔG；

步骤S222.根据所述吊钩缆绳的原长度l、吊钩缆绳的弹性系数K和吊钩缆绳空载与负载的拉力变化ΔG计算吊钩缆绳的长度L，计算公式如下：

L＝l+ΔGK。

步骤S3.根据所述风速V、风向θ、空气密度ρ、吊物的受风面积S和第一夹角α计算吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅δ₂，根据所述第一实时摆幅δ₁和第二实时摆幅δ₂计算吊物相对于缆机主索直线的实时摆幅δ。

所述第二实时摆幅δ₂的计算方法可以包括：

步骤S31.根据所述风速V、空气密度ρ和吊物的受风面积S计算吊物所受风力F_t，计算公式如下：

步骤S32.获取吊物的重量G_t，根据所述吊物所受的风力F_t与吊物的重量G_t计算吊钩缆绳与垂直轴线的第二夹角β；

吊物4的受力分析如图3所示，吊物所受的风力F_t与吊物的重量G_t决定了吊钩缆绳与垂直轴线的第二夹角β，其计算公式为：

步骤S33.根据所述第一夹角α、第二夹角β和吊钩缆绳的长度L计算吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅δ₂，计算公式为：

δ₂＝L sin α sin β；

将第一夹角α、第二夹角β和吊钩缆绳的长度L代入上述公式可以得到：

吊物4相对于缆机主索直线的实时摆幅δ的计算公式为：

δ＝(-1)^ωδ₁+δ₂；

式中，当y₃-y₁≥0时，ω＝0，当y₃-y₁＜0时，ω＝1。

设缆机吊钩3往上游偏移为负，往下游偏移为正；当y₃-y₁≥0时，则表示缆机吊钩3往下游偏移，此时得到的第一实时摆幅δ₁应该为正数，因此，ω＝0；当y₃-y₁＜0时，则表示缆机吊钩3往上游偏移，此时得到的第一实时摆幅δ₁应该为负数，因此，ω＝1。

将第一实时摆幅δ₁和第二实时摆幅δ₂代入上述公式可以得到：

式中，当y₃-y₁≥0时，ω＝0，当y₃-y₁＜0时，ω＝1。

Claims (10)

1.缆机吊物的摆幅计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取缆机吊钩相对于缆机主索直线的第一实时摆幅δ₁；

实时检测缆机吊钩范围内的风速V、风向θ和空气密度ρ，获取吊物的受风面积S、风向与缆机主索直线的第一夹角α和吊钩缆绳的长度L，所述吊钩缆绳的长度L为缆机吊钩与吊物之间的缆绳长度；

根据所述风速V、风向θ、空气密度ρ、吊物的受风面积S和第一夹角α计算吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅δ₂，根据所述第一实时摆幅δ₁和第二实时摆幅δ₂计算吊物相对于缆机主索直线的实时摆幅δ。

2.如权利要求1所述的缆机吊物的摆幅计算方法，其特征在于，所述获取缆机吊钩相对于缆机主索直线的第一实时摆幅的方法包括：

实时获取缆机主塔的第一坐标P1(x₁，y₁，z₁)、缆机副塔的第二坐标P2(x₂，y₂，z₂)和缆机吊钩的第三坐标P3(x₃，y₃，z₃)；

根据所述第一坐标P1和第二坐标P2确定缆机主索直线在水平面上的直线方程，根据所述直线方程和第三坐标P3计算水平面上缆机吊钩到缆机主索直线的垂直距离，所述垂直距离即为缆机吊钩相对于缆机主索直线的第一实时摆幅δ₁。

3.如权利要求2所述的缆机吊物的摆幅计算方法，其特征在于，所述第一实时摆幅δ₁的计算公式为：

式中，

4.如权利要求2所述的缆机吊物的摆幅计算方法，其特征在于，所述吊物相对于缆机主索直线的实时摆幅δ的计算公式为：

δ＝(-1)^ωδ₁+δ₂；

式中，当y₃-y₁≥0时，ω＝0，当y₃-y₁＜0时，ω＝1。

5.如权利要求2所述的缆机吊物的摆幅计算方法，其特征在于，所述第二实时摆幅δ₂的计算方法包括：

根据所述风速V、空气密度ρ和吊物的受风面积S计算吊物所受风力F_t；

获取吊物的重量G_t，根据所述吊物所受的风力F_t与吊物的重量G_t计算吊钩缆绳与垂直轴线的第二夹角β；

根据所述第一夹角α、第二夹角β和吊钩缆绳的长度L计算吊物相对于缆机吊钩的第二实时摆幅δ₂。

6.如权利要求5所述的缆机吊物的摆幅计算方法，其特征在于，所述风向与缆机主索直线的第一夹角α的获取方法包括：

根据所述第一坐标P1和第二坐标P2计算缆机轨道与缆机主索直线的第三夹角γ，获取缆机轨道的方位角φ，根据所述缆机轨道的方位角φ、风向θ与第三夹角γ计算风向与缆机主索直线的第一夹角α。

7.如权利要求6所述的缆机吊物的摆幅计算方法，其特征在于，所述缆机轨道与缆机主索直线的第三夹角γ的计算公式为：

式中，

所述第一夹角α的计算公式为：

α＝θ-(φ+π-γ)。

8.如权利要求5所述的缆机吊物的摆幅计算方法，其特征在于，所述吊钩缆绳与垂直轴线的第二夹角β的计算公式为：

9.如权利要求5所述的缆机吊物的摆幅计算方法，其特征在于，所述第二实时摆幅δ₂的计算公式为：

δ₂＝Lsinαsinβ。

10.如权利要求5所述的缆机吊物的摆幅计算方法，其特征在于，所述吊钩缆绳的长度L获取的方法包括：

获取吊钩缆绳的原长度l、吊钩缆绳的弹性系数K和吊钩缆绳空载与负载的拉力变化ΔG；

根据所述吊钩缆绳的原长度l、吊钩缆绳的弹性系数K和吊钩缆绳空载与负载的拉力变化ΔG计算吊钩缆绳的长度L，计算公式如下：

L＝l+ΔGK。

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