CN111891951A

CN111891951A - 一种塔式起重机顶升系统安全性监测方法及系统

Info

Publication number: CN111891951A
Application number: CN202010827925.9A
Authority: CN
Inventors: 金林彩; 叶杰凯; 朱亚军; 汤小明; 侯巍; 林青云
Original assignee: Lishui Special Equipment Testing Institute
Current assignee: Lishui Special Equipment Testing Institute
Priority date: 2020-08-17
Filing date: 2020-08-17
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2040-08-17
Also published as: CN111891951B

Abstract

本发明属于塔式起重机控制信息处理技术领域，公开了一种塔式起重机顶升系统安全性监测方法及系统，风载下顶升系统倾斜状态分析及数值仿真、多载荷下顶升套架数值仿真建模及分析，顶升套架接触平衡动态检测及其调节，塔机液压顶升系统的可靠性评估和故障诊断方法。本发明分析了变载荷下塔机顶升系统套架接触平衡状态检测技术，可以实现对设备运行状态的实时监控与预警。分析了塔机顶升液压系统动态特性分析和运行稳定性增强技术，可以避免危险事故发生和增加塔机使用寿命。分析了塔机顶升系统可靠性评估和故障诊断技术，可以有效保障塔机在安装/拆卸环节的作业安全。本发明解决了顶升机构作业情况下套架的受力状况分析和动态监控问题。

Description

一种塔式起重机顶升系统安全性监测方法及系统

技术领域

本发明属于塔式起重机控制信息处理技术领域，尤其涉及一种塔式起重机顶升系统安全性监测方法及系统。

背景技术

目前，塔机，因其使用的特殊性和结构，其安全隐患存在于安装、拆卸、使用、管理、自然环境等诸多因素中。在塔机事故中，顶升作业时发生的安全事故占比较高，提升塔机顶升系统的安全性能有效遏制塔机事故的发生。

塔式起重机的顶升机构主要由顶升套架、顶升液压油缸、滚轮和塔身标准节组成，其主要作用是通过增加减塔身的标准节，来满足建筑施工的实际需求。除违章操作外，塔机顶升事故的原因主要有：

(1)在塔机的顶升过程中，套架滚轮运行卡阻、塔身倾斜、上部载荷不平衡、临时施加的风载荷等原因造成套架或塔身结构的损坏；

(2)因工作环境差、负载大，液压系统容易出现元件老化、密封损坏等情况，加上这些故障不易察觉到，在顶升前没有及时处置或顶升时处置不当造成事故。

为了进一步保证塔机的安全使用和有效监管，各地的监管部门都要求塔机安装安全监控系统。但现有塔机的安全监控系统主要是针对塔机的额定起重量、起升高度、工作幅度、旋转角度、制动器使用等情况进行监控，并没有涉及塔机顶升作业时销轴传感器压力、液压系统的温度和压力、倾角等动态参数安全监控、系统的理论分析以及安全性评估。

国外塔机行业在进入2l世纪后迎来了快速规模化发展，历来占据传统优势和大部分市场的欧美塔机企业经历了整合兼并，市场基本稳定。国外专业生产塔式起重机的厂家很多，德国的主要生产厂家有利勃海尔(Liebherr)公司、特雷克斯-德马格(Terex-Demag)公司与森尼波根(Senebogen)公司，美国主要生产厂家有马尼托瓦克(M anitowoc)公司、林克-贝尔特(Link-belt)公司与P&H公司，日本的主要生产厂家有神钢(Kobelco)公司、日立住友(Hitachi-Sumitomo)公司和石川岛(IH I)公司。在产品风格上各有千秋,利勃海尔型号相对比较规范,特雷克斯 -德马格、马尼托瓦克在特种履带起重机(超大、非标)方面较强,神钢综合能力较强。现有技术中，存在价格高、服务效率低、拓展性和适应性不强等问题。

自升式塔机一般都采用液压顶升来使塔机不断升高。一般采用两种顶升方式，区别在于油缸的布置是在顶升结构中央还是侧方。现有技术中央顶升结构中，由于油缸布置与塔身中心轴线重合，塔身主弦受力均匀。但是，这种布置方式导致了标准节不能整体安装。由于油缸侧面布置可以整体安装标准节，目前绝大多数都采用了这种布置形式，现有技术侧顶升结构中。这种侧顶升的方式虽然使得塔身主弦受力不均匀，但是标准节可以整体安装，效率要远高于油缸中置的方式。

1)安装/拆卸标准节大多以手动操作、人工现场检测、总指挥协调的方式进行。由于缺乏有效的动态监控和检测手段，客观上造成了工人的劳动强度大，以及存在系列安全隐患。2)塔机在顶升作业时对风载荷比较敏感，不允许在4 级以上大风的工况下进行顶升作业，目前国内对于顶升过程中出现的风载荷的分析认识相对较滞后，理论基础尚不成熟，并且对复杂工况下顶升套架接触平衡动态检测及其调节方法缺少有效的方法。3)液压系统作为塔机顶升的重要组成部分，其在工作的过程中由于外部负载及液压元器件内部阻尼等主要参数变化，容易导致回路的动态特性受到影响及产生故障。上述问题使得工程技术人员和特种设备检验检测机构在遇到突发情况时，缺乏相应地技术指导，难以对塔机的安全性能进行合理评估。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：1)安装/拆卸标准节大多以手动操作、人工现场检测、总指挥协调的方式进行。由于缺乏有效的动态监控和检测手段，客观上造成了工人的劳动强度大，以及存在系列安全隐患。

2)塔机在顶升作业时对风载荷比较敏感，不允许在4级以上大风的工况下进行顶升作业，目前国内对于顶升过程中出现的风载荷的分析认识相对较滞后，理论基础尚不成熟，并且对复杂工况下顶升套架接触平衡动态检测及其调节缺少有效的方法。

3)液压系统作为塔机顶升的重要组成部分，其在工作的过程中由于外部负载及液压元器件内部阻尼等主要参数变化，容易导致回路的动态特性受到影响及产生故障。上述问题使得工程技术人员和特种设备检验检测机构在遇到突发情况时，缺乏相应地技术指导，难以对塔机的安全性能进行合理评估。

解决以上问题及缺陷的难度为：

1)目前国内暂无考虑上述因素的综合动态监控和检测手段，需要自行开发。

2)对复杂工况下顶升套架接触平衡动态检测及其调节方法缺少理论基础的支撑。

3)液压系统工作时容易导致回路的动态特性受到影响及产生故障，需要同时对液压系统的各项数据进行监控。

解决以上问题及缺陷的意义为：

研究塔机顶升系统可靠性评估和安全性提升技术，可以有效保障塔机在安装/拆卸环节的作业安全；研究塔机顶升机构的动态监控和检测方法，可以填补该研究领域的国内空白。了解和掌握塔机顶升机构的实时状态和动态载荷特征，分析塔式起重机顶升系统的安全性提升技术具有非常突出的实践价值和理论意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种塔式起重机顶升系统安全性监测方法及设备。

本发明是这样实现的，本发明建立了套架倾斜状态理论模型，对套架的位移和转角进行了量化，可以更直观的了解相应工况下套架的倾斜情况。本发明成果可以应用到顶升套架平衡动态检测中，作为对塔机顶升时的套架倾斜状态的判断依据，其位移和转角应小于相应工况下的最大允许位移和倾斜角度，从而提高塔机顶升环节中的安全性。

具体地，一种塔式起重机顶升系统安全性监测方法，包括：

对风载下顶升系统倾斜状态进行分析，对顶升时塔机套架的风载倾斜状态进行分析，分析影响套架倾斜度的因素为承载载荷、套架滚轮安装间隙以及塔身安装允许垂直度偏差，并建立套架倾斜状态理论模型，对套架的位移和转角进行量化，获取相应工况下套架的倾斜状态数据；

对多载荷下顶升套架数值建模及分析，建立顶升套架与塔身连接的Ansys 模型，并分析塔机顶升工况下受到的各种载荷以及在这些载荷作用下顶升套架的变形，获取顶升过程中可能出现的危险情况及失效形式信息；

根据获取的相应工况下套架的倾斜情况数据、顶升过程中可能出现的危险情况及失效形式信息，进行平衡动态检测及调节，并对顶升机构中液压泵的工作状态、液压管路的温度和压力进行监测；还通过滚轮压力无线检测模块，远程实时监测多个导向轮的受力，并根据前一次顶升时导向滑轮受力情况，判断下一次顶升时受力状态，并依此对变幅小车进行调配；

通过布置的传感器在从不同部位的压力、温度信号和关键元件的振动信号中多维度深度挖掘蕴含的故障信息；根据故障信息，进行状态评价与事故提前报警。

进一步，对顶升时塔机套架的风载倾斜状态进行分析中包括倾覆、侧向平面内倾斜状态分析，利用单位载荷法计算塔身截面的横向位移与转，虚拟状态中的单位力

截面B在后倾力矩单独作用下的位移Δ_M1表示为：

L：塔机高度；M：实际力偶；EI：抗弯刚度；

塔身在后倾力矩作用后产生横向位移V_M1，此时顶部垂直载荷会对塔身产生二次弯矩作用，产生二次横向位移V_M2，截面B在倾覆平面内因载荷而发生的位移V_M2表示为：

V_M2＝(1+Δ_M1)·Δ_M1

(2)

虚拟状态中的单位力偶

截面B在倾覆平面内因载荷而发生的转角

表示为：

M′：虚拟力偶；

由于套架导轮与塔身标准节之间存在安装间隙，套架产生倾斜，该安装单侧间隙为VG，两导轮间距为S，则由于导轮安装间隙存在而造成的套架偏倾角

表示为

塔身安装允许的垂直度误差而造成倾斜转角

为0.004，对应的倾斜位移为 V_L。

综合分析承载荷载、套架滑轮安装间隙以及塔身安装允许垂直偏差等因素对塔机套架倾斜度的影响，倾覆平面内倾斜状态:为前三项位移的总和；为前三个倾角的总和。

分析风向垂直于倾覆平面的极端工况，塔身与套架受上部风载荷F作用；同样利用单位载荷法进行计算，虚拟状态中的单位力

截面B在上部风载荷作用下的位移Δ_F表示为

塔身因自身均布风载荷所受弯矩表达为

q:塔身均布风载荷；x：距塔身底部的距离

截面B在塔身风载荷作用下的位移V_q表示为

虚拟状态中的单位力偶

截面B在侧向平面内风载荷而发生的转角

和

表示为

侧向平面内套架滑轮安装间隙和塔身安装允许垂直度偏差对塔身倾斜度的影响同倾覆平面一致；

分析承载载荷、套架滑轮安装间隙以及塔身安装允许垂直度偏差因素对塔机套架倾斜度的影响，侧向平面内倾斜状态:V_C表示所有位移的总和；

表示所有转角的总和。

进一步，所述多载荷下顶升套架数值仿真建模及分析中，进行顶升套架数值仿真建模时，需满足：侧滚轮只能承受压力不能承受拉力，刚度不大的框架和刚度很大的回转支座共同组成套架结构；

并分析下塔身结构刚度对侧滚轮受力的影响。

进一步，顶套架倾斜检测用于保证套架和塔身处于适当的垂直度，包括水平面内互相垂直的2个方向的倾斜角度，通过双轴倾角传感器进行倾角测量；

套架导轮轮压监测装置采用销轴式压力传感器，监测起升平面内的八个导轮轮压不超过允许值，将采集的导轮向心压力信号传输给计算机；

在调平过程中，将原上部8个滚轮设计成带压力传感器的滚轮，与塔身标准节适度接触；在顶升过程中，滚轮与塔身紧密接触，压力传感器将产生压力，经过D/A转换后输入主控系统，与设定的压力值进行比较；

当滚轮A处压力超出预设值时，表明平衡臂端压力过大，则在下次顶升前，单片机将输出信号通过A/D转换控制电机带动起重臂端小车向外侧移动，达到两端力矩的平衡；

当滚轮B处压力超过预设值时，小车应向内部移动；

当前后侧上部滚轮压力超过预设值时，不平衡的因素来自侧面的风压力，在回转机构锁紧的情况下，塔吊臂将无法回转以卸风压，发出预警信息；

塔机液压顶升系统的可靠性评估和故障诊断方法包括：

通过传感器最佳布置，在从关键部位的压力、温度信号和关键元件的振动信号中多维度深度挖掘蕴含的故障信息、根据故障信息进行状态评价与事故提前报警；

具体包括：

1)建立多阶段退化特征的非线性随机模型，利用随机滤波方法以及贝叶斯估计理论来确定模型参数，并根据观测数据监测数据实时调整退化模型及参数，进而获得剩余寿命预测结论；性能退化规律包括状态内的退化规律和状态间的转移规律；

2)建立液压泵等关键零部件寿命预测和可靠性评估的体系，传感器的信号通过总线传送至数据中心，由数据中心完成特征提取，特征提取模块负责从泵的输入转速、输出压力、吸油压力、泵的吸油口和输出油口油温、泵的振动或噪声信号中提取出表明泵运行状态的主要动态高频特征参数；动态特征来自对泵体振动和泵的输出压力的脉动的分析，将泵的健康情况与高频瞬时能量相联系。

本发明的另一目的在于提供一种塔式起重机顶升系统安全性监测系统，包括：

用于系统监测、信号处理和系统管理的硬件电路；

塔机安全监测系统的软件客户端。

进一步，硬件电路接收采集模块采集到的数据以及各个通讯模块传输过来的数据，而且对采集到的数据实现异常判断，当出现异常数据的时，及时地将信号发送给辅助模块中的报警电路；

硬件电路接收的数据有采集模块中通过485总线传输的风速传感器、销轴传感器、倾角传感器、压力传感器、振动传感器数据；

辅助模块包括：

报警电路：接收主控电路发送的异常提醒，发出报警信号；

电源电路：为各电路模块提供稳定的电压；

存储电路：缓冲采集模块发送的传感器数据和软件客户端发送的控制信号；

通信电路：将传感器数据以无线的方式发送到客户端，接收客户端发送的控制信号；

软件客户端用于塔机工作的传感器数据通过无线通讯功能实现传输，同时把这些采集到的数据经过处理显示；还用于对传感器的数据进行实时显示以及控制，而且还对液压顶升系统检测数据结果进行显示，以及对塔机工作过程中的数据进行存储和分析；如果发生异常则报警。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

风载下顶升系统倾斜状态分析及数值仿真，对顶升时塔机套架的风载倾斜状态进行分析，套架的倾斜状态包括即位移和转，分析影响套架倾斜度的因素为承载载荷、套架滚轮安装间隙以及塔身安装允许垂直度偏差，并建立套架倾斜状态理论模型，对套架的位移和转角进行量化，获取相应工况下套架的倾斜情况；

多载荷下顶升套架数值仿真建模及分析，建立顶升套架与塔身连接的Ansys 模型，并分析塔机顶升工况下受到的各种载荷以及在这些载荷作用下顶升套架的变形，分析顶升过程中可能出现的危险情况及失效形式，验证套架倾斜状态理论分析结论的准确性；

顶升套架接触平衡动态检测及其调节方法，套架倾斜检测及安全保护、滑轮受力分析及小车调平；通过滚轮压力无线检测模块，远程实时监测多个导向轮的受力，并根据前一次顶升时导向滑轮受力情况，判断下一次顶升时主要受力状态，并依此对变幅小车进行调配。

塔机液压顶升系统的可靠性评估和故障诊断方法分析。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述塔式起重机顶升系统安全性监测方法的塔机。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明分析了变载荷下塔机顶升系统套架接触平衡状态检测技术，可以实现对设备运行状态的实时监控与预警。

分析了塔机顶升液压系统动态特性分析和运行稳定性增强技术，可以避免危险事故发生和增加塔机使用寿命。

分析了塔机顶升系统可靠性评估和故障诊断技术，可以有效保障塔机在安装/拆卸环节的作业安全。

本发明主要分析塔式起重机顶升系统安全性提升技术。通过对现有的塔机顶升系统检测方法进行分析，开发了能在顶升条件下对塔机进行灵活、高效、准确的科学检测方法，并能从理论分析方面对塔机顶升系统状态有较为系统的、科学的解析，以解决顶升机构作业情况下套架的受力状况和动态监控问题，从而防止塔机在顶升过程中出现的安全事故，填补塔机顶升机构动态监控和检测项目的国内空白、完善评估体系。本发明的检测技术满足国家质检总局《GB/T 33080-2016塔式起重机安全评估规程》的要求，提出的测量方法准确度满足《GB/T 13752-2017塔式起重机设计规范》。

3)对比的技术效果或者实验效果。

对比结论：经过有限元仿真，测得数据表明本发明的检测技术满足国家质检总局《GB/T 33080-2016塔式起重机安全评估规程》的要求，提出的测量方法准确度满足《GB/T13752-2017塔式起重机设计规范》，实验结果合格。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的倾覆平面内塔身受力示意图。

图2是本发明实施例提供的套架倾斜角度示意图。

图3是本发明实施例提供的侧向平面内塔身受力示意图.

图4是本发明实施例提供的顶升套架Ansys模型。

图5是本发明实施例提供的风力作用下产生扭转图。

图6是本发明实施例提供的倾角传感器安装图。

图7是本发明实施例提供的传感器安装位置示意图。

图8是本发明实施例提供的正常泵(图8(a))、配油盘故障泵(图8(b))、斜盘故障泵(图8(c))、两种故障(图8(d)配油盘和斜盘同时故障泵)同时出现示意图。

图9是本发明实施例提供的液压系统精密诊断方法实现过程图。

图10是本发明实施例提供的液压系统多退化状态的故障规律图。

图11是本发明实施例提供的液压泵可靠性评估与寿命预测方案框图。

图12是本发明实施例提供的塔机安全监测系统架构。

图13是本发明实施例提供的采集模块通信总线图。

图14是本发明实施例提供的塔机安全监测系统软件构架图。

图15是本发明实施例提供的液压测试示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种塔式起重机顶升系统安全性监测方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的塔式起重机顶升系统安全性监测方法，进行：

1、风载下顶升系统倾斜状态分析及数值仿真模型建立

顶升套架是塔机顶升时传递上部结构自重及风载荷的主要结构，顶升时受力情况复杂，尤其风载荷具有一定的随机性。由于顶升过程出现风载荷不可避免的问题，根据塔机顶升系统运行工况的特点，分析变风载荷时顶升套架受力情况，以及影响受力的各种因素，建立复杂工况下塔机顶升系统的数值仿真模型，并根据实际情况对模型作出合理的简化，从而为塔机抗风能力评估和顶升套架倾斜状态检测的分析提供理论基础。

2、进行顶升套架接触平衡动态检测及其调节方法

该系统主要包括：套架倾斜检测及安全保护、滑轮受力分析及小车调平。套架在顶升中是关键的受力结构。由于顶升时调整上部结构重心的平衡只是相对的，而且存在风载荷等随机因素，不平衡载荷的存在是必然的，这些不平衡载荷可以是水平方向的侧向载荷，可以是倾翻载荷，可以是绕塔身中心的扭转载荷，也可以是它们的任意组合，而且其大小、方向都是随时变化的。这些不平衡载荷全依靠套架与下塔身之间的若干个侧滑轮支承，由于侧滚轮只能承受压力，不能承受拉力，而且不平衡载荷的大小、方向都是随机变化的，因此必然有些滚轮受力，有些不受力，有时这些滚轮受力，有时另一些滚轮受力。由于滚轮受力的不确定性，带来套架结构受力的不确定性，这是套架结构受力的一个显著特点。

套架上部与回转支座相连接，上部结构的载荷是通过回转支座传递到套架的。套架本身是刚度不大的框架，而上部连接的回转支座则是刚度很大的实体，两者共同组成了套架结构，这是其结构的又一个显著特点

由于需要将标准节从套架侧面引入，套架至少要有一个侧面在标准节大小的范围内不能布置腹杆，缺少大量腹杆的框架其抗扭强度和抗扭刚度都会大幅度削弱，这也是套架结构的一个显著特点。

根据套架结构以上的三个特点，本系统中从以下两个方面对顶升套架接触平衡进行动态检测：

一方面，通过双轴倾角传感器测量套架在顶升作业过程中的倾斜角度，实时监测套架状态，通过自主研发的高频分布式无线传感器网络将数据传输到客户端，当出现超过阈值的过大倾斜时进行报警与保护；

另一方面，在线检测16个导向滚轮的受力状况同样通过无线传感器网络传输数据。在顶升前，进行起重臂与平衡臂平衡调节时，根据上一次检测结果推算，若出现明显受力不均情况，则通过闭环控制变幅小车前后移动来调配平衡。

下面结合分析方案、技术路线对本发明作进一步描述。

本发明提供的一种塔式起重机顶升系统安全性监测方法包括：

1、风载下顶升系统倾斜状态分析及数值仿真

分析塔机在正常作业过程中的静刚度在国家标准中已经得到了明确规定，但是在顶升作业过程中却没有明确要求，而这是事故多发环节。因此，对顶升时塔机套架的风载倾斜状态进行分析非常有必要。

套架的倾斜状态分析主要包括2个指标，即位移和转角。影响套架倾斜度的主要因素为承载载荷、套架滚轮安装间隙以及塔身安装允许垂直度偏差。详细分析套架倾斜度影响因素的基础上，建立塔机顶升工况系统的有限元模型。其中倾覆平面为起重臂和塔身轴线所组成的平面，侧向平面为含塔身轴线与倾覆平面垂直的平面。

1.1倾覆、侧向平面内倾斜状态

图1为塔身与套架(套架与所处塔身视为一体)在空载时的受力示意图。按空载状态下风垂直于上部结构考虑，此时塔身与套架受上部垂直载荷N和空载后倾力矩M共同作用。

利用单位载荷法计算塔身截面的横向位移与转角。设虚拟状态中的单位力

截面B在后倾力矩单独作用下的位移Δ_M1表示为：

L：塔机高度；M：实际力偶；EI：抗弯刚度

V_M2＝(1+Δ_M1)·Δ_M1

虚拟状态中的单位力偶

截面B在倾覆平面内因载荷而发生的转角

表示为：

M′：虚拟力偶；

表示为

塔身安装允许的垂直度误差而造成倾斜转角

为0.004，对应的倾斜位移为 V_L。

综合分析承载荷载、套架滑轮安装间隙以及塔身安装允许垂直偏差等因素对塔机套架倾斜度的影响，将倾覆平面内倾斜状态如下：

V_Q＝V_M+V_G+V_L

截面B在上部风载荷作用下的位移Δ_F表示为

塔身因自身均布风载荷所受弯矩表达为

q:塔身均布风载荷；x：距塔身底部的距离

截面B在塔身风载荷作用下的位移V_q表示为

虚拟状态中的单位力偶

截面B在侧向平面内风载荷而发生的转角

和

表示为

分析承载载荷、套架滑轮安装间隙以及塔身安装允许垂直度偏差因素对塔机套架倾斜度的影响，将侧向平面内倾斜状态如下表示

V_C＝V_F+V_Q+V_G+V_L

本分析建立了套架倾斜状态理论模型，对套架的位移和转角进行了量化，可以更直观的了解相应工况下套架的倾斜情况。本分析成果可以应用到顶升套架接触平衡动态检测中，作为对塔机顶升时的套架倾斜状态的判断依据，其位移和转角应小于相应工况下的最大允许位移和倾斜角度，从而提高塔机顶升环节中的安全性。

1.2多载荷下顶升套架数值仿真建模及分析

顶升套架是空间三维桁架结构，为超静定结构，受力包括回转平台以上所有机构重量、由风载荷产生的各种载荷，传统的力学分析方法很难精确的求解，故本发明在求出在所有外载荷作用前提下，建立顶升套架与塔身连接的Ansys 模型，验证顶升套架及塔身的安全性。

在进行顶升套架数值仿真建模时，要考虑以下几个问题：

(1)侧滚轮只能承受压力不能承受拉力。

对于早期的有限元软件，只能用杆单元模拟这些滚轮，在计算后检查结果，凡是受拉滚轮单元予以删除，凡是受压滚轮单元予以保留，再进行计算并检查结果。由于受拉滚轮单元的删除，会使原来一些受压滚轮单元变为受拉单元，需再删除受拉滚轮单元后进行计算，经过几次反复后会得到稳定的结果。但是由于一些单元的删除同样会使原来一些受拉滚轮单元变为受压单元，需要多考虑一些删除、恢复的方案，才能得到准确的结果。现代有限元分析软件已经配备了这种单元类型，例如ANSYS软件中的LINK10单元就可以定义成只受拉的单元或只受压的单元，一旦改变受力方向，自动将内力变为零，为计算提供了极大的方便，可以将定义为受压的LINK10单元模拟成滚轮，直接计算出最终结果。由于上述迭代过程是由计算机完成的，计算时间稍长，而且如果某些参数稍不合适，还会出现不收敛的现象。

(2)刚度不大的框架和刚度很大的回转支座共同组成了套架结构。

由于回转支座的强度一般另行考虑，主要是它的存在改变了套架上部的整体刚度，因此可以将套架上部用几根刚度很大的杆件组成一个框架，丘似代替实体回转支座，经计算比较，误差很小。司时，也可以将回转支座直接划分成实体单元，与下部的框架组成混合单元的有限元模型，尽管麻烦一些，但是更加直观。

(3)下塔身结构刚度对侧滚轮受力的影响。上部结构不平衡载荷靠套架与下塔身之间的侧滚轮支承，套架的刚度和下塔身的刚度都会对滚轮的受力性质造成影响，在计算套架结构时，已经考虑了套架刚度的影响，但与滚轮接触的下塔身各点的支承刚度尚未确定，可以采取套架结构与下塔身形成共同的有限元模型加以解决。但由于下塔身高度的不同，同时由于人为调整滚轮间隙的不同，下塔身刚度会有所不同，问题比较复杂。

顶升套架的刚度和回转支座刚度相比，由于回转支座的刚度非常大，受力变形很小，上部的整体刚度较大，可将所有载荷简化到刚度很大的框架上，误差很小。顶升套架建模如图4所示。

正常顶升时，顶升套架承受上部载荷和一定弯矩，将载荷施加在套架上部刚度很大的框架上，建立有限元模型，同时分析风力下作用下产生的扭转，如图5所示。

施加上部重量载荷及弯矩，可以分析出顶升套架应力最大处，由于顶升横梁跨度大，且承受弯矩较大，故此处应力较大，其他杆件受力较小，可以得出不同杆件的受力情况。

本分析建立顶升套架的Ansys模型，并分析塔机顶升工况下受到的各种载荷以及在这些载荷作用下顶升套架的变形，分析顶升过程中可能出现的危险情况及失效形式，验证套架倾斜状态理论分析结论的准确性，并作为下面分析内容的理论支撑。

2、顶升套架接触平衡动态检测及其调节方法

顶升套架接触平衡状态检测及其调配主要包括两部分：套架倾斜检测及安全保护、滑轮受力分析及小车调平。其中，套架倾斜检测的目的是保证套架和塔身处于适当的垂直度，包括水平面内互相垂直的2个方向的倾斜角度，故双轴倾角传感器成为首选。由于其内置高精度数字温感器，测量角度在低温、高温、高空环境下均能保证高重复性，适合恶劣工业控制环境下的倾角测量。塔机套架倾斜检测装置可在原有塔机安全监控系统的基础上完成设置，其安装方式如图6所示。

同时，由于一般塔架承受上部结构的自重载荷，在顶升过程中所有的平衡力矩都集中在塔架上，在外部环境下人的状态和短暂强风等因素影响，容易造成激烈晃动和冲击，进而失稳导致事故发生，所以有必要在每一次顶升前对起重臂不平衡情况进行自动调整。本项目拟自主设计滚轮压力无线检测模块，远程实时监测16个导向轮的受力，并根据前一次顶升时导向滑轮受力情况，判断下一次顶升时主要受力状态，并依此对变幅小车进行调配。

顶升套架上部载荷不平衡、风载过大或套架制造或安装误差等影响因素都可能导致套架和塔身遭受附加力矩作用，套架导轮轮压监测旨在监测起升平面内的八个导轮轮压不超过允许值，从而有效避免了套架和标准节的局部失效。

套架导轮轮压监测装置采用销轴式压力传感器，该传感器替代套架导轮的轮轴，将采集的导轮向心压力信号传输给计算机。

在调平过程中，由图7传感器安装位置示意图所示的滚轮位置的关系，以及力、力矩的平衡原理可知，在套架以上部分失衡且塔身保持稳定的情况下，上部滚轮A、B等处所承受的压力将最大。因此拟将原上部8个滚轮设计成带压力传感器的滚轮，与塔身标准节适度接触。在顶升过程中，滚轮与塔身紧密接触，压力传感器将产生一定的压力，经过D/A转换后输入主控系统，与设定的压力值进行比较。

当滚轮A处压力超出预设值时，表明平衡臂端压力过大，则在下次顶升前，单片机将输出信号通过A/D转换控制电机带动起重臂端小车向外侧移动，达到两端力矩的平衡。同样，当滚轮B处压力超过预设值时，小车应向内部移动。当前后侧上部滚轮压力超过预设值时，表明造成不平衡的因素主要来自侧面的风压力，在回转机构锁紧的情况下，塔吊臂将无法回转以卸风压，因此，应发出预警信息，提醒顶升人员采取有效措施以防止发生安全生产事故。

除此之外，还需要对顶升机构中液压泵的工作状态进行监测。即要对液压管路进行温度监测和压力监测，对液压泵进行振动监测。液压管路的温度和压力监测就是在液压管路上放置温度传感器和压力传感器，将液压管路的温度和压力信号传到计算机，观察是否存在异常工作状态。由于液压泵是液压系统的振动源，当液压泵发生故障时，其振动信号必定发生变化。液压泵不同的故障，将引起不同频率段振动能量的变化，同一故障在不同的发展阶段，能量的变化幅度也不同。因此，振动信号是液压泵状态信息的丰富载体，是液压泵状态监测与故障诊断的特征信息之一。所以对液压泵进行振动监测具有重要意义。液压泵状态监测及故障诊断试验系统由液压泵和液压马达组成无级变速检测系统，由溢流阀对被试泵加载调节输出压力，由被试泵变量机构调节被试泵的输出流量，由截止阀控制被试泵入口的吸入压力真空度。检测系统通过压力表、流量计、测速仪测定被试泵的工况，由压力传感器和加速传感器接收被测泵的压力脉动及壳体振动情况，信号由A/D送入计算机，进行信号的分析与处理。

3、塔机液压顶升系统的可靠性评估和故障诊断方法分析

液压顶升系统故障检测与主要液压元件寿命预估是保证塔机正常工作的关键。液压顶升系统动态参数如振动、压力、流量等信息的变化是故障判断与寿命预估的信息源。图8分别是正常泵、配油盘故障泵、斜盘故障泵、两种故障同时出现时泵壳体振动功率谱，对比可知不同谱分布与故障部位存在一一映射。因此，液压顶升系统动态特细分析是故障在线分析的关键。

图8中，a正常泵；b配油盘故障泵；c斜盘故障泵；d配油盘和斜盘同时故障泵。

目前，液压顶升系统建模与分析多借助于商业仿真软件，建模方便简单，但不利于故障分析与判断。同时，液压顶升系统故障检测采用经验法，依赖于专家经验，缺乏理论支撑。本项目拟对各液压元件数学建模，理论分析各元件组成部件损坏或性能下降对系统动态性能的影响，其次分析不同元件性能下降对系统主要动态参数的影响，为依据液压顶升液压系统动态性能变化，进行故障诊断与预测打下基础。在此基础上，进一步深入分析顶升液压系统故障在线监测与精密诊断方法，具体实现过程如图9所示。具体包括传感器最佳布置方案，在从关键部位的压力、温度信号和关键元件的振动信号中多维度深度挖掘蕴含的故障信息的方法、根据故障信息进行状态评价与事故提前报警方法。

塔式起重机的大部分失效表现为性能退化，需通过科学有效的建模方法，揭示发生、发展变化规律，在恰当时刻采取针对性维修策略得到控制、纠正甚至自愈。此外还需根据塔机历史性能退化和产品质量情况，对关键零部件如柱塞式液压泵、平衡阀的剩余寿命进行预测，为维护、故障预测与健康管理等提供关键决策信息。性能退化实为随机过程，现有方法大多假设性能退化满足一定的函数形式或线性过程，适用范围受限。剩余寿命作为状态维护以及健康管理等的重要决策变量，其信息量的大小直接影响目标对象运行维护管理方案的制定。准确、可靠、及时的剩余寿命预测可使维护管理人员提前做好维修安排与部件订购计划等，以便在合适的时机进行维修或更换工作，避免意外故障停机损失、提高作业效率和效益。具体分析：

1)建立多阶段退化特征的非线性随机模型，利用随机滤波方法以及贝叶斯估计理论来确定模型参数，并根据观测数据监测数据实时调整退化模型及参数，进而获得剩余寿命预测结论。如图10所示要完整描述其性能退化规律必须包括状态内的退化规律描述和状态间的转移规律描述。

2)建立液压泵等关键零部件寿命预测和可靠性评估的体系。如图11所示，传感器的信号通过总线传送至数据中心，由数据中心完成特征提取。特征提取模块负责从泵的输入转速、输出压力、吸油压力、泵的吸油口和输出油口油温、泵的振动或噪声等信号中提取出表明泵运行状态的主要动态高频特征参数。动态特征是来自对泵体振动和泵的输出压力的脉动的分析，其将泵的健康情况与高频瞬时能量相联系。

下面结合监测系统总体功能设计对本发明作进一步描述。

在市场调研和用户要求的基础上，结合当前的技术基础和发展趋势，制定了安全监测系统的总体功能及技术指标，构建了系统的总体架构。该系统主要由以下几个部分组成：用于系统监测、信号处理和系统管理的硬件电路，塔机安全监测系统的相关软件。塔机安全监测系统架构如图12。具体包括：

监控系统硬件

由图12可知采集模块中传感器的安装位置是相互独立的，但是各个传感器之间的数据传输是相互联系的，因此髙效率管理所有的传感器数据十分必要，在硬件电路中主控电路就承担这一角色。该电路不仅接收采集模块采集到的数据以及各个通讯模块传输过来的数据。而且，该电路能够对采集到的数据实现异常判断，当出现异常数据的时候，能够及时地将信号发送给辅助模块中的报警电路。其中，接收的数据有采集模块中通过485总线传输的风速传感器、销轴传感器、倾角传感器、压力传感器、振动传感器等数据，其通信总线图如图 13所示。

辅助模块包含报警电路、电源电路、存储电路、通信电路。其电路特性分别：

(1)报警电路：接收主控电路发送的异常提醒，发出报警信号，提醒操作人员及时处理。

(2)电源电路：为各电路模块提供稳定的电压。

(3)存储电路：缓冲采集模块发送的传感器数据和客户端软件发送的控制信号。

(4)通信电路：将传感器数据以无线的方式发送到客户端，接收客户端发送的控制信号。

在本发明中，开发的软件客户端包括：

建立了塔机安全监测系统的硬件平台后，根据所设计的硬件平台开发满足功能的软件系统，并且需要对软件系统进行介绍。

塔机安全监测系统软件的工作原理：一方面，对于塔机工作的传感器数据是通过无线通讯功能实现传输，同时把这些采集到的数据经过处理显示。另外一方面，塔机安全监测软件不仅需要对传感器的数据进行实时显示以及控制，而且还需要对液压顶升系统检测数据结果进行显示，以及对塔机工作过程中的数据进行存储和分析，方便在各种异常情况出现后能够快速查看，特别是对顶升系统，如果发生异常则会报警，从而找到意外情况发生的原因。因塔机工作过程中载荷会不停变化，需要采用滤波、故障诊断等前节所述的算法处理，提高塔机监测的准确性和可靠性。软件监测总体构架如图14所示。

下面结合具体实验对本发明作进一步描述。

塔式起重机顶升系统安全监测装置液压部分标定测试

1试验过程分析

1.1测试条件

在安装液压测试仪之前,应当预先检查液压系统的供油情况、油泵转速，油管、油缸活塞杆以及外表有无漏油。

1.2测试方法:串联测试，如图15。

液压泵(动力元件)测试：

(1)测试仪可安装在油泵出油口和回油箱之间。一定要让油全部通过测试仪。

(2)将测试仪加载阀全部打开，记录压力为“0”时的最大流量。

(3)通过加载阀提升油压，记录压力从“0”到规定值或最大值时的流量，以便确定泵的技术状况。

(4)此时即可参照液压泵制造厂的技术规格，来检查额定油压下泵的流量即油泵效率。

液压阀(控制元件)测试

(1)阀的测试分为两个部分，(这里举例的结构是换向阀与溢流阀为一体时的情况)先测溢流阀，后测换向阀；且换向阀须每组单独测量。

(2)其他同液压泵测试。

实验结果

液压参数通道一数据对比设定实验台数据一致，测量准确，误差较小。液压参数通道二数据对比设定实验台数据一致，测量准确，误差较小。综上，测试系统对液压参数的初步调试测试数据测量准确，满足性能要求。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、 “头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。