专利名称：利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法，它属于一种利用塔机运行数据记录仪采集的大批量载荷数据、运动及动力学数据获得塔式起重机评估点应力时域值的方法。
背景技术：
塔式起重机是现代施工中必不可少的重要施工设备，广泛应用于建筑施工中，也可以用于码头、货场的货物装卸及搬运。
随着科学技术的不断进步和塔机安全性能要求的提高，对其安全运行要求也越来越高，为此，人们从各个方面做了大量的工作，如加强塔机运行的使用管理、增加塔机安全运行的各种限位装置等。但是这些还不够，由于塔机的主要组成部分金属结构存在疲劳问题，因此即使其他方面做到位了，塔身本身存在问题，也将是安全隐患的极大事件。因此，塔机金属结构可靠性评估对于保障塔机安全运行十分重要。
目前，塔机可靠性评估的数据来源主要是通过应变片测定指定点的应力，虽然其简便易行，但是存在着采集数据样本空间小、采集结构部位有限等缺点，若长期、多部位采集，成本较高。
另外，现在由塔机载荷数据到结构应力数据的处理方法主要是有限元法。有限元方法分析的主要步骤是建立塔机模型并划分单元；加载某一时刻载荷数据，输出某一时刻的内力及应力等计算结果。对于实际工作的塔机，其数据是大批量的，需要多次处理，才可得到随时间历程变化的内力、应力数据。这种处理方法主要存在的问题是(1)批量加载时，一般需要人为对数据进行处理后加载，批量数据处理需时较长，容易出错。(2)计算结果数据输出格式较固定，用于可靠性评估时，需人为存放到所需的数据库中，耗费资源，且工作周期长。(3)购买商业化有限元分析软件，实际使用时仅用到极少一部分功能，造成资源浪费。
发明内容
本发明的目的是解决现有的方法存在的采集数据样本容量小、采集结构部位有限等技术难点，并提供一种能实时采集大批量塔式起重机运行数据且能依据实时运行数据快速计算塔式起重机结构杆件内力、应力数据的利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法。
本发明为解决上述技术难点而采用的技术方案是利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法，其包括下列步骤 1)使用数据记录仪采集塔式起重机的起重量、起升高度、变幅位置、臂架回转位置、风速和风向的实时运行数据，并将采集到的上述实时运行参数存放到存储单元中，以获得塔式起重机较长时间的运行数据； 2)对采集的较长时间的实时运行数据进行处理，并依据速度公式
求出起升、变幅和回转速度，然后根据求出的两点的速度与加速度公式
求出起升、变幅和回转加速度，以获得各机构的速度和加速度的参数； 3)建立塔式起重机结构计算模型，并编制用于快速计算的计算机程序； 4)读入结构模型计算所需参数和选择载荷组合形式的工况数据，计算某时刻塔式起重机结构杆件内力和应力，得到塔机杆件内力和应力数据，并将计算结果分类存放在数据库中； 5)将上述第4)步骤所得的某时刻应力值加上或减去修正值，得到修正后的应力值，修正值的范围为计算值的0％～15％； 6)重复第4)和第5)步骤，就可以得到塔式起重机多个时刻所对应的结构内力和应力数据，把数据整理成多个评估点的应力谱数据。
所述选择载荷组合形式是指对起重量、起升高度、变幅位置、臂架回转位置、风速和风向的实时运行数据可全部选用或选用其中的一部分。
所述数据记录仪包括用于监控塔式起重机参数信息的传感器采集装置、微处理单元、数据存储单元和通讯网络接口单元；参数信息的传感器采集装置的信号与微处理单元的信号输入接口连接；微处理单元的数据输出接口连接数据存储单元的输入接口；通讯网络接口单元的输入端连接微处理单元的通讯输出接口。
所述参数信息的传感器采集装置由传感器和模数转换芯片构成，传感器的输出端与模数转换芯片的输入端连接。
由于本发明采用了上述技术方案，实现了大批量塔机运行数据到结构应力数据的快速处理，为塔机寿命评估提供了准确可靠的大样本空间数据，解决了现有的方法存在的采集数据样本容量小、采集结构部位有限的技术难点。因此，与背景技术相比，本发明具有能实时采集大批量塔式起重机运行数据且能依据采集到的大批量实时运行数据快速计算得到塔式起重机结构杆件内力、应力数据时域值的优点。
图1是本发明的流程框图； 图2是本发明塔身腹杆体系示意图； 图3是双吊点臂架支反力计算模型图； 图4是自重载荷作用下斜面桁架杆件计算模型图； 图5是移动载荷重用下斜面桁架杆件计算模型图； 图6是垂直载荷作用臂架水平桁架计算简图； 图7是风载荷作用臂架水平桁架计算简图； 图8是臂架回转惯性载荷作用臂架水平桁架计算简图； 图9是塔式起重机数据记录仪结构框图； 图10是本发明计算程序总体流程图； 图11是参数输入模块流程图； 图12是计算模块流程图； 图13是结果显示及输出模块流程图。
图中L1、L2和L3--吊臂根部铰点A到第一吊点B、第一吊点B到第二吊点C、第二吊点C到吊臂端部最大幅度处的距离；LB和LC--拉杆BF和CF的长度；θB和θC--拉杆BF和CF与吊臂间的夹角；AB、AC--拉杆BF和CF的截面积；α--臂架斜面桁架与水平桁架夹角，β--两斜面桁架夹角，γ--臂架斜面桁架腹杆与Y1轴夹角；b和h--臂架截面宽和高，h1--斜面桁架高，lω--臂架节点间距；E--弹性模量，I--惯性距。
具体实施例方式 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本实施例中的利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法，其包括下列步骤 1)使用数据记录仪采集塔式起重机的起重量、起升高度、变幅位置、臂架回转位置、风速和风向的实时运行数据，并将采集到的上述实时运行参数存放到存储单元中，以获得塔式起重机较长时间的运行数据； 2)对采集的较长时间的实时运行数据进行处理，并依据速度公式
求出起升、变幅和回转速度，然后根据求出的两点的速度与加速度公式
求出起升、变幅和回转加速度，以获得各机构的速度和加速度的参数； 3)建立塔式起重机结构计算模型，并编制用于快速计算的计算机程序； 4)读入结构模型计算所需参数和选择载荷组合形式的工况数据，计算某时刻塔式起重机结构杆件内力和应力，得到塔机杆件内力和应力数据，并将计算结果分类存放在数据库中； 5)将上述第4)步骤所得的某时刻应力值加上或减去修正值，得到修正后的应力值，修正值的范围为计算值的0％～15％左右； 6)重复第4)和第5)步骤，就可以得到塔式起重机多个时刻所对应的结构内力和应力数据，把数据整理成多个评估点的应力谱数据。
所述选择载荷组合形式是指对起重量、起升高度、变幅位置、臂架回转位置、风速和风向的实时运行数据可全部选用或选用其中的一部分。
所述修正值的具体取值按照杆件的截面高度与杆件长度等参数来确定。
所述计算某时刻塔式起重机结构杆件内力和应力的步骤是 第一步塔式起重机结构杆件内力计算 塔机结构种类繁多，本实施例以桁架式的塔式起重机结构为例臂架截面形式通常为正三角形、倒三角形；臂架为水平臂架，按照吊点分为单吊点和双吊点；塔身截面为矩形或方形，腹杆形式为六种常用腹杆形式，见附图2所示。计算载荷包括结构自重载荷、起重量载荷、风载荷、臂架回转启制动惯性载荷、吊重惯性载荷和大车行走惯性载荷等；根据需要选择其中的任何载荷组合形式。塔式起重机塔身和臂架结构为空间桁架结构，桁架节点看作是铰点，杆件为二力杆件，计算方法是力学中的力法、节点法和截面法等。最后得到各种形式塔机的每一个杆件内力计算通式，建立内力计算数据库。
1.双吊点臂架杆件内力计算 在起升平面内，双吊点塔式起重机臂架为一次超静定结构，采用力法计算支座反力。将BF杆断开，然后代之以多余未知力X1的基本体系如附图3所示。
建立力法方程 δB1X1+ΔBx＝0 式中δB1--表示当X1＝1单独作用时，基本结构上B点沿X1方向的相对位移；ΔBx--表示当臂架在载荷作用时，基本结构上B点沿X1方向的相对位移。
1)自重载荷作用下 (1)支反力计算 拉杆拉力 RBq＝X1 A点竖直方向支座反力 (2)杆件内力计算 臂架为空间正三角形桁架结构，需分解为斜面桁架和底面水平桁架计算，自重载荷作用下，斜面桁架杆件内力计算简图如附图4所示。
臂架自重分解在斜面桁架上的均布载荷分解成上、下弦杆的节点载荷和(m、n分别为上、下弦杆的节点数)。
支座反力 RAX＝RBX+RCX 杆件内力 当0＜X＜L1时，如附图8截面2各个杆件内力，采用截面法，取截面左端计算，分别对1和2点求矩，Y1方向合力为零得 上弦杆 下弦杆 斜腹杆 L1＜X＜L2和X＞L2截面杆件内力的计算方法与上面相同。
2)移动载荷作用下 移动载荷FQ位于臂架AB段距离A为X(mm) (1)支反力计算 拉杆拉力 RBQ1＝X1 A点竖直方向支反力 (2)杆件内力计算 与自重载荷作用相同，需分解为斜面桁架和底面水平桁架计算，移动载荷作用下，斜面桁架杆件内力计算简图如附图5所示。
支座反力 RAX＝RBX+RCX 小车后轮后面桁架杆件内力，取II截面左端计算，分别对1和2点求矩，Y1方向合力为零得 小车前轮前面到B点桁架杆件、吊点B和C之间桁架杆件和跨外桁架杆件内力计算方法同小车后轮后面桁架杆件内力计算。
移动载荷FQ位于臂架BC段距离A为Y(mm)和移动载荷FQ位于臂架CD段距离A为Z(mm)时计算方法同移动载荷FQ位于臂架AB段距离A为X(mm)时。
3)水平桁架受移动载荷和自重载荷作用 垂直载荷作用在水平桁架时，如附图6所示。
竖杆A-A轴向压力 竖杆C-C轴向最大压力 竖杆B-B轴向压力 (∑T为垂直载荷在吊点B产生水平力) 4)水平桁架受风载荷作用 风载荷作用下的计算简图如附图7所示，臂架所受风载荷Pw(单位为N)，按照均布的水平节点力(m为节点数)作用与水平桁架一侧弦杆的各节点上。
支反力 RAZ＝mgs 截面2杆件内力，取截面左端计算，分别对节点求矩得 下弦杆1 下弦杆2 水平斜腹杆内力 (如2截面方向腹杆) (如1截面方向腹杆) 5)水平桁架受臂架回转惯性载荷 回转启制动时，臂架本身的水平惯性力引起的杆件内力计算如附图8所示。
设臂架重量为G，微段dX的水平惯性力为 由∑Z＝0得 由∑MAZ＝0得 任意截面2，取右端各力对节点求矩可得 取截面2左端，由∑Z＝0，计算斜腹杆内力 Sd＝-RAZ/cosτ 取截面1左，同样可得1截面方向腹杆内力 Sd＝RAZ/cosτ 2.单吊点臂架杆件内力计算 单吊点臂架结构起升平面(即垂直平面)，作为伸臂梁计算；回转平面(即水平面)，作为悬臂梁计算。与双吊点臂架相同，先求支座反力，然后用节点法和截面法计算各个杆件内力。
其它截面形式或腹杆形式臂架截面杆件内力计算方法与上面相同。
3.塔身杆件内力计算 计算的塔身截面为矩形或方形，腹杆形式为六种常用腹杆形式。具体方法是首先将塔身空间桁架结构分解为四个平面桁架结构进行计算；接着，将塔身所受不平衡弯矩、风载荷、轴向载荷和扭矩分解到平面桁架；然后对平面桁架杆件进行计算；最后，将计算结果叠加得出塔身每个杆件的内力计算公式。
其中主肢内力计算通式如下 H--塔身高，单位为mm；Z--截面到支点距离，单位为mm；m--塔身单片桁架一侧节点个数；gs、gs1、gs2、gs3和gs4--为节点风载荷，单位均为N；b为塔身截面宽，单位为mm；1标准节长，单位为mm。
按照上面的计算过程，可以得到不同结构形式的塔机杆件的内力计算通式。
第二步结构杆件应力计算 由上步计算得到的内力，经过轴心受力杆件的应力计算公式为
式中N--计算的轴向力，单位为牛；Aj--杆件验算截面的净面积，单位为mm2。σ修正为应力修正值，其具体取值按照杆件的截面高度与杆件长度等参数来确定。
根据上述内力计算通式，以及塔机金属结构型钢参数可以得到各个杆件应力计算通式。
第三步编制软件 本实施例软件编制采用VB计算机语言和Access数据库，并结合Excel工具。本系统主要分为参数输入模块、杆件应力计算模块、结果显示及输出模块三个模块。通过参数输入模块输入塔机结构参数和塔机运行数据载荷，然后将这些数据通过数据访问对象(ActiveX Data Objects，简称ADO)接口保存在Access数据库中；接着判断计算模型，然后对塔机杆件计算，当选择计算时，塔机杆件内力计算模块通过ADO接口从Access数据库中调用数据，并将计算结果保存在数据库中，并且在文本文件中备份；结果显示模块则由OLEDB接口调用数据库中的计算结果，在屏幕上显示出来，并且通过Microsoft ExcelObjects Library调用Excel绘图功能，将其结果以曲线图形显示。整个程序的系统流程如图10所示。
(1)参数输入模块 塔机杆件计算所需要的数据繁多，其中结构参数包括塔机臂架、塔身、塔帽、平衡臂、拉杆等形式及尺寸；载荷参数有包括起升重量、变幅位置、起升高度、回转位置、风速和风向以及起升机构、变幅机构和回转结构的运行速度和加速度；同时随着程序运行，数据量还在不断增加。为了避免数据重复输入，本程序系统以塔机类型和数据类型为单位进行数据管理，并且通过公用数据子集实现数据共享。在运行程序开始计算前，应该根据计算需要，填写以下各数据表格。
塔机基本参数表、臂架参数表、拉杆参数表、塔身参数表、结构型钢和塔机运行数据载荷表。
其程序流程如图11所示，首先选择输入方式，若选择直接输入，进行下一步输入原始数据，若选择数据库数据，从数据库中调取所需数据；接着对数据选择修改，检查是否错误，若有错，返回选择输入方式，若没有错，保存数据。
(2)杆件计算模块 塔机杆件计算模块是按照工况分为单工况处理和批量处理；按照计算内容分为内力计算模块和应力计算模块；按照杆件类型分为塔身杆件内力应力计算模块、臂架杆件内力应力计算模块和拉杆内力应力计算模块；按照作用载荷臂架杆件内力计算模块又分为自重载荷作用模块、移动载荷作用模块、风载荷作用模块、臂架回转惯性载荷作用模块、吊重回转惯性载荷作用模块、大车水平启制动惯性载荷模块等。在计算过程中，可以选择其中一种类型进行计算，也可以选择几种类型的组合进行计算，得到所需要的结果。该模块流程图如12所示，首先选择塔机类型及结构形式，若是单工况，读入单工况的载荷、选择组合形式并计算杆件的内力和应力；若是多工况，读入多工况的载荷、选择组合形式并计算杆件的内力和应力。
(3)结果显示及输出模块 计算结果的显示采用子模块的方式。与结果相对应建立塔身杆件内力模块、塔身杆件应力模块、臂架杆件内力模块、臂架杆件应力模块等。可以将塔身杆件内力、塔身杆件应力、臂架杆件内力、臂架杆件应力以文本和图形显示。图形显示用Excel绘图功能，将其结果绘制图形并显示。显示结果按照塔机运行数据的时间历程和塔机结构杆件的编号分类。具体流程如图13所示，首先选择显示内容，接着从数据库中读取计算结果，然后选择显示方式，最后显示查看结果。
如图9所示，所述数据记录仪包括用于监控塔式起重机参数信息的传感器采集装置1、微处理单元(STC89LE516RD)2、数据存储单元3和通讯网络接口单元4；参数信息的传感器采集装置1的信号与微处理单元2的信号输入接口连接；微处理单元2的数据输出接口连接数据存储单元3的输入接口；通讯网络接口单元4的输入端连接微处理单元2的通讯输出接口。所述参数信息的传感器采集装置1由传感器1a和模数转换芯片1b构成，传感器1a的输出端与模数转换芯片1b的输入端连接。
下面以某型号塔式起重机为例，作进一步的说明。
以某型号塔式起重机为例，计算塔机受任意外载荷组合下，任意杆件的内力和应力。下面是塔机臂架受自重载荷和移动载荷作用下，距离回转中心4.5m截面上弦杆、下弦杆和斜腹杆的应力计算。塔机具体结构参数如表1所示(长度为mm；重量为kg)。
表1
由表1可以计算得到 L1＝13.125m；L2＝25m；L3＝11.875m；LB＝15.42m、LC＝39.58m；sinθB＝0.4086、sinθC＝0.1592；AB＝BC＝0.002375m2；h1＝1.096m；b×h＝1.19m×0.92m；E＝2.06×105MPa。
1.距离回转中心4.5m截面杆件内力计算 1)自重载荷作用下 臂架自重G＝35000N；均布载荷 (1)臂架支反力计算 双吊点臂架为一次超静定结构，如图3所示，建立力法方程δB1X1+ΔBx＝0，计算支点反力。
代入上面由表1计算的参数可得X1＝3.35×104N 拉杆拉力 RBq＝X1＝3.35×104N A点竖直方向支座反力 (2)杆件内力计算 臂架为空间正三角形桁架结构，需分解为斜面桁架和底面水平桁架计算，自重载荷作用下，斜面桁架杆件内力计算简图如图4所示。
臂架自重分解在斜面桁架上的均布载荷分解成上、下弦杆的节点载荷(m、n分别为上、下弦杆的节点数)。
斜面桁架支座反力 RAX＝RBX+RCX 距离回转中心4.5m截面杆件内力 上弦杆 下弦杆 斜腹杆 2)移动载荷载荷作用下 (1)臂架支反力计算 移动载荷FQ位于臂架AB段距离A为X(mm)时，建立力法方程δB1X1+ΔBx＝0，计算支点反力。
代入上面由表1计算的参数及小车变幅X＝9可得X1＝7.65×104N 拉杆拉力 RBQ1＝X1＝7.65×104N A点竖直方向支反力 (2)杆件内力计算 与自重载荷作用相同，需分解为斜面桁架和底面水平桁架计算，移动载荷作用下，斜面桁架杆件内力计算简图如图5所示。
支座反力 RAX＝RBX+RCX 距离回转中心4.5m截面杆件内力 3)自重载荷和移动载荷作用下杆件内力 上弦杆S上＝51970N 下弦杆S下＝-90400N 斜腹杆S腹杆＝10560N 2.杆件应力计算 杆件主要是承受轴向力，为受拉或受压的轴心受力杆件，轴心受力杆件的应力计算公式为
式中N--计算的轴向力，单位为牛；Aj--杆件验算截面的净面积，单位为mm2；σ修正为应力修正值，其取值为σ修正＝0.0Mpa。
由杆件内力和表1中钢材型号截面积可得 上弦杆S上＝51970N 下弦杆S下＝-90400N 斜腹杆S腹杆＝16620N 上面计算中载荷如表2所示，得到距离回转中心4.5m杆件应力如表3所示 表2 表3 3.批量载荷数据处理 按照上面方法可以计算出任意载荷组合下，任意截面，任意杆件的内力和应力。对于批量载荷数据快速处理，利用上面计算过程开发的快速计算软件进行计算。如表4所示批量载荷数据。
表4 按照图11所示输入表1塔机结构参数，并读入表4塔机运行载荷参数，并将其保存在Access数据库中。
根据塔机结构参数，判读塔机结构计算模型。按照图12所示计算塔机杆件内力和应力。
按照图13所示输出计算结果。其中距离塔机回转中心3.8m处臂架截面杆件轴应力随工况变化如表5所示。每一杆件应力随工况变化值都可以文本或图形方式显示。
表5
权利要求
1.一种利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法，其特征是包括下列步骤
1)使用数据记录仪采集塔式起重机的起重量、起升高度、变幅位置、臂架回转位置、风速和风向的实时运行数据，并将采集到的上述实时运行参数存放到存储单元中，以获得塔式起重机较长时间的运行数据；
2)对采集的较长时间的实时运行数据进行处理，并依据速度公式
求出起升、变幅和回转速度，然后根据求出的两点的速度与加速度公式
求出起升、变幅和回转加速度，以获得各机构的速度和加速度的参数；
3)建立塔式起重机结构计算模型，并编制用于快速计算的计算机程序；
4)读入结构模型计算所需参数和选择载荷组合形式的工况数据，计算某时刻塔式起重机结构杆件内力和应力，得到塔机杆件内力和应力数据，并将计算结果分类存放在数据库中；
5)将上述第4)步骤所得的某时刻应力值加上或减去修正值，得到修正后的应力值，修正值的范围为计算值的0％～15％；
6)重复第4)和第5)步骤，就可以得到塔式起重机多个时刻所对应的结构内力和应力数据，把数据整理成多个评估点的应力谱数据。
2.根据权利要求1所述的利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法，其特征是所述选择载荷组合形式是指对起重量、起升高度、变幅位置、臂架回转位置、风速和风向的实时运行数据可全部选用或选用其中的一部分。
3.根据权利要求1所述的利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法，其特征是所述数据记录仪包括用于监控塔式起重机参数信息的传感器采集装置、微处理单元、数据存储单元和通讯网络接口单元；参数信息的传感器采集装置的信号与微处理单元的信号输入接口连接；微处理单元的数据输出接口连接数据存储单元的输入接口；通讯网络接口单元的输入端连接微处理单元的通讯输出接口。
4.根据权利要求3所述的利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法，其特征是所述参数信息的传感器采集装置由传感器和模数转换芯片构成，传感器的输出端与模数转换芯片的输入端连接。
全文摘要
本发明涉及一种利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法，它属于一种利用塔机运行数据记录仪采集的大批量载荷数据获得评估点应力时域值的方法。本发明主要是解决现有的方法存在的采集数据样本容量小、采集结构部位有限等技术难点。本发明的技术方案是利用塔式起重机运行数据获取评估点应力时域值的方法，包括下列步骤1)使用数据记录仪采集塔式起重机的起重量等实时运行数据；2)对采集的数据进行处理；3)建立塔式起重机结构计算模型；4)计算某时刻结构杆件内力和应力；5)将上步所得的某时刻应力值加上或减去修正值，得到修正后的应力值；6)重复上述步骤，得到多个时刻所对应的结构内力和应力数据并整理成应力谱数据。
文档编号B66C13/16GK101712438SQ200910227829
公开日2010年5月26日 申请日期2009年12月15日 优先权日2009年12月15日
发明者高有山, 张红丽, 高崇仁, 樊朝锺, 韩玉习 申请人:太原科技大学