一种适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，包括环境预警、智能计算、风振控制及工况反馈四个模块，环境预警模块通过风速风向仪监测的风速判断起重机工作区域的安全程度，超过阈值时报警；智能计算模块基于风速风向，通过智能预测算法、模态分解算法及可靠度评估算法，得到起重机风振控制方案；风振控制模块基于风振控制方案启动并旋转同心圆环状锚定台；工况反馈模块采集塔身振动位移评估优化后的起重机的抗风可靠度；各模块之间通过无线传输设备传递数据信息。本发明专利技术的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统能保证起重机始终处于安全的作业/非作业环境中，避免起重机风致折毁倒塌等安全隐患。毁倒塌等安全隐患。毁倒塌等安全隐患。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统


[0001]本专利技术涉及塔式起重机安全预警及控制
，具体涉及一种风致振动预警及控制技术，但不限于涉及一种适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统。

技术介绍

[0002]塔式起重机是工地上用来起吊施工材料的一种起重设备，大量应用于建筑建设、桥梁施工等领域，然而其作业环境通常较为空旷，且工作重心高，工作负载大，稳定性差，导致自身对风荷载极为敏感，在大风条件下塔式起重机的折毁倒塌概率极大，对社会生产及生活造成严重影响。
[0003]由于地理位置及地形地势的特点，我国是世界上少数几个受风灾影响最为严重的国家之一，尤其是在东南沿海地区，台风、龙卷风及下击暴流等极端风灾事件频繁发生。上述风灾均具有风速大，破坏性强的特点，对塔式起重机结构的摧毁能力极强，例如，2014年7月海南文昌市的超强台风“威尔逊”造成超过77台塔吊倒塌和76台倾斜或严重受损；2016年9月15日厦门的超强台风“莫兰蒂”造成倾覆塔吊超过83台，塔吊结构变形超过200台，经济损失巨大。
[0004]根据塔吊安全规则规定，4级风(即风速5.5m/s
‑
7.9m/s)以上严禁进行塔式起重机的安装工作，而强/台风的平均风速通常在10m/s以上，这意味这塔式起重机在强/台风来袭阶段处于非工作状态。近年来提出了一系列针对于塔式起重机非工作状态下的防风装置，以提高其在强/台风下的抗风可靠性能，例如刚性锚定和防风拉索。前者通过由杠杆式的插板与预埋的锚定座配合，在固定锚定位通过扳动杠杆将插板放入锚定座。在起重机受风载作用时，插板抵在锚定座壁以降低起重机折毁概率。后者利用安全系数较大的拉锁将起重机固定在地面基座上，能够固定角度地消除起重机风致倾覆隐患。然而强/台风具有时变特征，其风向角及风攻角随时间变化，导致风荷载对塔式起重机的倾覆力矩同样随时间变化，仅通过固定位置的刚性锚定或防风拉索无法全面有效地抵抗此类非固定倾覆力矩。
[0005]随着基建事业的迅速发展，对塔式起重机的塔身高度及起吊高度要求随之增加，导致起重机的风敏柔性特征更为显著；同时，台风、龙卷风及下击暴流等极端风灾事件发生频率的提高，使得塔式起重机的在多向性强风下，自身折毁倾覆事故不断发生。因此，如何提高塔式起重机在多向性强风作用下的抗风可靠度将备受关注。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的一个或多个问题，本专利技术提出了一种适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，针对强风风向变异性特征，进行智能化风致振动预警及控制，减小多向风作用下塔式起重机主体结构的风致振动响应，提高塔式起重机的抗风性能。
[0007]实现本专利技术目的的技术解决方案为：
[0008]一种适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，包括环境预警模块、智能计算模块、风振控制模块和工况反馈模块，各模块之间通过无线传输设备传递数据信息，其中：
[0009]环境预警模块，安装在吊机顶部至吊具最高位置之间的不挡风处，根据监测所得的实时风速判断塔式起重机工作区域的安全程度，当实时风速超过风速阈值时进行超限报警；
[0010]智能计算模块，安装在驾驶室附近，基于实时风速风向，采用智能预测算法、模态分解算法和可靠度评估算法，计算得到塔式起重机的最优风振控制方案；
[0011]风振控制模块，安装在塔式起重机底部，包括同心圆环状锚定台，所述锚定台外部由旋转圆台装置及锚碇座组成，内部由内置自动化控制系统组成，根据风振控制方案启动并旋转同心圆环状锚定台；
[0012]工况反馈模块，安装在起重臂前端，基于塔式起重机的塔身振动位移，评估优化后的塔式起重机的抗风可靠度。
[0013]进一步的，本专利技术的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，环境预警模块包括风速风向仪和第一阈值判定子系统，其中，风速风向仪用于实时监测塔式起重机工作区域的风速和风向，第一阈值判定子系统用于根据实时风速与风速阈值的比较来判断塔式起重机工作区域的安全程度。
[0014]进一步的，本专利技术的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，环境预警模块中风速阈值的计算具体为：
[0015]获取塔式起重机所在地区的长期实测风速数据，对风速数据进行滤波处理及统计分析，得到该地区风速的概率分布函数Φ(V)及重现期T0，则风速风向仪高度在Z处的重现期风速V0为：
[0016][0017]其中，α表示地面粗糙度指数。
[0018]进一步的，本专利技术的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，根据实时风速判断塔式起重机工作区域的安全程度具体为：
[0019]将重现期风速V0设为第一阈值判定子系统中的阈值，将风速风向仪实时采集的风速与风速阈值V0进行对比：当实时的风速V
i
＜90％
×
阈值V0时，则判断实时的风速未超限；当实时的风速V
i
≥90％
×
阈值V0时，则判断实时的风速超限，进行超限报警并启动智能计算模块。
[0020]进一步的，本专利技术的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，智能计算模块包括智能预测子系统、模态分解子系统和可靠度评估子系统，其中，智能预测子系统采用智能预测算法根据历史风速和风向预测未来的风速和风向，模态分解子系统采用模态分解算法对预测的风速和风向进行平均项及脉动项分离，可靠度评估子系统采用可靠度评估算法计算塔式起重机塔身的抗风可靠度值。
[0021]进一步的，本专利技术的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，智能计算模块中计算塔式起重机的风振控制方案具体包括：
[0022]获取过去一小时的风速及风向时间序列，利用神经网络模型预测未来半小时的风
速时间序列U(t)及风向时间序列D(t)；
[0023]利用经验模态分解算法对风速时间序列U(t)和风向时间序列D(t)进行平均项及脉动项的分离：
[0024][0025][0026]式中：分别为预测风速的平均项、预测风向的平均项，u(t)、d(t)分别为预测风速的脉动项、预测风向的脉动项；
[0027]利用可靠度评估算法计算同心圆环状锚定台在不同旋转角度工况下塔式起重机塔身的抗风可靠度值，选取其中最高抗风可靠度值对应的虚拟工况作为最优风致振动控制方案。
[0028]进一步的，本专利技术的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，计算塔式起重机塔身的抗风可靠度值具体包括：
[0029]根据预测风速的平均项、预测风向的平均项计算塔式起重机底部的风致倾覆力矩F：
[0030]F＝β
z
μ
s
μ
z
·
0.5ρV
·
AH
[0031]式中：β
z
为高度z处的风振系数，μ
s
为风载荷体形系数，μ
z
为风压高度变化系数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，其特征在于，包括环境预警模块、智能计算模块、风振控制模块和工况反馈模块，各模块之间通过无线传输设备传递数据信息，其中：环境预警模块，安装在吊机顶部至吊具最高位置之间的不挡风处，根据监测所得的实时风速判断塔式起重机工作区域的安全程度，当实时风速超过风速阈值时进行超限报警；智能计算模块，安装在驾驶室附近，基于实时风速风向，采用智能预测算法、模态分解算法和可靠度评估算法，计算得到塔式起重机的最优风振控制方案；风振控制模块，安装在塔式起重机底部，包括同心圆环状锚定台，所述锚定台外部由旋转圆台装置及锚碇座组成，内部由内置自动化控制系统组成，根据风振控制方案启动并旋转同心圆环状锚定台；工况反馈模块，安装在起重臂前端，基于塔式起重机的塔身振动位移，评估优化后的塔式起重机的抗风可靠度。2.根据权利要求1所述的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，其特征在于，环境预警模块包括风速风向仪和第一阈值判定子系统，其中，风速风向仪用于实时监测塔式起重机工作区域的风速和风向，第一阈值判定子系统用于根据实时风速与风速阈值的比较来判断塔式起重机工作区域的安全程度。3.根据权利要求1或2所述的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，其特征在于，环境预警模块中风速阈值的计算具体为：获取塔式起重机所在地区的长期实测风速数据，对风速数据进行滤波处理及统计分析，得到该地区风速的概率分布函数Φ(V)及重现期T0，则风速风向仪高度在Z处的重现期风速V0为：其中，α表示地面粗糙度指数。4.根据权利要求1或2所述的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，其特征在于，根据实时风速判断塔式起重机工作区域的安全程度具体为：将重现期风速V0设为阈值判定子系统中的阈值，将风速风向仪实时采集的风速与风速阈值V0进行对比：当实时的风速V
i
＜90％
×
阈值V0时，则判断实时的风速未超限；当实时的风速V
i
≥90％
×
阈值V0时，则判断实时的风速超限，进行超限报警并启动智能计算模块。5.根据权利要求1所述的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，其特征在于，智能计算模块包括智能预测子系统、模态分解子系统和可靠度评估子系统，其中，智能预测子系统采用智能预测算法根据历史风速和风向预测未来的风速和风向，模态分解子系统采用模态分解算法对预测的风速和风向进行平均项及脉动项分离，可靠度评估子系统采用可靠度评估算法计算塔式起重机塔身的抗风可靠度值。6.根据权利要求5所述的适用于多向风作用的塔式起重机振动智能预警及控制系统，其特征在于，智能计算模块中计算塔式起重机的风振控制方案具体包括：获取过去一小时的风速及风向时间序列，利用神经网络模型预测未来半小时的风速时间序列U(t)及风向时间序列D(t)；
利用经验模态分解算法对风速时间序列U(t)和风向时间序列D(t)进行平均项及脉动项的分离：项的分离：式中：分别为预测风速的平均项、预测风向的平均项，u(t)、d(t)分别为预测风速的脉动项、预测风向的脉动项；利用可靠度评估算法计算同心圆环状锚定台...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，刘芸，吴同，李冰，王旭，徐梓栋，祝青鑫，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：