宋世军1 崔康基1 宋连玉2 迟 鹏1
1 山东建筑大学 济南 250100 2 山东富友慧明测控设备有限公司 济南 250101
摘 要：在塔式起重机顶升过程中，依靠操作人员的观察来判断塔式起重机上部是否处于顶升平衡状态，该安全评判存在因人而异、因时而异的可能性，易造成拆装标准节困难和顶升液压系统故障。文中建立了塔式起重机调平衡的特征模型，即塔式起重机顶升平衡状态特征点在顶升调平横过程中的轨迹在一个随塔身高度变化（包括零点）的平行于空载点与零点连线的矩形区域内，理论平衡点是零点对应的幅度位置点。平衡状态下塔式起重机顶端特征点轨迹会在所建特征模型区域内，不平衡状态下塔式起重机顶端特征点轨迹会在所建特征模型区域外，以此来判断塔式起重机是否处于安全顶升状态，达到顶升平衡时塔式起重机顶端特征点轨迹距空载点的距离最短。文中所述调平衡安全评估法可为塔式起重机在顶升过程提供准确有效的小车平衡位置，减少顶升过程的人为失误， 提高塔式起重机安拆过程安全性。
关键词：塔式起重机；顶升调平衡；安全特征模型；评估；方法
0 引言
随着我国城市化建设进程的日趋加快，建筑行业也处在快速发展的阶段。而塔式起重机（以下简称塔机）作为建筑行业中被广泛应用的垂直运输机械，因其工作覆盖面积大、安装拆卸简单、便于现场施工作业等一系列的特点，对提高工作效率起着极其重要的作用。如何保证塔机安全可靠的进行作业，避免安全事故的发生显得尤为重要。据不完全统计，我国2002 ～ 2019 年间，塔机安拆及加减标准节违规操作引起安全事故占塔机人为事故原因的43%，而在顶升调平衡过程中的违规调平衡现象是导致塔机安全事故多发的重要原因之一。
顶升套架是由主肢和腹杆组成的空间桁架结构，缸支撑在塔身上将顶升套架、下转台及其以上部分顶起5 ～ 10 mm 后，司机前后移动变幅小车进行调平衡操作。此时，顶升套架所受的力除结构自重外，还要承受塔机上部质量、吊起的标准节质量和侧向风载荷。在此过程中，若调平衡操作不当，使顶起的塔机上部结构重心发生偏移，会增大顶升阻力，容易引起液压系统故障，延长安装/ 拆卸时间，降低工作效率。
在传统的塔机顶升施工过程中，主要依靠人为观察标准节与下转台之间或标准节与导轮之间的间隙是否均匀等方式来判断是否顶升平衡。当发现顶升套架出现倾斜时，需通过人为操纵变幅机构动作使塔机达到平衡状态，这种传统方式受操作人员主观判断的影响，使人为操作的缺点放大，增大了出现安全事故的概率。本文通过进行塔机顶升过程的力学分析，得到塔机上部位移变化情况和影响因素，在此基础上建立了塔机安全调平衡特征模型，将调平衡过程中的实时获取的塔机上部位姿状态实测点与塔机调平衡模型进行对比，根据比较结果判断塔机是否平衡，从而使塔机调平横过程更加规范和安全。
1 安全特征模型
1.1 建立模型坐标系
在塔机顶升过程中，以回转塔身的主肢上某点为特征点，特征点运动形成运动轨迹，为表述方便，建立坐标系如下：以塔机回转支撑平面与塔身轴心线的交点作为坐标系的原点O，以塔机起重臂上且远离塔身的方向为X 轴正方向，以塔身轴心线垂直于地面向上方向为Z轴正方向，Y 轴垂直于X、Z 所围成的平面，坐标轴Y正方向为垂直于起重臂轴线方向且与X、Z 轴符合右手螺旋法则。
1.2 塔机顶升过程的安全特征分析
塔机在静态、无风的工作状态下，其自重载荷包括塔机金属结构自重、机械设备自重、电气设备自重以及附设在塔机上其他装置质量等载荷、吊重对塔身产生的向下压力F、由偏心力引起的弯矩M。假设塔身顶端沿X、Y 轴的位移量分别为L1、L2，对应的倾角为θx、θy（塔身顶端端点在X、Y 方向相对于铅垂线的夹角），建立图1 所示塔机受力模型。若将塔身看做一个均质的弹性体，塔身可简化为图2 所示的悬臂梁模型。
图1 塔机力学模型简图
图2 塔机变形模型简图
其中，塔身顶端截面倾角θx、θy 和塔身顶端位移L1、L2 可表示为
式中：E 为塔身材料的弹性模量，Ix、Iy 分别为塔身截面沿X、Y 方向的惯性矩，Mx、My 分别为塔身在X、Y 方向所受弯矩。
由式⑴～式⑷可知，塔机顶端位姿状态变化受塔身高度H、弹性模量E、塔身截面惯性矩I 和所受弯矩M的影响。
在塔机顶升过程中，顶升套架的滚轮或滑块与塔身标准节之间存在间隙，且顶升套架与塔机标准节的刚度不一致。在受到压力和弯矩的情况下，会产生与塔身不同的变形，这会造成塔机变形的多样性，所以式⑴和式⑵可写成
式中：h1 为顶升套架的高度，h2 为塔身部分从顶升套架到地面的高度，I1x、I1y 为顶升套架的截面沿X、Y 方向的惯性矩，I2 为塔身的截面惯性矩，Δ x、Δ y 为塔机顶升套架上的滚轮与塔身标准节之间的间隙分别沿X、Y 方向在两个坐标轴上的投影。
所以，在顶升调平衡过程中，其平衡状态下L1 和L2 的最大值与最小值为
在顶升调平衡过程中，塔机顶升平衡状态特征点的轨迹在一个随塔身高度变化（包括零点）的平行于空载点与零点连线的矩形（Lpx，Lpy）平面区域内，理论平衡点是零点对应的幅度位置点。平衡状态下塔机顶端特征点轨迹会在所建特征模型的区域内，不平衡状态下塔机顶端特征点轨迹会在所建特征模型的区域外，由于塔机顶升调平衡过程是式⑸和式⑹中Mx 变小的过程，当处于顶升平衡状态时，Mx 达到最小值Mxmin，此时塔机特征点轨迹距离零点最近。
2 顶升调平衡特征模型
为了克服套架滚轮与标准节之间的间隙、标准节刚度、地基弹性等现场影响因素，可通过传感器实测塔身顶端轨迹信号，通过统计模型来实现塔机顶升调平横评判数字模型。
2.1 建立调平衡特征模型
在塔机顶升前，将倾角测量装置安装在塔机回转塔身的任一主肢或与塔身中心线存在平行关系的结构上，用倾角测量装置测量塔机顶端倾角变化，使塔机在空载状态下回转一周，以便采集塔身顶端倾角数据。定义倾角测量装置的零点坐标为1（θld，θld） ；所采集的倾角数据，记为（θkxi，θkyi）（i ＝ 1，2，…，n），得到空载中心点2 坐标为（xk，yk），即有
图3 为塔机安全调平衡特征模型。图中L1 测、L2 测为传感器实测塔身顶端沿X、Y 轴方向的最大位移量，其围绕零点1 所构成的矩形区域为塔机顶升过程的平衡区域，超出此区域视为塔机顶升处于非平衡状态，需要变动变幅小车进行平衡调整。
L1 测、 L2 测的实现过程为：选取大、中、小型塔机各s 台，安装倾角测量装置，分别记录其塔机在顶升调平衡过程塔身顶端倾角数据，记为(θaxi ,θayi )(i ＝ 1，2，…，n)，记录每台塔机在顶升调平衡过程中塔身顶端运动轨迹的外包络矩形的宽度为{laxj}，( j ＝ 1，2，3，…，s )，矩形的长度为{layj}，( j ＝ 1，2，3，…，s )，规定：
图3 调平衡特征模型
2.2 安全调平衡判别算法
基于安全调平衡特征模型给出塔机安全调平衡判别算法，将塔机顶升调平衡过程中的现场测得的实测点与塔机调平衡模型相比较，根据比较结果判断塔机是否平衡，其判别算法的流程图如图4 所示。
当实测点在塔机调平衡模型区域内时，则判断塔机已平衡；当实测点在塔机调平衡模型区域外时，则判断塔机不平衡，需继续调整塔机变幅小车，直至平衡。
图4 安全调平衡判别算法
3 实验验证
3.1 数据采集系统组成及功能
塔机在顶升调平衡过程中，运用自主开发的数据采集系统对塔机顶端的变化状态进行采集。该数据采集装置主要由主控单元、倾角测量器、显示器、远程传输单元和终端服务器组成，其组成关系如图5 所示。
图5 数据采集系统
其中，倾角测量器用于采集塔机在顶升调平衡过程塔身中心线顶端倾角变化数据，主控单元仿真塔身顶端在回转坐标系中的运动轨迹，根据运动轨迹的特征与建立的调平衡安全特征模型比较，判断塔机是否处于平衡状态。显示器安装在塔机司机室内，用以显示塔机在顶升调平衡过程的平衡状态，以便在塔机处于不平衡状态时进行报警提示。主控单元同时通过远程传输单元将现场采集到的实时数据传输到服务器上，可实现智能调平远程监控、形成电子档案、数据接收与存储等功能。
3.2 顶升调平衡过程状态识别有效性验证
1）平衡状态识别
运用数据采集系统进行现场实验，图6 所示为某台塔机在顶升调平衡过程中，塔机处在平衡状态下所采集到的顶端运动轨迹实测图。从图6 中可以看出，塔机在顶升过程调平衡阶段处在平衡状态时，所采集的塔机顶端运动实测点在调平衡特征模型规定的安全区域内，可判断此时塔机处于平衡状态。需要注意的是，浅蓝色点为坐标原点，红色点为空载点，绿色点为实测点，边线内区域为塔机顶升调平衡过程安全特征模型。
图6 塔机顶升调平衡阶段平衡状态下的顶端运动轨迹实测图
2）不平衡状态识别
图7 所示为塔机进行顶升作业中调平衡阶段出现不平衡状态时的塔机顶端运动轨迹实测图。从图7 中可以看出，在塔机顶升调平衡过程中，出现不平衡状态时塔身顶端运动轨迹是会在本文设计的塔机顶升调平衡安全特征模型的区域外，判断塔机处于不平衡状态。
图7 塔机顶升调平衡阶段不平衡状态下的顶端运动轨迹实测图
在塔机调平衡的过程中，若塔机处在不平衡状态时，塔机数据采集系统会触发装置报警和显示不平衡状态画面，用来提示操作人员调整变幅小车位置进行平衡调整。在顶升过程调平衡阶段中违规的移动变幅小车、风速过大、塔身标准节连接不规范等因素均会导致塔机出现不平衡状态，表现在特征模型中就是塔身顶端特征点轨迹在塔机顶升调平衡安全特征模型的区域外。
4 结论
本文提供了一种塔机在顶升过程中的调平衡安全评估方法，建立了安全调平衡特征模型，给出了安全特征区域的描述方式及塔机顶升过程中的安全调平衡判别算法。塔机调平衡模型为：一个矩形封闭区域。将调平衡过程中的实时获取的塔机塔身顶端运动轨迹与塔机安全调平衡特征模型相比较，根据比较结果判断塔机是否平衡。为塔机顶升调平衡过程提供了一种直观有效的判断塔机平衡状态的方法，解决了传统调平衡方式可靠性差，操作繁琐的弊端，可有效保障塔机安全的进行顶升调平衡作业，对塔机重大安全事故预防具有实际意义。
参考文献
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