塔式起重机垂直度测量仪技术研究

2018-10-23 11:40傅建俊
价值工程 2018年33期
关键词:塔式起重机创新设计

傅建俊

摘要:本项目设计了一套多传感器能够实时准确地测量塔吊垂直度的系统,包括传感器的安装装置,以及基于LabVIEW的数据分析、显示、报警等功能的软件系统。该系统采用倾角传感器,实现更全面的测量功能,建立了塔吊的模型对塔吊在各种工况下的倾斜变形情况进行了相应的仿真分析,为测量系统的功能设计提供参考。通过对倾角传感器的原理介绍、器件选型、测量的工艺流程和上位机软件设计等方面的研究来克服目前测量方法的缺点。

Abstract: This project has designed a multi-sensor system that can measure the verticality of tower cranes in real time, including sensor installation equipment, and software system based on LabVIEW data analysis, display, alarm and other functions. The system adopts the inclination sensor to realize more comprehensive measurement function. The model of the tower crane is established to simulate and analyze the tilt deformation of the tower crane under various working conditions, which provides a reference for the functional design of the measurement system. The shortcomings of the current measurement methods are overcome by the introduction of the principle of the tilt sensor, the selection of the device, the process flow of the measurement, and the software design of the host computer.

关键词:塔式起重机;垂直度测量;设计;创新

Key words: tower crane;verticality measurement;design;innovation

中图分类号:TH213.3 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2018)33-0219-03

1 研究思路与技术方案

1.1 研究思路

目前的塔吊垂直度测量方式主要有经纬仪测量式,但是这种方式的操作过程都比较复杂,在测量过程中需要人工干预,因此会降低测量精度。另外这两种测量方式只能在塔吊处于工作停止状态,且周围风速级数较低、没有降雨等良好的气象条件下测量,不能达到实时监测垂直度的目的,这对重大工程事故的避免非常不利。因此设计一套只需一次人工参与调整安装,且能够监测多节塔吊标准节的系统,从而提高塔吊垂直度测量精度。通过采集多个传感器测量的数据,经过分析处理,最终简单易懂的将垂直度显示在操作面板,便于实时用户获取垂直度信息,为用户安全使用塔吊提供数据参考。

1.2 技术方案

为了获得更多的塔吊垂直度信息,在整个塔身上分布均匀5-6个双轴倾角位置传感器,运用特定设计的传感器安装装置,将传感器固定于塔吊标准节的固定位置。经数据采集卡采集数据,得到的数据通过A/D转换器等裝置,最终传输至基于LabVIEW开发的系统中。经过软件系统的分析和处理,将塔吊垂直度显示在人机交互界面,当垂直度超过规定范围时立即报警,提醒用户进行相关操作。

1.3 测量原理

1.3.1 静刚度的测量

要求:满足《塔式起重机》(GB/T5031—2008)中5.2.4静刚度要求:

在额定载荷作用下,塔机臂根铰点的水平静位移应不大于1.34H/100。H为臂根铰点至塔机基准面(无附着时的最大独立高度)或最高附着点(有附着时的最大悬臂高度)的垂直距离。

按照以上要求,测量时将传感器安装在塔机臂根铰点的位置,并设置报警值为0.77°。超过此值报警系统便进行报警。

1.3.2 垂直度的测量

要求:满足空载,风速不大于3m/s状态下,独立状态塔身(或附着状态下最高附着点以上塔身)轴心线的侧向垂直度允差为4/1000,最高附着点以下塔身轴心线的垂直度允差为2/1000。

按照以上要求,测量时将传感器安装在塔机臂根铰点的位置,并设置报警值为0.23°。超过此值报警系统便进行报警。

2 塔式起重机垂直度测量仪装置的设计

2.1 总体设计方案

测量装置装主要包括硬件系统设计和软件系统设计两部分,其中硬件系统包括信号获取装置、数据采集装置、数据合成装置、信号处理装置。软件系统包括程序设计和人机交互界面设计。

2.2 硬件系统

2.2.1 硬件系统概述

硬件系统主要是实现初始数据的产生、采集、合成及前期处理等功能。传感器选择TLS926T高精度倾角传感器。为了产生和垂直度相关的数据,需要设计将双轴倾角传感器安装于塔吊标准节的安装装置,并通过该安装装置来调准传感器在整个测量系统坐标系的位置。各传感器产生的数据通过RS485总线依次传输到上位机,由于RS485传输速率很高,可以基本保证数据的同步。通过数据处理显示各段塔吊的倾斜状态。

2.2.2 信号获取装置的设计

信號获取装置设计主要包括传感器的选择和传感器安装装置设计。测量偏移量一般采用加速度传感器和倾角传感器,而在倾角传感器的测量精度更高,所以选用倾角传感器作为信号产生源。为了便于将倾角传感器安装于塔吊标准节上,设计如图1所示的固定装置。其中1是双轴倾角传感器,2是与塔吊标准节直接连接件,3是位置调整块。图2是传感器固定装置与塔吊标准节安装示意图,清晰可见连接件2和对应角扣件4用蝶形螺栓固定于塔吊标准节上,在通过调节调整块的位置来调整传感器在整个测量系统坐标系中的位置。图3是传感器安装整体示意图。

①数据的采集。考虑到数据接收的方便性、稳定性、测量装置的灵活性,采用RS485串口总线形式读取各传感器数据,将各传感器数据通过上位机处理后即可按照操作人员意愿对任意数据进行检测。测量触发传感器为安装于回转台上的磁珠传感器,当X向磁珠触发时,采集X轴倾角数据;当Y向磁珠触发时,采集Y向倾角数据。

②数据的合成。 所有传感器的倾角数据按照对应塔吊标准节自下至上的顺序依次排列,每个传感器的数据分为X轴倾斜角度、Y轴倾斜角度和对应高度三个数据。测量时按照顺序依次判断,根据塔吊位置传感器对不同姿态的塔吊整体垂直度进行整体计算分析(任意某段的实际倾斜状态为其高度以下部分的矢量和),最后对塔吊的整体倾斜状态进行判断。

③信号的处理。

1)正常数据的处理: 正常数据进行记录保存,并为最后的整体数据整合服务。

2)不正常数据的处理:若测量中某些数据跳动较大,则应舍去,不进行记录。

2.3 软件系统

2.3.1 软件系统概述

软件系统是基于LabVIEW设计的,包括程序框图的设计和人机交互界面的设计。程序框图是完成数据分析和显示的内部支撑,由于LabVIEW的程序设计已经模块化,所以程序结构更简单易懂,实现的功能也更全面。人机交互界面将塔吊垂直度显示在相应分区中,另外人机交互界面还将多点偏移量以三维图的形式呈现出来,这样用户能够清晰地得到那个标准节的偏移量大,便于调整。人机交互界面还能实现报应的功能,当垂直度超出安全值后以报警的形式提醒用户。

2.3.2 程序设计

经初始筛选后的数据,要经过进一步的分析和综合,转换成相应偏移度数显示与人机交互界面,另外还要达到垂直度数据的存储、波形图形式显示、数据点三维显示、超限报警等功能,而程序的设计则基于这些功能,以实现功能为主线,结合LabVIEW的编程特点完成程序的设计。大的框架是一个while循环和多个事件分支,通过不同事件分支完成不同的功能。

2.3.3 人机交互界面

人机交互界面主要包括波形图显示区域、数据三维显示区域、倾角数据和测量结果显示区域、人机交互区域。波形图显示区域将测量得到的X轴和Y轴的倾斜数据以波形图的形式呈现,波形图X轴表示传感器安装高度,Y轴表示倾角值。数据三维显示区域将不同高度测得的倾斜数据以三维图的形式呈现,X轴和Y轴表示在这两个方向上的倾角值,Z轴表示高度。倾角数据和测量结果显示区域将测得数据以数值形式呈现,并将倾角数据换算成垂直度显示出来。人机交互区域有报警灯、信息存储按钮、下一步指示按钮、停止测量按钮等。人机交互界面如图4所示。图中1是波形图显示区域。2是数据三维显示区域,3是倾角数据和测量结果显示区域,4是人机交互功能按钮区域。

3 研究结果及创新点

3.1 研究结果

经过实验分析验证,本垂直度测量分析仪的测量结果比以往的测量仪器测的结果精度高,测量精度可以达到0.002。测量装置安装简单,且只需一次安装调节便可长期使用。传感器安装后不再拆除,可以达到实时测量的目的,这是以往测量装置不能实现的。精简清晰地人机交互界面使操作更加简单,用户更加容易接受,界面显示的内容全面,用户获取塔吊使用状况更容易更直接。

3.2 创新点

测量仪的主要创新点有四点,分别为:①安装方便,②整体检测塔身,③实时监控,④数据存储便于维修人员调用数据。

4 总结

本测量仪相对于以往的测量装置虽然有很大的改进,但是仍然有很多可以改进的地方。

①本测量仪所用的倾角传感器虽然精度很高但仍有提升的可能,后续研究应当根据倾角传感器的原理针对自行设计的倾角传感器进而提高其精度,对系统进行改进。

②在塔吊的模态分析时可以看出塔吊在受到振动影响时会产生弯曲,所以采用一个传感器很难检测此情况下的塔吊倾斜情况,虽然多传感器测量的基本功能(数据无线传输、多段塔身倾斜数据统计等)已实现,但在数据传输速度、精度、稳定性上还有很大的提升空间,所以后续研究应当针对其设计完善多传感器测量系统。

参考文献:

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