宋世军张跃田福兴刘树刚0引言塔式起重机（以下简称塔机）安/拆顶升过程中，由于操作复杂，需要多人协调，很容易发生安全事故。目前，安/拆顶升过程中的危险状态判断靠人工经验，急需研制出针对安/拆顶升过程的安全监控设备，提高安全保障水平。安/拆顶升过程安全监控参数有很多，但影响到人身生命安全的结构失稳的监控参数以塔身顶端运动轨迹最为典型。本文在不考虑其他如液压系统故障等事故影响因素的前提下，防止安/拆顶升过程结构倒塌失稳重大事故的安全监控物理量选择塔身顶端运动轨迹。塔机升降节过程中的振动会发生在3个坐标轴的6个自由度上。其振动造成的特征点轨迹表现为安/拆顶升过程中塔身顶端轨迹的4个工作状态，即空载状态、顶升状态（包括液压缸伸出顶升和液压缸收缩换步2个阶段，每个阶段由振动状态和稳定状态组成，其中稳定状态又称为顶升平衡状态）、拆除或增加标准节联系时的平衡状态、运输待安装（或已拆卸）标准节状态（包括起制动和运输3个阶段）。每个工作状态由振动状态和稳定状态组成，所有状态是否安全应根据振动平复后的稳定状态判断，从一个稳定状态向另一个稳定状态转换过程的振动状态是评估当前是否处于安全状态的重要时刻。塔机安/拆顶升过程中，平衡点有拆装标准节联系平衡点和顶升平衡点等。拆装标准节联系平衡点对于4个主肢可能有4个相距很近的不同位置，其目的是方便拆装标准节联系，以实现可人工拆装标准节联系为判断标准；顶升平衡点只是一个位置，其目的是顶升过程不平衡力矩最小，以顶升过程振幅最小为判断标准。在安全状态下的所有安/拆顶升过程特征点运动轨迹均在塔机安/拆顶升安全特征模型所属区域内。本文就上述问题建立了塔机安/拆顶升安全监控的模型，得到了一个塔机安/拆顶升的安全区域。作为安全监控设备的特征信号，本文以套架上端的某个点为特征点，当塔机安/拆顶升过程处于安全状态时，特征点运动轨迹处于一个长条矩形内，该矩形定义为安全区域，该矩形的参数值构成了塔机安/拆顶升的报警阈值。1安全状态特征模型1.1特征信号及建立模型坐标系文中所述特征点设在套架上端的某个点，特征信号为特征点运动轨迹的分布范围。为叙述方便，建立如下坐标系：以塔身回转平面与塔身中心垂线的交点O为坐标系原点，其中塔身中心垂线为与垂直于地面且过塔身在地面固定截面的中心点的直线，坐标轴x正方向为塔机起重臂在平行于地面时，远离塔身方向，坐标轴z正方向为垂直于地面向上，坐标轴y正方向为垂直于塔机起重臂轴线方向且与x、z轴符合右手螺旋法则。1.2塔机安/拆顶升过程的安全状态特征塔机塔身上部连接回转支承、回转塔身、司机室、起重臂、平衡臂、塔帽、顶升套架、回转机构、变幅机构、起升机构、以及拉索（杆）、钢丝绳等附着物、起重载荷（一般为塔身标准节）。塔身上部相对塔身产生一个指向地心的正压力F和由于偏心造成的弯矩M，如果将塔身看作一个均质弹性体，在正常状态下，塔身因受弯矩M的影响将发生弯曲变形。假设塔身顶端在X、Y方向的位移分别为L1、L2，塔身顶端在X、Y方向的倾角分别为θx、θy（塔身顶端端点在X、Y方向相对于铅垂线的夹角）。建立的静力学模型如图1所示，其在X、Y方向变形后的简图如图2、图3所示。由图2、图3可推导出塔身顶端倾角与所受弯矩的关系式为式中：Mx、My分别为塔身顶端端点沿X、Y所受的弯矩，h为塔身的高度，E为塔身材料的弹性模量，Ix、Iy分别为塔身截面X、Y轴的惯性矩。图1塔机受力力学模型简图图2塔机在x方向受力变形模型简图图3塔机在y方向受力变形模型简图对于某一特定的塔机安拆顶升过程中，塔身顶端在X、Y轴方向的最大变形可表示为式中：Fx、Fy分别为作用在塔身顶端的力在2个坐标轴上的投影，Mx、My分别为作用在塔身顶端的力矩在2个坐标轴上的投影，Δjx、Δjy分别为套架滚轮与标准节之间的间隙造成的塔身顶端位移在2个坐标轴上分量，Δm4x、Δm4y分别为套架变形造成的塔身顶端位移在2个坐标轴上分量。由于顶升过程中Mxmax＞Mymax,当其他条件不变时，xmax＞ymax,对于一个安全规范的拆顶升过程其特征点的运动轨迹外包络矩形可表示为式中：xk、yk分别为塔机空载时的特征点坐标（简称空载点），2D为外包络矩形的宽度，R1为以空载点为圆心的圆弧半径，R2为以坐标原点为圆心的圆弧半径。D安对不同塔机的不同时刻有不同的值，当特征点运动轨迹在D安对应的塔机安/拆顶升塔身顶端特征模型内则是安全的，否则是危险的。式（6）称为塔机安/拆顶升过程的安全状态特征模型，其模型示意图如图4所示。1点为空载点2点为坐标原点阴影部分为安全区域图4塔机安/拆顶升塔身顶端特征模型示意图为了直观表示塔机安/拆顶升塔身顶端特征模型，可有如下定义：定义1：塔身静刚度当量系数＝特征点与空载点之间的连线在x轴上的投影除以塔身高度平方的值。记为式中：Mx为弯矩，δx为其他因素造成的x轴方向的特征点位移。对于均质弹性体，kx＝1/2。定义2：塔身动刚度当量系数=特征点与空载点之间的连线在y轴上的投影除以塔身高度平方的值。记为式中：My为弯矩，δy为其他因素造成的y轴方向的特征点位移。在空载与额载下的Cy大多情况下不相同，分别以Cyk和Cye记录之。对于均质弹性体，ky＝1/2则式（6）中变量定义为式中：k为某一系数，该系数决定于材质、结构以及环境约束变化。在安/拆顶升过程中，有一个顶升平衡状态，该平衡状态是通过移动变幅小车找到的相对于液压缸支撑点上部不平衡力矩最小的状态，该状态对应的特征点处于图4的阴影区域中，且靠近坐标原点。由于不同的塔机塔身与套架刚度、塔机上部的振幅不同、且随塔机使用时间的延长而变化，故安全临界区域需要因时因地因台而设定。1.3塔机安/拆顶升过程塔身顶端安全状态模型的特点1）塔机正常安全空载状态下的特征点运动轨迹算术平均值对应的点（称为空载点）处于塔机安/拆顶升过程塔身顶端安全状态特征模型中。2）塔机安/拆顶升过程塔身顶端安全状态特征模型是一个长条矩形，其长边为空载点与坐标原点连线的平行线，对应坐标系x轴，短边对应坐标系y轴。3）坐标系零点处于塔机安/拆顶升过程塔身顶端安全状态特征模型中。鉴于空载点和坐标系零点的统计特征以及塔机安/拆顶升过程塔身顶端安全状态特征模型短边的时变性，假设矩形短边为圆弧，其圆心为空载点和零点，其半径为实测统计值。综上所述，塔机安/拆顶升塔身顶端特征模型是2条相互平行的直线和2条相对的圆弧线所围城的封闭区域，其来源于特征点安/拆顶升过程中运动轨迹的外包络矩形。安全阈值即是安/拆顶升安全过程的塔身顶端安全状态特征模型的相关参数的最大值所组成的一个向量（或称塔机安/拆顶升塔身顶端安全状态特征模型的一个实例）。2塔机安拆顶升过程的安全状态识别2.1塔机安/拆顶升过程状态安全性识别算法对于某一台塔机安拆顶升过程，其安全状态识别算法如下：Step1：建立本次塔机安拆顶升过程安全状态特征模型D安。Step2：采集特征点当前坐标（x，y）。Step3：判断（x，y）是否在D安内，是则转Step2；否则转Step4。Step4：报警，提示当前塔机处于危险状态，排查安全隐患，停止危险动作。转Step2。2.2建立塔机安/拆顶升塔身顶端安全状态特征模型利用安装在塔机转台上的倾角测量装置测量塔机塔身中心线顶端倾角，该倾角对应前述的x，y坐标。将倾角测量装置安装在塔机完好状态下的回转塔身任一主肢或与塔身轴心线存在平行度要求的结构上，倾角测量装置安装部位即为前述特征点。塔机空载时回转゜后，采集塔机塔身中心线顶端倾角数据，记为（θkxi，θkyi）（i＝1，2，…，n），得到空载点1的坐标为倾角测量装置的零点2坐标为（θld，θld）对应于坐标系的原点为3安全状态识别有效性验证图5为组装的安/拆顶升塔身顶端安全状态采集装置示意图，图6所示为某塔机在安全状态增加一节塔身标准节的实测数据图。可以看出处于安全状态的加节过程塔身顶端特征点轨迹在本文设计的安全特征模型的区域内。图6中的绿色点为坐标原点，红色点为空载点，边线内区域为塔机安/拆顶升过程安全特征模型。图5塔机安/拆顶升安全特征模型组成示意图图6安全状态时塔身标准节加节过程特征点运动轨迹实测图4危险状态报警灵敏性验证图7为某塔机增加一节塔身标准节过程中出现危险状态时的实测数据图，图中可以看出，处于不安全状态的加节过程塔身顶端特征点轨迹在本文设计的安全特征模型的区域外。图7危险状态时拆除一节塔身标准节过程特征点运动轨迹实测图当出现塔机安拆过程中风速过大、顶升平衡点调整不到位、拆装塔身标准节联系时回转违规操作、塔身标准节未按规范连接等常见的多个异常危险状态时，塔机特征点坐标均会出现在塔机安/拆顶升塔身顶端安全状态特征模型之外，验证模型正确性。塔身标准节未按规范连接，指4个主肢中至少有一个连接失效，在出现危险状态时及时识别。5结语当特征点设为塔机上转台的某个点时，在塔机安/拆顶升过程存在一个特征信号安全区域，本文建立了获取该安全区域的方法，给出安/拆顶升过程塔身顶端安全特征区域的描述方式。塔机安/拆顶升过程塔身顶端安全特征模型所属的安全临界区域是一个长条形。它包含零点、平衡点和空载点。空载点的位置与安装主肢有关，平衡点与空载点的距离主要决定于上部不平衡力矩大小和塔身与套架的刚度、套架于标准节之间滚轮间隙等至少4个因素。长条形的宽度决定于上部振动的振幅、制造精度与材料误差等至少3个因素。由于不同的塔机的塔身与套架的刚度、塔机上部的振幅不同、且是随着塔机使用时间的延长而变化的，所以，安全临界区域需要因时因地因台而设定。当安全临界区域是基于一个有重大安全隐患的塔机设定的，其形状和大小会出现异常，此时应及时进行报警。本文提出的塔机安/拆顶升安全阈值还可以作为不同塔机的不同阶段状态判断的依据。

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