一種塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法及其設備的製作方法

2023-04-30 15:31:41

專利名稱：一種塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法及其設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及工程機械的振動控制技術，特別是涉及一種塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法及其設備。
背景技術：
隨著國內基礎設施安裝工程朝著大型、高效和安全的方向發展，橋梁、電廠、風電、 化工和高層房屋等領域的建設對大型塔吊(又稱塔式起重機)的需求呈快速發展趨勢。
由於對現代橋梁大跨度和輕質化的發展要求，在橋梁結構的設計中，索塔段從傳統的鋼混結構轉變為鋼製結構，這種轉變不僅降低了橋梁的重量，同時也引發了對施工方法的改進。傳統的施工方法是人工進行澆築，效率低且質量得不到保障；為了提高施工效率和質量，現代橋梁的施工採用大噸位塔吊對橋梁鋼索塔進行分節吊裝。
然而在運用大噸位塔吊對鋼索塔進行吊裝的過程中，由於起重噸位較重，起升高度較高，容易引起塔吊-索塔結構的耦合振動。一方面鋼索塔為多節段鋼製結構，自身剛度小，穩定性差，極易因外擾產生大擺幅振動；另一方面塔吊和鋼索塔通過附著裝置(附著裝置是固定在塔吊和建築物上的框架附著拉杆，當塔吊使用高度超過限定高度時，它可以增加塔吊的牢固程度，不致因為高度過高在起重過程中發生安全事故)相連接，鋼索塔產生的振動激勵同時會引發塔吊的振動。由於這種「塔吊-索塔結構的耦合振動」存在，大噸位塔吊在對索塔進行分節吊裝的過程中，結構穩定性和安全性較差。
現有技術中，通常通過在索塔上安裝控制器來進行減振處理。這種減振處理方式沒有考慮到外擾作用下附著裝置對索塔的影響，在塔吊對索塔進行分節吊裝的過程中，耦合振動未被有效控制，塔吊結構穩定性和安全性仍然較差，危險係數較大。發明內容
本發明提供了一種塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法及其設備，用以解決現有技術中塔吊-索塔結構的耦合振動不能被有效控制，塔吊結構穩定性和安全性較差的技術問題。
本發明塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法，應用於包括附著裝置的塔吊-索塔結構中，其中，附著裝置的撐杆固定連接於塔吊和索塔之間，所述方法包括
A、採集塔吊-索塔結構耦合振動的激勵響應信號；
B、根據激勵響應信號的強度信息選擇振動控制的類型，所述振動控制的類型包括主動振動控制和被動振動控制；
當選擇主動振動控制時，通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力；
當選擇被動振動控制時，通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力。
本發明塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制設備，包括
振動控制裝置，位於塔吊-索塔結構的附著裝置的撐杆上，用於在塔吊-索塔結構產生耦合振動時對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力或被動控制力；
傳感器，用於採集塔吊-索塔結構耦合振動的激勵響應信號；
控制器，用於根據激勵響應信號的強度信息選擇振動控制的類型，所述振動控制的類型包括主動振動控制和被動振動控制，當選擇主動振動控制時，通過控制振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力，當選擇被動振動控制時，通過控制振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力。
在本發明技術方案中，由於可根據激勵響應信號的強度信息設置振動控制的類型，控制振動控制裝置對塔吊-索塔結構進行主動控制減振或被動控制減振，因此，可使塔吊-索塔結構在發生耦合振動時保持穩定，減振效果顯著，且智能化程度較高。


圖1為塔吊-索塔結構示意圖2為塔吊-索塔結構俯視圖3為液壓作動器結構示意圖4為塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法流程圖5為塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制設備結構示意圖6為塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法一具體實施例流程圖。
附圖標記
10-塔吊20-索塔
30-附著裝置30a--附著框
30b--支座30c--撐杆
30d--振動控制裝置301--油箱
302--伺服閥303--比例閥
304--液壓缸40-傳感器
50-控制器具體實施方式
為了解決現有技術中塔吊-索塔結構的耦合振動不能被有效控制，塔吊結構穩定性和安全性較差的技術問題，本發明提供了一種塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法和設備。
如圖1和圖2所示，在塔吊-索塔結構中，塔吊10位於索塔20的對稱中心線上，通過附著裝置30與索塔20相互連接。本發明所指附著裝置30包括附著框30a、撐杆30c、 支座30b和位於撐杆上的振動控制裝置30d。當塔吊-索塔結構受到外部激勵而產生振動時，振動控制裝置可對撐杆施加與振動方向相反的控制力，從而抵消由于振動所產生的相對位移，使結構保持穩定。
振動控制包括主動振動控制和被動振動控制，其中，主動振動控制指在振動控制過程中，根據所檢測到的振動信號，應用一定的控制策略，經過實時計算，驅動振動控制裝置對控制目標施加一定的影響，達到抑制或消除振動的目的；被動振動控制是相對於主動振動控制而言的，它是一種不需要外部能源的結構控制技術，例如，通過附加在結構上的耗能阻尼器耗散振動能量，實現減振目的。
如圖4所示，本發明塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法，應用於包括附著裝置的塔吊-索塔結構中，其中，附著裝置的撐杆固定連接於塔吊和索塔之間，包括步驟
步驟101 採集塔吊-索塔結構耦合振動的激勵響應信號；
步驟102 根據激勵響應信號的強度信息選擇振動控制的類型，所述振動控制的類型包括主動振動控制和被動振動控制；
當選擇主動振動控制時，通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力；
當選擇被動振動控制時，通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力。
激勵響應信號的強度信息可以包含位移信息、速度信息或其他相關信息，在本發明中，所述激勵響應信號的強度信息同時包括塔吊-索塔結構耦合振動的頻率，則在步驟 102 中
當塔吊-索塔結構耦合振動的頻率小於設定頻率時，選擇主動振動控制；
當塔吊-索塔結構耦合振動的頻率不小於設定頻率時，選擇被動振動控制。
其中，步驟102中的通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力，具體包括
步驟一根據激勵響應信號的位移信息和速度信息計算出振動控制裝置的主動控制力和驅動電壓；
步驟二 根據所述驅動電壓驅動振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力。
所述振動控制裝置優選為液壓作動器，包括比例閥、伺服閥和液壓缸，則
步驟二包括關閉比例閥並對伺服閥施加驅動電壓，在伺服閥的調節下，通過液壓缸的活塞杆對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力；
所述通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力， 包括打開比例閥，使液壓缸與比例閥形成閉環的液壓系統，在比例閥的調節下，通過液壓缸的活塞杆對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力。
為了給實際的振動控制提供定量分析和參考，本發明塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法進一步包括仿真的步驟，即
對塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制進行仿真，得到模擬激勵下的模擬時域響應信息；
根據模擬時域響應信息判斷模擬振動控制是否獲得設定的振動控制效果，如果是，模擬中設定的參數可應用到實際振動控制中；否則，在減振效果較差時，需要對被控結構的簡化力學模型進行修改，再次進行仿真，直到模擬振動控制獲得設定的振動控制效果。
對振動控制進行仿真的具體步驟包括
建立塔吊-索塔結構的簡化力學模型，即通過計算等效質量對塔吊-索塔結構進行降階和簡化，建立5質點模型；
計算振動控制裝置對撐杆施加的模擬主動控制力，所述模擬主動控制力由最優線性控制算法獲得；
對塔吊-索塔結構簡化力學模型進行瞬態有限元仿真並得到模擬激勵下的模擬時域響應信息。
其中，振動控制效果包括振動控制前後被控結構的位移幅值比，被控結構在主動控制力下的穩定性，以及考慮時滯性對于振動控制的影響等。
當模擬振動控制可獲得設定的振動控制效果時，仿真過程中所建立的塔吊-索塔結構簡化力學模型可被應用於實際的主動振動控制中，例如，對控制器的設計。
如圖6所示，本發明塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法一具體實施例(振動控制裝置為液壓作動器)的流程為
步驟301 建立塔吊-索塔結構簡化力學模型；
步驟302 計算液壓作動器對撐杆施加的模擬主動控制力；
步驟303 對簡化力學模型進行瞬態有限元仿真並得到模擬激勵下的模擬時域響應信息；
步驟304 根據模擬時域響應信息判斷模擬振動控制是否獲得設定的振動控制效果，如果是，執行步驟305，否則，返回步驟301 ；
步驟305 採集塔吊-索塔結構耦合振動的激勵響應信號；
步驟306 判斷塔吊-索塔結構耦合振動的頻率是否小於設定頻率，如果是，執行步驟307，否則執行步驟310 ；
步驟307 根據位移信息和速度信息計算出液壓作動器的主動控制力；
步驟308 根據主動控制力計算出液壓作動器的驅動電壓；
步驟309 關閉比例閥並對伺服閥施加驅動電壓，在伺服閥的調節下，通過液壓缸的活塞杆對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力；
步驟310 打開比例閥，使液壓缸與比例閥形成閉環的液壓系統，在比例閥的調節下，通過液壓缸的活塞杆對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力。
如圖5所示，本發明塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制設備，包括振動控制裝置 30d、傳感器40和控制器50，其中，
所述振動控制裝置30d位於塔吊-索塔結構的附著裝置的撐杆上，用於在塔吊-索塔結構產生耦合振動時對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力或被動控制力；
所述傳感器40用於採集塔吊-索塔結構耦合振動的激勵響應信號，傳感器的數量和位置可以根據實際情況進行相應的設計；
所述控制器50，用於根據激勵響應信號的強度信息選擇振動控制的類型，所述振動控制的類型包括主動振動控制和被動振動控制；當選擇主動振動控制時，通過控制振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力；當選擇被動振動控制時，通過控制振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力。
控制器可以是PC控制器或者PLC控制器等，優選為PLC控制器，這樣可以提高整個控制系統的智能化程度，便於塔吊操作人員的操作。
當激勵響應信號的強度信息包括塔吊-索塔結構耦合振動的頻率信息時，所述控制器，用於在塔吊-索塔結構耦合振動的頻率小於設定頻率時選擇主動振動控制，在塔吊-索塔結構耦合振動的頻率不小於設定頻率時選擇被動振動控制。
當激勵響應信號的強度信息同時包括位移信息和速度信息時，所述控制器，用於根據激勵響應信號的位移信息和速度信息計算出振動控制裝置的主動控制力和驅動電壓， 並根據所述驅動電壓驅動振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力。
在本發明中，振動控制裝置為作動器，例如可以是液壓作動器、粘性液體作動器等。優選為液壓作動器，通過伺服閥控制的液壓作動器在工作時只需要調節或控制伺服閥閥口的大小，耗能很低，一般幾十瓦就可以提供IOOt 200噸的阻尼力，且振動控制的魯棒性好，能夠適應較寬頻率範圍的外部激勵，時滯性小。
如圖3所示的實施例，液壓作動器作為振動控制裝置，主要包括油箱301、比例閥 303、伺服閥302和液壓缸304，其中，
所述液壓缸包括活塞、由活塞隔開的兩腔油缸和位於活塞兩側並伸出兩腔油缸外與撐杆接觸的活塞杆；液壓缸兩腔油缸的壓力差即為液壓作動器的控制力；
當比例閥打開時，所述液壓缸與比例閥形成閉環的液壓系統，該液壓系統相當於被動阻尼器，液壓油只在該閉環系統中流動，而不需要耗費外部能源，在比例閥的調節下， 通過活塞杆對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力；
當比例閥關閉時，伺服閥在控制器實時計算得出的驅動電壓的驅動下，控制進出液壓缸的兩腔油缸的油量，液壓缸在伺服閥的調節下，通過活塞杆對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力。
在本發明技術方案中，由於可根據激勵響應信號的強度信息設置振動控制的類型，控制振動控制裝置對塔吊-索塔結構進行主動控制減振或被動控制減振，因此，可使塔吊-索塔結構在發生耦合振動時保持穩定，減振效果顯著，且智能化程度較高。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法，應用於包括附著裝置的塔吊-索塔結構中，其中，附著裝置的撐杆固定連接於塔吊和索塔之間，其特徵在於，所述方法包括A、採集塔吊-索塔結構耦合振動的激勵響應信號；B、根據激勵響應信號的強度信息選擇振動控制的類型，所述振動控制的類型包括主動振動控制和被動振動控制；當選擇主動振動控制時，通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力；當選擇被動振動控制時，通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力。
2.如權利要求1所述的振動控制方法，其特徵在於，所述激勵響應信號的強度信息包括塔吊-索塔結構耦合振動的頻率，則步驟B中，當塔吊-索塔結構耦合振動的頻率小於設定頻率時，選擇主動振動控制；當塔吊-索塔結構耦合振動的頻率不小於設定頻率時，選擇被動振動控制。
3.如權利要求2所述的振動控制方法，其特徵在於，所述激勵響應信號的強度信息進一步包括位移信息和速度信息，則通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力，包括B11、根據激勵響應信號的位移信息和速度信息計算出振動控制裝置的主動控制力和驅動電壓；B12、根據所述驅動電壓驅動振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力。
4.如權利要求3所述的振動控制方法，其特徵在於，所述振動控制裝置為液壓作動器， 包括比例閥、伺服閥和液壓缸，則步驟B12包括關閉比例閥並對伺服閥施加驅動電壓，在伺服閥的調節下，通過液壓缸的活塞杆對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力；所述通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力，包括打開比例閥，使液壓缸與比例閥形成閉環的液壓系統，在比例閥的調節下，通過液壓缸的活塞杆對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力。
5.如權利要求1所述的振動控制方法，其特徵在於，在步驟A之前，進一步包括Cl、對塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制進行仿真，得到模擬激勵下的模擬時域響應信息；C2、根據模擬時域響應信息判斷模擬振動控制是否獲得設定的振動控制效果，如果是， 執行步驟A ；否則，返回步驟Cl。
6.如權利要求5所述的振動控制方法，其特徵在於，所述步驟Cl包括C11、建立塔吊-索塔結構簡化力學模型；C12、計算振動控制裝置對撐杆施加的模擬主動控制力；C13、對塔吊-索塔結構簡化力學模型進行瞬態有限元仿真並得到模擬激勵下的模擬時域響應信息。
7.如權利要求6所述的振動控制方法，其特徵在於，步驟B中，所述當選擇主動振動控制時，通過控制撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力，包括對塔吊-索塔結構簡化力學模型的應用。
8.一種塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制設備，其特徵在於，包括振動控制裝置，位於塔吊-索塔結構的附著裝置的撐杆上，用於在塔吊-索塔結構產生耦合振動時對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力或被動控制力；傳感器，用於採集塔吊-索塔結構耦合振動的激勵響應信號；控制器，用於根據激勵響應信號的強度信息選擇振動控制的類型，所述振動控制的類型包括主動振動控制和被動振動控制，當選擇主動振動控制時，通過控制振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力，當選擇被動振動控制時，通過控制振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力。
9.如權利要求8所述的振動控制設備，其特徵在於，所述激勵響應信號的強度信息包括塔吊-索塔結構耦合振動的頻率，則所述控制器，用於在塔吊-索塔結構耦合振動的頻率小於設定頻率時選擇主動振動控制，在塔吊-索塔結構耦合振動的頻率不小於設定頻率時選擇被動振動控制。
10.如權利要求9所述的振動控制設備，其特徵在於，所述激勵響應信號的強度信息進一步包括位移信息和速度信息，則所述控制器，用於根據激勵響應信號的位移信息和速度信息計算出振動控制裝置的主動控制力和驅動電壓，並根據所述驅動電壓驅動振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力。
11.如權利要求10所述的振動控制設備，其特徵在於，所述振動控制裝置為作動器。
12.如權利要求11所述的振動控制設備，其特徵在於，所述作動器為液壓作動器，包括比例閥、伺服閥和液壓紅，其中，所述液壓缸包括活塞、由活塞隔開的兩腔油缸和位於活塞兩側並伸出兩腔油缸外與撐杆接觸的活塞杆；當比例閥打開時，所述液壓缸與比例閥形成閉環的液壓系統，在比例閥的調節下，通過活塞杆對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力；當比例閥關閉、伺服閥被驅動電壓驅動時，所述液壓缸在伺服閥的調節下，通過活塞杆對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力。
全文摘要
本發明公開了一種塔吊-索塔結構耦合振動的振動控制方法，應用於包括附著裝置的塔吊-索塔結構中，附著裝置的撐杆固定連接於塔吊和索塔之間，包括步驟採集塔吊-索塔結構耦合振動的激勵響應信號；根據激勵響應信號的強度信息選擇振動控制的類型，所述振動控制的類型包括主動振動控制和被動振動控制，當選擇主動振動控制時，撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的主動控制力；當選擇被動振動控制時，撐杆上的振動控制裝置對撐杆施加與振動方向相反的被動控制力。本發明技術方案根據激勵響應信號的強度信息設置振動控制的類型，控制振動控制裝置對塔吊-索塔結構進行主動控制減振或被動控制減振，減振效果顯著，且智能化程度較高。
文檔編號E04B1/98GK102518047SQ20111045563
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者劉仰清, 曾亞平, 曾光, 王維金, 陽雲華 申請人:中聯重科股份有限公司