CN108502723B - 起重机回转且变幅运动时消除起重臂振动的方法和*** - Google Patents

Abstract

一种起重机回转且变幅运动时消除起重臂振动的方法和***；该方法建立回转运动和变幅运动的参数对起重臂位移的影响规律的动力学模型，计算起重臂的模态坐标和实时动刚度，根据起重机的模态坐标和起重臂的实时动刚度计算起重臂下一时刻的位移，计算下一时刻斜拉调节绳所需调节的长度以调整起重臂的动刚度；该***包括斜拉调节绳、激光测距仪、GPS测量仪、三维倾角仪、黑匣子、中控***、斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***、起重臂动刚度计算子***、斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***和起重臂动刚度自适应调节子***。本发明实现了抑制起重臂的振动和摆动，提高了起重臂的稳定性、安全性、可靠性和工作效率。

Description

起重机回转且变幅运动时消除起重臂振动的方法和***

技术领域

本发明涉及一种当塔式起重机同时进行回转和变幅运动时消除起重臂振动的方法和***，属于起重机械技术领域。

背景技术

为了提高塔式起重机的作业效率，建筑单位在使用塔式起重机作业的过程中，通常将货物吊起之后同时运行塔式起重机的回转机构和变幅机构，从而减小作业时间。但是随着回转速度、变幅速度和起重量的增加，这一过程不但会引起货物和起重臂在回转平面内的水平摆动，还将引起货物和起重臂在铅锤面内的垂直振动，起重臂在回转平面内的摆动和在铅垂面内的振动将会影响起重臂的安全性能，严重时将会发生起重臂折臂现象，对驾驶员的人身安全和社会的财产安全造成了一定的威胁。

当塔式起重机同时进行回转和变幅运动时，随着货物位置的变化，塔式起重机起重臂的刚度也在发生改变，由于起重臂的刚度发生改变，所以起重臂的振动幅值时刻发生变化，因此，可以通过调节起重臂的实时动刚度来消除起重臂在同时进行回转和变幅运动时的振动，但目前还没有一种实时、准确消除起重臂振动的方法。

发明内容

针对现有塔式起重机同时进行回转和变幅运动时消除起重臂振动的技术存在的不足，本发明提供一种通过改变起重臂动刚度来消除起重臂振动，以提高塔式起重机的稳定性、安全性和可靠性的起重机回转且变幅运动时消除起重臂振动的方法，同时提供一种实现该方法的***。

本发明的起重机回转且变幅运动时消除起重臂振动的方法，是：

首先分析起重机的回转机构和变幅机构同行运行时对起重臂振动的影响规律，建立起重臂振动***的动力学模型，根据起重臂振动***的动力学模型推导出起重臂的实时动刚度数学表达式，然后根据实时测量的斜拉调节绳与起重臂铰接处的振动幅值计算起重机的振动模态坐标，斜拉调节绳分为调节起重臂水平摆动的斜拉水平调节绳和调节起重臂竖直振动的斜拉竖直调节绳，根据起重机同时进行回转运动和变幅运动的状态参数计算起重臂的实时动刚度，通过起重臂的振动模态坐标和实时动刚度计算下一时刻的振动幅值以计算所需要调节的斜拉调节绳(斜拉水平调节绳和斜拉竖直调节绳)的长度，从而调整下一时刻起重臂的动刚度，以达到消除起重臂振动的目的。

起重臂振动***的动力学模型的过程如下所述：

以塔式起重机的塔身回转中心线与起重臂的回转平面的交点为坐标系原点o₀建立极坐标系{e_ρ,e_ψ}，起重机同时进行回转和变幅运动时，变幅小车随着起重臂在回转平面做回转运动，同时也沿着起重臂的水平方向做变幅运动，根据这一运动特点，以极坐标系{e_ρ,e_ψ}的原点为非惯性笛卡尔坐标系{i,j,k}的原点，以沿着起重臂且远离塔身的方向为坐标轴x₁轴的正方向，以过坐标系原点且垂直于地面向下为坐标轴z₁的正方向，以垂直于起重臂且与坐标轴x₁、z₁符合右手螺旋法则的方向为坐标轴y₁的正方向，建立非惯性笛卡尔坐标系{i,j,k}，货物随着起重臂在回转平面进行回转运动的同时，也随着变幅小车在水平面内进行变幅运动，因此，起重机同时进行回转和变幅运动时，货物将做空间摆运动，根据这一运动特征建立以小车位置为坐标系原点建立极坐标系将起重臂等效为悬臂梁，变幅小车等效移动质量，沿着起重臂进行变幅运动，货物等效为球摆，通过钢丝绳与变幅小车连接，并随悬臂梁在回转平面内转动，从而构成了悬臂梁-移动质量-球摆***，根据悬臂梁-移动质量-球摆***建立起重臂振动***的动力学模型。

计算起重臂模态坐标的过程是：

起重机同时进行回转和变幅运动时，根据运动的合成与分解，将起重臂在空间内的位移分解为在回转平面内的位移和在铅锤面内的位移；因此，将起重臂在空间内的振动分解为在回转平面内的水平摆动和在铅垂面内的垂直振动；

起重臂在回转平面内的水平摆动幅值y_l(ρ,t)与起重臂摆动模态坐标函数q_i(t)的对应关系表示为：

式中，y₁(ρ,t)为起重臂在回转平面内在t时刻，距离塔身ρ位置处的水平摆动幅值，为起重臂第i阶振型函数，其中λ_i为超越方程cosh(λ_il_b)cosh(λ_il_b)+1＝0的解，l_b为起重臂的长度，q_i(t)为起重臂第i阶摆动模态坐标函数；

起重臂在铅锤面内垂直振动幅值y_h(ρ,t)与起重臂振动模态坐标函数Q_i(t)的对应关系表示为：

式中，y_h(ρ,t)为起重臂在回转平面内在t时刻，距离塔身ρ位置处的铅锤面内振动的幅值，Q_i(t)为起重臂第i阶振动模态坐标函数；

当塔式起重机同时进行回转和变幅运动时，分别获取斜拉调节绳与起重臂铰接处在回转面内的摆动幅值和铅锤面内的振动幅值，结合以上两个公式可以计算起重臂的模态坐标q_i(t)和Q_i(t)。

计算起重臂的实时动刚度的过程是：

基于起重臂振动***的动力学模型，将起重臂在空间内的振动分解为起重臂在回转平面内的摆动和起重臂在铅垂面内的振动，推导出起重臂的摆动和振动的实时动刚度分别为：

式中，[K′_l]和[K′_h]分别为起重臂的摆动和振动的实时动刚度，β为刚度阻尼系数，m_a为变幅小车的质量，m_b为悬臂梁的单位长度质量，m_l为货物的质量，ρ为变幅位移，为变幅速度，为变幅加速度，ψ为起重臂的回转角度，为回转角速度，l_b为悬臂梁的长度，E为悬臂梁的弹性模量，I为悬臂梁的截面惯性矩，φ_j(ρ)为起重臂的第j阶振型函数，φ′(ρ)、φ″(ρ)分别为φ(ρ)对变幅位移ρ的一阶导数和二阶导数，λ_j为超越方程cosh(λ_jl_b)cosh(λ_jl_b)+1＝0的解；

根据以上两个公式和实测的回转角度、回转角速度、变幅位移、变幅速度、变幅加速度和起重量计算起重臂的实时动刚度。

所述计算所需调节的斜拉调节绳的长度分别为：

式中，Δl_l((k+1)T)为在(k+1)T时刻斜拉水平调节绳需要调节的长度，Δl_h((k+1)T)为在(k+1)T时刻斜拉竖直调节绳需要调节的长度，y_l(l_b,(k+1)T)为在(k+1)T时刻起重臂端部在水平面的摆动幅值，y_h(l_b,(k+1)T)为在(k+1)T时刻起重臂端部在铅锤面的振动幅值，h_l为撑杆的长度，h_h为塔帽的高度，l_l为撑杆自由端到起重臂端部的距离，l_h为塔帽顶端到起重臂端部的距离，k＝1,2,3…。

实现上述方法的起重机回转且变幅运动时消除起重臂振动的***，采用以下技术方案：

该***，包括斜拉水平调节钢丝绳、斜拉竖直调节钢丝绳、激光测距仪、GPS测量仪、三维倾角仪、黑匣子、中控***、斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***、起重臂动刚度计算子***、斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***和起重臂动刚度自适应调节子***；

斜拉水平调节绳和斜拉竖直调节绳两种类型斜拉调节绳的一端都铰接在起重臂的端部，另一端分别绕过撑杆和塔帽上的定滑轮与起重臂刚度自适应调节子***连接；

激光测距仪安装在斜拉调节绳与起重臂铰接处的正下方，用于实时测量该点到底面的垂直距离；

GPS测量仪水平安装在斜拉调节绳与起重臂铰接处的正下方，用于测量该点在回转平面内的实时位置；

三维倾角仪水平安装在吊钩上，用于实时测量货物的摆动角度；

黑匣子用于储存和输出起重量和变幅运动的位移、速度和加速度以及回转运动的回转角度、回转角速度和回转加速度；

中控***，用于控制数据的输入与输出以及数据的转换，将由激光测距仪输出的数据转换为起重臂在铅锤面内的实时振动幅值输入到斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***，将由GPS测量仪输出的数据转换为起重臂在水平面内的实时摆动幅值输入到斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***，将由黑匣子输出的起重量、变幅运动的位移、速度、加速度以及回转运动的回转角度、回转角速度、回转角加速度输入到起重臂动刚度计算子***，将起重臂动刚度计算子***输出的实时动刚度和由由斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***输出的数据输入到斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***，将斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***输出的数据输入到起重臂动刚度自适应调节子***；

斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***，用于建立起重臂在回转平面内的水平摆动幅值与起重臂摆动模态坐标函数的对应关系和起重臂在铅锤面内垂直振动幅值与起重臂振动模态坐标函数的对应关系，利用由中控***输出的起重臂在回转平面内的水平摆动幅值和在铅锤面内的垂直振动幅值计算分别计算起重臂在回转平面和铅锤平面内的模态坐标，并将计算结果输出到中控***；

起重臂动刚度计算子***，用于建立起重臂在回转平面内的水平摆动实时动刚度和在铅锤面内垂直振动的实时动刚度与起重机同行进行回转和变幅运动时的状态参数和货物的摆动角度的关系，利用由中控***输出的起重机同行进行回转和变幅运动时的状态参数和货物的摆动角度分别计算起重臂在水平面和铅垂面内的实时动刚度，并将计算结果输出到中控***；

斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***，基于起重臂振动***的动力学模型建立差分方程，利用中控***输出的起重臂在回转平面、铅锤面内的模态坐标和起重臂的实时动刚度计算起重臂下一时刻的位移并输出到中控***；

起重臂动刚度自适应调节子***，用于建立斜拉调节绳的调节长度与起重臂下一时刻振动幅值的关系，包括伺服驱动器和伺服电机；该***利用由中控***输出的起重臂下一时刻的位移计算下一时刻所需调节的斜拉调节绳的长度，伺服驱动器驱动伺服电机运行，从而调节斜拉调节绳的长度，进一步调整了起重臂的刚度，达到了消除起重臂振动的目的。

本发明针对塔式起重机同时进行回转和变幅运动时，利用起重臂端部在水平面内摆动幅值和在铅锤面内振动幅值的变化实时测量起重臂的动刚度来改变斜拉调节绳的长度，以改变起重臂的动刚度，从而达到了消除起重臂振动的目的，减小了作业时间，提高了工作效率，也提高了塔式起重机的稳定性、安全性和可靠性。

附图说明

图1是本发明中塔式起重机的结构原理示意图。

图2是本发明中塔式起重机的俯视图。

图3是本发明中起重臂-变幅小车-货物***的模型示意图。

图4是本发明中起重臂动刚度自适应调节***的结构框图。

其中：1.底架，2.塔身，3.回转机构，4.回转平台，5.平衡臂，6.平衡重，7.起升机构，8.电控柜，9.伺服驱动器，10.伺服电机，11.平衡臂拉杆，12.定滑轮，13.塔帽，14.斜拉竖直调节绳，15.起重臂拉杆，16.起重臂，17.变幅小车，18.激光测距仪，19.GPS测量仪，20吊绳，21.吊钩，22.三维倾角仪，23.货物，24.变幅机构，25.驾驶室，26.中控台，27.黑匣子，28.斜拉水平调节绳，29.撑杆，30.定滑轮。

具体实施方式

本发明针对当塔式起重机同时进行回转和变幅运动时，既没有测量起重臂实时动刚度的有效办法，也没有消除起重臂振动的装置的技术情况，利用斜拉调节绳与起重臂铰接处的振动幅值的变化实时测量起重臂的动刚度以改变斜拉调节绳的长度，从而调节起重臂下一时刻的动刚度。

图1和图2给出了本发明采用的塔式起重机结构，该塔式起重机与现有塔式起重机相同的结构有：底架1、塔身2、回转机构3、回转平台4、平衡臂5、平衡重6、起升机构7、电控柜8、平衡臂拉杆11、塔帽13、起重臂拉杆15、起重臂16、变幅小车17、吊绳20、吊钩21、货物23、变幅机构24和驾驶室25。除此之外，该塔式起重机与现有塔式起重机不同的结构有：在平衡臂5上安装刚度自适应调节的伺服驱动器9和刚度自适应调节的伺服电机10，刚度自适应斜拉竖直调节绳14的一端铰接在起重臂16的端部，斜拉竖直调节绳14的另一端绕过固定在塔帽13上的定滑轮12与刚度自适应伺服电机10连接；在回转平台4所在的平面内垂直于起重臂16的方向设置撑杆29(参见图2)，斜拉水平调节绳28的一端铰接在起重臂16的端部，另一端绕过固定在撑杆29和平衡臂5上的定滑轮30与刚度自适应伺服电机10连接；在起重臂16的端部安装激光测距仪18和GPS测量仪19，并保证激光测距仪18、GPS测量仪19和斜拉调节绳与起重臂铰接处的位置处于同一铅锤平面内，在吊钩21上安装三维倾角仪22，并保证倾角仪的水平度，另外在驾驶室25内设置有中控台26(中控***)和黑匣子27。

本发明的自适应调节塔式起重机起重臂动刚度消除振动的方法，包括以下步骤：

(1)建立起重机同时进行回转和变幅运动时的状态参数(回转角速度、回转角加速度、变幅速度、变幅加速度)、起重量和绳长对起重臂端部位移的对应关系。

①建立坐标系

如图3所示，以塔式起重机的塔身回转中心与起重臂的回转平面的交点为坐标系原点o₀建立极坐标系{e_ρ,e_ψ}，起重机同时进行回转运动和变幅运动时，起重小车随着起重臂在回转平面做回转运动，同时也沿着起重臂的水平方向做变幅运动，根据这一运动特点，以极坐标系{e_ρ,e_ψ}的原点为非惯性笛卡尔坐标系{i,j,k}的原点，以沿着起重臂且远离塔身的方向为坐标轴x₁轴的正方向，以过坐标系原点且垂直于地面向下为坐标轴z₁的正方向，以垂直于起重臂且与坐标轴x₁、z₁符合右手螺旋法则的方向为坐标轴y₁的正方向，建立非惯性笛卡尔坐标系{i,j,k}，货物随着起重臂在回转平面进行回转运动的同时，也随着变幅小车在水平面内进行变幅运动，因此，起重机同时进行回转运动和变幅运动时，货物将做空间摆运动，根据这一运动特征建立以小车位置为坐标系原点o₁建立极坐标系将起重臂等效为悬臂梁，变幅小车等效移动质量，沿着起重臂进行变幅运动，货物等效为球摆，通过钢丝绳与变幅小车连接，并随悬臂梁在回转平面内转动，从而构成了悬臂梁-移动质量-球摆***，根据悬臂梁-移动质量-球摆***示意图建立起重臂振动***的动力学模型。其中，m_b为悬臂梁的单位长度质量，m_a为移动质量的质量，m_l为球摆的质量，ψ为悬臂梁的回转角度，ρ为移动质量在悬臂梁上的位置，l_b为悬臂梁的长度，E为悬臂梁的弹性模量，I为悬臂梁的截面惯性矩。

移动质量是建模型使用的名词，与悬臂梁相对应；起重量是工程实际使用的名词，与回转角度、回转角速度、变幅位移、变幅速度、变幅加速度相对应。

②建立起重臂振动微分方程

当塔式起重机同时进行回转和变幅运动时，根据运动的合成与分解，可以将起重臂在空间内的位移分解为在回转平面内的位移和在铅锤面内的位移。因此，将起重臂在空间内的振动分解为在回转平面内的水平摆动和在铅垂面内的垂直振动。因此，将t时刻起重臂ρ处在回转平面内的挠度和在铅锤平面内的挠度分别表示为y_l(ρ,t)和y_h(ρ,t)。

根据模态叠加法，在t时刻悬臂梁上ρ处在x₀o₀y₀平面内的挠度和在x₁o₁y₁平面内的挠度分别表示为：

式中，为悬臂梁第i阶振型函数，其中λ_i为超越方程cosh(λ_il_b)cosh(λ_il_b)+1＝0的解，q_i(t)为悬臂梁在x₀o₀y₀平面的第i阶摆动模态坐标，Q_i(t)悬臂梁在x₁o₁y₁平面的第i阶振动模态坐标。

根据所建的悬臂梁-移动质量-球摆***，梁单元坐标可表示为：

移动质量坐标可以表示为

球摆坐标可以表示为

因此，***的总动能可以表示为：

式中，T_a、T_b、T_l分别表示移动质量、悬臂梁和球摆的动能，其中，***的总势能可表示为：

式中V_a、V_b、V_l分别表示移动质量、悬臂梁和球摆的势能。

根据Lagrange-Euler运动方程

式中，L＝T-V为拉格朗日方程，q_k为广义坐标，F_k为广义力。

对模态坐标q_j(j＝1,2,3…)应用拉格朗日方程得(i,j＝1,2,3…)：

对模态坐标Q_j(j＝1,2,3…)应用拉格朗日方程得：

式(9)、(10)分别为悬臂梁-移动质量-球摆***在x₀o₀y₀平面内的摆动微分方程和在x₁o₁y₁平面的振动微分方程，式(9)可以表示为

式中：

[M_l]＝(m_a+m_l)diag{φ_j(ρ)}[φ(ρ)]+m_bl_b为质量矩阵，为阻尼矩阵，为刚度矩阵， 为水平广义外力矩阵，{q_i(t)}＝{q₁(t),q₂(t),…,q_n(t)}为悬臂梁在x₀o₀y₀平面内的摆动的模态坐标向量，其中为悬臂梁的振型函数矩阵，[φ′(ρ)]、[φ″(ρ)]分别为对[φ(ρ)]对ρ的一阶和二阶导数矩阵。

式(10)可以表示为：

式中：

[M_h]＝(m_a+m_l)diag{φ_j(ρ)}[φ(ρ)]+m_bl_b为质量矩阵，为阻尼矩阵，为刚度矩阵，为竖直广义外力矩阵，{Q_i(t)}＝{Q₁(t),Q₂(t),…,Q_n(t)}为悬臂梁在x₁o₁y₁平面内的振动的模态坐标向量。

(2)获取起重臂的实时动刚度

由于结构阻尼的影响，起重臂的振动属于减幅振动，并且起重臂的结构阻尼机制比较复杂，所以一般认为金属结构阻尼矩阵由质量矩阵和刚度矩阵组合而成，因此可用数学表达式表示为：

[C]＝α[M]+β[K] (13)

式中，α、β分别为质量阻尼系数和刚度阻尼系数。

通常情况下，阻尼比ξ与质量阻尼系数α和刚度阻尼系数β的关系为

式中，ω_ni为第i阶模态的振动固有频率。

分别取第i和j阶振型，联立得

求得：

一般在计算中，钢结构阻尼比ξ的取值范围为0.008-0.05，取塔式起重机起重臂的振动阻尼比ξ＝0.01。应用Ansys软件建立塔式起重机的有限元模型，仿真计算塔式起重机的振动模态，分别得出起重臂内的两个主要的振动频率ω₁、ω₂，因此，可以将式(16)化简为

通过式(17)可以分别计算出质量阻尼系数α和刚度阻尼系数β。

将(17)带入式(11)和式(12)中，两式可以分别化简为

因此，当塔式起重机同时进行回转和变幅运动时，起重臂在回转平面内的实时动刚度和在铅垂面内的实时动刚度可以分别表示为

根据式(20)、(21)和用黑匣子测量的起重机的回转角度、回转角速度、回转角加速度、变幅位移、变幅速度、变幅加速度和起重量可以计算起重臂的实时动刚度。

(3)根据起重臂实时动刚度预测下一时刻起重臂的位移，通过调整斜拉调节绳的长度来调整起重臂的动刚度。

基于起重臂振动***的动力学模型建立差分方程，利用起重臂的动刚度和起重臂的模态坐标预测起重臂下一时刻的位移。

分别令ω_l1(t)＝q_i(t)，ω_h1(t)＝Q_i(t)，式(18)、(19)可以分别化简为

基于起重臂振动***的动力学模型建立差分方程为

w_l1((k+1)T)-w_l1(kT)＝Tw_l2(kT) (26)

w_l2((k+1)T)-w_l2(kT)＝T[M′_l]^-1·{F}-T[M′_l]^-1·[K′_l]w_l1(kT) (27)

w_h1((k+1)T)-w_h1(kT)＝Tw_h2(kT) (28)

w_h2((k+1)T)-w_h2(kT)＝T[M′_h]^-1·{F}-T[M′_h]^-1·[K′_h]w_h1(kT) (29)

式中，T为采样周期，k＝1,2,3…，w_l1((k+1)T)为下一时刻起重臂在回转平面内的模态坐标，w_h2((k+1)T)为下一时刻起重臂在铅垂面内的模态坐标。

因此，通过计算的起重臂实时动刚度和根据实测的起重臂的位移计算的起重臂的模态坐标，根据式(26)、(27)、(28)、(29)可以分别预测下一时刻的起重臂在水平面内的模态坐标和在铅锤面内的模态坐标，利用式(1)、(2)即可计算下一时刻的起重臂在水平面内的摆动幅值和在铅锤面内的振动幅值。

根据预测的起重臂下一时刻的起重臂在水平面内的摆动幅值和在铅锤面内的振动幅值，通过起重臂动刚度自适应调节***的伺服控制器生成控制命令，伺服驱动器驱动伺服电机运动，调节斜拉调节绳的长度，调整起重臂的刚度，以达到消除起重臂的振动的目的。

调节斜拉调节绳的长度为：

式中，Δl_l((k+1)T)为在(k+1)T时刻水平斜拉调节绳需要调节的长度，Δl_h((k+1)T)为在(k+1)T时刻竖直斜拉调节绳需要调节的长度，y_l(l_b,(k+1)T)为在(k+1)T时刻起重臂端部在水平面的摆动幅值，y_h(l_b,(k+1)T)为在(k+1)T时刻起重臂端部在铅锤面的振动幅值，h_l为撑杆的长度，h_h为塔帽的高度，l_l为撑杆自由端到起重臂端部的距离，l_h为塔帽顶端到起重臂端部的距离，k＝1,2,3…。

本发明实现上述的方法的***如图4所示，主要包括激光测距仪18、GPS测量仪19、黑匣子27、中控***(中控台26)、斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标函数计算子***、起重臂动刚度计算子***、斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***以及起重臂动刚度自适应调节子***。

斜拉水平调节绳28和斜拉竖直调节绳14两种类型斜拉调节绳的一端都铰接在起重臂的端部，另一端分别绕过撑杆和塔帽上的定滑轮与起重臂刚度自适应调节子***连接。

激光测距仪18安装在斜拉调节绳与起重臂铰接处的正下方，用于测量斜拉调节绳与起重臂铰接处到地面的垂直距离。该激光测距仪还应具有无线发射功能，通过无线传输将测量的数据传输到驾驶室内的中控台26(中控***)，由中控***进一步计算出斜拉调节绳与起重臂铰接处在铅锤平面内的振动幅值，为了实时测量斜拉调节钢丝绳与起重臂铰接处的振动幅值，激光测距仪的测量频率不低于5HZ。

GPS测量仪19安装在斜拉调节绳与起重臂铰接处的正下方，用于测量斜拉调节绳与起重臂铰接处的回转角度。GPS测量仪19同样具有无线发射功能，通过无线传输将数据传输到驾驶室内的中控台，由中控***进一步计算出斜拉调节钢丝绳与起重臂铰接处在回转平面内的摆动幅值，GPS测量仪的测量频率同样不低于5HZ。

三维倾角仪22水平安装在吊钩上，用于实时测量货物的摆动角度。

黑匣子27用于储存和输出起重量和变幅运动的位移、速度和加速度以及回转运动的回转角度、回转角速度和回转加速度。

中控***，用于控制数据传输和数据的转换，分别将由激光测距仪18输出的数据转换为起重臂在铅锤面内的实时振动幅值和由GPS测量仪19输出的数据转换为起重臂在回转面内的实时摆动幅值输入到斜拉调节绳与起重臂铰接处振动模态坐标函数计算子***，将由黑匣子输出的变幅运动的位移、速度、加速度、回转运动的回转角度、回转角速度、回转角加速度、起重量输入到起重臂动刚度计算子***，将起重臂动刚度计算子***输出的实时动刚度和斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***输出的数据输入到斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***，将由斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***输出的数据输入到起重臂动刚度自适应调节***。

斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标函数计算子***，用于建立起重臂在回转平面内的水平摆动幅值与起重臂摆动模态坐标函数的对应关系和起重臂在铅锤面内垂直振动幅值与起重臂振动模态坐标函数的对应关系，利用由中控***输出的起重臂在回转平面内的水平摆动幅值和在铅锤面内的垂直振动幅值计算分别计算起重臂在回转平面和铅锤平面内的模态坐标，并将计算结果输出到中控***。

起重臂动刚度计算子***，用于建立起重臂在回转平面内的水平摆动实时动刚度和在铅锤面内垂直振动的实时动刚度与起重机同行进行回转和变幅运动时的状态参数和货物的摆动角度的关系，利用由中控***输出的起重机同行进行回转和变幅运动时的状态参数和货物的摆动角度分别计算起重臂在水平面和铅垂面内的实时动刚度，并将计算结果输出到中控***。

斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***，基于斜拉调节绳与起重臂铰接处的振动幅值与回转运动和变幅运动的状态参数的动力学模型建立差分方程，利用中控***输出的起重臂在回转平面、铅锤面内的模态坐标和起重臂的实时动刚度计算起重臂下一时刻的振动幅值并输出到中控***。

起重臂动刚度自适应调节子***，用于建立斜拉调节绳的调节长度与起重臂下一时刻振动幅值的关系，包括伺服驱动器9和伺服电机10。该***利用于中控***输出的起重臂下一时刻的振动/摆动的幅值计算下一时刻所需调节的斜拉钢筋绳的长度，伺服驱动器9驱动伺服电机10运行，从而调节斜拉调节绳的长度，进一步调整了起重臂的刚度，达到了消除起重臂振动的目的。

本发明未详尽说明的内容均为现有技术。

Claims (3)

1.一种起重机回转且变幅运动时消除起重臂振动的方法，其特征是：

首先分析起重机的回转机构和变幅机构同时运行时对起重臂振动的影响规律，建立起重臂振动***的动力学模型，根据起重臂振动***的动力学模型推导出起重臂的实时动刚度数学表达式，然后根据实时测量的斜拉调节绳与起重臂铰接处的振动幅值计算起重机的振动模态坐标，斜拉调节绳分为调节起重臂水平摆动的斜拉水平调节绳和调节起重臂竖直振动的斜拉竖直调节绳，根据起重机同时进行回转运动和变幅运动的状态参数计算起重臂的实时动刚度，通过起重臂的振动模态坐标和实时动刚度计算下一时刻的振动幅值以计算所需要调节的斜拉调节绳的长度，从而调整下一时刻起重臂的动刚度，以达到消除起重臂振动的目的；

计算起重臂的实时动刚度的过程是：

基于起重臂振动***的动力学模型，将起重臂在空间内的振动分解为起重臂在回转平面内的摆动和起重臂在铅垂面内的振动，推导出起重臂的摆动和振动的实时动刚度分别为：

式中，[K′_l]和[K′_h]分别为起重臂的摆动和振动的实时动刚度，β为刚度阻尼系数，m_a为变幅小车的质量，m_b为悬臂梁的单位长度质量，m_l为货物的质量，ρ为变幅位移，为变幅速度，为变幅加速度，ψ为起重臂的回转角度，为回转角速度，l_b为悬臂梁的长度，E为悬臂梁的弹性模量，I为悬臂梁的截面惯性矩，φ_j(ρ)为起重臂的第j阶振型函数，φ′(ρ)、φ″(ρ)分别为φ(ρ)对变幅位移ρ的一阶导数和二阶导数，λ_j为超越方程cosh(λ_jl_b)cosh(λ_jl_b)+1＝0的解；

根据以上两个公式和实测的回转角度、回转角速度、变幅位移、变幅速度、变幅加速度和起重量计算起重臂的实时动刚度。

2.根据权利要求1所述起重机回转且变幅运动时消除起重臂振动的方法，其特征是：计算所需调节的斜拉调节绳的长度分别为：

式中，Δl_l((k+1)T)为在(k+1)T时刻斜拉水平调节绳需要调节的长度，Δl_h((k+1)T)为在(k+1)T时刻斜拉竖直调节绳需要调节的长度，y_l(l_b,(k+1)T)为在(k+1)T时刻起重臂端部在水平面的摆动幅值，y_h(l_b,(k+1)T)为在(k+1)T时刻起重臂端部在铅锤面的振动幅值，h_l为撑杆的长度，h_h为塔帽的高度，l_l为撑杆自由端到起重臂端部的距离，l_h为塔帽顶端到起重臂端部的距离，k＝1,2,3…。

3.一种起重机回转且变幅运动时消除起重臂振动的***，其特征是：包括斜拉水平调节钢丝绳、斜拉竖直调节钢丝绳、激光测距仪、GPS测量仪、三维倾角仪、黑匣子、中控***、斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***、起重臂动刚度计算子***、斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***和起重臂动刚度自适应调节子***；

斜拉水平调节绳和斜拉竖直调节绳两种类型斜拉调节绳的一端都铰接在起重臂的端部，另一端分别绕过撑杆上的定滑轮和塔帽上的定滑轮与起重臂刚度自适应调节子***连接；

激光测距仪安装在斜拉调节绳与起重臂铰接处的正下方，用于实时测量该点到底面的垂直距离；

GPS测量仪水平安装在斜拉调节绳与起重臂铰接处的正下方，用于测量该点在回转平面内的实时位置；

三维倾角仪水平安装在吊钩上，用于实时测量货物的摆动角度；

黑匣子用于储存和输出起重量和变幅运动的位移、速度和加速度以及回转运动的回转角度、回转角速度和回转加速度；

中控***，用于控制数据的输入与输出以及数据的转换，将由激光测距仪输出的数据转换为起重臂在铅锤面内的实时振动幅值输入到斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***，将由GPS测量仪输出的数据转换为起重臂在水平面内的实时摆动幅值输入到斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***，将由黑匣子输出的起重量、变幅运动的位移、速度、加速度以及回转运动的回转角度、回转角速度、回转角加速度输入到起重臂动刚度计算子***，将起重臂动刚度计算子***输出的实时动刚度和由斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***输出的数据输入到斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***，将斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***输出的数据输入到起重臂动刚度自适应调节子***；

斜拉调节绳与起重臂铰接处模态坐标计算子***，用于建立起重臂在回转平面内的水平摆动幅值与起重臂摆动模态坐标函数的对应关系和起重臂在铅锤面内垂直振动幅值与起重臂振动模态坐标函数的对应关系，利用由中控***输出的起重臂在回转平面内的水平摆动幅值和在铅锤面内的垂直振动幅值计算分别计算起重臂在回转平面和铅锤平面内的模态坐标，并将计算结果输出到中控***；

起重臂动刚度计算子***，用于建立起重臂在回转平面内的水平摆动实时动刚度和在铅锤面内垂直振动的实时动刚度与起重机同行进行回转和变幅运动时的状态参数和货物的摆动角度的关系，利用由中控***输出的起重机同行进行回转和变幅运动时的状态参数和货物的摆动角度分别计算起重臂在水平面和铅垂面内的实时动刚度，并将计算结果输出到中控***；斜拉调节绳与起重臂铰接处位移预测子***，基于起重臂振动***的动力学模型建立差分方程，利用中控***输出的起重臂在回转平面、铅锤面内的模态坐标和起重臂的实时动刚度计算起重臂下一时刻的位移并输出到中控***；

起重臂动刚度自适应调节子***，用于建立斜拉调节绳的调节长度与起重臂下一时刻振动幅值的关系，包括伺服驱动器和伺服电机；该***利用由中控***输出的起重臂下一时刻的位移计算下一时刻所需调节的斜拉调节绳的长度，伺服驱动器驱动伺服电机运行，从而调节斜拉调节绳的长度，进一步调整了起重臂的刚度，达到了消除起重臂振动的目的。