本发明涉及一种通过调节塔式起重机起重臂的回转动刚度以消除起重臂摆动的方法和系统，属于起重机械技术领域。
背景技术：
当塔式起重机进行大范围作业时，需要频繁的使用回转机构进行回转运动，这一过程将引起起重臂的摆动和货物的摆动，货物的摆动所引起的载荷作用在起重臂上将引起起重臂更大的摆动，货物的摆动和起重臂的摆动在增加作业时间的同时也严重降低了起重机的稳定性、可靠性和安全性。
目前，对于起重臂结构在垂直平面内振动可以通过固定在塔帽处的两根斜拉钢筋进行加固限制，但是起重臂进行回转运动时，固定在塔帽处的斜拉钢筋不能够限制起重臂在回转平面内的摆动，因此没有解决起重机在进行回转作业过程中的起重臂摆动问题。
技术实现要素：
针对现有起重机在进行回转作业过程中的起重臂摆动问题，本发明提供一种通过改变塔式起重臂回转动刚度来消除起重臂摆动，以提高塔式起重机的稳定性、安全性和可靠性的自适应调节起重臂回转动刚度以消除摆动的方法，同时提供一种实现该方法的系统。
本发明的自适应调节起重臂回转动刚度以消除摆动的方法，是：
首先分析起重机回转机构和起重量对起重臂振动的影响规律，建立起重臂振动系统的动力学模型，然后根据实测的起重臂端部摆动幅值和货物摆动的角度计算起重臂的摆动模态坐标，通过实时测量的起重机回转角速度、角加速度和起重量计算起重臂的实时回转动刚度，最后根据起重臂的实时回转动刚度计算下一时刻的起重臂摆动幅值以计算所需调节的斜拉水平调节绳的长度，通过调节斜拉水平调节绳的长度，从而改变起重臂下一时刻的回转动刚度，以达到消除起重臂摆动的目的。
所述建立起重臂振动系统的动力学模型的过程如下所述：
以起重机的塔身回转中心线与起重臂的回转平面交点为坐标系原点建立极坐标系{eρ,eψ}，货物通过钢丝绳连接在变幅小车上，随起重臂在回转平面做回转运动，根据这一运动特点，以极坐标系{eρ,eψ}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和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}，同时，根据货物随起重臂运动而做平面摆运动这一特征建立极坐标系{el,eθ}；将起重臂等效为悬臂梁，变幅小车等效为质点固定在悬臂梁任意位置，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-移动质量系统，根据悬臂梁-移动质量系统建立起重臂振动系统的动力学模型。
所述计算起重臂摆动模态坐标的过程是：
起重臂摆动幅值y(x,t)与起重臂摆动模态坐标函数qi(t)的对应关系表示为：
式中，y(x,t)为起重臂在回转平面内在t时刻，距离塔身x位置处的摆动幅值，
起重臂第i阶摆动模态坐标函数qi(t)与回转运动角速度
式中，用点表示对时间t求导，ml为货物的质量，mb为起重臂的单位长度质量，ma为变幅小车的质量，ρ为变幅小车与起重臂回转中心之间的距离，φi(ρ)为变幅小车位置处起重臂第i阶的振型函数值，lb为起重臂的长度，θ为货物摆动的角度(斜拉水平调节绳与悬臂梁轴线所在竖直平面的夹角)，
利用倾角仪获取塔式起重机正常工作时货物的实时摆动角度θ，利用gps测量仪可获取起重臂端部实时摆动幅值y(lb,t)，通过以上两个公式可以计算起重臂第i阶实时摆动模态坐标函数qi(t)。
所述计算起重臂的实时回转动刚度的过程是：
基于起重机回转运动角速度
利用实测的回转运动的实时角速度
所述计算调节斜拉钢丝绳的长度的过程是：
起重臂在下一时刻需要调节的斜拉水平调节绳的长度为：
式中，t为采样周期，δl((k+1)t)为在(k+1)t时刻斜拉钢丝绳需要调节的长度，y(lb,(k+1)t)为在(k+1)t时刻起重臂端部的摆动幅值，h为撑杆的长度，l为撑杆自由端到起重臂端部的距离，k＝1,2,3…。
实现上述方法的自适应调节起重臂回转动刚度以消除摆动的系统，采用以下技术方案：
该系统，包括斜拉水平调节绳、黑匣子、倾角仪、gps测量仪、中控系统、起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统、起重臂回转动刚度计算子系统、起重臂端部摆动幅值预测子系统和起重臂回转动刚度自适应调节子系统；
斜拉水平调节绳一端与起重臂铰接，一端与起重臂回转动刚度自适应调节子系统的伺服电机连接；
gps测量仪安装在起重臂的端部，用于测量起重臂端部在回转平面内运动的实时位置；
倾角仪安装在吊钩上，用于测量吊绳与过起重臂轴线的竖直平面的夹角；
黑匣子用于储存和输出回转运动的角速度、角加速度和起重量；
中控系统，实现数据的转换和控制数据传输功能，将由gps测量仪输出的数据转换为起重臂的实时摆动幅值输入到起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统；将黑匣子输出的回转运动的角速度、角加速度和起重量输入到起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统和起重臂回转动刚度计算子系统；将起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统和起重臂回转动刚度计算子系统输出的数据输入到起重臂端部摆动幅值预测子系统，将由起重臂端部摆动幅值预测子系统输出的数据输入到起重臂回转动刚度自适应调节子系统；
起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统，建立起重机回转运动角速度、角加速度和起重量与起重臂端部摆动幅值的动力学关系，将通过中控系统输出的起重臂实时摆动幅值、回转运动角速度、角加速度和起重量根据对应关系计算起重臂实时摆动模态坐标，将计算的起重臂实时摆动模态坐标通过中控系统输入到起重臂端部摆动幅值预测子系统；
起重臂回转动刚度计算子系统，基于起重机回转运动角速度、角加速度和起重量与起重臂端部摆动幅值的动力学关系建立起重臂回转动刚度计算公式，通过中控系统输出的回转运动角速度、角加速度和起重量根据起重臂回转动刚度计算公式计算起重臂实时回转动刚度，并将计算数据通过中控系统输入到起重臂端部摆动幅值预测子系统；
起重臂端部摆动幅值预测子系统，利用中控系统输出的起重臂实时摆动模态坐标和起重臂实时回转动刚度通过差分方程计算起重臂下一时刻的摆动幅值并输入到中控系统；
起重臂回转动刚度自适应调节子系统，由伺服驱动器和伺服电机组成，利用由中控系统输出的起重臂下一时刻的摆动幅值计算下一时刻所需调节的斜拉水平调节绳的长度，伺服驱动器驱动伺服电机运动，调整斜拉水平调节绳的长度，进而调整起重臂的刚度，以达到消除起重臂摆动的目的。
本发明通过实时测量起重臂端部摆动幅值的变化，计算起重臂的实时回转动刚度来改变斜拉水平调节绳的长度，以达到改变起重臂的回转动刚度，有效的消除了起重臂的摆动，减少了塔式起重机在作业时的就位时间，提高了塔式起重机的稳定性、可靠性和安全性。
附图说明
图1是本发明的塔式起重机的结构原理主视示意图。
图2是本发明的塔式起重机的机构原理俯视示意图。
图3是起重臂—货物系统模型示意图。
图4是起重臂回转动刚度自适应调节系统。
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.塔帽，13.起重臂拉杆，14.起重臂，15.变幅小车，16.gps测量仪，17.吊绳，18.吊钩，19.倾角仪，20.货物，21.变幅机构，22.驾驶室，23.中控台，24.黑匣子，25.斜拉水平调节绳，26.撑杆，27.定滑轮。
具体实施方式
本发明针对当前，既没有测量起重臂实时回转动刚度的有效方法，也没有通过调整起重臂实时回转动刚度消除起重臂摆动的装置的技术情况，在原有塔式起重机结构的基础上添加侧向撑杆和斜拉水平调节绳，通过改变起重臂端部摆动幅值的变化实时测量起重臂的回转动刚度来改变斜拉水平调节绳的长度，以调整起重臂的下一时刻的回转动刚度。
图1和图2给出了本发明采用的塔式起重机的结构，该塔式起重机与现有塔式起重机都具有以下部分：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12、起重臂拉杆13、起重臂14、变幅小车15、吊绳17、吊钩18、货物20、变幅机构21和驾驶室22。除此之外，在回转平台4上对称水平安装一对撑杆26(参见图2)，撑杆26的方向与起重臂14的方向垂直，撑杆26的自由端装有定滑轮27，在平衡臂5上同样装有两个定滑轮，在起重臂上铰接斜拉水平调节绳25，斜拉水平调节绳25绕过定滑轮27一端与起重臂14端部连接，一端与伺服电机10连接；并且在驾驶室22内安装中控台23(中控系统)和黑匣子24，在平衡臂5上安装回转刚度自适应调节伺服驱动器9和回转刚度自适应调节伺服电机10，在起重臂端部安装gps测量仪16，倾角仪19安装在吊钩18上，并保证倾角仪19的水平度。
本发明的自适应调节起重臂回转动刚度以消除摆动的方法，包括以下步骤：
(1)建立起重臂摆动幅值与回转运动角速度、角加速度和起重量的对应关系，根据对应关系获取起重臂的实时回转动刚度。
a.建立坐标系
根据塔式起重机摆动模态分析，回转运动主要激励起重臂绕着起重臂轴线在水平面内摆动，因此，为了探究回转运动角速度、角加速度和起重量对起重臂端部摆动的影响规律，如图3所示，以塔身回转中心线与起重臂的回转平面交点为坐标轴原点建立极坐标系{eρ,eψ}，以极坐标系{eρ,eψ}的坐标系原点为非惯性笛卡尔坐标系{i,j,k}的原点，以沿起重臂且远离塔身的方向为坐标轴x1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}，同时，根据货物随起重臂运动而做空间摆运动这一特征建立极坐标系{el,eθ}。将起重臂等效为悬臂梁，变幅小车等效为质点固定在悬臂梁任意位置上，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-移动质量系统，根据悬臂梁-移动质量系统起重臂振动系统的动力学模型。其中，ml为摆动质点的质量，ma为质点的质量，mb为悬臂梁的单位长度质量，e为悬臂梁的弹性模量，i为悬臂梁的截面惯性矩，lb为悬臂梁的长度，ρ为质点在悬系梁上的位置，l为钢丝绳的长度，ψ为悬臂梁回转的角度，θ球摆摆动的角度(斜拉水平调节绳与悬臂梁轴线所在竖直平面的夹角)，在t时刻悬臂梁上任一x处在回转平面内的挠度(摆动幅值)为y(x,t)。
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，与回转运动角速度、角加速度相对应。
b.建立起重臂摆动微分方程
根据模态叠加法，悬臂梁上x处在t时刻的瞬时挠度y(x,t)可以表示为
式中，
基于所建的坐标系，可将梁单元坐标表示为：
质点坐标可以表示为：
球摆坐标可以表示为：
因此，系统的总动能可以表示为：
式中，tb、ta、tl分别表示悬臂梁、固定质点和球摆的动能，其中，
系统的总势能可以表示为：
式中，vb、va、vl分别表示悬臂梁、固定质点和球摆的势能。
根据lagrange-euler运动方程：
式中，l＝t-v为拉格朗日方程，qk为广义坐标，fk为广义力。
对广义坐标qj(j＝1,2,3…)应用lagrange方程得(i,j＝1,2,3…)：
式(8)为悬臂梁-移动质量系统的摆动微分方程，式(8)也可以表示为：
式中：
[m]＝(ml+ma)diag{φj(ρ)}[φi(ρ)]+mblb为质量矩阵，
由于式(9)中的刚度矩阵[k]随着悬臂梁的回转角速度的变化而变化，因此式(9)为二阶变系数非线性微分方程组。本发明首先利用gps测量仪测量的任意时刻悬臂梁上任意一点在回转平面摆动的挠度y(x,t)，将测得的摆动挠度y(x,t)和每一阶悬臂梁振型函数φi(x)代入式(1)中，即可得到每一阶摆动模态坐标qi(t)。
根据式(9)可知，起重臂进行回转运动时的实时回转动刚度为
根据式(10)和实测的回转运动实时回转角速度和起重量即可计算起重机回转运动时起重臂的实时回转动刚度。
(2)根据起重臂的实时回转动刚度预测下一时刻起重臂的摆动幅值，然后调整斜拉钢筋的长度以达到调整起重臂刚度的目的。
基于起重臂摆动幅值与回转运动角速度、角加速度和起重量的关系表达式建立差分方程，利用起重臂回转动刚度来预测下一时刻起重臂的摆动幅值和摆动频率。
令w1(t)＝q(t)，
基于起重臂摆动幅值与回转运动角速度、角加速度和起重量的关系表达式，式(11)、(12)又可简化为
w1((k+1)t)-w1(kt)＝tw2(kt)(13)
w2((k+1)t)-w2(kt)＝t[m]-1·{f}-t[m]-1·[k]w1(kt)(14)
式中，t为采样周期，k＝1,2,3…，w1((k+1)t)为下一采样时刻的摆动模态坐标。
根据式(13)、(14)，可以通过利用式(10)计算的起重臂实时回转动刚度和利用实测起重臂的摆动幅值计算的起重臂摆动模态坐标预测下一采样时刻的起重臂摆动模态坐标，然后根据式(1)计算下一采样时刻的起重臂摆动幅值。
根据预测的起重臂下一时刻的摆动幅值，通过起重臂回转动刚度自适应调节系统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，调节斜拉钢筋的长度，调整起重臂的刚度，达到消除起重臂摆动的目的。
由图2可根据三角余弦定理可知起重臂在下一时刻需要调节斜拉水平调节绳的长度为：
式中，t为采样周期，δl((k+1)t)为在(k+1)t时刻斜拉钢丝绳需要调节的长度，y(lb,(k+1)t)为在(k+1)t时刻起重臂端部的摆动幅值，h为撑杆的长度，l为撑杆自由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自适应调节起重臂回转动刚度以消除摆动的系统，如图1和图2所示，包括斜拉水平调节绳25、黑匣子24、倾角仪19、gps测量仪16、中控系统(中控台23)、起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统、起重臂回转动刚度计算子系统、起重臂端部摆动幅值预测子系统和起重臂回转动刚度自适应调节子系统。
斜拉水平调节绳25一端与起重臂铰接，一端与起重臂回转动刚度自适应调节子系统的伺服电机10连接；
gps测量仪16安装在起重臂端部，用于测量起重臂端部在回转平面内运动的位置；并且该装置具有无线发射功能，将测量的实时数据通过无线模块传输到驾驶室内的中控系统(中控台)。为了实时测量起重臂端部的摆动幅值和频率，gps测量仪的测量频率不低于5hz。
倾角仪19安装在吊钩18上，并且具有无线发射功能，用于测量吊绳与过起重臂轴线的竖直平面的夹角，利用无线传输模块将数据传输到驾驶室的中控系统(中控台)。安装倾角仪19时应注意保证倾角仪的水平度。
黑匣子24用于储存和输出回转运动的角速度、角加速度和起重量。
中控系统，实现数据的转换和控制数据传输功能，将由gps测量仪输出的数据转换为起重臂的实时摆动幅值输入到起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统；将黑匣子输出的回转运动的角速度、角加速度和起重量输入到起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统和回转运动起重臂回转动刚度计算子系统；将由起重臂端部摆动模态坐标函数输出的端部模态坐标和起重臂回转动刚度计算子系统输出的起重臂回转实时动刚度输入到起重臂端部摆动幅值预测子系统，将由起重臂端部幅值预测子系统输出的数据输入到回转运动起重臂回转动刚度自适应调节子系统。
起重臂端部摆动模态坐标函数计算子系统，建立起重机回转运动角速度、角加速度和起重量与起重臂端部摆动幅值和摆动频率的动力学关系，将通过中控系统输出的起重臂实时摆动幅值、回转运动角速度、角加速度和起重量根据对应关系计算起重臂实时摆动模态坐标，将计算的起重臂实时摆动模态坐标通过中控系统输入到起重臂端部摆动幅值预测子系统。
起重臂回转动刚度计算子系统，基于起重机回转运动加速度、角加速度和起重量与起重臂端部摆动幅值的动力学关系建立起重臂回转动刚度计算公式，通过中控系统输出的回转运动角速度、角加速度和起重量根据起重臂回转动刚度计算公式计算起重臂实时回转动刚度，并将计算数据通过中控系统输入到起重臂端部摆动幅值预测子系统。
起重臂端部摆动幅值预测子系统，利用中控系统输出的回转运动起重臂实时摆动模态坐标和回转运动起重臂实时回转动刚度通过差分方程计算起重臂下一时刻的摆动模态坐标，并进一步计算出起重臂下一时刻的摆动幅值输入到中控系统。
起重臂回转动刚度自适应调节子系统，由伺服驱动器9和伺服电机10组成，利用由中控系统输出的起重臂下一时刻的摆动幅值计算下一时刻所需调节的斜拉钢筋的长度，通过控制器生成控制命令，伺服驱动器9驱动伺服电机10运动，调整斜拉水平调节绳25的长度，进而可以调整起重臂的刚度，以达到消除起重臂摆动的目的。
本发明未详尽说明的内容均为现有技术。