专利名称：一种塔带机运行状态的检测和控制方法
技术领域：
本发明涉及水利工程施工设备状态检测控制领域，具体是一种塔带机的运行状态检测和控制方法，用于提供高混凝土坝施工过程混凝土输送设备塔带机的安全稳定运行参数的设计、校核、故障诊断及分析的数据。
背景技术：
大型水利工程大坝的浇筑是个浇筑总量和浇筑强度都非常大的系统工程，如此巨大的混凝土浇筑总量和浇筑强度必须寻求混凝土的快速施工方案；而混凝土输送设备塔带机的能否正常工作对整个方案将将起到决定性作用。大型施工机械与施工过程所涉及到的环节多，关系复杂且动态变化。因此，如何保障和实现混凝土输送设备塔带机的安全稳定运行是关键，具有重要的意义。目前，国内外水利工程大坝的浇筑所用塔带机的运行、控制及检测在实际工程中尚没有完善的技术资料。对于一个浇筑量如此大的水利大坝工程来说，如果在塔带机安装前对所涉及的因数考虑不完善，就可能因为中间某一环节出现故障时导致整个工程的停止，严重影响大坝的浇筑进度，工期延迟。也势必给建设施工单位及业主单位带来巨大的损失。在我国，塔带机的出现时间很短，设计及制造上都不是很完善，存在一定的脆弱性，塔带机在中国是首次使用，在世界上也是首次大规模地使用，其施工工艺过程较传统的方法有诸多不同之处，运行及管理经验不足，没法借鉴参考；塔带机的运行和维修资料严重匮乏；除此之外，塔带机系统在工作运行中还会出现和遇到相关的技术难题，譬如三峡工程生产规模和系统复杂程度等突出问题，在国内外没有可以引进和借鉴的技术，致使国外供货商和国际有关权威研究机构都无法有效解决其存在的问题。因此，塔带机系统结构和控制的复杂性、混凝土浇注需求的不均勻性以及施工过程中突发事件的随机性都将大大增加整个施工系统运行和管理的难度，向工程施工建设单位及其管理部门提出了严峻的挑战。针对塔带机在工程应用中容易出现的问题，部分学者和专家也提出了一些具体的修改方案，比如哈尔滨工业大学的研究团队对塔带机混凝土输送臂的转向工况进行了多体系统动力学分析，将输送臂、钢丝绳视为运动柔性体，运动方程采用一种新的有限元显式表达形式，与吊臂一起组装建立系统动力学方程；中国葛洲坝集团的技术人员分析总结了塔带机在碾压混凝土施工中可能遇到的问题及影响因素，包括下料冲击力、仓面施工组织和施工工艺、坝体外形及浇筑盲区、废弃料的处理及安全卫生、信息联络与综合监控等，为塔带机在碾压混凝土施工中的应用提供了有益的借鉴；杭州国电大力机电工程有限公司开展了对三峡塔带机的PLC故障诊断系统的研究，描述了该系统的网络构成、硬件配置和软件组态，通过相关通讯网络实现外部故障诊断。即使相关研究已经开始，但是目前还不能从根本上解决塔带机故障在线诊断，需要对塔带机进行定时统一的停机全面检测和维修，这样对工程势必带来重大影响；严重影响塔带机的使用效率和工程的工期，同事大大增加了人力成本和维修成本。比如在三峡二期工程中，单台塔带机的生产使用率仅为理论值的一半，严重影响了混凝土浇筑的施工进度和资源的浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种塔带机的运行状态检测方法，通过参数校核来预估塔带机工作过程中关键部位可能存在的故障，解决塔带机使用效率低下的问题。为实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下一种塔带机的运行状态检测和控制方法，包括如下步骤1、首先依据塔带机机械的实际尺寸，建立塔带机的机械模型；2、根据理论工况对所述机械模型进行动力学和静力学分析，获得塔带机的理论运行状态参数，包括理论疲劳强度、理论速度、理论加速度、理论强度和理论刚度。3、根据当前工况对所述机械模型进行动力学和静力学分析，获得塔带机的当前实际运行状态参数，包括疲劳强度、速度、加速度、强度和刚度。4、运行状态检测和控制将所述当前实际运行状态参数与所述理论运行状态参数分别对应进行比较，判断出塔带机的运行状态，并根据运行状态进行控制，具体为(I)若当前实际运行状态与理论运行状态各项参数差值均小于各自阈值，则塔带机运行正常，返回步骤(3)。(II)若实际运行状态与理论运行状态各参数中任一参数的差值超出该参数对应的阈值，则塔带机运行不正常，相应调整塔带机运行工况，再返回步骤(3)。其中，各参数对应的阈值本领域技术人员可以根据实际工况确定，一般设定在该参数在理论运行状态下值的5% -10%范围内。其中，调整塔带机运行工况具体过程如下通过控制系统调整液压系统的输出参数，如输出力和输出时间，从而调整塔带机输入参数，包括调整塔带机的输入动力或运行时间，即可改变塔带机运行工况。本发明所运用到的虚拟样机技术，是将塔带机系统各个独立的分系统机械子系统、液压子系统和电液控制子系统等分别建模，对其中的机械、液压及电液控制子系统等部分的参数进行校核，不但可以检查施工中塔带机系统参数状态及其变化，保证施工安全及预估存在的潜在危险，而且可以避免塔带机的实际运行，减少实际运行所需的成本，提高塔带机的使用效率。这样可以大大缩短塔带机的运行时间，并且在极短的时间内对塔带机各个关键参数进行监控、调整和维护，为塔带机的安全运行提供保障。同时减少了施工现场的人力成本。
图1 本发明技术方案流程2 本发明的机械、液压及电控制三系统的联合仿真示意图
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
塔带机的运行状态检测和控制方法，包括如下步骤1、对塔带机的机械系统建立模型，根据塔带机机械的实际尺寸，通过CAD软件建立塔带机的机械模型。本实施例优选SoIidworks软件。2、根据理论工况对所述机械模型进行动力学和静力学分析。首先，将塔带机的机械模型从CAD软件导入有限元分析(CAE)软件中，在有限元分析软件中定义单元类型、材料属性、网格划分获得该机械模型的有限元模型。然后添加边界约束条件，包括理论定位约束、理论载荷的大小和方向约束，通过有限元分析软件获得理论运行状态参数，包括理论疲劳强度、理论速度、理论加速度、理论强度和理论刚度。3、根据当前实际工况对所述机械模型进行动力学和静力学分析。首先将塔带机的机械模型从CAD软件导入有限元分析软件中，在有限元分析软件中需要定义单元类型、材料属性、网格划分获得该机械模型的有限元模型。然后添加边界约束条件，包括当前工况的定位约束、当前工况下载荷的大小和方向约束。通过有限元分析软件获得当前实际运行状态参数，包括理论疲劳强度、理论速度、理论加速度、理论强度和理论刚度。其中有限元分析软件本实施例优选ANSYS软件；有限元模型中需定义的单元类型选用的是梁单元，因为塔带机机械部分主要是由一根根梁焊接而成。材料属性的杨氏模量、 泊松比和密度按照最常用的45号钢选取。4、运行状态检测和控制将实际输出结果与理论输出结果进行比较，判断塔带机的运行状态。(I)若实际运行状态中各运行参数与理论运行状态各参数差值均小于一定阈值， 则确定塔带机的运行正常，不进行控制，直接返回第3步。阈值可以根据实际工况确定，一般设定在理论运行状态各参数的5% -10%范围内。(II)若实际运行状态中各运行参数与理论运行状态各参数差值超出该阈值，则塔带机运行不正常其中，相应调整塔带机运行工况，返回步骤(3)，循环执行，直至塔带机运行正常。其中，调整塔带机运行工况具体过程如下通过外部控制系统调整液压系统的输出参数，如输出力和输出时间，从而调整塔带机输入参数，包括调整塔带机的输入动力或运行时间，即可改变塔带机运行工况。控制系统本实施例优选PID控制系统；液压系统采用AMESim软件，该软件的输入与输出接口能很好的与PID控制系统和机械模型连接组成一个系统。
权利要求
1.一种塔带机运行状态的检测和控制方法，具体包括如下步骤(1)首先依据塔带机机械尺寸，建立塔带机的CAD模型；(2)根据理论工况对所述模型进行动力学和静力学分析，获得塔带机的理论运行状态参数，包括理论疲劳强度、理论速度、理论加速度、理论强度和理论刚度；(3)根据当前实际工况对所述模型进行动力学和静力学分析，获得当前实际运行状态参数，包括疲劳强度、速度、加速度、强度和刚度；(4)运行状态检测和控制将当前实际运行状态各参数与理论运行状态各参数分别进行比较，判断出塔带机的运行状态，并根据运行状态进行具体控制，具体为(I)若当前实际运行状态各参数与各自对应的理论运行状态参数差值均小于各参数所对应的阈值，则塔带机运行正常，直接返回步骤(3)；(II)若当前实际运行状态与理论运行状态中任一项参数的差值超出该参数对应的阈值，则塔带机运行不正常，则相应调整塔带机运行工况，再返回步骤(3)。
2.根据权利要求1所述的检测和控制方法，其特征在于，所述各参数对应的阈值为相应理论运行状态参数值的5%-10%。
3.根据权利要求1或2所述的检测和控制方法，其特征在于，通过控制系统调整塔带机液压系统的输出力或输出时间，从而调整塔带机输入参数，即可改变塔带机运行工况，其中所述输入参数为输入动力或运行时间。
4.根据权利要求3所述的检测和控制方法，其特征在于，所述控制系统为PID控制系统。
5.根据权利要求1-4之一所述的检测和控制方法，其特征在于，所述理论运行状态参数或实际运行状态参数通过如下过程获得首先定义单元类型、材料属性和网格划分，获得塔带机模型对应的有限元模型，然后通过添加边界约束条件，包括定位约束、载荷的大小和方向，即可获得运行状态参数。
全文摘要
本发明公开了一种塔带机运行状态的检测和控制方法，包括(1)首先建立塔带机的机械模型；(2)根据理论工况对所述机械模型进行动力学和静力学分析，获得塔带机的理论运行状态参数；(3)根据当前实际工况对所述机械模型进行动力学和静力学分析，获得当前实际运行状态参数；(4)将当前实际运行状态各参数与理论运行状态各参数分别进行比较，判断出塔带机的运行状态，并根据运行状态进行具体控制。本发明不但可以检查施工中塔带机系统参数状态及其变化，保证施工安全及预估存在的潜在危险，而且可以避免塔带机的实际运行，减少实际运行所需的成本，提高塔带机的使用效率。
文档编号G01M99/00GK102182189SQ20111006518
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者丁姗, 刘任改, 吴峰, 周建中, 李斌, 程心环, 聂凌霄, 胡月, 黎育红 申请人:华中科技大学