一种塔机塔身损伤状态特征点映射模型的建立方法与快速判别损伤的方法

摘要

一种塔机塔身损伤状态特征点映射模型的建立方法与快速判别损伤的方法，包括：通过构建塔身不同损伤位置组合状态下的塔机结构，并采集恒定载荷工况下各损伤状态下的塔机回转臂回转一周时的塔身顶端空间位置数据集。将空间位置数据进行N次和函数拟合，提取拟合得到的正弦函数的幅值、频率、相位等特征向量集。将各损伤状态下在x轴和y轴方向上拟合误差最小的弦函数的前3次函数的特征向量集作为三角形顶点构建特征平面集，以完好状态下的特征平面作为参考平面，计算其他平面与参考平面在两坐标轴方向的夹角，采用夹角值构建各状态在二维平面内的点云图，以此作为损伤状态评判依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种塔机塔身损伤状态特征点映射模型的建立方法与快速判别损伤的方法，属于建筑机械智能监控的技术领域。

背景技术

塔机作为一种现代化起重设备在建筑等行业得到广泛的应用。因其常年工作在重载、冲击特性较大的高危场所，在自身重力以及外界复杂环境的影响下，极易发生损伤，带来巨大的经济损失和人员伤亡。

塔身作为主要的承载结构件，是塔机中最容易出现损伤的部位之一。为保障塔机安全运行，故急需一种快速、有效、准确的识别方法来监测塔机塔身的运行状态。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种塔机塔身损伤状态特征点映射模型的建立方法。本发明依据模型中单个特征点分布云图，实现对塔机塔身状态的快速、准确识别：具体地说是应用塔机塔身顶端的空间位移量，通过参数化模型拟合与特征提取，将塔机塔身在圆周方面的高维特征向量映射到二维平面点云模型，建立单点特征与损伤状态的对应关系。

本发明还公开利用上述模型快速判别塔身损伤的方法。

本发明详细的技术方案如下：

一种塔机塔身损伤状态特征点映射模型的建立方法，其特征在于，包括：

1)采集不同状态下的塔机塔身状态数据集

1-1)搭建塔身完好状态下的塔机结构、搭建塔身主肢具有单一位置损伤时的塔身结构、搭建塔身主肢具有多个位置损伤时的塔身结构，通过此搭建可以模拟塔身完好、塔身单主肢损伤以及同层或不同层多主肢损伤对应I+1种不同状态下的塔机结构；

1-2)建立相对坐标系：以塔机塔身顶端回转支承平面与塔身中心线的交点为坐标原点o，坐标轴x的正方向为沿着起重臂远离塔身方向，z轴正方向是沿着垂直于地面的塔身中心线方向向上，y方向垂直于起重臂轴线方向且和x轴和z轴符合右手螺旋法则，相对塔身而言，承受的弯矩、压力、载荷在相对坐标系内；

1-3)获取塔身在完好和各损伤状态数据集：

针对塔身完好和不同主肢损伤的状态，分别使塔机回转臂在恒定载荷工况下绕塔身回转一周，每旋转ω°采集一个相对坐标系的塔机塔身顶端空间位置点集(x

获取I+1种状态下的数据样本集(X，Y)，既包括塔身完好状态和不同主肢损伤的状态：

在所述公式(1)中，X

在所述公式(2)中，Y

2)提取不同损伤状态下的特征向量集

2-1)对步骤1)中的所述塔机塔身顶端空间位置点集进行归一化处理；

2-2)进行正弦N次和函数拟合，得到塔机塔身顶端空间位置点的特征向量集，如公式(3)和(4)所示：

其中，j＝0，1，2，3，…N，N表示拟合得到的正弦函数的个数，a

分别以a

3)构建损伤状态特征映射平面模型

3-1)选取拟合误差量最小的N次和函数对应的前3组(j＝0，1，2)特征向量集构建特征映射平面：

建立三维坐标系OXYZ，在所述三维坐标系OXYZ中，以i种状态下塔机塔身顶端在x方向的空间位置量的前3组特征向量集(a

m

3-2)分别求平面集m

令

其中：

令

其中：C

3-3)分别计算平面集m

其中，

3-4)建立平面坐标系o′x′y′，过坐标原点且沿着水平方向做一条直线作为x′轴，取向右为正方向，过坐标原点且垂直于x′轴做一条直线作为y′轴，取向上为正方向，分别以夹角

利用上述模型快速判别塔身损伤的方法，其特征在于，包括，

依据步骤3)计算I种状态在x′轴和y′轴方向上的特征映射平面与参考平面的夹角值

预设I种状态在x′轴和y′轴方向上的特征映射平面与参考平面的夹角阈值θ

当满足

当

本发明的技术优势在于：

本发明通过构建塔机塔身的不同损伤部位组合状态，并采集回转臂在塔机塔身各状态下旋转一周的多个塔身顶端在x轴和y轴方向的空间位置坐标值，采用N次和函数进行拟合，求得拟合所得的正弦函数的幅值、频率以及相位N组特征向量。分别取拟合误差最小的前3组特征向量为三角形顶点构建特征平面，并以塔机完好状态下构建的平面作为参考平面，计算其他类型损伤状态与该参考平面的夹角，以各夹角数值作为损伤状态评判依据，能快速准确地识别塔机塔身的运行状态。本发明实现了塔机塔身状态数据特征维度约简，建立了损伤状态与单个特征值之间的对应关系，为塔机塔身状态监测提供了可靠的参数指标。

附图说明

图1为本发明塔机塔身损伤状态特征点映射模型的建立方法的流程图；

图2是利用图1的方法进行快速判别损伤的方法流程图；

图3为本发明所述塔机塔身损伤位置组合状态描述表；

图4-1、4-2、4-3、4-4分别是本发明实施例所述其中4种损伤状态与完好状态的特征平面关系图；

图5为本发明所述单点特征映射平面点云图，其中安全区域是由预设的横坐标取值θ

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，但不限于此。

如图1所示。

以下实施例以QTZ40塔机为例，通过计算同一型号塔机塔身各损伤状态下的特征映射平面与完好状态特征映射参考平面之间的夹角的关系，快速准确识别该型号塔机塔身的损伤状况。

实施例1、

一种塔机塔身损伤状态特征点映射模型的建立方法，包括：

1)采集不同状态下的塔机塔身状态数据集

1-1)搭建塔身完好状态下的塔机结构、搭建塔身主肢具有单一位置损伤时的塔身结构、搭建塔身主肢具有多个位置损伤时的塔身结构；

在附图3中，给出了塔机塔身损伤位置组合状态图，左侧所列“0-30”是状态标号，其中0代表塔身完好状态，1-30代表30中塔身损伤状态，图中“一、二、三、四、五”表示塔机塔身标准节的层数，横向数字“1-4”表示每层标准节上的主肢按照逆时针进行的编号，“√”表示所对应主肢发生了损伤。

1-2)建立相对坐标系：以塔机塔身顶端回转支承平面与塔身中心线的交点为坐标原点o，坐标轴x的正方向为沿着起重臂远离塔身方向，z轴正方向是沿着垂直于地面的塔身中心线方向向上，y方向垂直于起重臂轴线方向且和x轴和z轴符合右手螺旋法则；

1-3)获取塔身的各状态数据集：

针对塔身不同的状态，分别使塔机回转臂在恒定载荷工况下绕塔身回转一周，每旋转ω°采集一个相对坐标系的塔机塔身顶端空间位置点集(x

获取I+1种状态下的数据样本集(X，Y)：

在所述公式(1)中，X

在所述公式(2)中，Y

2)提取不同损伤状态下的特征向量集

2-1)对步骤1)中的所述塔机塔身顶端空间位置点集进行归一化处理；

2-2)进行正弦N次和函数拟合，得到塔机塔身顶端空间位置点的特征向量集，如公式(3)和(4)所示：

其中，j＝0，1，2，3，…N，N表示拟合得到的正弦函数的个数，a

分别以a

3)构建损伤状态特征映射平面模型

3-1)选取拟合误差量最小的N次和函数对应的前3组(j＝0，1，2)特征向量集构建特征映射平面：

建立三维坐标系OXYZ，在所述三维坐标系OXYZ中，以i种状态下塔机塔身顶端在x方向的空间位置量的前3组特征向量集(a

m

3-2)分别求平面集m

令

其中：

令

其中：C

3-3)分别计算平面集m

其中，

3-4)建立平面坐标系o′x′y′，过坐标原点且沿着水平方向做一条直线作为x′轴，取向右为正方向，过坐标原点且垂直于x′轴做一条直线作为y′轴，取向上为正方向，分别以夹角

实施例2、

利用如实施例1所述模型快速判别塔身损伤的方法，包括，

依据步骤3)计算I种状态在x′轴和y′轴方向上的特征映射平面与参考平面的夹角值

预设I种状态在x′轴和y′轴方向上的特征映射平面与参考平面的夹角阈值θ

当满足

当

如图5所示，其中虚线框下侧定义为安全区域，也即特征点落在该范围认为塔机塔身处于完好状态，否则认为发生了损伤。

计算标号1-30的损伤状态在x轴和y轴方向上的特征平面与参考平面的两个夹角值