CN105236270A - 塔式起重机的重心检测方法、装置、系统及塔式起重机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔式起重机的重心检测方法、装置、系统及塔式起重机。其中，该方法包括：获取起吊物体的起吊质量，其中，起吊质量至少包括：起吊物体的质量；获取起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度；根据起吊质量和力臂长度进行重心位置计算，得到塔式起重机的塔吊重心位置。本发明解决了由于为检测塔式起重机重心位置额外添加传感器，导致的提高系统成本的技术问题。

Description

塔式起重机的重心检测方法、装置、系统及塔式起重机

技术领域

本发明涉及塔式起重机领域，具体而言，涉及一种塔式起重机的重心检测方法、装置、系统及塔式起重机。

背景技术

随着我国建筑业的不断发展，在各大中城市中建设的高层建筑不断增多，塔式起重机的应用越来越广泛，塔式起重机已成为在高层建筑施工中的垂直运输的主动脉。但是，由于塔式起重机是一种运行式回转起重机，具有工作重心高、工作负载大、受力情况复杂、稳定性较差、频繁转移工作场所等特点，是事故多发的特种设备之一，且事故造成的损失巨大。

塔式起重机的重心和其他起重机不同，其功能特性和结构特点决定了其重心位置很高，在不同配置、不同工况条件下，只有当塔式起重机重心处于安全范围内时，工作才是安全的。

图1是现有技术的一种重心检测系统。如图1所示，现有的重心检测系统由四个参数相同的应变式传感器12及相应的控制电路组成。四个应变式传感器12利用胶接的方式(如粘胶剂、黏结剂等)分别固定于回转塔身11的四根主弦杆111上，用于检测四个主弦杆应变的大小。将测量的信号传输给PLC控制器，由PLC控制器根据静力平衡原理计算上部结构重心位置。该重心检测系统仅确定塔式起重机上部结构重心，对比塔式起重机上部结构重心落点与顶升横梁的相对位置关系，辅助完成塔式起重机顶升配平工作。

在现有技术中还没有专门的塔式起重机重心监控系统，虽然在顶升配平及平衡力矩调整系统中涉及有重心检测装置，但是该中心检测装置只是用于辅助完成，例如图1的顶升配平等相应的各项功能，并不涉及重心安全控制。而在塔式起重机的使用过程中，对其塔吊重心位置没有监控以及针对危险进行报警提示的相关控制措施，容易造成由于塔式起重机重心偏移较大，导致的相关机构损坏甚至倾翻倒塌。因此，如何对塔式起重机重心进行监控并控制，以实时保证其稳定性和安全性，是本领域需要解决的技术问题。

针对上述由于为检测塔式起重机重心位置额外添加传感器，导致的提高系统成本的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种塔式起重机的重心检测方法、装置、系统及塔式起重机，以至少解决由于为检测塔式起重机重心位置额外添加传感器，导致的提高系统成本的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种塔式起重机的重心检测方法，重心检测方法包括：获取起吊物体的起吊质量，其中，起吊质量至少包括：起吊物体的质量；获取起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度；根据起吊质量和力臂长度进行重心位置计算，得到塔式起重机的塔吊重心位置。

进一步地，根据起吊质量和力臂长度进行重心位置计算，得到塔式起重机的塔吊重心位置，包括：根据预先设置的塔式起重机的平衡臂侧的平衡臂总质量和平衡臂重心距离回转中心点的平衡力臂长度，确定平衡力矩，其中，平衡力矩为平衡臂侧对回转中心点作用的力矩，平衡臂总质量包括平衡臂的臂架自重与配重的质量；根据预先设置的塔式起重机的起重臂侧的臂架质量和起重臂重心距离回转中心点的臂架力臂长度，确定起重臂臂架力矩，其中，起重臂臂架力矩为起重臂侧的臂架对回转中心点作用的力矩；根据起吊质量和力臂长度，确定起重力矩，其中，起重力矩为起吊物体对回转中心点作用的力矩；计算臂架质量和起吊质量之和，与平衡臂总质量之间的质量差值；根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定塔吊重心位置。

进一步地，根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定塔吊重心位置包括：采用以下方式计算塔吊重心位置X_G：

X_G＝(G₁X₁+(G₃+G₄)R-G₂X₂)/(G₁+G₃+G₄-G₂)；

其中，G₁为起重臂侧的臂架质量，X₁为起重臂侧的臂架力臂长度，(G₃+G₄)R为起重力矩，G₂为平衡臂总质量，X₂为平衡臂侧的平衡力臂长度，G₃为起吊物体的质量，G₄为变幅小车的质量，R为力臂长度。

进一步地，在根据起吊质量和力臂长度进行重心位置计算，得到塔式起重机的塔吊重心位置之后，方法还包括：根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定起吊物体的安全移动距离；根据塔吊重心位置和安全移动距离，确定塔吊重心位置的重心安全范围。

进一步地，根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定起吊物体的安全移动距离包括：采用以下方式计算安全移动距离L：

$L=\frac{G_1{X}_1-G_2{X}_2}{G_1+G_3+G_4-G_2}+\frac{G_3+G_4}{G_1+G_3+G_4-G_2}\×(R_2-R_1);$

其中，G₁为起重臂侧的臂架质量，X₁为起重臂侧的臂架力臂长度，G₂为平衡臂总质量，X₂为平衡臂侧的平衡力臂长度，G₃为起吊物体的质量，G₄为变幅小车的质量，R₁为当前吊重下变幅小车的最小幅度值，R₂为当前吊重下变幅小车的最大幅度值。

进一步地，在根据塔吊重心位置和安全移动距离，确定塔吊重心位置的重心安全范围之后，方法还包括：根据重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的减速临界值，确定在重心安全范围之内与两侧的安全边界对应的减速位置；当变幅小车向安全边界运动且达到减速位置时，生成减速信号和/或第一报警信号；根据减速信号，生成用于控制变幅小车减速的减速指令。

进一步地，在根据塔吊重心位置和安全移动距离，确定塔吊重心位置的重心安全范围之后，方法还包括：根据重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的停车临界值，确定在重心安全范围之内与两侧的安全边界对应的停车位置；当变幅小车向安全边界运动且达到停车位置时，生成停车信号和/或第二报警信号。

进一步地，在生成停车信号之后，方法还包括：基于停车信号触发切断对变幅小车的控制；记录在切断对变幅小车的控制之后，对变幅小车进行控制的控制指令。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种塔式起重机的重心检测装置，重心检测装置包括：第一采集模块，用于获取起吊物体的起吊质量，其中，起吊质量至少包括：起吊物体的质量；第二采集模块，用于获取起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度；第一处理模块，用于根据起吊质量和力臂长度进行重心位置计算，得到塔式起重机的塔吊重心位置。

进一步地，装置还包括：第二处理模块，用于根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定起吊物体的安全移动距离；第三处理模块，用于根据塔吊重心位置和安全移动距离，确定塔吊重心位置的重心安全范围。

进一步地，装置还包括：第四处理模块，用于根据重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的减速临界值，确定在重心安全范围之内与两侧的安全边界对应的减速位置；第一生成模块，用于当变幅小车向安全边界运动且达到减速位置时，生成减速信号和/或第一报警信号；第二生成模块，用于根据减速信号，生成用于控制变幅小车减速的减速指令。

进一步地，装置还包括：第五处理模块，用于根据重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的停车临界值，确定在重心安全范围之内与两侧的安全边界对应的停车位置；第三生成模块，用于当变幅小车向安全边界运动且达到停车位置时，生成停车信号和/或第二报警信号。

进一步地，装置还包括：切断模块，用于基于停车信号触发切断对变幅小车的控制；记录模块，用于记录在切断对变幅小车的控制之后，对变幅小车进行控制的控制指令。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种塔式起重机的重心检测系统，包括：重量传感器，设置于塔式起重机变幅小车的定滑轮上，用于获取起吊物体的质量；幅度传感器，设置于塔式起重机变幅机构的卷筒轴端，用于获取起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度；控制单元，与重量传感器和幅度传感器电连接，用于根据获取到的起吊物体的质量和力臂长度，确定塔式起重机的塔吊重心位置。

进一步地，系统还包括：风速仪，与控制单元电连接，用于获取风速值；其中，控制单元根据风速值，生成第三报警信号。

进一步地，系统还包括：报警装置，与控制单元电连接，用于根据控制单元生成的第三报警信号和/或第四报警信号，进行声音报警和/或灯光报警，其中，第四报警信号在当控制单元确定塔吊重心位置运动至停车位置时生成。

进一步地，系统还包括：定位装置，与控制单元电连接，用于将定位到的塔式起重机的位置信息发送至控制单元。

根据本发明实施例的另一方面，还提供一种塔式起重机，包括上述任意一项所述的重心检测系统。

在本发明实施例中，采用获取起吊物体的起吊质量，其中，起吊质量至少包括：起吊物体的质量；获取起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度；根据起吊质量和力臂长度进行重心位置计算，得到塔式起重机的塔吊重心位置的方式，实现对塔式起重机的重心位置进行监控的目的，从而达到在利用塔式起重机现有传感器的条件下，实现对重心位置进行监控的技术效果，进而解决了由于为检测塔式起重机重心位置额外添加传感器，导致的提高系统成本的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术中的一种重心检测系统的示意图；

图2是根据本发明实施例一的塔式起重机的重心检测系统的结构示意图；

图3是根据本发明实施例一的可选的塔式起重机的重心检测系统的结构示意图；

图4是结合本发明实施例在实际应用当中的塔式起重机的重心检测系统的结构示意图；

图5是根据本发明实施例二的塔式起重机的重心检测方法的流程图；

图6是根据本发明实施例的塔式起重机的结构示意图；

图7是根据本发明实施例的塔式起重机的结构示意图；

图8是结合本发明实施例二的塔式起重机的重心检测方法在实际应用当中的流程图；

图9是根据本发明实施例三的塔式起重机的重心检测装置的示意图；以及

图10是根据本发明实施例三的可选的塔式起重机的重心检测装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本实施例提供了一种塔式起重机的重心检测系统，所述塔式起重机包括起重臂、平衡臂和设置于所述起重臂上的变幅小车，如图2所示，该系统可以包括：重量传感器11、幅度传感器13和控制单元15。

其中，重量传感器11，设置于塔式起重机变幅小车的定滑轮上，用于获取起吊物体的质量；幅度传感器13，设置于塔式起重机变幅机构的卷筒轴端，用于获取起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度；控制单元15，与重量传感器和幅度传感器电连接，用于根据获取到的起吊物体的质量和力臂长度，确定塔式起重机的塔吊重心位置。

由于塔式起重机的平衡臂侧的平衡臂质量、配重块重量和起重臂侧的起重臂质量是相对固定的，而塔式起重机的重心随起吊物体的质量和距离回转中心点的水平距离的变化而产生改变，因此，可以利用塔式起重机中现有的重量传感器11、幅度传感器13实时采集到的起吊参数发送至控制单元15，并由控制单元15计算塔式起重机的塔吊重心位置。实现对塔式起重机的重心位置进行监控的目的，从而达到在利用塔式起重机现有传感器的条件下，实现对重心位置进行监控的技术效果，进而解决了由于为检测塔式起重机重心位置额外添加传感器，导致的提高系统成本的问题。

在实际应用当中，可以利用重量传感器、幅度传感器实时获取当前的起重物体的重量、幅度等信息，并输送至采用上述方法的控制器，并通过该控制器计算出塔式起重机的塔吊重心位置，并将其发送至显示屏进行显示。同时，控制器还可以通过获取变幅小车的档位信息、实时风速信息等，对重心安全范围进行设置。当塔式起重机的操作人员在进行回转、小车变幅或其他操作时，控制器可以通过重心安全范围做出相应的报警操作或停车操作。若继续对其进行你给强制操作，则由塔式起重机的PLC装置输出停机控制信号，从而控制塔机停机。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，上述系统还包括：风速仪17。

其中，风速仪17，与控制单元电连接，用于获取风速值；其中，控制单元15根据风速值，生成第三报警信号。

具体的，过大的风速会对塔式起重机的作业产生影响，尤其是在起吊体积庞大的起吊物体时，往往大风会将起吊物体吹里原有的位置，并产生摆动。因此，当获取到的风速值超过预先设置的阈值时，控制单元15生成第三报警信号，以提示操作人员谨慎操作或停止操作。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，上述系统还可以包括：报警装置21。报警装置21与控制单元15电连接，用于根据控制单元15生成的第三报警信号和/或第四报警信号，进行声音报警和/或灯光报警，其中，第四报警信号在当控制单元15确定塔吊重心位置运动至停车位置时生成。

作为一种可选的实施方式，如图3所示，上述系统还可以包括：定位装置23。与控制单元15电连接，用于将定位到的塔式起重机的位置信息发送至控制单元。

具体的，可以通过定位装置23获取位置信息，并通过PLC装置将停机控制信息和位置信息发送给远程控制装置，以便远程控制装置对采集到数据进行收集、分析及远程控制等处理。其中，定位装置23可以为GPS终端。

作为一种可选的实施方式，如图4所示，在实际应用当中，在塔式起重机开始起吊后，通过计算重心安全范围，当重心位置移动到停车临界值所在的停车位置时，可以通过控制器控制报警灯闪烁，蜂鸣器鸣叫报警，以提示操作人员注意并进行相应的减速操作。当重心位置移动到停车临界值所在减速位置时，控制器除控制进行报警外，还发出控制信息给逻辑控制器PLC，逻辑控制器PLC控制变幅机构，使变幅小车不能再向危险方向移动，若强制操作，则控制塔机锁车。除此之外，由于风速的大小也会对重心的偏移产生不确定的影响，上述方法还可以利用风速仪采集实时风速信息，当风速达到设定值时控制器同样进行报警。

控制器还可以通过逻辑控制器PLC与GPS终端通信，通过逻辑控制器PLC将危险区域自动停车次数、强制操作次数等情况发送给远程控制终端，以便进行统计、分析及相应的处理。

实施例2

根据本发明实施例，提供了一种塔式起重机的重心检测方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

塔式起重机包括塔身、旋转塔柱、起重臂、平衡臂、设置于起重臂上的变幅小车、设置于变幅小车的定滑轮上的重量传感器和设置于塔式起重机变幅机构的卷筒轴端幅度传感器，如图5所示，该方法包括如下步骤：

步骤S12，获取起吊物体的起吊质量，其中，起吊质量至少包括：起吊物体的质量。

具体的，在步骤S12中，通过设置于变幅小车的定滑轮上的重量传感器，实时采集塔式起重机起吊的起吊重量。其中，塔式起重机的变幅动作是由安装于起重臂上的变幅小车完成，通过变幅小车垂下的钢缆，带动起吊物体进行垂直方向的移动；通过变幅小车在起重臂上的水平移动，带动起吊物体在水平方向的移动。由于，起吊物体随着变幅小车的移动而移动，因此，也可以将起吊物体和变幅小车视作一个整体，将变幅小车自身的质量和起吊物体的质量作为起吊质量，以便于计算。当然，当变幅小车的质量远小于起吊物体的质量是，变幅小车的质量也可忽略不计。此处可视具体情况而定，不做具体限定。

步骤S14，获取起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度。

具体的，在步骤S14中，通过设置于塔式起重机变幅机构的卷筒轴端幅度传感器，实时采集塔式起重机在起吊物体时的变幅幅度，从而确定起吊物体距塔式起重机的回转中心点的水平距离，即力臂长度。

步骤S16，根据起吊质量和力臂长度进行重心位置计算，得到塔式起重机的塔吊重心位置。

具体的，在步骤S16中，根据实时采集到的起吊物体的起吊质量和起吊物体距离回转中心点的力臂长度，计算得到在起吊该起吊物体时塔式起重机的塔吊重心位置。

由于塔式起重机的平衡臂侧的平衡臂质量、配重块重量和起重臂侧的起重臂质量是相对固定的，而塔式起重机的重心随起吊物体的质量和距离回转中心点的水平距离的变化而产生改变，因此，可以通过上述步骤S12至步骤S16，利用塔式起重机中现有的重量传感器、幅度传感器实时采集到的起吊参数，并计算塔式起重机的塔吊重心位置。实现对塔式起重机的重心位置进行监控的目的，从而达到在利用塔式起重机现有传感器的条件下，实现对重心位置进行监控的技术效果，进而解决了由于为检测塔式起重机重心位置额外添加传感器，导致的提高系统成本的问题。

作为一种可选的实施方式，步骤S16根据起吊质量和力臂长度进行重心位置计算，得到塔式起重机的塔吊重心位置，包括：

步骤S61，根据预先设置的塔式起重机的平衡臂侧的平衡臂总质量和平衡臂的重心距离回转中心点的平衡力臂长度，确定平衡力矩，其中，平衡力矩为平衡臂侧对回转中心点作用的力矩，平衡臂侧的平衡臂总质量包括平衡臂的臂架自重与配重质量；

步骤S63，根据预先设置的塔式起重机的起重臂侧的臂架质量和起重臂的重心距离回转中心点的臂架力臂长度，确定起重臂臂架力矩，其中，起重臂臂架力矩为起重臂侧的臂架对回转中心点作用的力矩；

步骤S65，根据起吊质量和力臂长度，确定起重力矩，其中，起重力矩为起吊物体对回转中心点作用的力矩；

步骤S67，计算臂架质量和起吊质量之和，与平衡臂总质量之间的质量差值；

步骤S69，根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定塔吊重心位置。

具体的，由于塔式起重机的起重臂侧的臂架质量G₁、起重臂重心距离回转中心点的臂架力臂长度X₁、塔式起重机的平衡臂侧的平衡臂总质量G₂、平衡臂重心距离回转中心点的平衡力臂长度X₂以及变幅小车的质量G₄都是固定不变的。因此，可以预先对其进行标定。并且，通过臂架质量G₁和力臂长度X₁计算得到起重臂臂架力矩。通过平衡臂总质量G₂和平衡力臂长度X₂计算得到平衡力矩。然后进一步通过重量传感器实时采集起吊物体的起吊质量G₃和幅度传感器实时采集到的力臂长度R计算起吊物体对回转中心点作用的起重力矩，从而通过计算得到塔式起重机在起吊时的塔吊重心位置。

作为一种可选的实施方式，步骤S69根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定塔吊重心位置包括：采用以下方式计算塔吊重心位置X_G：

X_G＝(G₁X₁+(G₂+G₄)R-G₂X₂)/(G₁+G₃+G₄-G₂)；

其中，G₁为起重臂侧的臂架质量，X₁为起重臂侧的臂架力臂长度，(G₃+G₄)R为起重力矩，G₂为平衡臂侧的平衡臂总质量，X₂为平衡臂侧的平衡力臂长度，G₃为起吊物体的质量，G₄为变幅小车的质量，R为力臂长度。

具体的，如图6所示，塔吊重心位置的计算方法：塔吊重心位置是由以下参数决定的，以旋转塔柱的回转中心点作为坐标原点o，以起重臂臂方向为X轴建立坐标系。起重臂臂架的自重为G1，起重臂的重心与原点o的距离X₁；平衡臂臂架的自重与配重的总重为G₂，平衡臂的重心与原点o的距离X₂；起吊物体(包含吊钩、钢丝绳)的起吊重量为G₃，起吊物体的重心与原点o的距离R，即变幅小车的变幅幅度；变幅小车的自重为G₄，变幅小车的重心与原点o的距离也为R；通过上述参数，可以利用上述公式计算得到的塔式起重机的塔吊重心位置X_G。

作为一种可选的实施方式，在步骤S16根据起吊质量和力臂长度进行重心位置计算，得到塔式起重机的塔吊重心位置之后，方法还可以包括：

步骤S17，根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定起吊物体的安全移动距离。

步骤S18，根据塔吊重心位置和安全移动距离，确定塔吊重心位置的重心安全范围。

具体的，通过步骤S17至步骤S18，在确定平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩以及质量差值之后，可以确认起吊物体在塔式起重机上移动的安全距离。从而根据安全距离和塔吊重心位置确定塔吊重心在起重臂侧变化的重心安全范围。

作为一种可选的实施方式，步骤S17根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定起吊物体的安全移动距离包括：采用以下方式计算安全移动距离L：

$L=\frac{G_1{X}_1-G_2{X}_2}{G_1+G_3+G_4-G_2}+\frac{(G_3+G_4)}{G_1+G_3+G_4-G_2}\×(R_2-R_1);$

其中，G₁为起重臂侧的臂架质量，X₁为起重臂侧的臂架力臂长度，G₂为平衡臂总质量，X₂为平衡臂侧的平衡力臂长度，G₃为起吊物体的质量，G₄为变幅小车的质量，R₁为当前吊重下变幅小车的最小幅度值，R₂为当前吊重下变幅小车的最大幅度值。

具体的，塔吊重心位置X_G是随起吊质量G₃以及起吊物体的重心与原点o的距离R的变化而变化的。在当起吊后之后，变幅小车在进行变幅运动或回转运动时，由于起吊质量G₃不变，因此，由变幅幅度R决定塔吊重心的位置X_G。由此原理，可以进一步计算出塔机重心X_G的移动距离L。从而计算塔吊重心位置的重心安全范围，即以X_G为中心，可向前或向后移动L/2的距离。

作为一种可选的实施方式，在步骤S18根据塔吊重心位置和安全移动距离，确定塔吊重心位置的重心安全范围之后，方法还可以包括：

步骤S19a，根据重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的减速临界值，确定在重心安全范围之内与两侧的安全边界对应的减速位置；

步骤S20a，当变幅小车向安全边界运动且达到减速位置时，生成减速信号和/或第一报警信号。

步骤S21a，根据减速信号，生成用于控制变幅小车减速的减速指令。

具体的，如图7所示，由于变幅小车具有惯性，因此，变幅小车若以较高速度运动至安全边界后紧急制动，将出现塔吊重心偏离重心安全范围的情况，由此，可能将产生危险。因此，可以通过步骤S19a至步骤S21a，在安全边界内侧设置用于控制变幅小车减速的减速位置。进而，当变幅小车行驶至位于中心安全范围两侧的安全边界之前的预定距离L1时，控制器生成用于控制变幅小车减速的减速信号。同时，也可以同时生成第一报警信号，从而可以通过声音或者灯光的方式提示操作人员对变幅小车进行减速操作。进一步的，变幅小车在接收到减速信号之后，根据减速信号缓慢降低自身运行的速度，平缓的将速度降低至0，使变幅小车可以平稳的停在重心安全范围之内。

作为一种可选的实施方式，在步骤S18根据塔吊重心位置和安全移动距离，确定塔吊重心位置的重心安全范围之后，方法还包括：

步骤S19b，根据重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的停车临界值，确定在重心安全范围之内与两侧的安全边界对应的停车位置。

步骤S20b，当变幅小车向安全边界运动且达到停车位置时，生成停车信号和/或第二报警信号。

具体的，如图7所示，为了便于操作人员进行控制，通过步骤S19b至步骤S20b，在重心安全范围内距离两侧的安全边界的预定距离L2处设置停车位置。当变幅小车到达停车位置时，根据生成的第二报警信号以声音和/或灯光的方式，提示操作人员控制变幅小车停车。于此同时，还可以根据生成停车信号，从而使变幅小车自行平稳缓慢的停止在重心安全范围内，从而确保塔式起重机的安全。

作为一种可选的实施方式，在实际应用当中，减速提前量L1和停车提前量L2，通过虚拟墙(即重心安全范围)达到平稳准确停车的目的，即小车正常运行在2～5档，当进入减速区域L2时，可以开始进入自动模式，并平稳减速。当到达停车区域L1时，减速至1档；并在停车区域L1中平稳缓慢停车。

具体实现如下：设重心位置X_G与虚拟墙之间的差为△L，小车运行速度为V(对应变频器频率f)。当变幅小车进入L1区域时为1档、速度V2(对应变频器频率为f2)。当L2﹤△L≦L1时(即重心位置在报警区域，但还未到达停车区域)，以1米为单位，对变频器输出的频率进行递减，从而使变幅小车减速。其中，可以将L1与L2的差值平均分成多段，并将多段中的每一段平均分成多份。对变频器的频率进行多次减法运算，每次平均减去预设的频率值，从而达到将变幅小车的档位平稳减速到1档、速度降低到V2的目的；当△L≦L2时，在该区间内使变频器的频率均匀降低至0，从而可以控制变幅小车平稳停在虚拟墙内。

作为一种可选的实施方式，在步骤S20b生成停车信号之后，方法还包括：

步骤S21b，基于停车信号触发切断对变幅小车的控制。

步骤S22b，记录在切断对变幅小车的控制之后，对变幅小车进行控制的控制指令。

具体的，为了达到监控操作人员是否违规操作塔式起重机、确保塔式起重机的使用安全等目的。可以通过步骤S21b至步骤S22b，在变幅小车达到停车位置之后，控制系统切断控制人员对变幅小车进行控制的权限，并将对变幅小车的控制方式切换至自动控制模式直至变幅小车停止。如果控制人员在切换至自动控制模式后，强行手动控制变幅小车进行加速、刹车等违规操作时，控制系统对违规操作生成的控制指令进行记录。进而，在后期可以根据上述控制指令，对操作人员进行培训等。

作为一种可选的实施方式，在实际应用当中，在塔式起重机开始起吊后，通过计算重心安全范围，当重心位置移动到报警提前量所在的停车位置时，可以通过控制器控制报警灯闪烁，蜂鸣器鸣叫报警，以提示操作人员注意并进行相应的减速操作。当重心位置移动到停车提前量所在减速位置时，控制器除控制进行报警外，还发出控制信息给逻辑控制器PLC，逻辑控制器PLC控制变幅机构，使变幅小车不能再向危险方向移动，若强制操作，则控制塔机锁车。除此之外，由于风速的大小也会对重心的偏移产生不确定的影响，上述方法还可以利用风速仪采集实时风速信息，当风速达到设定值时，控制器同样进行报警及停车控制。

控制器还可以通过逻辑控制器PLC与GPS终端通信，将危险区域自动停车次数、强制操作次数等情况发送给远程控制终端，以便进行统计、分析及相应的处理。

作为一种可选的实施方式，如图8所示，在实际应用当中，可以通过下列步骤对塔式起重机进行控制：

步骤S1，通过相应的传感器，实时获取塔式起重机的起吊质量、变幅幅度、实时风速和变幅小车的档位信息。

步骤S2，获取预先设置的用于确定减速位置对应的减速临界值、用于确定停车位置的停车临界值，以及塔式起重机参数。

步骤S3，计算塔式起重机的塔吊重心位置和重心安全范围。

步骤S4，判断变幅小车是否行驶至报警位置。

步骤S5，当变幅小车行驶至报警提前量范围之内时，转换为自动模式进行减速，并发出报警提示。

步骤S6，判断变幅小车是否行驶至减速提前量范围之内。

步骤S7，当变幅小车行驶至减速提前量范围之内时，限制对变幅小车进行控制。

步骤S8，通过PLC进行锁机操作，并记录在限制对变幅小车进行控制之后的操作。

通过上述方法，使用塔式起重机上已有安全监控系统提供起吊重量、变幅幅度、起吊高度、实时风速等工况信息，计算出塔吊重心位置及重心安全范围等安全状况，并实时显示给塔式起重机的操作人员。在操作过程中可准确的计算出塔式起重机的塔吊重心位置并对其是否安全进行判断。因上述方法所使用的传感器、控制器、显示器、报警系统均可利用已有安全监控系统，可以大大节约改造成本。

通过上述方法确定的重心安全范围(即虚拟墙技术)，对报警提前量和停车提前量进行设置，从而保证足够大的工作范围。并且还可以保证变幅小车在停止运动时，不会因为起吊物体大幅摆动引起重心位置偏移出安全范围而发生危险。该报减速、警提前量和停车提前量根据小车运行速度不同而不同，与变幅机构5个档位相对应。

通过上述方法可以对重心的位置进行了控制，当重心位置达到设定区域，塔式起重机将无法向危险方向运动，即重心不能再安全范围外移动，并且，控制器与逻辑控制器PLC和GPS终端通信，有助于信息收集、分析及远程控制。

实施例3

本发明实施例还提供了一种塔式起重机的重心检测装置。图8是根据本发明实施例的塔式起重机的重心检测装置的结构示意图。其中，塔式起重机包括塔身、旋转塔柱、起重臂、平衡臂、设置于起重臂上的变幅小车、设置于变幅小车的定滑轮上的重量传感器和设置于塔式起重机变幅机构的卷筒轴端幅度传感器，如图9所示，重心检测装置包括：第一采集模块12、第二采集模块14和第一处理模块16。

其中，第一采集模块12，用于获取起吊物体的起吊质量，其中，起吊质量至少包括：起吊物体的质量；第二采集模块14，用于获取起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度；第一处理模块16，用于根据起吊质量和力臂长度进行重心位置计算，得到塔式起重机的塔吊重心位置。由于塔式起重机的平衡臂侧的平衡臂质量、配重块重量和起重臂侧的起重臂质量是相对固定的，而塔式起重机的重心随起吊物体的质量和距离回转中心点的水平距离的变化而产生改变，因此，可以通过上述第一采集模块12、第二采集模块14和第一处理模块16，利用塔式起重机中现有的重量传感器、幅度传感器实时采集到的起吊参数，并采用重心计算模型实时计算塔式起重机的塔吊重心位置。实现对塔式起重机的重心位置进行监控的目的，从而达到在利用塔式起重机现有传感器的条件下，实现对重心位置进行监控的技术效果，进而解决了由于为检测塔式起重机重心位置额外添加传感器，导致的提高系统成本的问题。

进一步的，在第一处理模块中所执行的步骤可以包括：

步骤a，根据预先设置的塔式起重机的平衡臂侧的平衡臂总质量和平衡臂重心距离回转中心点的平衡力臂长度，确定平衡力矩，其中，平衡力矩为平衡臂侧对回转中心点作用的力矩；步骤b，根据预先设置的塔式起重机的起重臂侧的臂架质量和起重臂重心距离回转中心点的臂架力臂长度，确定起重臂臂架力矩，其中，起重臂臂架力矩为起重臂侧的臂架对回转中心点作用的力矩；步骤c，根据起吊质量和力臂长度，确定起重力矩，其中，起重力矩为起吊物体对回转中心点作用的力矩；步骤d.，计算臂架质量和起吊质量之和，与平衡臂总质量之间的质量差值；步骤e，根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定塔吊重心位置。

具体的，由于塔式起重机的起重臂侧的臂架质量G₁、起重臂重心距离回转中心点的臂架力臂长度X₁、塔式起重机的平衡臂侧的平衡臂总质量G₂、平衡臂重心距离回转中心点的平衡力臂长度X₂以及变幅小车的质量G₄都是固定不变的。因此，可以预先对其进行标定。并且，通过臂架质量G₁和力臂长度X₁计算得到起重臂臂架力矩。通过平衡臂总质量G₂和平衡力臂长度X₂计算得到平衡力矩。然后进一步通过重量传感器实时采集起吊物体的起吊质量G₃和幅度传感器实时采集到的力臂长度R计算起吊物体对回转中心点作用的起重力矩，从而通过计算得到塔式起重机在起吊时的塔吊重心位置。

进一步的，可以采用以下方式计算塔吊重心位置X_G：

X_G＝(G₁X₁+(G₃+G₄)R-G₂X₂)/(G₁+G₃+G₄-G₂)；

其中，G₁为起重臂侧的臂架质量，X₁为起重臂侧的臂架力臂长度，(G₃+G₄)R为起重力矩，G₂为平衡臂侧的平衡臂总质量，X₂为平衡臂侧的平衡力臂长度，G₃为起吊物体的质量，G₄为变幅小车的质量，R为力臂长度。

作为一种可选的实施方式，如图10所示，上述装置还包括：第二处理模块17和第三处理模块18。

其中，第二处理模块17，用于根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定起吊物体的安全移动距离；第三处理模块18，用于根据塔吊重心位置和安全移动距离，确定塔吊重心位置的重心安全范围。

具体的，通过上述第二处理模块17和第三处理模块18，在确定平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩以及质量差值之后，可以确认起吊物体在塔式起重机上移动的安全距离。从而根据安全距离和塔吊重心位置确定塔吊重心在起重臂侧变化的重心安全范围。

进一步的，第二处理模块17中，可以采用以下方式计算安全移动距离L：

$L=\frac{G_1{X}_1-G_2{X}_2}{G_1+G_3+G_4-G_2}+\frac{(G_3+G_4)}{G_1+G_3+G_4-G_2}\×(R_2-R_1);$

其中，G₁为起重臂侧的臂架质量，X₁为起重臂侧的臂架力臂长度，G₂为平衡臂侧的平衡臂总质量，X₂为平衡臂侧的平衡力臂长度，G₃为起吊物体的质量，G₄为变幅小车的质量，R₁为当前吊重下变幅小车的最小幅度值，R₂为当前吊重下变幅小车的最大幅度值。

作为一种可选的实施方式，上述装置还包括：第四处理模块19和第一生成模块20。

其中，第四处理模块19，用于根据重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的减速临界值，确定在重心安全范围之内与两侧的安全边界对应的减速位置；第一生成模块20，用于当变幅小车向安全边界运动且达到减速位置时，生成减速信号和/或第一报警信号。

具体的，如图7所示，由于变幅小车具有惯性，因此，变幅小车若以较高速度运动至安全边界后紧急制动，将出现塔吊重心偏离重心安全范围的情况，由此，可能将产生危险。因此，可以通过上述第四处理模块19和第一生成模块20，在安全边界内侧设置用于控制变幅小车减速的减速位置。进而，当变幅小车行驶至位于中心安全范围两侧的安全边界之前的预定距离L1时，控制器生成用于控制变幅小车减速的减速信号。同时，也可以同时生成第一报警信号，从而可以通过声音或者灯光的方式提示操作人员对变幅小车进行减速操作。

作为一种可选的实施方式，上述装置还包括：第二生成模块21。

第二生成模块21，用于根据减速信号，生成用于控制变幅小车减速的减速指令。

具体的，通过上述第二生成模块21，使变幅小车在接收到减速信号之后，根据减速信号缓慢降低自身运行的速度，平缓的将速度降低至0，使变幅小车可以平稳的停在重心安全范围之内。

作为一种可选的实施方式，上述装置还可以包括：第五处理模块22和第三生成模块23。

其中，第五处理模块22，用于根据重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的停车临界值，确定在重心安全范围之内与两侧的安全边界对应的停车位置；第三生成模块23，用于当变幅小车向安全边界运动且达到停车位置时，生成停车信号和/或第二报警信号。

具体的，如图7所示，为了便于操作人员进行控制，可以通过上述第五处理模块22和第三生成模块23，在重心安全范围内距离两侧的安全边界的预定距离L2处设置停车位置。当变幅小车到达停车位置时，根据生成的第二报警信号以声音和/或灯光的方式，提示操作人员控制变幅小车停车。于此同时，还可以根据生成停车信号，从而使变幅小车自行平稳缓慢的停止在重心安全范围内，从而确保塔式起重机的安全。

作为一种可选的实施方式，上述装置还可以包括：切断模块24和记录模块25。

其中，切断模块24，用于基于停车信号触发切断对变幅小车的控制；记录模块25，用于记录在切断对变幅小车的控制之后，对变幅小车进行控制的控制指令。

具体的，为了达到监控操作人员是否违规操作塔式起重机、确保塔式起重机的使用安全等目的。可以通过上述切断模块24和记录模块25，在变幅小车达到停车位置之后，控制系统切断控制人员对变幅小车进行控制的权限，并将对变幅小车的控制方式切换至自动控制模式直至变幅小车停止。如果控制人员在切换至自动控制模式后，强行手动控制变幅小车进行加速、刹车等违规操作时，控制系统对违规操作生成的控制指令进行记录。进而，在后期可以根据上述控制指令，对操作人员进行培训等。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.一种塔式起重机的重心检测方法，其特征在于，包括：

获取起吊物体的起吊质量，其中，所述起吊质量至少包括：所述起吊物体的质量；

获取所述起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度；

根据所述起吊质量和所述力臂长度进行重心位置计算，得到所述塔式起重机的塔吊重心位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述起吊质量和所述力臂长度进行重心位置计算，得到所述塔式起重机的塔吊重心位置，包括：

根据预先设置的塔式起重机的平衡臂侧的平衡臂总质量和所述平衡臂的重心距离所述回转中心点的平衡力臂长度，确定平衡力矩，其中，所述平衡力矩为所述平衡臂侧对所述回转中心点作用的力矩，所述平衡臂总质量包括所述平衡臂的臂架自重与配重的质量；

根据预先设置的所述塔式起重机的起重臂侧的臂架质量和所述起重臂的重心距离所述回转中心点的臂架力臂长度，确定起重臂臂架力矩，其中，所述起重臂臂架力矩为所述起重臂侧的臂架对所述回转中心点作用的力矩；

根据所述起吊质量和所述力臂长度，确定起重力矩，其中，所述起重力矩为所述起吊物体对所述回转中心点作用的力矩；

计算所述臂架质量和所述起吊质量之和，与所述平衡臂总质量之间的质量差值；

根据所述平衡力矩、所述起重臂臂架力矩、所述起重力矩和所述质量差值，确定所述塔吊重心位置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述平衡力矩、所述起重臂臂架力矩、所述起重力矩和所述质量差值，确定所述塔吊重心位置包括：采用以下方式计算所述塔吊重心位置X_G：

X_G＝(G₁X₁+(G₃+G₄)R-G₂X₂)/(G₁+G₃+G₄-G₂)；

其中，G₁为所述起重臂侧的所述臂架质量，X₁为所述起重臂侧的所述臂架力臂长度，(G₃+G₄)R为所述起重力矩，G₂为所述平衡臂总质量，X₂为所述平衡臂侧的所述平衡力臂长度，G₃为所述起吊物体的质量，G₄为变幅小车的质量，R为所述力臂长度。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在根据所述起吊质量和所述力臂长度进行重心位置计算，得到所述塔式起重机的塔吊重心位置之后，所述方法还包括：

根据所述平衡力矩、所述起重臂臂架力矩、所述起重力矩和所述质量差值，确定所述起吊物体的安全移动距离；

根据所述塔吊重心位置和所述安全移动距离，确定所述塔吊重心位置的重心安全范围。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述平衡力矩、所述起重臂臂架力矩、所述起重力矩和所述质量差值，确定所述起吊物体的安全移动距离包括：采用以下方式计算所述安全移动距离L：

$L=\frac{G_1{X}_1-G_2{X}_2}{G_1+G_3+G_4-G_2}+\frac{G_3+G_4}{G_1+G_3+G_4-G_2}\×(R_2-R_1);$

其中，G₁为所述起重臂侧的所述臂架质量，X₁为所述起重臂侧的所述臂架力臂长度，G₂为所述平衡臂总质量，X₂为所述平衡臂侧的所述平衡力臂长度，G₃为所述起吊物体的质量，G₄为变幅小车的质量，R₁为当前吊重下变幅小车的最小幅度值，R₂为当前吊重下变幅小车的最大幅度值。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在根据所述塔吊重心位置和所述安全移动距离，确定所述塔吊重心位置的重心安全范围之后，所述方法还包括：

根据所述重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的减速临界值，确定在所述重心安全范围之内与所述两侧的安全边界对应的减速位置；

当所述变幅小车向所述安全边界运动且达到所述减速位置时，生成减速信号和/或第一报警信号；

根据所述减速信号，生成用于控制所述变幅小车减速的减速指令。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在根据所述塔吊重心位置和所述安全移动距离，确定所述塔吊重心位置的重心安全范围之后，所述方法还包括：

根据所述重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的停车临界值，确定在所述重心安全范围之内与所述两侧的安全边界对应的停车位置；

当变幅小车向所述安全边界运动且达到所述停车位置时，生成停车信号和/或第二报警信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在生成停车信号之后，所述方法还包括：

基于所述停车信号触发切断对所述变幅小车的控制；

记录在切断对所述变幅小车的控制之后，对所述变幅小车进行控制的控制指令。

9.一种塔式起重机的重心检测装置，其特征在于，所述重心检测装置包括：

第一采集模块，用于获取起吊物体的起吊质量，其中，所述起吊质量至少包括：所述起吊物体的质量；

第二采集模块，用于获取所述起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度；

第一处理模块，用于根据所述起吊质量和所述力臂长度进行重心位置计算，得到所述塔式起重机的塔吊重心位置。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第二处理模块，用于根据平衡力矩、起重臂臂架力矩、起重力矩和质量差值，确定所述起吊物体的安全移动距离；

第三处理模块，用于根据所述塔吊重心位置和所述安全移动距离，确定所述塔吊重心位置的重心安全范围。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第四处理模块，用于根据所述重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的减速临界值，确定在所述重心安全范围之内与所述两侧的安全边界对应的减速位置；

第一生成模块，用于当变幅小车向所述安全边界运动且达到所述减速位置时，生成减速信号和/或第一报警信号；

第二生成模块，用于根据所述减速信号，生成用于控制所述变幅小车减速的减速指令。

12.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第五处理模块，用于根据所述重心安全范围两侧的安全边界和预先设置的停车临界值，确定在所述重心安全范围之内与所述两侧的安全边界对应的停车位置；

第三生成模块，用于当变幅小车向所述安全边界运动且达到所述停车位置时，生成停车信号和/或第二报警信号。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

切断模块，用于基于所述停车信号触发切断对所述变幅小车的控制；

记录模块，用于记录在切断对所述变幅小车的控制之后，对所述变幅小车进行控制的控制指令。

14.一种塔式起重机的重心检测系统，其特征在于，所述塔式起重机包括起重臂、平衡臂和设置于所述起重臂上的变幅小车，所述重心检测系统包括：

重量传感器，设置于塔式起重机变幅小车的定滑轮上，用于获取起吊物体的质量；

幅度传感器，设置于所述塔式起重机变幅机构的卷筒轴端，用于获取所述起吊物体距离塔式起重机的回转中心点的力臂长度；

控制单元，与所述重量传感器和所述幅度传感器电连接，用于根据获取到的所述起吊物体的质量和所述力臂长度，确定所述塔式起重机的塔吊重心位置。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

风速仪，与所述控制单元电连接，用于获取风速值；

其中，所述控制单元根据所述风速值，生成第三报警信号。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

报警装置，与所述控制单元电连接，用于根据所述控制单元生成的所述第三报警信号和/或第四报警信号，进行声音报警和/或灯光报警，其中，所述第四报警信号在当所述控制单元确定所述塔吊重心位置运动至停车位置时生成。

17.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：定位装置，与所述控制单元电连接，用于将定位到的所述塔式起重机的位置信息发送至所述控制单元。

18.一种塔式起重机，包括14至17中任意一项所述的重心检测系统。