全自动智能预应力张拉设备液压系统研究与设计-.pdf

公路交通技术2 0 1 2年 1 2月 第 6期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t D e c ． 2 0 1 2 N o ． 6 全 自动智能预应力张拉设备液压系统研究与设计 李文锋， 廖 强， 罗 斌， 饶枭宇 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆4 0 0 0 6 7 摘要 针 对传统预应 力张拉设备导致施 工效 率低 下、 质量无法保证 的 问题 ， 提 出全 自动智能 张拉 系统 ， 并基于桥 梁 施工新规 范及施工工 艺要求 ， 研 究 5 3 MP a 超 高压 系统 的实现 方案 ， 进 而设计全 自动 智能张拉 系统的液压 系统 ， 其 可 实现施加张拉力的任意加载和缓慢卸荷， 且张拉力控制精度能够达到 l ％以内， 完全满足张拉施工要求。 关键词 预应 力张拉 ； 液压 系统 ； 伺服控制 ； 变频控 制 文章编号 1 0 0 9 6 4 7 7 2 0 1 2 0 6 0 0 6 8 0 4 中图分类号 U 4 4 5 ． 3 文献标识码 B S t u d y a n d De s ig n o f Hy d r a u l i c S y s t e m f o r Au t o ma t i c a n d I n t e l l i g e n t Pr e s t r e s s d Te s i o n i n g Eq u i p me n t L I We n f e n g ， L I A O Q i a n g ， L U O B i n ，R A O X i a o y u 随着预应力技术广泛应用于桥梁 、 高速公路 、 铁 路等工程领域 ， 对预应力张拉设 备及施工管理也提 出了更高要求。目前国内工程用预应力张拉设备仍 采用传统液压油泵来施加张拉力进行张拉施工 ， 张 拉力的控制及伸长量 的测量完 全依靠施工工人操 作 ， 被施加预应力结构件 的实际有效预应力控制精 确度也完全依靠操作工人的操作熟练程度及施工管 理完善程度来保障 ， 因此 ， 预应力施工造成的预应力 失效及桥梁垮塌断裂事故并不鲜见。 但随着液压伺服控制技术与变频控制技术的 日 益成熟 ， 将液压伺服与变频控制技术引入 预应力工 程施工技术中， 以替代传统节流控制方式 ， 并结合 自 动化控制技术、 通信技术与现代工程管理技术开发 全 自动智能张拉设备 ， 将能从设备和管理上保 障预 应力施工过程 的质量管控 ， 实现预应力张拉的数控 化施工与精细化管理 ， 提高施 工效率与控制张拉预 应力的准确度， 大大提高预应力结构件的安全性。 1 预应 力张拉液压控制系统 传统预应力张拉设备 由张拉油泵 、 千斤顶及锚 具等构成。张拉过程中， 依靠手动节流阀调节进油 加载速率 ， 并读 取液压油表 ， 量取千斤顶 活塞 升出 值。当系统压力在负载作用下升至计算油压值时， 关闭节流阀阀芯并进行密封保压 。在需要两端或多 点对称 、 同步张拉时， 需通过人工喊话 、 打手势或步 话机等方式来协调两端张拉的同步性。采用这样的 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 1 0 作者简介 李文锋 1 9 8 5 一 ， 男 ， 四川省达州市人 ， 硕士 ， 助工 传统施工方式， 系统难以准确加载到控制张拉力 ， 且 在持荷阶段 ， 由于泄露等原因会导致压力难 以保持 ， 如果进行补压 ， 会因为油液急速压缩扩张而形成压 力脉冲， 导致最大张拉力超过设计控制张拉力 ， 使钢 绞线拉伸状态超过其最佳应 力状态 ， 缩短其疲劳寿 命 。 根据 J T G ／ T F 5 0 _2 0 1 1 公 路桥涵施工技术 规 范， 张拉控制应力精度须达到1 ． 5 ％， 从桥梁安全 考虑， 要求预应力张拉系统设备能够准确和同步控 制张拉力 ， 且要求有足够的持荷时间， 同步控制精度 须达到 2 ％ ， 这就对控制系统的稳态误差提 出了更 高要求 。 传统的液压 动力源加 载方式难 以满 足 J T G ／ T F 5 O _2 0 1 1的要求 ， 故需 引入 自动化控制新技术来 替代现有液压张拉设备 。本文结合实际工艺要求及 自动化控制技术 ， 拟采用伺服 比例技术和变频技术 2种不同方 案， 分 别实现 张拉液压动力源 的加载功 能， 同时增加位移传感器对伸长量进行测量 ， 并通过 计算机优化控制管理软件系统对伸长量与张拉力进 行 自诊断校核 ， 智能判断张拉控制的准确性和有效 性 ， 真正实现张拉力和伸长值 的双重同步控制 。下 面就伺服 比例技术和变频技术 2种加载动力技术进 行详细系统设计及论述。 2液压动力源设计要求 结合 J T G ／ T F 5 0 _2 0 1 1要求 及预 应力施 工工 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第6期 李文锋， 等 全自动智能预应力张拉设备液压系统研究与设计 6 9 艺 ， 确定预应力张拉设备液压动力源的设计要求 ， 具 体如表 1 所示 。 3 液压伺服控制系统 张拉系统的控制张拉力要求精度 高， 控制系统 稳态误差小 ， 采用传统的开关 型控制难 以满足施工 要求 。如果采用伺服 比例控制技术构成负反馈闭环 控制系统 ， 则可使输出压力达到非常高的精度 ， 使稳 定持荷时间足够长 ， 张拉施力过程得到有效控制 ， 且 可使钢绞线缓慢而均匀地受力张拉， 保证其达到最 佳应力状态 。 液压伺服系统 已经广泛应用于工业 自动化控制 系统， 其使用压力通常在 3 5 M P a内， 现有成熟液压 控制伺服 阀的最大控制压力都在 3 5 MP a以内。如 果高于 3 5 M P a ， 则需 通过增压缸 方式进行 增压 控 制 ， 图 1 是伺服液压动力源的原理图。 表 1 预应 力张拉设备液压 系统设计 要求 设计要求 具体指标 额定压力／ MP a 额定流量／ L mi n 压力控制精度／ ％ 持荷阶段 锚 固阶段 53 14 1 ． 5 张拉过程 中能任意持荷， 持荷阶 段无压力冲击及失压 压力卸荷缓慢可控 1 一 伺服阀； 2 一可变节流器； 3 一增压器； 4 一 单向阀组； 5 一 压力传 感 器 ； 6 一千斤顶。 图 1 伺服 液压动力源 图 1 所示伺服张拉控制 系统 ， 依靠增压器实现 低压控制超高压压力输 出。系统工作原理为 油箱 中液压油经过油泵输出至伺服阀处， 通过控制算法 得到控制量并调节伺服 阀的阀 口开度 ， 以控制进入 增压缸大腔的液压油流量 ， 进而控制小腔液压液压 油输出至千斤顶 的流量 ， 并 由液压传感器检测千斤 顶 内部油压 ， 经过补偿后得到压力信号并形成负反 馈控制 回路 ， 以对千斤顶输出压力实现精确控制 J 。 压力加载时 ， 通过计算 机控制伺服 阀进油量以 实现输出至千斤顶 的压力控制， 经过千斤顶放大得 到实际张拉力 。考虑千斤顶的内泄漏以及活塞摩擦 力等作用， 在控制中不仅将需要依靠油压传感器测 量的压力值作为参考值 ， 而且需要 以输 出力作为控 制标准量， 但实际张拉力是无法在不改变现有系统 参数 的状态下得 以精确测量 ， 故需要对输 出压力进 行压力补偿 ， 以得到精确的输 出力值。 对于预应力张拉施工力 的加载过程 而言， 有 2 点极为重要 ， 即压力控制稳态误差 与持荷阶段压力 稳定性。常用手动或电磁开关阀控制方式均可以简 单定义为步进式加载 ， 由于 电磁 阀和手动操作所带 来的不可避免的加载不均， 导致每次动作所带来的 加载压力增量无法确定 ， 尤其是在达到设计张拉力 值的瞬间， 无论是通过手动加载还是 电磁阀方式加 载， 都会带来压力波动和控制滞后， 导致实际张拉力 值无法精确控制到设计张拉力值 j 。 全 自动智能张拉系统的伺服压力控制系统采用 负反馈闭环控制加 载压力 ， 并结合 自适应模糊 P I D 算法对影响设备系统控制参数变化的各种非线性 因 素进行校正 ， 其具体控制原理如图 2所示 。 图 2 伺服液压系统控制原理 由于压力传感器测量的是进入千斤顶的油压 ， 液压系统中有沿程压力损失、 接头管道压力损失 、 千 斤顶内泄漏、 活塞摩擦、 压力波动等误差， 经转换成 为张拉力时会导致实际输出的控制张拉力产生误 差， 故在张拉力控制过程中， 闭环控制的参考量实际 上不是油压传感器测量 的油压 ， 而是油压传感器测 量到的压力与补偿压力增量之和。由于同时存在可 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 公路交通技术 2 0 1 2． 生 预测可量化的误差及非线性等误差， 所以本文利用 模糊规则 ， 并通过大量试验来确定各种时变和固定 误差对于控制张拉力的影响 ， 且建立 了压力补偿算 法 ， 以对油压传感器测量油压进行补偿 』 。 经过控制算法处理 ， 张力加载液压系统 的压力 控制精度得以提高 。根据 目前的试验结果 ， 实际张 拉时 ， 达到最大额定压力 5 3 MP a时 ， 张拉力控制精 度能够达N I ％， 完全满足新规范要求。 图 3为液压伺服张拉系统的张拉试验曲线。试 验模拟桥梁某孔 的钢绞线束 的张拉施加加 载力 ， 根 据设定张拉加载力值 F， 并结合张拉千斤 顶活塞 面 积 s ， 可计算得到液压系统控制压力 P。液压伺服张 拉系统试验 曲线中模拟 6根钢绞线张拉 ， 设定张拉 控制压力为 4 1 ． 8 MP a 。试验结果显示液压伺服张 拉系统压力控制效果较好 ， 控制精度达到 1 ％的要 求 4 4 0 5 时间￡ ／ s 图3 液压伺服张拉系统张拉试验数据曲线 4 液压变频控制系统 液压变频技术带来的直接优点是系统的功率 匹 配优于普通系统， 可提高系统尤其是电机效率， 达到 节能 目的。本文基于普通液压张拉系统结合变频技 术， 对另一种智能张拉 系统 的液压系统实现方式进 行 了进一步研究 。 4 ． 1 交流电机变频控制系统 液压变频控制技术是通过变频器控制电机转速 来控制泵 的输 出流量 ， 从而控制 执行机构 的速度 。 张拉千斤顶相当于密 闭容器 ， 故根据封 闭容器 中对 液体体积弹性模量的定义 ， 有 。 式中， K为液体体积 弹性模量 ； ／ X V为液体受压力作 用后体积的变化值； △ P为液体压力的变化值； V为 液体 的初始体积。 由于确定油液介质的 K值确定， 据此可以说 明， 在密闭容器 中， 压力的增量 △ P与进入油液体积 增量 ,A V成正比关系， 因而在张拉加载阶段 ， 可 以通 过控制电机转速来控制进人千斤顶的油液流量 ， 从 而问接控制张拉系统的张拉压力及张拉速度 J 。 结合施工工艺过程 ， 设计如图 4所示 的变频液 压张拉系统。该系统采用变频器与交流电机控制定 量泵作为基本控制元件 ， 并依靠高压电磁换 向阀切 换千斤顶加载和 回油的工作状态 ， 而压力卸荷单独 依靠高压球阀进行卸荷 。变频器电机采用本身具有 速度或转矩闭环控制的矢量控制变频 器， 调速响应 速度快 ， 低速调速性能优越 ， 可满足频繁加、 减速度 运转和连续四象限运转等工况， 控制精度高 ， 可实现 与直流电机相同的控制特性 。 该系统在千斤顶进油 口设置油压传感器 以检测 输出压力， 经 A ／ D 数／ 模 转换后再传给控制计算 机， 经滤波处理并与设定压力值比较后得到电机转 速偏差量 ， 再通过计算机将 电机转速偏差量反馈传 输至变频器 ， 由变频器对 当前交流电机 的转速与控 制值间的偏差进行比较， 进而由变频器控制电机以 控制电机转速 ， 最终完成 以控制 电机转速来控制张 拉力输出的控制过程 。电机转速 由交流电机转动轴 端安装的转速编码器测量得到的电机实时转速 ， 并 反馈给变频器 。其原理如图 5所示 。 l 变频控制器 ； 2 --高 压球 阀 ； 3 --油表 ； 4 一油厄传 感器 ； 5 --电磁 换 向阀； 6 一千斤顶 ； 7 一溢流阀。 图 4 变频 控制液 压动力源 图 5 变频液压系统控制原理 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 6期 李文锋 ， 等 全 自动智能预应 力张拉设备液压 系统研 究与设计 7 l 4 ． 2 变频控制系统问题 变频技术固然有其节能等优点， 但 目前在低速 稳定性 、 响应快速性 、 启动换 向平稳性 、 控制精度几 方面 尚存在诸 多问题 ， 且仍 未得到很好解决 。对 于 预应力张拉设备而言， 首先需考虑系统控制精度与 输出压力平稳性的特性 。 目前液压变频技术还存在 如下 问题 。 1 低速不稳定性 。变频液压系统在低速时， 液 压泵自吸能力下降， 容易形成气蚀和流量脉动， 且电 机在低频运行 时， 转速不稳定会导致输 出张拉力不 均匀 ， 对被张拉钢绞线施力产生不可控的波动。 2 控制响应速度慢 ， 精度低。系统压力控制是 依靠控制调节转速来控制输入千斤顶中的流量 以间 接控制千斤顶输出力。由于异步电机的转动惯量大 过液压泵 的转动惯量 ， 控制压力调整滞后 ， 且是通过 转速控制流量再控制压力 ， 故考虑控制过程 中各个 环节非线性因素及油液的可压缩性 、 泄露等 问题 ， 变 频系统的控制精度与响应性能与伺服阀控制相 比较 要差得多。 尽管变频技术 目前仍然存在诸多 问题 ， 但是其 有效匹配系统功率 的特性能够很 大程度地节能 ， 同 时简化了液压系统油路， 故仍然是未来液压技术发 展 的方向 。 5 结语 本文针对预应力施工造成 的预应力失效 问题 ， 详细分析了预应力张拉设备对预应力施工造成的影 响， 并结合 J T G ／ T F 5 O _2 O 1 1中对预应力工程施工 工艺过程的要求 ， 提 出了全 自动预应力 智能张拉设 备的设计方案， 研究了适合于实现全自动智能张拉 系统 的液压技术 ， 并针对伺服液压技术与变频液压 技术分别进行 了详细系统设计 ， 且对两者优缺点进 行了详细比较和分析。本文提出的伺服液压智能张 拉系统完全满足预应力张拉过程 中的张拉力控制要 求， 且在不同应用场合， 均可根据施加张拉力的要求 改变加载速度、 改变变加载力大小进行任意加载， 其 张拉力控制精度可达到 1 ％以内。 智能张拉系统中引入伺服液压技术 ， 能够实现 自 动张拉施工并实时监控， 完全解决了传统手动张 拉施工中施工过程质量难 以有效控制的问题 ， 从而 从根本上保障了预应力张拉施工 的质量。 参 考 文 献 [ 1 ] 廖强， 罗斌 ， 饶枭宇． 桥梁预应力张拉精细化施工 监控系统 A S 一 1 0系统的 [ 程应用[ J ] ． 公路交通技术， 2 0 1 1 6 7 2 7 4 ． [ 2 ] 中交第一公路工程局有限公司． J T G ／ T F 5 0 2 0 1 1 公 路桥涵施工技术规范 [ S ] ． 北京 人 民交通 出版社， 201 1． [ 3 ] 郑再象，樊黎霞． 大吨位管件液压成形设备液压系统 的设计和研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 6 8 9 1 2 ． [ 4 ] 刘军营． 液压传动系统设计与应用实例解析[ M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 5 ] 张利平． 液压控制系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出 版社， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 章宏甲， 周邦俊． 金属切削机床液压传动[ M] ． 南京 江 苏科学技术出版社， 1 9 8 0 ． [ 7 ] 黄方平， 徐兵 ， 杨华勇． 一种新型变频液压动力单元 的设计与应用[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 4 1 0 1 4 1 6 ． [ 8 ] 彭天好 ， 徐兵 ， 杨华勇． 变频液压技术的发展及研究 综述[ J ] ． 浙江大学学报， 2 0 0 4 2 2 1 5 2 2 1 ． ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯㈣． u- ‘ ● 上接第 6 1页 [ 1 6 ]李星新 ， 汪正兴， 任伟新． 钢筋混凝土桥梁疲劳时变可 3 2 1 3 2 8 ． 靠度分析[ J ] ． 中国铁道科学， 2 0 0 9 ， 3 0 2 4 9 5 3 ． [ 2 0 ]F e r h a t A k g t i l ， D a n M F r a n g o p o 1 ．R a t i n g a n d r e l i a b i l i t y o f [ 1 7 ]A A S HT O ． G u i d e S p e c i f i c a t i o n f o r S t r e n g t h E v a 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