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全自动智能预应力张拉设备液压系统研究与设计_李文锋
导读：全自动智能预应力张拉设备液压系统研究与设计，李文锋，（招商局重庆交通科研设计院有限公司，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，研究53MPa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，关键词：预应力张拉，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公路交通技术2012年12月第6期TechnologyofHighwayandTransportDec.2012No.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，廖摘强，罗斌，饶枭宇（招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067）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53MPa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1%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：（68－04中图分类号：U445.3文献标识码：BStudyandDesignofHydraulicSystemforAutomaticandIntelligentPrestressdTesioningEquipmentLIWenfeng，LIAOQiang，LUOBin，RAOXiaoyu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：作者简介：李文锋（1985－），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，使钢缩短其疲劳寿绞线拉伸状态超过其最佳应力状态，命［1］。根据JTG/TF50―2011《公路桥涵施工技术规，范》张拉控制应力精度须达到±1.5%，从桥梁安全要求预应力张拉系统设备能够准确和同步控考虑，制张拉力，且要求有足够的持荷时间，同步控制精度这就对控制系统的稳态误差提出了更须达到±2%，高要求［2］。传统的液压动力源加载方式难以满足JTG/TF50―2011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JTG/TF50―2011要求及预应力施工工2012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69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：油箱通过控制算法中液压油经过油泵输出至伺服阀处，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经过补偿后得到压力信号并形成负反顶内部油压，馈控制回路，以对千斤顶输出压力实现精确控制［3］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，且保证其达到最可使钢绞线缓慢而均匀地受力张拉，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35MPa内，现有成熟液压控制伺服阀的最大控制压力都在35MPa以内。如果高于35MPa，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具体指标531～4±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。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在控制中不仅将需要依靠油压传感器测力等作用，量的压力值作为参考值，而且需要以输出力作为控但实际张拉力是无法在不改变现有系统制标准量，参数的状态下得以精确测量，故需要对输出压力进以得到精确的输出力值。行压力补偿，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尤其是在达到设计张拉力加载压力增量无法确定，值的瞬间，无论是通过手动加载还是电磁阀方式加都会带来压力波动和控制滞后，导致实际张拉力载，值无法精确控制到设计张拉力值［4］设计要求额定压力/MPa－1额定流量/（L?min）压力控制精度/%持荷阶段锚固阶段。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PID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、千活塞摩擦、压力波动等误差，经转换成斤顶内泄漏、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1―伺服阀；2―可变节流器；3―增压器；4―单向阀组；5―压力传感器；6―千斤顶。图1伺服液压动力源70公路交通技术2012年预测可量化的误差及非线性等误差，所以本文利用并通过大量试验来确定各种时变和固定模糊规则，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［5］增量ΔV成正比关系，因而在张拉加载阶段，可以通从过控制电机转速来控制进入千斤顶的油液流量，［6］而间接控制张拉系统的张拉压力及张拉速度。结合施工工艺过程，设计如图4所示的变频液。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，实际张达到最大额定压力53MPa时，张拉力控制精拉时，度能够达到±1%，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。试根验模拟桥梁某孔的钢绞线束的张拉施加加载力，据设定张拉加载力值F，并结合张拉千斤顶活塞面可计算得到液压系统控制压力P。液压伺服张积S，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41.8MPa。试验结果显示液压伺服张控制精度达到±1%的要拉系统压力控制效果较好，求。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，调速响应低速调速性能优越，可满足频繁加、减速度速度快，控制精度高，可实现运转和连续四象限运转等工况，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经滤波处理并与设定压力值比较后得到电机转机，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［7］反馈给变频器。其原理如图5所示。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可提高系统尤其是电机效率，达到配优于普通系统，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从而控制执行机构的速度。来控制泵的输出流量，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VΔPK=－。ΔVK为液体体积弹性模量；ΔV为液体受压力作式中，用后体积的变化值；ΔP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ΔP与进入油液体积图5变频液压系统控制原理1―变频控制器；2―高压球阀；3―油表；4―油压传感器；5―电磁换向阀；6―千斤顶；7―溢流阀。图4变频控制液压动力源第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71变频控制系统问题系统的液压技术，并针对伺服液压技术与变频液压且对两者优缺点进技术分别进行了详细系统设计，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且在不同应用场合，均可根据施加张拉力的要求求，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．公路交通技监控系统AS－10系统的工程应用［J］2011（6）：72－74．术，［2］中交第一公路工程局有限公司．JTG/TF50―2011［S］．北京：人民交通出版社，2011．桥涵施工技术规范［3］郑再象，樊黎霞．大吨位管件液压成形设备液压系统J］．液压与气动，2006（8）：9－12．的设计和研究［［4］刘军营．液压传动系统设计与应用实例解析［M］．北2011．京：机械工业出版社，［5］张利平．液压控制系统及设计［M］．北京：化学工业出2006．版社，［6］章宏甲，M］．南京：江周邦俊．金属切削机床液压传动［1980．苏科学技术出版社，［7］黄方平，徐［8］彭天好，徐兵，杨华勇．一种新型变频液压动力单元兵，杨华勇．变频液压技术的发展及研究J］．液压与气动，2004（10）：14－16．的设计与应用［J］．浙江大学学报，2004（2）：215－221．综述［公路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，液容易形成气蚀和流量脉动，且电压泵自吸能力下降，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［8］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JTG/TF50―2011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悖ㄉ辖拥61页）［16］李星新，汪正兴，任伟新．钢筋混凝土桥梁疲劳时变可J］．中国铁道科学，）：49－53．靠度分析［［17］AASHTO．GuideSpecificationforStrengthEvaluationofExistingSteelandConereteBridges［S］．WashingtonD．C．：AASHTO，2004．［18］仲伟秋，赵国藩．多种腐蚀因素作用下钢筋混凝土结构．土木工程学报，）：1－的可靠度分析［J］5．［19］ASNOWAK．Systemreliabilitymodelsforbridgestructures［J］．BULLETINOFTHEPOLISHACADEMYOFSCIENCES，TECHNICALSCIENCES，）：321－328．［20］FerhatAkgül，DanMFrangopol．Ratingandreliabilityofexistingbridgeinanetwork［J］．JournalofBridgeEngineering，2003（8）：383－393．［21］杨跃新．混凝土连续梁桥的时变可靠度评定与寿命预D］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007．测［［22］吕颖钊，贺拴海．缺损钢筋混凝土梁桥模糊可靠性评价J］．交通运输工程学报，）：58－62．模型［［23］赵冬兵，范立础．既有钢筋混凝土桥承载能力退化和维J］．桥梁建设，2006（2）：71－73．修需求分析［包含总结汇报、出国留学、高中教育、计划方案、党团工作、教学研究、表格模板、初中教育、外语学习、自然科学、高等教育、经管营销、行业论文以及全自动智能预应力张拉设备液压系统研究与设计_李文锋等内容。
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七四所射流管压力伺服阀成功用于国产飞机
来源:文汇报 作者:许琦敏 选稿:刘沅
　　东方网7月4日消息：集机电液磁技术于一身的伺服系统的制造水平，是衡量国家工业自动化水平高低的一个标志。近年来，我国在该领域不断向高端市场进军。
　　昨天，记者从中船重工第七四研究所获悉，该所研发的伺服阀高端产品――射流管压力电液伺服阀，已成功用于三种机型的国产飞机并试飞成功，再次动摇了国外公司在这一领域的垄断。
　　大型装备中的伺服阀好比运动神经元，能将“大脑”传来的指令，转化成液压动力，驱动机器做出相应的动作。卫星展开太阳能电池板、生产线抬起巨大的机械臂、飞机起飞降落等精密控制系统，都离不开它。
　　而射流管压力伺服阀则是伺服阀中的新一代高技术产品。与目前主流的喷嘴挡板压力阀相比，它更能胜任苦活儿、脏活儿，可靠性也更高。
　　据介绍，压力伺服阀是一种十分精细的元器件，价格高达万元，甚至几十万元。在喷嘴挡板压力阀中，最小间隙只有0.02毫米，因此阀中油液稍有污染颗粒，就会堵塞阀门。而射流管压力阀由于采用了全新设计，在控制精度不变的情况下，最小间隙比之喷挡阀扩大了10倍。“这好比把人的心脏血管扩张开，也就不容易被血栓堵住，降低了心肌梗死的风险。”七四所伺服阀部主任黄增解释。
　　实验室测试证明，射流管电液伺服阀改变了人们对于伺服阀比较“娇贵”的看法，它能胜任相当恶劣的工况环境。黄增说，这意味着如果船舶出海，使用一个喷挡阀，至少要带4个备件，而射流管伺服阀则几乎无需备件。
　　去年，七四所研发的4个型号的射流管压力伺服阀，装备上了3个国产机型，并试飞成功。这意味着国产高端压力阀的质量、可靠性已达到了“航空级”。
　　一架飞机至少需要100多个压力伺服阀，多者甚至达几百个，广泛应用于飞机发动机、刹车系统、机翼控制等。这一市场一直被国外企业垄断，新技术不肯外泄。七四所的研发成功，打破了外企的技术垄断，预计成本比同类进口产品的价格可降低一半乃至更低。
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