预应力张拉液压系统、预应力张拉设备及其控制方法

摘要

本发明提供一种预应力张拉液压系统，包括第一溢流阀、第二溢流阀、单向阀、数字阀以及流量控制装置；单向阀的阀门出口与千斤顶油缸连通，阀门进口与流量控制装置连通；数字阀与步进电机连接，且设置在千斤顶油缸与单向阀之间；第一溢流阀与流量控制装置连接，第二溢流阀分别与流量控制装置以及千斤顶油缸连通连接；流量控制装置与油箱连通。本系统通过调节步进电机的步数来调节数字阀的开度来控制张拉时压力和位移的同步性，准确度高。本发明还提供包含上述预应力张拉液压系统的预应力张拉设备及其控制方法，此设备无需采用变频器，消除变频器对张拉系统的干扰和电源跳闸的影响，且控制方法中算法简单，控制方便，实用性强。

说明书

技术领域

本发明涉及道路、桥梁等工程施工中预应力张拉系统领域，特别地，涉及一种预应力张拉液压系统、采用此预应力张拉液压系统的预应力张拉设备以及此预应力张拉设备的控制方法。

背景技术

随着技术的不断发展，通过给道路、桥梁等设置预应力张拉从而提高其质量的方式越来越多。

预应力张拉就是通过千斤顶拉紧预应力筋，预先给桥梁或构件施加应力，使桥梁或构件产生向上的拱度，以提高桥梁或构件的承载能力。预应力张拉可以分为两大类：（1）“先张法”：是指先在台座上拉紧预应力筋，通过锚具（锚具是专门用于锚固预应力筋的夹具，由锚环以及夹片等组成）将预应力筋锚固在台座上，然后浇筑混凝土，待混凝土达到规定强度时，卸掉锚具，放松预应力筋，与混凝土结合的那部分预应力筋的力量就传递到混凝土上；（2）“后张法”：是指先浇筑混凝土后张拉，浇筑混凝土前预先留有孔道，待混凝土达到强度，在孔道内穿入预应力筋，然后张拉锚固，最后在孔道内注入水泥浆。

在传统的施工方式中，一般采用应力应变双控法，以应力控制（油表读数控制）为主，应变控制（伸长量控制）为辅，同时要求以逐级加载的方法进行，即存在对同步和停顿的要求，其中，对油表、伸长量的读数都是通过人工方式采集，而同步性则靠吹口哨、做手势或者通过对讲机喊话来实现。张拉完毕以后，数据记录也是靠人工记录，存在操作人力耗费大且误差大，实用性不强。

现有的智能张拉系统实时采集千斤顶的压力和位移，反馈至数据处理单元（计算机或显示屏）自动计算伸长量，及时校核伸长量误差是否在《公路桥涵施工技术规范》7.6.3规定“其偏差应控制在±6%”，但是实施对称张拉时调节各千斤顶之间的压力和位移同步性（《公路桥涵施工技术规范7.12.2规定“各千斤顶之间同步张拉力的允许误差宜为±2%”》）较为复杂，其同步性调节的复杂性表现为用一个被控对象（变频器控制电机转速）调节两个系统变量（千斤顶的压力和位移）的策略算法，具有同步性调节算法复杂、设备成本高以及设备存在漏电保护开关跳闸等缺点，影响其使用效果。

因此，发明一种操作方便、准确度高的预应力张拉液压系统、采用此预应力张拉液压系统的预应力张拉设备以及此预应力张拉设备的控制方法，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种操作简单、准确度高的预应力张拉液压系统，具体的技术方案如下：

一种预应力张拉液压系统，包括第一溢流阀、第二溢流阀、单向阀、第一数字阀以及流量控制装置；

所述单向阀的阀门出口与千斤顶油缸的A腔室连通，阀门进口与所述流量控制装置连通；

所述第一数字阀通过齿轮副与步进电机连接，且设置在所述千斤顶油缸的A腔室与所述单向阀之间；

所述第一溢流阀与所述流量控制装置连接；

所述流量控制装置与油箱连通；

所述第二溢流阀分别与所述流量控制装置以及千斤顶油缸的B腔室连通连接。

以上技术方案中优选的，所述流量控制装置包括换向阀、定量油泵以及第二数字阀，所述第二数字阀通过齿轮副与所述步进电机连接，所述单向阀的阀门进口与所述换向阀连通，所述定量油泵设置在所述换向阀与所述油箱之间，所述第二数字阀以及所述第一溢流阀均设置在所述换向阀与所述定量油泵之间，所述第二溢流阀分别与所述换向阀以及千斤顶油缸的B腔室连通连接。

以上技术方案中优选的，所述流量控制装置包括换向阀以及变量油泵，所述单向阀的阀门进口与所述换向阀连通，所述变量油泵设置在所述换向阀与所述油箱之间，所述第一溢流阀设置在所述换向阀与变量油泵之间，所述第二溢流阀分别与所述换向阀以及千斤顶油缸的B腔室连通连接。

以上技术方案中优选的，所述流量控制装置包括比例换向阀以及定量油泵，所述单向阀的阀门进口与所述比例换向阀连通，所述定量油泵设置在所述比例换向阀与所述油箱之间，所述第一溢流阀设置在所述比例换向阀与定量油泵之间，所述第二溢流阀分别与所述比例换向阀以及千斤顶油缸的B腔室连通连接。

以上技术方案中优选的，还包括压力表，所述压力表与所述第一数字阀连接。

采用本发明的预应力张拉液压系统，通过步进电机的步数来控制数字阀的开度来控制张拉时压力和位移的同步性，操作简单，准确度高。

本发明的第二目的在于提供一种预应力张拉设备，包括千斤顶以及至少两台张拉设备；

所述千斤顶包括千斤顶油缸、测量千斤顶油缸内部压力的压力传感装置以及测量千斤顶油缸活塞移动位移的位移传感装置；

所述张拉设备包括上述的预应力张拉液压系统；

所述千斤顶油缸的A腔室和B腔室均通过高压油管与所述张拉设备的油路连通，所述压力传感装置以及位移传感装置均通过屏蔽电缆与所述张拉设备的线路连接。

本发明的预应力张拉设备结构简单，成本低；无需采用变频器，消除变频器对张拉系统的干扰和电源跳闸的影响。

本发明的第三目的是提供上述预应力张拉设备的控制方法，包括以下步骤：

第一步：选定所述预应力张拉设备中的一台张拉设备作为控制主机，其他各台张拉设备作为控制从机，将控制主机中连接数字阀的步进电机进给至预先调试好的脉冲数，且将控制从机连接数字阀的步进电机进给至此脉冲数；

第二步：在对称张拉进油过程中，控制从机与控制主机的同步性误差超过设定范围时，启动PID控制器计算此控制从机步进电机调整的步距；

第三步：PID控制器计算完成后，控制步进电机驱动至指定位置，完成PID控制器的调控。

其中，所述PID控制器的具体控制方式是以两千斤顶油缸之间的压力差或/和位移差为输入，以控制从机步进电机调整的步距为输出。。

应用本发明的预应力张拉设备的控制方法，通过步进电机的步数来控制数字阀的开度来控制张拉时压力和位移的同步性，准确度高，同步性好；同步性调节控制的算法简单，操作方便，实用性广。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是本发明优选实施例1的预应力张拉液压系统的原理图；

图2是本发明优选实施例1的预应力张拉设备的结构示意图；

图3是本发明优选实施例1的预应力张拉设备的压力同步性调节控制策略简图；

图4是本发明优选实施例1的预应力张拉设备的位移同步性调节控制策略简图；

图5是本发明优选实施例1的预应力张拉设备的张拉流程图；

图6是本发明优选实施例2的预应力张拉液压系统的原理图；

图7是本发明优选实施例3的预应力张拉液压系统的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种预应力张拉液压系统，如图1所示，包括第一溢流阀11、第二溢流阀12、单向阀13、第一数字阀14以及流量控制装置15，所述流量控制装置15包括换向阀151、定量油泵152以及第二数字阀153，定量油泵152由电机1521带动运行，第一数字阀14以及第二数字阀153均由步进电机驱动，且步进电机与第一数字阀之间以及步进电机与第二数字阀之间均通过齿轮副连接，所述换向阀151包括第一线圈1511以及第二线圈1512。

所述单向阀13的阀门出口与千斤顶油缸3的A腔室连通，所述单向阀13的阀门进口与所述换向阀151连通。

所述第一数字阀14设置在所述千斤顶油缸3的A腔室与所述单向阀13之间，与所述第一数字阀14连接设有压力表16。

所述定量油泵152设置在所述换向阀151与所述油箱4之间。

所述第二数字阀153以及第一溢流阀11均设置在所述换向阀151与定量油泵152之间。

所述第二溢流阀12分别与所述换向阀151以及千斤顶油缸3的B腔室连通连接。

本发明预应力张拉液压系统的工作流程如下：电机1521带动定量油泵152泵油，其中，电机无调速装置，第一溢流阀11以及第二溢流阀12保证预应力张拉液压系统的压力不超过系统设计的额定压力；正常张拉进油时，步进电机和换向阀151的第一线圈1511得电，油液经过单向阀13进入千斤顶油缸3的A腔室进行拉伸钢铰线，控制第一数字阀14以及第二数字阀153的开度达到缓慢加压和压力位移同步性调节的目的，且速率可调；正常张拉泄荷时，电机和换向阀151的第一线圈1511和第二线圈1512失电，第二数字阀153关闭，控制第一数字阀14的开度达到缓慢泄压的目的，且速率可调；正常张拉退油时，步进电机和换向阀151的第二线圈1512得电，油液进入千斤顶油缸3的B腔室，控制第一数字阀14的开度达到回油的目的。

采用本发明的预应力张拉液压系统，通过步进电机的步数来控制第一数字阀14以及第二数字阀153的开度来控制张拉时压力和位移的同步性，操作简单，准确度高。

一种预应力张拉设备，如图2所示，包括千斤顶81以及至少两台张拉设备82。

所述千斤顶81包括千斤顶油缸3、测量千斤顶油缸3内部压力的压力传感装置811以及测量千斤顶油缸3活塞移动位移的位移传感装置812。

所述张拉设备82包括上述的预应力张拉液压系统，其中所述第一溢流阀11、第二溢流阀12、单向阀13、第一数字阀14以及第二数字阀153构成集成阀组6，且第一数字阀14以及第二数字阀153均由步进电机7驱动。

所述千斤顶油缸3的A腔室和B腔室均通过高压油管2与所述张拉设备82的油路连通，所述压力传感装置811以及位移传感装置812均通过屏蔽电缆5与所述张拉设备82的线路连接。

本发明的预应力张拉设备结构简单，成本低；无需采用变频器，消除变频器对张拉系统的干扰和电源跳闸的影响。

以包括两台上述预应力张拉设备的系统的控制方法为例，具体包括以下步骤：

第一步：选定所述预应力张拉设备中的设备1作为控制主机，设备2作为控制从机，将设备1中连接数字阀的步进电机设定为预先调试好的脉冲，且将设备2可连接的数字阀的步进电机进给至此脉冲数；

第二步：在对称张拉进油过程中，设备1与设备2的同步性误差超过设定范围时，启动PID控制器计算此设备2步进电机调整的步距；

第三步：计算完成后，PID控制器控制步进电机驱动至指定位置，完成PID控制器的调控。

其中：所述PID控制器的具体控制方式是以两缸之间的压力差或/和位移差为输入，以设备2步进电机调整的步距为输出。

其压力同步性调节控制策略简图如图3所示，通过PLC控制将设备1中第一数字阀的步进电机进给至预先调试好的脉冲数，并将设备2连接第一数字阀的步进电机进给至此脉冲数；在对称张拉进油过程中，设备2以及设备1的压力分别通过其千斤顶中的压力传感器获得，当设备2与设备1的同步拉力差绝对值超过1.5%时，启动PID控制器计算此设备2步进电机调整的步距，PID控制器计算完成后，控制步进电机驱动至指定位置；当设备2与设备1的同步拉力差绝对值低于1.5%时，结束。

其位移同步性调节控制策略简图如图4所示，通过PLC控制将设备1中第二数字阀的步进电机进给至预先调试好的脉冲数，并将设备2连接第二数字阀的步进电机进给至此脉冲数；在对称张拉进油过程中，设备2以及设备1的位移值分别通过其千斤顶中的位移传感器获得，当设备2与设备1的同步位移差绝对值大于2mm且小于20mm时，启动PID控制器计算此设备2步进电机调整的步距，PID控制器计算完成后，控制步进电机驱动至指定位置；当设备2与设备1的同步位移差绝对值小于2mm或大于20mm时，结束。

本发明预应力张拉设备的张拉流程图如图5所示：（1）采集设备的压力和位移数据：开始张拉，打开电机、换向阀，步进电机运转至指定位置，千斤顶中的压力传感器和位移传感器采集设备的压力和位移数据；（2）压力同步性调节控制：当两台千斤顶的内腔压力差绝对值大于1.5%时，启动压力增量式PID控制器，调整从机第一数字阀的位置，进入位移同步性调节控制步骤；当两台千斤顶的内腔压力差绝对值小于等于1.5%时，直接进入位移同步性调节控制步骤；（3）位移同步性调节控制：当两台千斤顶的位移差绝对值大于2mm且小于20mm时，启动压力增量式PID控制器，调整从机第二数字阀的位置；（4）张拉完成，停止张拉；张拉未结束，返回至采集设备的压力和位移数据步骤；（5）当位移同步性调节控制步骤中检测到两台千斤顶的位移差绝对值大于20mm时，暂停张拉，排除异常情况并修复，返回至采集设备的压力和位移数据步骤。

应用本发明的预应力张拉设备的控制方法，通过步进电机的步数来控制两个数字阀的开度来控制张拉时压力和位移的同步性，准确度高，同步性好；同步性调节控制的算法简单，操作方便，实用性广。

实施例2：

一种预应力张拉液压系统，本实施例的预应力张拉液压系统与实施例1的区别仅在于：采用变量油泵152’替换定量油泵152以及第二数字阀153，即所述流量控制装置15包括换向阀151以及变量油泵152’，所述单向阀13的阀门进口与所述换向阀151连通，所述变量油泵152’设置在所述换向阀151与所述油箱4之间，所述第一溢流阀11设置在所述换向阀151与变量油泵152’之间，所述第二溢流阀12分别与所述换向阀151以及千斤顶油缸3的B腔室连通连接，如图6所示。

本发明预应力张拉液压系统的工作流程如下：电机带动变量油泵152’泵油，电机无调速装置，第一溢流阀11以及第二溢流阀12保证液压系统的压力不超过系统设计的额定压力；正常张拉进油时，电机和换向阀151的第一线圈1511得电，油液经过单向阀13进入千斤顶油缸3的A腔室进行拉伸钢铰线，控制第一数字阀14和变量油泵152’的开度达到缓慢加压和压力位移同步性调节的目的，且速率可调；正常张拉卸荷时，电机和换向阀151的第一线圈1511和第二线圈1512失电，控制第一数字阀14的开度达到缓慢泄压的目的，且速率可调；正常张拉退油时，电机和换向阀151的第二线圈1512得电，油液进入千斤顶油缸3的B腔室，控制第一数字阀14的开度达到回油的目的。

采用本发明的预应力张拉液压系统，通过步进电机的步数来控制第一数字阀14和变量油泵152’的开度来控制张拉时压力和位移的同步性，操作简单，准确度高。

一种预应力张拉设备，与实施例1的不同点仅在于：其中所述第一溢流阀11、第二溢流阀12、单向阀13以及第一数字阀14构成集成阀组6，且定量油泵152换成变量油泵152’。本实施例的预应力张拉设备的控制方法同实施例1。

其压力同步性调节控制策略、位移同步性调节控制策以及整个张拉流程图中，只需将实施例1中的第二数字阀更换成变量油泵即可，其他原理相同。

实施例3：

一种预应力张拉液压系统，本实施例的预应力张拉液压系统与实施例1的区别仅在于：采用比例换向阀151’替换换向阀151以及第二数字阀153，即所述流量控制装置15包括比例换向阀151’以及定量油泵152，所述单向阀13的阀门进口与所述比例换向阀151’连通，所述定量油泵152设置在所述比例换向阀151’与所述油箱4之间，所述第一溢流阀11设置在所述比例换向阀151’与定量油泵152之间，所述第二溢流阀12分别与所述比例换向阀151’以及千斤顶油缸3的B腔室连通连接，如图7所示。

本发明预应力张拉液压系统的工作流程如下：电机带动定量油泵152泵油，电机无调速装置，第一溢流阀11以及第二溢流阀12保证液压系统的压力不超过系统设计的额定压力；正常张拉进油时，电机和比例换向阀151’的第一线圈1511’得电，油液经过单向阀13进入千斤顶油缸3的A腔室进行拉伸钢铰线，控制第一数字阀14和比例换向阀151’的开度达到缓慢加压和压力位移同步性调节的目的，且速率可调；正常张拉泄荷时，电机和比例换向阀151’的第一线圈1511’和第二线圈1512’失电，控制第一数字阀14的开度达到缓慢卸压的目的，且速率可调；正常张拉退油时，电机和比例换向阀151’的第二线圈1512’得电，油液进入千斤顶油缸3的B腔室，控制第一数字阀14的开度达到回油的目的。

采用本发明的预应力张拉液压系统，通过步进电机的步数来控制第一数字阀14和比例换向阀151’的开度来控制张拉时压力和位移的同步性，操作简单，准确度高。

一种预应力张拉设备，与实施例1的不同点仅在于：其中所述第一溢流阀11、第二溢流阀12、单向阀13以及第一数字阀14构成集成阀组6，且换向阀151换成比例换向阀151’。本实施例的预应力张拉设备的控制方法同实施例1。

其压力同步性调节控制策略、位移同步性调节控制策以及整个张拉流程图中，只需将实施例1中的第二数字阀更换成比例换向阀即可，其他原理相同。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。