预应力智能张拉液压系统、预应力张拉设备及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种预应力智能张拉液压系统、预应力张拉设备及其控制方法。该预应力智能张拉液压系统包括第一溢流阀、第二溢流阀、数字阀、液控单向阀以及流量控制装置；所述液控单向阀的阀门出口与千斤顶油缸油缸的A腔室连通，阀门进口与所述流量控制装置连通，并且所述液控单向阀的外泄油路出口连通于所述流量控制装置；所述数字阀设置在所述液控单向阀和所述流量控制装置之间；所述第二溢流阀设置于所述液控单向阀的外泄油路出口和所述流量控制装置之间；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。这种预应力智能张拉液压系统适用性强、生产成本低。
【专利说明】 预应力智能张拉液压系统、预应力张拉设备及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及道路、桥梁等工程施工设备【技术领域】，尤其涉及一种预应力智能张拉液压系统。此外，本发明还涉及一种包括上述预应力智能张拉液压系统的预应力张拉设备和所述预应力张拉设备的控制方法。
【背景技术】
[0002]在桥梁张拉施工过程中通常采用智能张拉系统实时地采集千斤顶油缸的压力和位移，并且反馈至数据处理单元，数据处理单元以此计算出预应力筋的伸长量，以便实时地校核预应力筋的伸长量误差是否控制在《公路桥涵施工技术规范》的7.6.3规定的“其偏差应控制在±6% ”的范围内。但是在进行对称张拉时同步调节各千斤顶油缸之间的压力和位移较为复杂，由于《公路桥涵施工技术规范》的7.12.2规定“各千斤顶油缸之间同步张拉力的允许误差宜为±2%”。同步调节的复杂性主要表现为采用一个被控对象调节两个系统变量，例如通过变频器控制电机转速来调节千斤顶油缸的压力和位移，这样的算法比较复杂、适用性差。此外，智能张拉系统的变频器处于工作状态时偶尔会引起张拉设备或梁场的漏电保护器跳闸。上述问题的存在使得智能张拉系统的生产成本增加。因此，急需一种适用性强、生产成本低的预应力智能张拉液压系统，以解决现有技术中存在的上述问题。
【发明内容】
[0003]针对上述的问题，本发明提出了一种预应力智能张拉液压系统，这种预应力智能张拉液压系统适用性强、生产成本低。本发明还提出了一种预应力张拉设备和所述预应力张拉设备的控制方法。
[0004]根据本发明的第一方面提出的预应力智能张拉液压系统，其包括包括第一溢流阀、第二溢流阀、数字阀、液控单向阀以及流量控制装置；所述液控单向阀的阀门出口与千斤顶油缸油缸的A腔室连通，阀门进口与所述流量控制装置连通，并且所述液控单向阀的外泄油路出口连通于所述流量控制装置；所述数字阀设置在所述液控单向阀和所述流量控制装置之间；所述第二溢流阀设置于所述液控单向阀的外泄油路出口和所述流量控制装置之间；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。
[0005]在一个实施例中，所述流量控制装置包括第一换向阀、第二换向阀、单向阀以及定量油泵，所述定量油泵设置在油箱和所述第一换向阀之间，所述单向阀设置在所述第一换向阀的第一工作油口和所述数字阀之间，所述第二换向阀设置于所述定量油泵和所述千斤顶油缸的B腔室之间，并且所述第二换向阀的一个工作油口连通于所述单向阀和所述数字阀之间，其中所述液控单向阀的外泄油路出口连接于所述第一换向阀的第二工作油口。
[0006]在一个实施例中，所述流量控制装置还包括压力表，所述压力表设置与所述第一溢流阀连接。
[0007]在一个实施例中，所述第一换向阀为三位四通换向阀，所述三位四通换向阀的A工作油口连接所述单向阀，所述三位四通换向阀的B工作油口连接于所述液控单向阀的外泄油路出口，和/或所述第二换向阀为二位四通换向阀，所述二位四通换向阀的A工作油口连通于所述单向阀和所述数字阀之间，所述二位四通换向阀的B工作油口连接于所述千斤顶油缸的B腔室。
[0008]在一个实施例中，所述数字阀由步进电机驱动，所述步进电机由PLC控制器控制。
[0009]根据本发明的第二方面提供的预应力张拉设备，其包括千斤顶油缸以及2n台张拉设备，η至少为I ;所述千斤顶油缸包括千斤顶油缸油缸、测量千斤顶油缸油缸内部压力的压力传感器以及测量千斤顶油缸油缸活塞移动位移的位移传感器；所述张拉设备包括根据上文所述的预应力智能张拉液压系统；所述千斤顶油缸油缸的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，所述压力传感器以及所述位移传感器均通过屏蔽电缆与所述张拉设备的线路连接。
[0010]根据本发明的第三方面提供的如上文所述预应力张拉设备的控制方法，其包括以下步骤:位移同步性调节步骤:给定各个张拉设备的数字阀所对应的步进电机预先调试好的脉冲，通过各个张拉设备的千斤顶油缸所对应的位移传感器的差值来调节相应张拉设备的步进电机位置；控制张拉速率步骤:以任何一台设备为控制主机，以设定张拉速率为目标速率，以该张拉设备的步进电机位置为调节对象，以该张拉设备的千斤顶油缸A腔压力的增长速度与目标速率差为反馈进行PID调节；对称张拉步骤:其余2η_1台张拉设备作为控制从机，当所述控制从机与所述控制主机的力值差超过设定范围时，启动PID控制器控制所述控制从机的步进电机的步距。
[0011]在一个实施例中，所述第一换向阀为三位四通换向阀，位移同步性调节步骤中包括通过各千斤顶油缸的位移传感器差来调节相应三位四通换向阀状态，以实现各个千斤顶油缸的位移同步。
[0012]在一个实施例中，PID控制器的具体控制方式是以所述控制从机和所述控制主机中千斤顶油缸力值差为输入，以所述控制从机的步进电机调整的步距为输出，控制所述控制从机的步进电机驱动至指定位置，以实现所述控制从机的千斤顶油缸的力值跟随所述控制主机的千斤顶油缸的力值。
[0013]采用本发明的预应力张拉设备的控制方法，通过步进电机的步距和/或三位四通换向阀的状态来控制张拉时压力和位移的同步性，准确度高、同步性调节控制的算法简单、适用性强。
[0014]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，对本发明做进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中:
[0016]图1是根据本发明的一个优选实施例的预应力智能张拉液压系统的示意图；
[0017]图2是根据本发明的一个优选实施例的预应力张拉设备的示意图；
[0018]图3是图2所示预应力张拉设备的一个优选实施例的张拉流程图；
[0019]图4是根据本发明的一个优选实施例的控制方法的位移同步性调节的控制策略简图；
[0020]图5是根据本发明的一个优选实施例的控制方法中的控制张拉速率和同步张拉的控制策略图。
[0021]在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。
【具体实施方式】
[0022]下面将结合附图对本发明做进一步说明。
[0023]如图1所示，本发明提供的预应力智能张拉液压系统包括第一溢流阀60、第二溢流阀50、数字阀40、液控单向阀27以及流量控制装置20。下面将详细地描述本发明的预应力智能张拉液压系统及其各个部分。
[0024]如图1和图2所示，液控单向阀27的阀门出口与千斤顶油缸10的A腔室连通，阀门进口与流量控制装置20连通，并且液控单向阀27的外泄油路出口连通在流量控制装置20。千斤顶油缸10设置有压力传感器11和位移传感器12以用于监测千斤顶油缸10的A腔室的压力以及千斤顶油缸10内的活塞的位移量。
[0025]如图1所示，数字阀40设置在液控单向阀27和流量控制装置20之间。数字阀40由步进电机26 (参见图2)驱动，作为优选地，步进电机26由PLC控制器控制。
[0026]第二溢流阀50设置于液控单向阀27的外泄油路出口和流量控制装置20之间。
[0027]第一溢流阀60与流量控制装置20连接；流量控制装置20与油箱70连通。
[0028]在一个实施例中，如图1所示，流量控制装置20包括第一换向阀21、第二换向阀24、单向阀27以及定量油泵22，定量油泵22设置在油箱70和第一换向阀21之间，单向阀27设置在第一换向阀21的第一工作油口和数字阀40之间，第二换向阀24设置在定量油泵22和千斤顶油缸10的B腔室之间，并且第二换向阀24的一个工作油口连通于单向阀27和数字阀40之间，其中液控单向阀27的外泄油路出口连接于第一换向阀21的第二工作油口。作为优选地，流量控制装置20还包括压力表25，压力表25与第一溢流阀60连接。
[0029]作为优选的实施例，如图1所示第一换向阀21为三位四通换向阀，三位四通换向阀的A工作油口连接单向阀27，三位四通换向阀的B工作油口连接于液控单向阀27的外泄油路出口。进一步地，第二换向阀24为二位四通换向阀，二位四通换向阀的A工作油口连通于单向阀27和数字阀40之间，二位四通换向阀的B工作油口连接于千斤顶油缸10的B腔室。
[0030]参见图1和图2所示，数字阀40通过PLC控制器控制步进电机26，由此步进电机26驱动数字阀40的顶杆前后运动，而顶杆的前后运动可改变压簧施加于数字阀40的锥阀阀芯的预紧力，从而达到调节溢流压力的目的。
[0031]根据本发明提供的预应力张拉设备包括千斤顶以及2η台张拉设备，η至少为I。由此可以实现对称张拉。千斤顶包括千斤顶油缸10、测量千斤顶油缸10内部压力的压力传感器11以及测量千斤顶油缸10的活塞移动位移的位移传感器12。其中，如图2所示，张拉设备包括根据上文所述的预应力智能张拉液压系统。千斤顶油缸10的A腔室和B腔室均通过高压油管与张拉设备的油路连通，压力传感器11以及位移传感器12均通过屏蔽电缆与张拉设备的线路连接。
[0032]如图2所示，在张拉设备中采用集成阀块30安装上述各类阀。集成阀块30可以包含已经安装好的第一溢流阀60和第二溢流阀50以及单向阀27。此外在集成阀块30上安装I个三位四通换向阀、I个二位四通换向阀、I个液控单向阀30和I个数字阀40。由此实现各类阀在张拉设备中的安装。
[0033]参见图1和图3，张拉设备的工作流程(参见图3):开始自动张拉，打开电机和三维四通换向阀，步进电机运转至指定位置，接下来采集各个张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的压力值和位移量，以进行接下来的压力同步性调节控制和位移同步性调节控制。首先进行压力同步性调节控制，判断主机张拉设备的其它从机张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的拉力差值是否大于1.5%，如果是，启动拉力增量式PID控制器以调节从机张拉设备的数字阀的预紧力。然后位移同步性调节控制，判断主机张拉设备的从机张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的位移差值是否大于2mm，而小于20mm ?另外，主机张拉设备和从机张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的拉力差值不大于1.5%的情况也执行上述判位移差值的判断步骤，如果是的话，调整三位四通换向阀的状态，然后判断张拉是否完成，如果是，则停止张拉，如果不是，则重新采集各个张拉设备的主机张拉设备和从机张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的压力值和位移量，再次进入压力值以及位移差值的判断过程。其中如果主机张拉设备的从机张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的位移差值不大于2_，而小于20mm,则进一步判断主机张拉设备和从机张拉设备的千斤顶油缸的A腔室的位移差值是否大于20mm?如果不是，则也执行调整从机张拉设备的三位四通换向阀状态的步骤。而主机张拉设备和从机张拉设备的千斤顶油缸的A腔室的位移差值是大于20mm的情况下，暂停张拉，排除异常情况并修复后再次开始自动张拉。图1所示预应力张拉系统内的各个部件的具体工作情况为:电机23带动油泵22泵油，电机可以没有调速装置，第一溢流阀60保证该预应力智能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，电机23和三位四通换向阀的线圈2DT得电，其它电磁阀线圈失电，油液经过单向阀27和液控单向阀30进入千斤顶油缸10的A腔，以拉伸钢铰线，通过调节数字阀40的预紧力(通过其压簧实现)达到缓慢加压以及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23和三位四通换向阀线圈IDT得电，其它电磁阀线圈失电，油液顶开液控单向阀30，调节数字阀的预紧力达到缓慢泄压和同步性调节的目的，且速率可调。正常张拉退油时，电机23、三位四通换向阀线圈IDT和二位四通换向阀线圈3DT得电，其它电磁阀线圈失电，油液进入千斤顶油缸10的B腔，其A腔内的油液经三位四通换向阀流回油箱70，达到快速回油的目的。
[0034]根据本发明的第三方面提供的如上文预应力张拉设备的控制方法，其包括以下步骤:位移同步性调节步骤、控制张拉速率步骤和对称张拉步骤。
[0035]位移同步性调节步骤参见图4:给定各个张拉设备的数字阀40所对应的步进电机26预先调试好的脉冲，通过各个张拉设备的千斤顶油缸10所对应的位移传感器12的差值来调节相应张拉设备的步进电机26位置。即在建立压力之前的位移同步性调节，首先启动进油，各个位移传感器清零后读取各个张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的位移量，判断最大位移量和最小位移量的差值是否大于控制精度，如果是，关小最大位移量所对应的张拉设备的数字阀的开度，减小它的进油量后再次采集各个张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的位移量，如果最大位移量和最小位移量的差值小于控制精度，则进一步判断最大位移量和最小位移量的差值是否大于0.6倍的控制精度，如果是，则再判断最小位移量与其它各个张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的位移量是否大于0.8倍的控制精度，如果是，则关闭三位四通换向阀，停止升顶。如果不是，则打开三位四通换向阀，启动升顶。启动升顶或者最大位移量和最小位移量的的差值小于0.6倍的控制精度的情况下，判断各个张拉设备的千斤顶油缸10是否建立压力，如果是则结束位移同步性调节，如果不是，则再次读取各个张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的位移量，再次进行位移差的判断。
[0036]控制张拉速率步骤，参见图5:以任何一台设备为控制主机，以设定张拉速率为目标速率，以该张拉设备的步进电机26位置为调节对象，以该张拉设备的千斤顶油缸10的A腔压力的增长速度与目标速率差为反馈进行PID调节。如图5所示，通过PLC控制器将主机张拉设备的数字阀所对应的步进电机进给至预先调试好的脉冲，并将从机张拉设备的数字阀所对应的步进电机进给至此脉冲数，实际张拉速率的控制过程中，通过位移传感器采集主机张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的位移量，以获取主机张拉设备的实际张拉速率。由此PID控制器可以根据该实际张拉速率和目标速率调整主机张拉设备的数字阀所对应的步进电机的脉冲数，由此实现主机张拉速率的控制。
[0037]对称张拉步骤，参见图5:其余2n_l台张拉设备作为控制从机，当控制从机与控制主机的力值差超过设定范围时，启动PID控制器控制控制从机的步进电机26的步距。如图5所示，在控制主机张拉设备的张拉速率的同时，执行对称张拉步骤，其中，主机张拉设备和从机张拉设备的千斤顶油缸10的A腔室的位移量分别通过对应的位移长安其获得，当从机张拉设备和主机张拉设备的同步拉力利差超过1.5%时启动PID控制器计算从机张拉设备的数字阀所对应的步进电机需要调整的步距，PID控制器计算完成后，控制从机张拉设备的数字阀所对应的步进电机驱动至指定位置；当主机张拉设备和从机张拉设备的同步拉力力差没有超过1.5%时，结束同步张拉步骤。
[0038]在一个实施例中，第一换向阀21为三位四通换向阀，位移同步性调节步骤中包括通过各千斤顶油缸10的位移传感器12差来调节相应三位四通换向阀状态，以实现各个千斤顶油缸10的位移同步。
[0039]在一个实施例中，PID控制器的具体控制方式是以控制从机和控制主机中千斤顶油缸10力值差为输入，以控制从机的步进电机2调整的步距为输出，控制控制从机的步进电机26驱动至指定位置，以实现控制从机的千斤顶油缸10的力值跟随控制主机的千斤顶油缸10的力值。
[0040]本发明的预应力智能张拉系统由2n台张拉设备组成，η至少为1，η最大由采用的通讯方式决定。该系统具有时进油张拉速率、位移同步性和力同步性调节功能，同时具有泄荷力同步性调节功能；位移同步性调节精度±2mm，力同步性调节精度±2%。张拉速率调节采用PID调节，位移同步采用等同式控制策略，力同步采用主从式同步控制策略。
[0041]虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
【权利要求】
1.一种预应力智能张拉液压系统，其特征在于:包括第一溢流阀、第二溢流阀、数字阀、液控单向阀以及流量控制装置； 所述液控单向阀的阀门出口与千斤顶油缸油缸的A腔室连通，阀门进口与所述流量控制装置连通，并且所述液控单向阀的外泄油路出口连通于所述流量控制装置； 所述数字阀设置在所述液控单向阀和所述流量控制装置之间； 所述第二溢流阀设置于所述液控单向阀的外泄油路出口和所述流量控制装置之间； 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。
2.根据权利要求1所述的预应力智能张拉液压系统，其特征在于，所述流量控制装置包括第一换向阀、第二换向阀、单向阀以及定量油泵，所述定量油泵设置在油箱和所述第一换向阀之间，所述单向阀设置在所述第一换向阀的第一工作油口和所述数字阀之间，所述第二换向阀设置于所述定量油泵和所述千斤顶油缸的B腔室之间，并且所述第二换向阀的一个工作油口连通于所述单向阀和所述数字阀之间，其中所述液控单向阀的外泄油路出口连接于所述第一换向阀的第二工作油口。
3.根据权利要求2所述的预应力智能张拉液压系统，其特征在于，所述流量控制装置还包括压力表，所述压力表设置与所述第一溢流阀连接。
4.根据权利要求2或3所述的预应力智能张拉液压系统，其特征在于，所述第一换向阀为三位四通换向阀，所述三位四通换向阀的A工作油口连接所述单向阀，所述三位四通换向阀的B工作油口连接于所述液控单向阀的外泄油路出口，和/或所述第二换向阀为二位四通换向阀，所述二位四通换向阀的A工作油口连通于所述单向阀和所述数字阀之间，所述二位四通换向阀的B工作油口连接于所述千斤顶油缸的B腔室。
5.根据权利要求1所述的预应力智能张拉液压系统，其特征在于，所述数字阀由步进电机驱动，所述步进电机由PLC控制器控制。
6.一种预应力张拉设备，其特征在于:包括千斤顶油缸以及2n台张拉设备，η至少为1 ; 所述千斤顶油缸包括千斤顶油缸油缸、测量千斤顶油缸油缸内部压力的压力传感器以及测量千斤顶油缸油缸活塞移动位移的位移传感器； 所述张拉设备包括根据权利要求1至5中任一项所述的预应力智能张拉液压系统； 所述千斤顶油缸油缸的Α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，所述压力传感器以及所述位移传感器均通过屏蔽电缆与所述张拉设备的线路连接。
7.—种如权利要求6所述预应力张拉设备的控制方法，其特征在于:包括以下步骤: 位移同步性调节步骤:给定各个张拉设备的数字阀所对应的步进电机预先调试好的脉冲，通过各个张拉设备的千斤顶油缸所对应的位移传感器差来调节相应张拉设备的步进电机位置； 控制张拉速率步骤:以任何一台设备为控制主机，以设定张拉速率为目标速率，以该张拉设备的步进电机位置为调节对象，以该张拉设备的千斤顶油缸A腔压力的增长速度与目标速率差为反馈进行PID调节； 对称张拉步骤:其余2n-l台张拉设备作为控制从机，当所述控制从机与所述控制主机的力值差超过设定范围时，启动PID控制器控制所述控制从机的步进电机的步距。
8.根据权利要求7所述的预应力张拉控制方法，其特征在于，所述第一换向阀为三位四通换向阀，位移同步性调节步骤中包括通过各千斤顶油缸的位移传感器的差值来调节相应三位四通换向阀状态，以实现各个千斤顶油缸的位移同步。
9.根据权利要求7或8所述的预应力张拉控制方法，其特征在于，PID控制器的具体控制方式是以所述控制从机和所述控制主机中千斤顶油缸力值差为输入，以所述控制从机的步进电机调整的步距为输出，控制所述控制从机的步进电机驱动至指定位置，以实现所述控制从机的千斤顶油缸的力值跟随所述控制主机的千斤顶油缸的力值。
【文档编号】E01D101/28GK104314905SQ201410539290
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】梁晓东, 王文昌, 罗胜海, 李君 , 谢吉祥 申请人:湖南联智桥隧技术有限公司