雙頂同步軌枕張拉自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制

許子龍

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕的生產(chǎn)過程中，預(yù)應(yīng)力鋼筋中預(yù)應(yīng)力能否準(zhǔn)確施加是保證預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序，也是混凝土軌枕產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在傳統(tǒng)的張拉裝置中，張拉工序是手動(dòng)控制，不易滿足張拉工序加載速率要求，也難以保證兩頂同步張拉，使張拉工序過程中增加了人為的不確定性，從而影響了張拉工藝的準(zhǔn)確執(zhí)行。而且各種數(shù)據(jù)還要人工記錄，用油壓換算載荷的方法需要定期標(biāo)定油頂?shù)哪ψ柘禂?shù)和油壓表的精度。對(duì)單點(diǎn)調(diào)壓的液壓系統(tǒng)，兩頂?shù)哪ψ柘禂?shù)要匹配一致，否則滿足不了張拉精度要求。如采用開關(guān)閥進(jìn)行模式控制，由于閥體和油頂?shù)膬?nèi)泄，導(dǎo)致在1 min保壓過程中頻繁地在高壓狀態(tài)下進(jìn)行開關(guān)，使得換向閥、油頂?shù)拿芊馊陀凸苁褂脡勖蟠蠼档?。而且在保壓階段的載荷波動(dòng)也較大。

為此，研制了計(jì)算機(jī)控制的預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋張拉自動(dòng)控制儀，它由工控計(jì)算機(jī)、傳感器、液壓組件和驅(qū)動(dòng)機(jī)電一體化設(shè)備組成。該儀器可以按預(yù)先編制好的程序由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，能確保鋼筋的張拉工藝參數(shù)一致。通過高精度測力傳感器、采集板轉(zhuǎn)換后直接在計(jì)算機(jī)上顯示張力的大小和曲線。保證了張拉力值的精度，同時(shí)減少了液壓油頂和油表的標(biāo)定工作，延長了油頂密封圈和液壓阻件的使用壽命。該系統(tǒng)有動(dòng)態(tài)保壓作用，同時(shí)也可做到對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢和存檔。

1 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)是運(yùn)用現(xiàn)代傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，研制的鋼筋預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉控制系統(tǒng)。圖1為系統(tǒng)框圖，它由油泵、張拉千斤頂、測力傳感器(L1，L2)、驅(qū)動(dòng)采集箱、手動(dòng)驅(qū)動(dòng)箱、接口板和工控計(jì)算機(jī)組成。采用兩個(gè)比例溢流閥分別控制兩個(gè)液壓油頂，通過力傳感器來測量預(yù)拉力的大小。然后將測量力值反饋給計(jì)算機(jī)與系統(tǒng)給定值進(jìn)行比較，通過調(diào)整液壓油頂?shù)膲毫砜刂茝埨Φ拇笮?。按照張拉工藝要求，?jì)算機(jī)自動(dòng)完成張拉過程，同時(shí)記錄張拉數(shù)據(jù)以備查證。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)目標(biāo)為要求系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)兩頂精確同步張拉，張拉加載速率可控，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)緩慢釋放應(yīng)力。每小時(shí)張拉20模。

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)每個(gè)頂采用獨(dú)立的油泵進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)和換向控制，便于系統(tǒng)檢修和故障的快速定位。共控制2個(gè)1 500 kN、行程200 mm的穿心式油頂。液壓系統(tǒng)最高壓力31.5 MPa。力傳感器測量范圍為0～700 kN，測力精度±1%。

圖2是其中一路液壓系統(tǒng)的原理示意。系統(tǒng)采用一個(gè)MCY14-1B耐壓為31.5 MPa的軸向柱塞泵2供油，經(jīng)過單向閥3通過精密濾油器4過濾后進(jìn)入比例溢流閥5，調(diào)壓后通過三位四通換向閥8再進(jìn)入油頂10的工作油腔，在工作腔前端接一油壓傳感器9監(jiān)控油頂?shù)墓ぷ鲏毫Α?/p>

圖2 液壓系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的特點(diǎn)是，通過比例溢流閥的無級(jí)調(diào)壓，液壓系統(tǒng)保壓狀態(tài)不用調(diào)節(jié)換向閥的動(dòng)作，即可完成1 min保壓過程，避免了液壓系統(tǒng)的沖擊。直接通過測力傳感器測量張拉力，保證了系統(tǒng)的控制精度，同時(shí)確保兩油頂?shù)耐綇埨Ｏ到y(tǒng)能保證模型張拉過程中不受偏載，亦保證了預(yù)應(yīng)力鋼筋在軌枕中的準(zhǔn)確位置。比例溢流閥選用華德BE10-30/315YM型，它可根據(jù)所需的張拉力來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力，從而可提高油泵電機(jī)的用電效率。兩個(gè)三位四通閥選用華德4WE6E6E61B/CC24N9Z5L，它被用來控制油頂?shù)倪M(jìn)油、出油和停止供油。進(jìn)油、回油濾器的作用是過濾液壓油中的污物，保護(hù)液壓元件正常工作。為了適應(yīng)不同季節(jié)工作環(huán)境要求，油泵上加有電加熱器和液壓油的風(fēng)冷卻器。

2.2 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)采用RBH2902型以太網(wǎng)接口的A/D采樣接口板，精度為16位，它的維護(hù)性比其它類型的接口板容易，檢修也比較方便。它負(fù)責(zé)對(duì)兩油頂?shù)乃穆?4～20 mA)模擬量的采集。D/A輸出提供兩路比例放大板的控制(0～10 V)電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)張拉力的調(diào)整，八路數(shù)字量的輸出控制信號(hào)用來控制換向閥電磁鐵線圈(DC 24 V)，通過供電電壓的通斷來實(shí)現(xiàn)油頂?shù)膿Q向。

測力傳感器選用BK-1型，量程0～700 kN、精度0.5%(為滿足設(shè)計(jì)要求提高了一個(gè)等級(jí))。油壓傳感器選用JP-40型，量程0～45 MPa，精度0.2%。

驅(qū)動(dòng)箱分為強(qiáng)電和弱電兩部分，強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)部分負(fù)責(zé)電機(jī)、加熱器和換向電磁閥的手動(dòng)模式的控制。弱電驅(qū)動(dòng)部分負(fù)責(zé)傳感器供電、信號(hào)采集、調(diào)壓信號(hào)的產(chǎn)生、換向閥控制和計(jì)算機(jī)的通訊。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分有以下6個(gè)模塊:力值測量模塊、開關(guān)輸出模塊、調(diào)壓控制模塊、工藝參數(shù)輸入模塊、測量系統(tǒng)標(biāo)定模塊和歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。

2.4 系統(tǒng)標(biāo)定

手動(dòng)控制面板如圖3所示，啟動(dòng)張拉自動(dòng)控制系統(tǒng)前，必須將兩油頂手動(dòng)調(diào)壓電位器旋鈕調(diào)至零位(逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至最小)。圖中1前、后和2前、后為兩油頂手動(dòng)換向開關(guān)。

圖3 手動(dòng)控制面板

測力系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)油頂安裝示意如圖4，將標(biāo)準(zhǔn)測力傳感器6(900 kN精度0.3%)和待標(biāo)定的力傳感器5串在張拉絲杠中，兩端用前、后鎖緊螺母固定。打開驅(qū)動(dòng)箱和計(jì)算機(jī)預(yù)熱15 min后，用手動(dòng)開關(guān)控制張拉千斤頂，然后順時(shí)針調(diào)節(jié)相對(duì)應(yīng)的油壓手動(dòng)調(diào)壓電位器，按 0，100，200，300，400，500，600 kN 七級(jí)進(jìn)行分段標(biāo)定。通過標(biāo)定可以彌補(bǔ)傳感器測量的非線性誤差。

圖4 測力系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)油頂安裝示意

3 現(xiàn)場應(yīng)用

安裝主機(jī)需要可靠的接地。按定義要求，將每個(gè)測量傳感器輸入口的電控線接到功率驅(qū)動(dòng)箱對(duì)應(yīng)的接口上，連接計(jì)算機(jī)的接線，并將I/O控制線接到功率驅(qū)動(dòng)箱上，功率驅(qū)動(dòng)箱上電源為AC 380 V。打開總電源開關(guān)和驅(qū)動(dòng)箱前控制面板上的電源開關(guān)。

往油箱加油時(shí)，必須在回油濾清器前面的加油管注入或者用過濾精度為10 μm的加油車。檢查電機(jī)的轉(zhuǎn)向，如果壓力表上有壓力指示則表明電機(jī)相序接線正確。接上液壓油頂，使系統(tǒng)在低壓狀態(tài)運(yùn)行10 h，然后再將壓力提高到20 MPa，進(jìn)行4 h循環(huán)。最后將回油濾清器的濾芯更換方可使用。在自動(dòng)控制模式下，嚴(yán)禁用手動(dòng)開關(guān)進(jìn)行操作。兩個(gè)電磁換向閥開關(guān)必須處于如圖3所示位置。在使用前確認(rèn)各種開關(guān)動(dòng)作是否正常，換向閥的動(dòng)作定義是否和計(jì)算機(jī)上的方向一致。然后選擇一套張拉目標(biāo)力值較低的模型進(jìn)行試驗(yàn)。液壓油的最高工作溫度為55℃，如果高于此溫度，油冷卻器的散熱風(fēng)扇就自動(dòng)啟動(dòng)工作，以免油溫過高導(dǎo)致的泄漏。長期不用時(shí)，應(yīng)將液壓油缸和液壓油管的進(jìn)出油口全部堵上，以免液壓系統(tǒng)受到污染。定期檢查液壓件、油頂?shù)拿芊馇闆r。工作滿5 000 h或放置二年后更換液壓油和高低壓濾芯。

圖5為Ⅲa型軌枕的張拉和緩慢放張的曲線。曲線是兩個(gè)頂?shù)膹埨€，由于精確同步張拉，故兩條曲線完全重合。張拉目標(biāo)值420 kN，持荷60 s后緩慢卸載。生產(chǎn)能力每小時(shí)張拉20模，滿足現(xiàn)行軌枕流水機(jī)組法的生產(chǎn)節(jié)奏。

圖5 張拉和緩慢放張全過程曲線

4 結(jié)論

該系統(tǒng)經(jīng)在現(xiàn)場使用，滿足了張拉工藝對(duì)可靠性和準(zhǔn)確性的要求，保證了兩頂?shù)耐焦ぷ鳌埨ν骄冗_(dá)到1%，預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕脫模時(shí)，通過改變系統(tǒng)工藝參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)鋼筋應(yīng)力的緩慢釋放，減少了預(yù)應(yīng)力軌枕端部握裹力的損失。做到一機(jī)兩用，簡化了軌枕張拉設(shè)備在現(xiàn)場的維護(hù)工作。此種類型的張拉控制模式也可用于預(yù)應(yīng)力混凝土梁或其它長線臺(tái)座法的單根預(yù)應(yīng)力筋張拉。

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