預(yù)應(yīng)力張拉電液伺服執(zhí)行系統(tǒng)的仿真

羅昂昂，馬 偉，李濟(jì)順

（1．河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2．河南科技大學(xué) 河南省機(jī)械設(shè)計(jì)與傳動(dòng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003）

0 引 言

在橋梁建造施工中，預(yù)應(yīng)力張拉是決定橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量、安全以及橋梁使用壽命的關(guān)鍵步驟。在傳統(tǒng)張拉設(shè)備基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的半自動(dòng)或全自動(dòng)張拉設(shè)備已經(jīng)在預(yù)應(yīng)力張拉施工中得到較為廣泛的應(yīng)用［1－5］。由于電液比例閥與電液伺服閥所需成本較高，因此部分張拉設(shè)備選用步進(jìn)電機(jī)控制節(jié)流閥，通過(guò)調(diào)整液壓回路橫截面積，來(lái)達(dá)到控制液壓流速的效果［6－7］；但閥控液壓系統(tǒng)的液壓結(jié)構(gòu)較為繁雜，降低了設(shè)備在復(fù)雜施工環(huán)境下的穩(wěn)定性和抗干擾能力［8－9］。

本文根據(jù)橋梁預(yù)應(yīng)力張拉施工工藝和控制要求，采用泵控液壓系統(tǒng)，提出張拉設(shè)備電液伺服執(zhí)行系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)；利用Simhydraulics模塊并結(jié)合Simulink邏輯控制與運(yùn)算處理功能［10］，完成對(duì)張拉控制系統(tǒng)的物理建模，并對(duì)整個(gè)張拉過(guò)程進(jìn)行仿真；最后利用YSK－IA型預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)西門子S7－200PLC控制器，對(duì)該電液伺服執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行張拉施工過(guò)程的控制。

1 電液伺服系統(tǒng)的建立

雙控法是當(dāng)前預(yù)應(yīng)力張拉所采用的主要控制方法，它的控制對(duì)象是張拉控制應(yīng)力，而千斤頂?shù)纳扉L(zhǎng)量則作為檢測(cè)對(duì)象［11］。根據(jù)預(yù)應(yīng)力張拉施工規(guī)范，參照現(xiàn)有的智能張拉控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，得到同步控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)可分為兩大部分，即控制系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)［12］。電液伺服系統(tǒng)即為整體結(jié)構(gòu)中的執(zhí)行系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力同步張拉控制的基礎(chǔ)。

圖1 預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)橋梁預(yù)應(yīng)力張拉施工控制要求，電液伺服系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求［13］。

（1）系統(tǒng)的實(shí)際工作壓力普遍較高，要滿足超高壓狀態(tài)。

（2）施工加載過(guò)程動(dòng)作要平穩(wěn)，無(wú)較大沖擊。

（3）系統(tǒng)流量與張拉速度均可調(diào)節(jié)。

（4）在加載過(guò)程中能夠針對(duì)千斤頂兩端張拉力的變化進(jìn)行同步控制。

（5）在持荷階段能夠依照張拉力的變化對(duì)壓力進(jìn)行補(bǔ)償。

對(duì)于采用閥控液壓系統(tǒng)的張拉設(shè)備而言，其液壓系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)快，但相對(duì)復(fù)雜且發(fā)熱量大；而泵控系統(tǒng)則結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量損失少、噪聲小、發(fā)熱量小、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)［14］。因此，對(duì)于預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備而言，泵控系統(tǒng)比閥控系統(tǒng)更具發(fā)展前景［15］。本文采用變頻器、交流電機(jī)與定量泵組合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流量的控制，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液壓伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 預(yù)應(yīng)力張拉理論數(shù)據(jù)的計(jì)算

在對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行張拉施工時(shí)，必須以預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力與千斤頂伸長(zhǎng)量作為參照對(duì)象，從而保證構(gòu)件安全可靠。本文以32m混凝土T型梁為例，采用后張法進(jìn)行張拉。依照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和梁場(chǎng)施工細(xì)則，每組張拉筋由9根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格見表1。

根據(jù)混凝土T型梁的設(shè)計(jì)規(guī)范，可將張拉筋的整體分為曲線段和直線段兩部分。曲線段的長(zhǎng)度為3 436mm，圓心角為7．5°，直線段長(zhǎng)度為25 128mm。

表1 鋼絞線規(guī)格參數(shù)

2．1 理論張拉控制應(yīng)力的計(jì)算

張拉控制應(yīng)力在張拉過(guò)程中以油路壓力的形式體現(xiàn)，張拉控制應(yīng)力的取值是影響預(yù)應(yīng)力構(gòu)件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。如果取值過(guò)低，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后混凝土構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力會(huì)有部分損失，從而造成預(yù)應(yīng)力不足，無(wú)法達(dá)到較高的抗裂度與剛度的要求；而如果張拉控制應(yīng)力過(guò)高，則可能導(dǎo)致構(gòu)件的延展性變差，使某些部位出現(xiàn)開裂，甚至局部破壞。依照混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，張拉應(yīng)力限制不應(yīng)小于0．4倍的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值，在本次仿真中，預(yù)應(yīng)力參數(shù)為0．73。張拉筋控制應(yīng)力計(jì)算公式如下［16－17］。

式中：S為張拉筋總截面面積（mm2）；S1為鋼絞線公稱截面面積（mm2）；n為張拉筋中鋼絞線束數(shù)；M為張拉筋總質(zhì)量（kg）；M1為鋼絞線單位長(zhǎng)度質(zhì)量（kg）；L 為張拉筋總長(zhǎng)度（m）；σcon為張拉控制應(yīng)力（MPa）；fptk為鋼絞線強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）；F 為張拉控制力（kN）。

由此計(jì)算得到張拉預(yù)應(yīng)力為1 710．8kN，而此時(shí)最大安全控制力應(yīng)為1．3倍的張拉預(yù)應(yīng)力，即2 240kN。

2．2 張拉筋彈性系數(shù)與理論伸長(zhǎng)值的計(jì)算

檢驗(yàn)張拉施工合格與否的標(biāo)準(zhǔn)為：在張拉施工結(jié)束時(shí)，張拉筋的實(shí)際伸長(zhǎng)值與理論伸長(zhǎng)值的誤差應(yīng)為理論伸長(zhǎng)值的±6%。因此，張拉施工前必須確定張拉筋的理論伸長(zhǎng)值。張拉筋理論伸長(zhǎng)值的計(jì)算公式［18－19］為

式中：ΔL為張拉筋理論伸長(zhǎng)值（m）；Fp為張拉筋平均張拉力（kN）；x為張拉筋段長(zhǎng)度（mm）；Ep為張拉彈性模量（MPa）；F0為張拉筋起點(diǎn)張拉力（kN）；k為孔道偏差系數(shù)，取0．001 5；μ為張拉筋與孔道摩擦系數(shù)，取0．55；θ為曲線部分孔道彎曲角度（°）。

由于張拉筋的曲線段和直線段兩部分伸長(zhǎng)值不同，因此張拉筋理論伸長(zhǎng)值應(yīng)分兩部分進(jìn)行計(jì)算。由式（5）、（6）可以得到張拉筋一端的直線段和曲線段的伸長(zhǎng)值分別為23mm和80．2mm，則張拉筋單端理論伸長(zhǎng)值

式中：ΔLD為張拉筋單端理論伸長(zhǎng)值；ΔLZ為張拉筋單端直線段理論伸長(zhǎng)值；ΔLQ為張拉筋單端曲線段理論伸長(zhǎng)值。

3 液壓系統(tǒng)物理模型的建立

3．1 液壓系統(tǒng)物理模型的建立與參數(shù)設(shè)置

根據(jù)圖2所示的液壓伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在MATLAB／Simulink中搭建如圖3所示的仿真物理模型［20］。其中液壓定量泵選取柱塞泵，表2為其技術(shù)參數(shù)。

圖3 液壓伺服系統(tǒng)仿真原理

表2 柱塞泵技術(shù)參數(shù)

預(yù)應(yīng)力液壓千斤頂目前已基本標(biāo)準(zhǔn)化，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選用YDC2500－200千斤頂，其技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 YDC2500－200千斤頂技術(shù)參數(shù)

當(dāng)張拉力為1 710．8kN時(shí)，千斤頂中油路壓力為

式中：P為達(dá)到張拉力時(shí)千斤頂?shù)膲毫Γ∕Pa）；P0為千斤頂公稱油壓（MPa）。

液壓?jiǎn)蜗蜷y為標(biāo)準(zhǔn)元件，其額定流量為20 L·min－1，開啟壓力為3bar。該系統(tǒng)的外部負(fù)載包括固定質(zhì)量塊、平動(dòng)阻尼和彈簧元件。固定質(zhì)量塊的質(zhì)量為100kg，彈簧元件則表示絞線產(chǎn)生彈性形變時(shí)產(chǎn)生的彈性力，因此設(shè)置質(zhì)量塊后面的彈簧彈性系數(shù)為1×108N·m－1。

3．2 控制器系統(tǒng)的建立

控制器是整個(gè)液壓伺服系統(tǒng)的邏輯控制中心，它除了要接收處理反饋信號(hào)、產(chǎn)生變頻器的輸出信號(hào)外，還要控制整個(gè)張拉過(guò)程的運(yùn)行與停止。預(yù)應(yīng)力張拉整體過(guò)程一般為：輸入張拉預(yù)應(yīng)力；加載至第一級(jí)張拉力要求，通常為張拉預(yù)應(yīng)力的15%；持荷5s，繼續(xù)加載至第二級(jí)張拉力要求，通常為第一級(jí)的2倍，即張拉預(yù)應(yīng)力的30%；再次持荷5s，然后加載至設(shè)定的張拉控制力。根據(jù)張拉過(guò)程的要求，在Simulink中建立邏輯控制系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 控制器子系統(tǒng)仿真

4 仿真及結(jié)果分析

4．1 仿真

仿真時(shí)間設(shè)置為80s，步長(zhǎng)為0．1s，運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真所需的張拉力與位移數(shù)據(jù)分別通過(guò)理想力傳感器與位移傳感器獲得，最后通過(guò)輸出顯示模塊（示波器）來(lái)顯示仿真結(jié)果。

4．2 仿真結(jié)果與分析

通過(guò)理想力傳感器得到整個(gè)張拉過(guò)程中張拉力的變化曲線，如圖5所示。圖6為位移傳感器所采集到的整個(gè)仿真過(guò)程中千斤頂位移的變化曲線。

通過(guò)張拉力與伸長(zhǎng)量變化曲線可以看出，伴隨著張拉力不斷增加，千斤頂平穩(wěn)地對(duì)張拉筋進(jìn)行張拉作業(yè)，二者的曲線特性相互對(duì)應(yīng)，兩條曲線的變化過(guò)程符合張拉過(guò)程要求。

圖5 張拉力變化曲線

圖6 千斤頂伸長(zhǎng)量變化曲線

圖7 張拉力變化曲線局部

當(dāng)張拉施工結(jié)束，兩變化曲線均達(dá)到峰值（圖7、8）。從圖中可以得到，系統(tǒng)在完成整個(gè)張拉過(guò)程時(shí)張拉控制力為1．71×106N，與理論計(jì)算值保持一致；而此時(shí)千斤頂?shù)纳扉L(zhǎng)量為106．8mm。根據(jù)預(yù)應(yīng)力張拉施工規(guī)范，實(shí)際伸長(zhǎng)量與理論伸長(zhǎng)值的誤差范圍應(yīng)為理論伸長(zhǎng)值的±6%，即97～109 mm。因此，仿真結(jié)果所得到的千斤頂伸長(zhǎng)值在允許誤差范圍之內(nèi)，符合規(guī)范要求。

圖8 千斤頂伸長(zhǎng)量變化曲線局部

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在貴州安紫高速的施工梁場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際張拉施工操作。以YSK－IA型預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)作為試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)西門子S7－200型PLC對(duì)張拉過(guò)程中的壓力、位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并對(duì)張拉進(jìn)程、速度、持荷時(shí)間進(jìn)行控制。

最后，將收集到的過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得兩端主副機(jī)的壓力、位移變化曲線，如圖9、10所示。由圖可知，在完成張拉試驗(yàn)時(shí)，主、副機(jī)張拉控制壓力分別為34．98MPa和35．12MPa，則該系統(tǒng)實(shí)際控制壓力與理論壓力最大差值為0．33MPa，穩(wěn)態(tài)誤差為0．948%。兩端千斤頂最大伸長(zhǎng)值分別為108．197mm和107．724mm，均在理論誤差范圍97～109mm內(nèi)，張拉試驗(yàn)結(jié)果為合格。

圖9 主副機(jī)壓力變化曲線

6 結(jié) 語(yǔ)

圖10 主副機(jī)千斤頂伸長(zhǎng)量變化曲線

（1）針對(duì)目前采用節(jié)流閥控液壓系統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、施工適應(yīng)性差和可靠性不足等問(wèn)題，提出采用以泵控液壓系統(tǒng)為基礎(chǔ)的預(yù)應(yīng)力張拉電液伺服執(zhí)行系統(tǒng)。該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在復(fù)雜施工環(huán)境中有較好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，在預(yù)應(yīng)力設(shè)備領(lǐng)域中具有較好的發(fā)展前景。

（2）利用 Simulink／Simhydraulics平臺(tái)對(duì)該液壓系統(tǒng)進(jìn)行物理建模，以32m混凝土T型梁為對(duì)象模擬仿真完整的張拉過(guò)程。從仿真結(jié)果可知，該液壓系統(tǒng)能夠按照預(yù)應(yīng)力控制規(guī)范進(jìn)行張拉，且張拉增壓過(guò)程平穩(wěn)，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

（3）在實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)以YSK－IA型預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)為平臺(tái)，以實(shí)際試驗(yàn)梁體為對(duì)象，對(duì)該液壓系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果證明，該液壓系統(tǒng)用于實(shí)際施工中是可行的。

［1］ 廖 強(qiáng)，羅 斌，饒梟宇．橋梁預(yù)應(yīng)力張拉精細(xì)化施工監(jiān)控系統(tǒng)AS－10系統(tǒng)的工程應(yīng)用［J］．公路交通技術(shù)，2011（6）：72－74．

［2］ 張 開．預(yù)應(yīng)力智能張拉施工技術(shù)應(yīng)用及控制要點(diǎn)［J］．湖南交通科技，2013，39（4）：93－96．

［3］ 姜大偉，費(fèi)樹明，陳立巖，等．軌枕預(yù)應(yīng)力張拉機(jī)設(shè)計(jì)［J］．長(zhǎng)春工業(yè)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（3）：305－308．

［4］ 陳海斌，張?jiān)莆模?江．預(yù)應(yīng)力混凝土智能張拉與智能壓漿新工藝應(yīng)用［J］．內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2012（5）：3－6．

［5］ 翁正飛．變頻與電液比例技術(shù)復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)及其應(yīng)用［J］．液壓氣動(dòng)與密封，2004，5（1）：21－23．

［6］ KIAM N，DITRICH J．A Dynamic Models for Steam and Turbines in Power System Studies［J］．IEEE Committee Report，1997，12（2）：1904－1915．

［7］ 章建鵬．智能預(yù)應(yīng)力張拉程控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］．武漢：華中科技大學(xué)，2015．

［8］ 李文峰，廖 強(qiáng)，羅 斌．全自動(dòng)智能預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備液壓系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］．公路交通技術(shù)，2012（6）：68－71．

［9］ 姜海西．SPB－A型全自動(dòng)智能張拉設(shè)備的研制［J］．中國(guó)市政工程，2014（6）：74－77．

［10］ 鄭洪波，孫友松．基于Simulink／SimHydraulics的液壓系統(tǒng)仿真［J］．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010（6）：31－36．

［11］ 黎人偉．智能預(yù)應(yīng)力施工工藝在橋梁施工中的應(yīng)用［D］．長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2014．

［12］ 劉 勛，劉 玉，李新有．基于Simhydraulics軟件的電液伺服系統(tǒng)仿真分析［J］．機(jī)床與液壓，2009，37（10）：236－240．

［13］ 何慧峰．超高壓多點(diǎn)同步數(shù)字張拉系統(tǒng)研究［D］．太原：太原理工大學(xué)，2012．

［14］ 田士強(qiáng)，李孝兵，王 輝．預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)字變頻自動(dòng)控制方法和系統(tǒng)研究［J］．公路交通科技，2013（10）：252－256．

［15］ 李文峰，游慶和，廖 強(qiáng)，等．變頻泵控預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備的自適應(yīng)模糊PID張拉控制［J］．液壓與氣動(dòng)，2016（11）：48－54

［16］ 齊春光，張國(guó)良．張拉控制應(yīng)力施工取值問(wèn)題探討［J］．科技信息，2009（1）：266，323

［17］ 梁浩杰，蘇 玲，祁 帥．后張法預(yù)應(yīng)力筋張拉過(guò)程中張拉應(yīng)力與伸長(zhǎng)值的控制［J］．內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2003（S1）：11－12．

［18］ 李式雄．后張法預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉和錨固過(guò)程分析［J］．筑路機(jī)械和施工機(jī)械化，2015，32（2）：69－72，77．

［19］ 翟寄文．全自動(dòng)預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］．合肥：安徽大學(xué)，2009．

［20］ 任建華，謝 建，李 良．基于Simulink／SimHydraulics的閥控二級(jí)液壓缸系統(tǒng)的建模與仿真［J］．機(jī)床與液壓，2012，40（23）：155－157．