伺服系統(tǒng)在橋梁施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用

李康建 趙曜 李巧巧 呂明磊

摘 要：伺服系統(tǒng)通常由比較元件、調(diào)節(jié)元件、執(zhí)行元件、控制單元等組成，是一種可實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的位置、速度、狀態(tài)等輸出量隨輸入量的變化而精確變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，目前已在航空、化工、冶金、機(jī)械、運(yùn)輸?shù)榷囝I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是提高工作效率、降低對(duì)人工依賴度的有效途徑。本文介紹了伺服系統(tǒng)的原理與基本組成，重點(diǎn)分析了伺服系統(tǒng)在橋梁工程的力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備和預(yù)應(yīng)力孔道壓漿設(shè)備上的應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)備與工藝，伺服系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁工程的力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備及預(yù)應(yīng)力孔道壓漿設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)試驗(yàn)、預(yù)應(yīng)力張拉工藝與孔道壓漿工藝的自動(dòng)化、智能化、精準(zhǔn)化、同步化與可視化，并可按需設(shè)置不合格預(yù)警，有效提升了橋梁施工質(zhì)量的管理水平。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng); 橋梁工程; 質(zhì)量控制; 預(yù)應(yīng)力張拉; 力學(xué)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TG334.9? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）11-187-002

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，讓機(jī)械、電子、信息、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了深度融合，帶動(dòng)了不同領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展，伺服技術(shù)如虎添翼。我國(guó)橋梁建設(shè)正在經(jīng)歷由傳統(tǒng)向現(xiàn)代化的邁進(jìn)，無(wú)論是施工機(jī)械裝備、施工工藝，還是施工質(zhì)量檢測(cè)與控制手段等均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。特別是以往一些受人為因素影響較大的施工工序，或?qū)ψ鳂I(yè)人員操作水平要求較高的施工工藝（例如油壓、氣壓設(shè)備及與之相關(guān)的施工工藝與檢測(cè)方法等），正逐步趨于精確化、自動(dòng)化和效率化，而這些顯著的進(jìn)步均是得益于“伺服系統(tǒng)”的推廣應(yīng)用。

1.伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)介

“伺服”—詞源于希臘語(yǔ)，是指“奴隸”。工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)將機(jī)構(gòu)或工具能服從控制信號(hào)的要求而做出相應(yīng)動(dòng)作的性能稱為“伺服”性能。“伺服系統(tǒng)”因此而得名。伺服系統(tǒng)，又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是構(gòu)成自動(dòng)化體系的基本環(huán)節(jié)，是指通過(guò)各種自動(dòng)化控制，使被控對(duì)象的某種狀態(tài)（例如位置、速度、力矩、轉(zhuǎn)矩等）能自動(dòng)地、連續(xù)地、精確地服從輸入量（或給定值）的變化而變化^[1]。伺服系統(tǒng)的基本任務(wù)是按控制命令的要求，對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，保證被控對(duì)象的輸出狀態(tài)按輸入信號(hào)的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，并使輸入與輸出之間的偏差不超過(guò)允許的誤差范圍^[1]。伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性等三個(gè)方面^[2]。這也是現(xiàn)階段伺服系統(tǒng)的應(yīng)用幾乎遍及社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的主要原因。

一個(gè)典型的伺服系統(tǒng)主要由比較元件、調(diào)節(jié)元件、執(zhí)行元件、控制單元等部分組成^[2]。伺服系統(tǒng)的基本工作原理是：由比較元件測(cè)量系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間的偏差，獲得偏差信號(hào);調(diào)節(jié)元件將偏差信號(hào)放大，并判斷其變化趨勢(shì)，確定調(diào)節(jié)節(jié)奏;然后由執(zhí)行元件輸出足夠功率，直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，從而保證輸出量在預(yù)期誤差范圍內(nèi)。在此過(guò)程中，控制單元就像人的大腦，通過(guò)算法完成控制功能（下達(dá)指令）。

伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按照伺服系統(tǒng)中主要元件的種類、特征，可劃分出不同種類的伺服系統(tǒng)。例如，按照?qǐng)?zhí)行元件的種類，伺服系統(tǒng)可分為電動(dòng)伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、起亞伺服系統(tǒng)和電氣伺服系統(tǒng)等^[2]。

2.伺服系統(tǒng)在橋梁施工質(zhì)量控制中的應(yīng)用

橋梁施工中使用的一些對(duì)精度要求較高的機(jī)械設(shè)備，例如預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備、壓力機(jī)、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、預(yù)應(yīng)力管道壓漿設(shè)備等多采用液壓控制，需要通過(guò)人工進(jìn)油調(diào)節(jié)與回油調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)力（或壓力）的大小與變化速度的控制，實(shí)際作業(yè)過(guò)程受人為因素影響較大。通過(guò)“伺服系統(tǒng)”對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，就能使施工過(guò)程和試驗(yàn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)按輸入命令的快速、精準(zhǔn)和穩(wěn)定控制，以減少人為和外界因素對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的各種干擾，對(duì)于提高橋梁施工質(zhì)量、提升橋梁施工管理水平等均有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1伺服系統(tǒng)用于材料試驗(yàn)機(jī)

水泥、碎石、混凝土與鋼筋等是橋梁施工常用的幾類原材料。其中，水泥的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，碎石壓碎值與混凝土的抗壓強(qiáng)度，鋼筋的抗拉強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)是此類原材料質(zhì)量控制的主要指標(biāo)。水泥抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)，碎石壓碎值與混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)采用壓力機(jī)，鋼筋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，雖然試驗(yàn)設(shè)備各不相同，但此類試驗(yàn)有著以下共同特點(diǎn)：

（1）試驗(yàn)過(guò)程對(duì)施加荷載大小、加荷速度、穩(wěn)壓時(shí)間等均具有明確要求;

（2）試驗(yàn)過(guò)程中需要試驗(yàn)人員判斷試驗(yàn)狀態(tài)，例如壓力機(jī)上受壓試件的破壞狀態(tài)與力的峰值，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鋼筋拉伸試驗(yàn)時(shí)鋼筋的屈服荷載與最大荷載等^[3]。

上述試驗(yàn)設(shè)備均為液壓設(shè)備，傳統(tǒng)設(shè)備均需通過(guò)試驗(yàn)人員操作油壓調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)施加荷載的大小與加載速度等，同時(shí)需要人為判斷試件在試驗(yàn)過(guò)程中所處的狀態(tài)。因此，傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的精準(zhǔn)控制，而因此造成的試驗(yàn)誤差會(huì)對(duì)后續(xù)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工質(zhì)量造成一定影響，并可能成為橋梁服役期內(nèi)的安全隱患。

電液伺服閥主要用于電液伺服系統(tǒng)，其作用是將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓輸出，通過(guò)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化控制。通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)設(shè)備配制電液伺服閥、精密油泵、機(jī)伺服控制器及顯示器等硬件設(shè)備，同時(shí)安裝數(shù)據(jù)分析軟件，就可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)采集、分析和處理，包括試驗(yàn)應(yīng)力、鋼筋屈服強(qiáng)度、時(shí)間變形量、穩(wěn)壓時(shí)間等，繪制試驗(yàn)過(guò)程曲線，并生成試驗(yàn)報(bào)告;

（2）試驗(yàn)過(guò)程的等速應(yīng)力、等速應(yīng)變、等速位移、荷載保持、位移保持等;

（3）試驗(yàn)過(guò)程的自動(dòng)、精準(zhǔn)、全過(guò)程控制;

（4）根據(jù)提前設(shè)置的“不合格”預(yù)警，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判斷，以加強(qiáng)對(duì)原材料質(zhì)量的監(jiān)督管理;

（5）避免了試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)人員的近距離觀察與全程看守，降低了因試驗(yàn)設(shè)備故障或操作失誤而引起的安全事故發(fā)生率。

2.2伺服系統(tǒng)用于預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備

水泥混凝土具有先天性抗拉力不足的缺陷，混凝土橋梁在使用一段時(shí)間后，均會(huì)出現(xiàn)不同程度的下?lián)?、開(kāi)裂等現(xiàn)象，影響橋梁的服役質(zhì)量和使用壽命。因此，現(xiàn)代橋梁建設(shè)通常采用預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)，在橋梁混凝土構(gòu)件承受外荷載之前，對(duì)受拉模塊中的鋼筋、鋼絲束或鋼絞線，預(yù)先施加一定預(yù)壓應(yīng)力（即反作用力），提高構(gòu)件的剛度和抗彎能力，推遲裂縫在使用期間的出現(xiàn)時(shí)間，從而提高構(gòu)件的耐久性^[4]。

預(yù)應(yīng)力張拉施工是由兩個(gè)張拉千斤頂在混凝土構(gòu)件兩端同時(shí)張拉，以應(yīng)力為控制指標(biāo)、以伸長(zhǎng)量誤差作為校對(duì)指標(biāo)，并要求兩個(gè)張拉千斤頂同步工作。使用傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備時(shí)，需要通過(guò)人工識(shí)讀儀表盤數(shù)值來(lái)判斷張拉力的大小，手動(dòng)操作油壓調(diào)節(jié)閥控制壓力并使其保持恒定，并用鋼尺測(cè)量千斤頂活塞外露的實(shí)際伸長(zhǎng)值。

近幾年，自動(dòng)化程度較高的智能張拉系統(tǒng)在預(yù)應(yīng)力張拉施工中逐步得到推廣與應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是對(duì)傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備的“伺服”化改造，即在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，增設(shè)了伺服油源系統(tǒng)、壓力傳感器、位移傳感器、控制系統(tǒng)及無(wú)線傳輸模塊等。預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中，伺服控制器通過(guò)壓力與伸長(zhǎng)量傳感器實(shí)時(shí)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與預(yù)設(shè)的目標(biāo)值進(jìn)行比較，計(jì)算控制的同步偏差，同時(shí)根據(jù)偏差值的大小、經(jīng)比例-積分-微分（PID）控制器計(jì)算得到實(shí)際需要控制的具體數(shù)值，并實(shí)時(shí)將指令發(fā)送給伺服油源系統(tǒng)進(jìn)行糾偏和協(xié)調(diào)控制，確保預(yù)應(yīng)力張拉的同步性^[5];張拉設(shè)備（或泵站）接受來(lái)自系統(tǒng)的指令，同步控制每臺(tái)設(shè)備的每一個(gè)機(jī)械動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)張拉力和加載速度的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制，并自動(dòng)完成整個(gè)張拉過(guò)程，確保預(yù)應(yīng)力張拉的精確性。

“伺服系統(tǒng)”在預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備中的應(yīng)用，使傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備得以智能化，具有以下功能優(yōu)勢(shì)：

（1）預(yù)應(yīng)力張拉的實(shí)時(shí)自動(dòng)化精確控制，包括張拉應(yīng)力、伸長(zhǎng)量、張拉同步性等;

（2）實(shí)現(xiàn)了張拉數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，第一時(shí)間進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量的判斷，可預(yù)設(shè)“不合格”預(yù)警，加強(qiáng)質(zhì)量管控;

（3）實(shí)現(xiàn)了張拉過(guò)程的全過(guò)程記錄，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉中過(guò)程數(shù)據(jù)的缺失。可通過(guò)數(shù)據(jù)還原張拉過(guò)程，并進(jìn)行張拉質(zhì)量的分析以及張拉問(wèn)題的追溯^[6];

（4）通過(guò)對(duì)張拉全過(guò)程數(shù)據(jù)的二次加工，可進(jìn)一步挖掘分析張拉初始應(yīng)力等參數(shù)，使得張拉工藝更加科學(xué)合理;

（5）自動(dòng)生成施工報(bào)表，減少了報(bào)告的編制工作。

2.3伺服系統(tǒng)用于預(yù)應(yīng)力孔道壓漿設(shè)備

采用后張法施工預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力張拉完成后，還需要對(duì)預(yù)埋的張拉孔道進(jìn)行壓漿施工，使水泥漿飽滿填充孔道內(nèi)壁與預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼絲束或鋼絞線之間的空隙，并在固結(jié)后能保持較好的密實(shí)度，以確保預(yù)應(yīng)力筋不會(huì)快速銹蝕、松弛，同時(shí)保證預(yù)應(yīng)力筋和結(jié)構(gòu)共同工作，從而有效提升橋梁整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性。與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備一樣，傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力孔道壓漿設(shè)備在使用過(guò)程中對(duì)人工的依賴程度同樣較高。例如，孔道壓漿過(guò)程中需要操作人員時(shí)刻關(guān)注壓力表盤數(shù)值，判斷壓漿狀態(tài)，同時(shí)調(diào)整壓漿壓力和穩(wěn)壓時(shí)間，經(jīng)驗(yàn)不足或操作不當(dāng)時(shí)，均會(huì)造成孔道壓漿不密實(shí)，不能完全均勻包裹預(yù)應(yīng)力筋，進(jìn)而加速預(yù)應(yīng)力的松弛。除此之外，采用人工的方式記錄壓漿過(guò)程，數(shù)據(jù)可能被篡改，可信度不高。

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)孔道壓漿設(shè)備進(jìn)行“伺服”化改造，采用伺服式壓漿泵替代普通壓漿泵，并在原有設(shè)備上增設(shè)壓力傳感器、流量傳感器、控制系統(tǒng)、無(wú)線傳輸模塊等?？椎缐簼{施工中，伺服控制器通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)采集孔道的進(jìn)漿口和出漿口的壓力值，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算孔道進(jìn)、出口壓力損失值，同時(shí)與預(yù)設(shè)的壓力值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算偏差值，并實(shí)時(shí)將指令發(fā)送給伺服壓漿泵;由伺服壓漿泵自動(dòng)調(diào)整壓漿壓力，確保整個(gè)壓漿施工中的壓漿壓力值在預(yù)設(shè)誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)壓漿壓力和穩(wěn)壓時(shí)間的精準(zhǔn)控制^[7]。與此同時(shí)，安裝在進(jìn)漿管和回流管上的流量傳感器將實(shí)時(shí)采集的進(jìn)漿量和回漿量數(shù)據(jù)傳至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)分析對(duì)比實(shí)際進(jìn)漿量與理論進(jìn)漿量，并自動(dòng)判斷開(kāi)始和結(jié)束穩(wěn)壓過(guò)程，實(shí)現(xiàn)壓漿過(guò)程的全自動(dòng)化。此外，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)傳送的數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算水泥漿密實(shí)度和孔道充盈度等指標(biāo)，并自動(dòng)生成報(bào)表，真實(shí)記錄整個(gè)壓漿過(guò)程^[8]。

“伺服系統(tǒng)”在預(yù)應(yīng)力壓漿設(shè)備中的應(yīng)用，使傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力壓漿設(shè)備具有以下功能優(yōu)勢(shì)：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)孔道的進(jìn)、出口壓力值，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整并控制壓漿壓力與穩(wěn)壓時(shí)間，有效保證整個(gè)壓漿過(guò)程精準(zhǔn)按照標(biāo)準(zhǔn)壓力和持壓時(shí)間進(jìn)行，避免施工過(guò)程受人為、環(huán)境等因素的影響;

（2）全過(guò)程自動(dòng)記錄壓漿壓力、壓漿量、穩(wěn)壓時(shí)間、水泥漿密實(shí)度、孔道充盈度等數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)真實(shí)可靠、可追溯;

（3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)漿量和回漿量，自動(dòng)判斷壓漿進(jìn)程，無(wú)需人工操作。

3.結(jié)語(yǔ)

后張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁施工中，原材料、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的張拉與壓漿質(zhì)量控制直接影響著預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的成品質(zhì)量，甚至橋梁在服役期內(nèi)的狀態(tài)。但由于傳統(tǒng)設(shè)備對(duì)人工的依賴程度高，經(jīng)常存在因人為操作而造成施工質(zhì)量問(wèn)題。伺服系統(tǒng)因其具有穩(wěn)定性好、控制精度高和響應(yīng)速度快等顯著優(yōu)勢(shì)，最初在軍工領(lǐng)域得到大量應(yīng)用，例如火炮的控制，船艦、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛，導(dǎo)彈發(fā)射等，后來(lái)逐漸推廣至民用領(lǐng)域，并在橋梁施工中得到推廣應(yīng)用，在保證施工質(zhì)量、提升工程管理水平等方面發(fā)揮重要作用。在綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的大背景下，隨著B(niǎo)IM、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，伺服系統(tǒng)在橋梁工程中的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)更加廣泛與深入，質(zhì)量控制與管理手段也將更加智慧高效、節(jié)能低碳。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖英奎主編.伺服系統(tǒng)實(shí)用技術(shù)[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2004

[2]袁坤，敖榮慶主編.伺服系統(tǒng)[M]北京：航空工業(yè)出版社，2006

[3]張永帥.伺服壓力機(jī)的技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J]鍛造與沖壓，2019（16）：54-56

[4]王曉波.橋梁預(yù)應(yīng)力張拉精細(xì)化施工監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015

[5]邱喜華.橋梁預(yù)應(yīng)力智能張拉控制系統(tǒng)研究[D]西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2017

[6]梁曉東，吳濤，劉德坤.預(yù)應(yīng)力智能張拉與傳統(tǒng)張拉的比對(duì)試驗(yàn)研究[J]公路，2012（4）：144-147

[7]吳軍.預(yù)應(yīng)力孔道大循環(huán)智能壓漿技術(shù)研究[J]公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2017，13（11）：205-207

[8]王文建.橋梁預(yù)應(yīng)力智能張拉與壓漿系統(tǒng)原理及施工技術(shù)[J]漢江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，43（4）：328-331

作者簡(jiǎn)介：李康建，1998年1月生，男，漢族，河南商丘人，碩士研究生在讀，研究方向：環(huán)保功能型路面材料。通訊作者簡(jiǎn)介：趙曜，1986年3月生，女，漢族，四川綿陽(yáng)人，副教授，博士，主要研究方向：智慧道路建設(shè)技術(shù)、固廢資源化利用技術(shù)。