雙頂同步軌枕張拉自動控制系統的研制

許子龍

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

在預應力鋼筋混凝土軌枕的生產過程中，預應力鋼筋中預應力能否準確施加是保證預應力混凝土軌枕產品質量的關鍵工序，也是混凝土軌枕產品生產過程中的關鍵環節之一。在傳統的張拉裝置中，張拉工序是手動控制，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確執行。而且各種數據還要人工記錄，用油壓換算載荷的方法需要定期標定油頂的摩阻系數和油壓表的精度。對單點調壓的液壓系統，兩頂的摩阻系數要匹配一致，否則滿足不了張拉精度要求。如采用開關閥進行模式控制，由于閥體和油頂的內泄，導致在1 min保壓過程中頻繁地在高壓狀態下進行開關，使得換向閥、油頂的密封圈和油管使用壽命大大降低。而且在保壓階段的載荷波動也較大。

為此，研制了計算機控制的預應力混凝土鋼筋張拉自動控制儀，它由工控計算機、傳感器、液壓組件和驅動機電一體化設備組成。該儀器可以按預先編制好的程序由計算機自動完成，能確保鋼筋的張拉工藝參數一致。通過高精度測力傳感器、采集板轉換后直接在計算機上顯示張力的大小和曲線。保證了張拉力值的精度，同時減少了液壓油頂和油表的標定工作，延長了油頂密封圈和液壓阻件的使用壽命。該系統有動態保壓作用，同時也可做到對歷史數據的查詢和存檔。

1 系統原理

該系統是運用現代傳感技術和計算機控制技術，研制的鋼筋預應力自動張拉控制系統。圖1為系統框圖，它由油泵、張拉千斤頂、測力傳感器(L1，L2)、驅動采集箱、手動驅動箱、接口板和工控計算機組成。采用兩個比例溢流閥分別控制兩個液壓油頂，通過力傳感器來測量預拉力的大小。然后將測量力值反饋給計算機與系統給定值進行比較，通過調整液壓油頂的壓力來控制張拉力的大小。按照張拉工藝要求，計算機自動完成張拉過程，同時記錄張拉數據以備查證。

2 系統設計

設計目標為要求系統可實現兩頂精確同步張拉，張拉加載速率可控，同時可實現緩慢釋放應力。每小時張拉20模。

2.1 液壓系統設計

系統每個頂采用獨立的油泵進行壓力調節和換向控制，便于系統檢修和故障的快速定位。共控制2個1 500 kN、行程200 mm的穿心式油頂。液壓系統最高壓力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的原理示意。系統采用一個MCY14-1B耐壓為31.5 MPa的軸向柱塞泵2供油，經過單向閥3通過精密濾油器4過濾后進入比例溢流閥5，調壓后通過三位四通換向閥8再進入油頂10的工作油腔，在工作腔前端接一油壓傳感器9監控油頂的工作壓力。

圖2 液壓系統原理

系統的特點是，通過比例溢流閥的無級調壓，液壓系統保壓狀態不用調節換向閥的動作，即可完成1 min保壓過程，避免了液壓系統的沖擊。直接通過測力傳感器測量張拉力，保證了系統的控制精度，同時確保兩油頂的同步張拉。系統能保證模型張拉過程中不受偏載，亦保證了預應力鋼筋在軌枕中的準確位置。比例溢流閥選用華德BE10-30/315YM型，它可根據所需的張拉力來調節系統的壓力，從而可提高油泵電機的用電效率。兩個三位四通閥選用華德4WE6E6E61B/CC24N9Z5L，它被用來控制油頂的進油、出油和停止供油。進油、回油濾器的作用是過濾液壓油中的污物，保護液壓元件正常工作。為了適應不同季節工作環境要求，油泵上加有電加熱器和液壓油的風冷卻器。

2.2 測控系統設計

測量系統采用RBH2902型以太網接口的A/D采樣接口板，精度為16位，它的維護性比其它類型的接口板容易，檢修也比較方便。它負責對兩油頂的四路(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，實現對張拉力的調整，八路數字量的輸出控制信號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現油頂的換向。

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

驅動箱分為強電和弱電兩部分，強電驅動部分負責電機、加熱器和換向電磁閥的手動模式的控制。弱電驅動部分負責傳感器供電、信號采集、調壓信號的產生、換向閥控制和計算機的通訊。

2.3 軟件系統設計

軟件部分有以下6個模塊:力值測量模塊、開關輸出模塊、調壓控制模塊、工藝參數輸入模塊、測量系統標定模塊和歷史數據查詢模塊。

2.4 系統標定

手動控制面板如圖3所示，啟動張拉自動控制系統前，必須將兩油頂手動調壓電位器旋鈕調至零位(逆時針旋轉至最小)。圖中1前、后和2前、后為兩油頂手動換向開關。

圖3 手動控制面板

測力系統標定時油頂安裝示意如圖4，將標準測力傳感器6(900 kN精度0.3%)和待標定的力傳感器5串在張拉絲杠中，兩端用前、后鎖緊螺母固定。打開驅動箱和計算機預熱15 min后，用手動開關控制張拉千斤頂，然后順時針調節相對應的油壓手動調壓電位器，按 0，100，200，300，400，500，600 kN 七級進行分段標定。通過標定可以彌補傳感器測量的非線性誤差。

圖4 測力系統標定時油頂安裝示意

3 現場應用

安裝主機需要可靠的接地。按定義要求，將每個測量傳感器輸入口的電控線接到功率驅動箱對應的接口上，連接計算機的接線，并將I/O控制線接到功率驅動箱上，功率驅動箱上電源為AC 380 V。打開總電源開關和驅動箱前控制面板上的電源開關。

往油箱加油時，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。檢查電機的轉向，如果壓力表上有壓力指示則表明電機相序接線正確。接上液壓油頂，使系統在低壓狀態運行10 h，然后再將壓力提高到20 MPa，進行4 h循環。最后將回油濾清器的濾芯更換方可使用。在自動控制模式下，嚴禁用手動開關進行操作。兩個電磁換向閥開關必須處于如圖3所示位置。在使用前確認各種開關動作是否正常，換向閥的動作定義是否和計算機上的方向一致。然后選擇一套張拉目標力值較低的模型進行試驗。液壓油的最高工作溫度為55℃，如果高于此溫度，油冷卻器的散熱風扇就自動啟動工作，以免油溫過高導致的泄漏。長期不用時，應將液壓油缸和液壓油管的進出油口全部堵上，以免液壓系統受到污染。定期檢查液壓件、油頂的密封情況。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。曲線是兩個頂的張拉曲線，由于精確同步張拉，故兩條曲線完全重合。張拉目標值420 kN，持荷60 s后緩慢卸載。生產能力每小時張拉20模，滿足現行軌枕流水機組法的生產節奏。

圖5 張拉和緩慢放張全過程曲線

4 結論

該系統經在現場使用，滿足了張拉工藝對可靠性和準確性的要求，保證了兩頂的同步工作。張拉力同步精度達到1%，預應力混凝土軌枕脫模時，通過改變系統工藝參數，可實現鋼筋應力的緩慢釋放，減少了預應力軌枕端部握裹力的損失。做到一機兩用，簡化了軌枕張拉設備在現場的維護工作。此種類型的張拉控制模式也可用于預應力混凝土梁或其它長線臺座法的單根預應力筋張拉。

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