一種精測回縮量的預應力自動張拉裝置
——液壓控制回路的創新設計

陸巍巋，陳 華

（1.柳州市東創科技有限公司，廣西 柳州545616；2.柳州職業技術學院，廣西 柳州545006；）

0 前言

建造橋梁等大型工程混凝土構件時，通常采用預應力液壓油缸來張緊構件中的高強度鋼鉸線，使混凝土構件在使用前承受預壓應力（簡稱預應力），構件若沿外載荷作用方向發生變形之前，必須先抵消這個預壓變形，預應力就象給構件多施加了一道防護一樣，這將有效防止混凝土構件出現裂縫，從而提高其抗裂性能、剛度和壽命。

目前，國內大多數工程所用的預應力張拉裝置一般包括油泵、液壓油缸和相應的控制回路，這種裝置在施工時，液壓油缸所施加的張拉力是通過施工人員觀察油泵上的油壓表來控制，鋼鉸線的張拉伸長值則是通過人工用直尺測量，存在精度低、不安全、不方便、操作復雜等諸多問題。

自動化智能控制技術是社會進步和行業發展的必然趨勢。為此，提出了一種新型預應力自動張拉裝置，既能準確控制張拉力，同時還能準確檢測出鋼鉸線實際的張拉回縮量，將有效解決傳統預應力張拉裝置張拉力控制精度差、鋼鉸線回縮測量精度低等問題。

1 張拉裝置總體設計

本文所述的預應力自動張拉裝置，由電動油泵1、控制回路2、液壓油缸3、自動張拉控制器4、數據中繼控制器5及電腦6組成。液壓油缸3上還安裝有可隨活塞桿移動的拉桿式位移傳感器。張拉裝置的總體設計及各部件的連接情況如圖1所示。

圖1 新型預應力自動張拉裝置總體設計圖

由于篇幅所限，本文僅對自動張拉控制裝置的控制回路及主要部件結構進行設計，該裝置的自動控制器、油泵及液壓油缸的設計與選型將另文敘述。

2 控制回路設計

2.1 工作原理

二位二通電磁閥可控制油道通斷，節流閥能有效控制油路中的流量[1]。將此兩種閥串接組成小流量緩慢卸荷閥，將其并聯在張拉裝置液壓油缸的進油油路上，當液壓油缸完成對鋼鉸線的張拉和保壓后，繼續保持主控電磁閥（三位四通電磁閥）處于中位狀態，同時通過系統控制二位二通電磁閥連通，讓液壓油缸在保壓的狀態下緩慢泄壓，從而實現液壓油缸緩慢放張鋼鉸線的目的。此時安裝在液壓油缸上的位移傳感器，將自動測量并向系統回傳鋼鉸線的回縮量。

2.2 控制回路設計

圖2所示為新型預應力自動張拉裝置液壓控制回路工作原理圖，其工作過程如下：

本裝置由油泵1、控制回路2、液壓油缸3組成，其中控制回路2包含安全閥22、壓力傳感器23、主控電磁閥24（三位四通電磁閥）、二位二通電磁閥與節流閥組合體（下稱小流量緩慢卸荷閥25）等元件。

（1）張拉：當主控電磁閥處于左位、二位二通電磁閥保持斷開狀態時，壓力油經過接口217——接口211——單向閥——主控電磁閥24——接口212——接口219，進入液壓油缸活塞左側，活塞右移；此時活塞右側壓力油經過接口218——接口213——主控電磁閥24——接口214，回流至油箱。

（2）保壓：當進油到達設定的油壓時，控制器控制主控電磁閥24回至中位，斷開油路，同時小流量緩慢卸荷閥25繼續保持斷開狀態，此時液壓油缸通過單向閥實現保壓，并通過自動張拉控制器，將壓力傳感器、主控電磁閥、油泵所組成的負反饋回路為系統補壓。

（3）緩慢卸壓：保壓達到規定的時間后，繼續使主控電磁閥保持中位，控制器發出信號控制小流量緩慢卸荷閥25連通，活塞左側壓力油經過接口219——接口215——小流量緩慢卸荷閥25——接口216，回流至油箱。由于通過節流閥的流量很小，液壓油缸活塞左側油壓在緩慢降低，此時鋼絞線彈性回縮使活塞緩慢回程，直到鋼鉸線彈性回縮量為零，此時活塞桿的位移量即為鋼鉸線的彈性回縮量，通過安裝在液壓油缸上的位移傳感器自動檢測該回縮量并回傳至裝置控制器及顯示單元，從而實現對鋼鉸線回縮量的精確檢測。

（4）回程：控制器控制主控電磁閥24處于右位、小流量緩慢卸荷閥25斷開，液壓油缸活塞右端進油，左端回油，液壓油缸回程，完全松開鋼鉸線。

圖2 新型預應力自動張拉裝置液壓控制回路圖

為實現功能要求，同時確保系統操作安全，設計油路時要求采取以下措施：

①主控電磁閥在中位時T、B兩接口保持連通；②油缸兩端必須安裝2個安全閥及壓力傳感器，形成防錯保護，防止人為錯接管路、過載而損壞液壓系統；③油泵處的溢流閥，形成對液壓系統的安全保護。

3 主要部件結構設計

3.1 集成閥體

為了簡化裝置結構，減少系統管路連接，提高液壓回路工作可靠性，本裝置將211等13個接口構成的油路集成在一個閥體上（下稱集成閥體21），其結構簡圖如圖3所示。

圖3 集成閥體結構設計簡圖

各接口通過閥體內垂直相交的小孔形成連接，接口處螺紋孔的尺寸根據張拉裝置工作油壓與流量設計。主控電磁閥24、小流量緩慢卸荷閥25用螺釘固定在集成閥體上。集成閥體等組件與油泵、液壓油缸的連接關系如圖4所示。

圖4 自動張拉裝置各組件連接關系圖

當主控電磁閥24處于左位，壓力油從217接口進入集成閥體，通過閥內小孔到達211接口，通過與主控制電磁閥24連接，壓力油到達212、接22、接23、219四個接口，最后通過外接管路進入油缸活塞右側，此時，活塞左側的液壓油，經接口218、213，主控制電磁閥24、接口214回流油箱，活塞左移，從而實現對張拉鋼鉸線的工作過程。

其它工作過程在此不再熬述。

3.2 位移傳感器與油缸的連接

用于檢測鋼鉸線的回縮量的拉桿式位移傳感器301需固定在液壓油缸3的外殼上。液壓油缸3的活塞伸出端305安裝有U形連接板304，這種連接板外圓開有U形槽，槽內安裝有可隨U形板移動的導板303，該導板與位移傳感器的拉桿端通過螺母固接在一起。拉桿式位移傳感器與油缸、U型連接板的連接關系如圖5所示。

圖5 液壓油缸與位移傳感器、防轉保護器連接圖

3.3 位移傳感器防轉保護裝置

為阻止液壓油缸的活塞工作時發生轉動造成對位移傳感器的潛在損壞，需要為位移傳感器設計一個活塞防轉保護裝置306。該防轉器包括防轉套筒3061以及防轉拉桿3062，防轉拉桿安裝在防轉套筒內，防轉拉桿一端伸出防轉套筒外并通過螺母與導板303相連（見圖5）。

4 應用與結論

某公司應用所述設計方案，已開發出一種新型自動張拉控制裝置（見圖6）。目前，該產品已廣泛應用于橋梁等大型混凝土構件的施工。

圖6 某型智能預應力張拉裝置實物圖

與傳統的預應力張拉裝置相比較，本文所述的自動張拉裝置具有以下優點，已有效地解決了大型混凝土構件預應力施工時鋼絞線張拉力控制精度不高，鋼絞線回縮量檢測精度低、操作繁瑣等問題。

（1）張拉力控制精度高。本裝置中的壓力傳感器，能使張拉裝置準確控制鋼鉸線在張拉、保壓時的拉力，張拉力誤差能控制在±1%，遠低于《公路橋涵施工技術規范》所規定的±1.5%，提高了預應力施工精度。

（2）鋼鉸線回縮測量精度高。安裝在油缸上的位移傳感器，能準確測量出鋼鉸線實際張拉回縮量，測量精度遠高于人工測量。

（3）鋼鉸線放張速度可調。在緩慢泄壓階段，通過調節節流閥，控制壓力油的流量大小，即可調整鋼鉸線的放張速度。

（4）簡化了結構，提高了裝置工作的可靠性，降低了生產成本。通過設計集成閥體，各接口通過閥體內垂直相交的小孔形成連接，大大減少了裝置外接管路連接；通過壓力傳感器、主控電磁閥、油泵所組成的負反饋回路為油缸補壓，代替了蓄能器保壓。這些設計，有效地簡化了裝置結構，增強了管路連接的可靠性，并降低了生產成本。