多點同步頂升裝置電液系統的集成設計*

□ 張 虎 □ 郭海霞 □ 許曉燕 □ 成慧翔 □ 劉 攀 □ 蘇 波

1.山西農業大學信息學院 智能工程學院 山西太谷 030800 2.山西三鼎液壓制造有限公司 山西榆次 030600 3.山西農業大學 工學院 山西太谷 030800 4.晉西集團山西利民工業有限責任公司 山西太谷 030800

1 設計背景

近年來,液壓頂升裝置廣泛應用于大型或大噸位重物整體頂升施工項目中。在實際應用中,施工自上而下進行,即先將施工對象的上層施工完畢,由多點同步頂升裝置同步頂起后,再進行下一層的施工,逐層進行,如圖1所示。相對于目前流行的高空散裝法、整體吊裝法、高空滑移法、分塊安裝法等,利用頂升裝置施工,既安全可靠,保質保量,又省錢、省力、省工、省料。可見，多點同步頂升裝置具有獨特的優越性[1]。

在實際施工中,為了避免大型或大噸位重物在頂升過程中由一個千斤頂頂升導致傾斜的危險,以及起重物可能損壞的情況發生,需要對多點同步頂升裝置及其同步性進行設計和研究[2]。筆者從液壓回路和電控系統兩個角度出發,對在鋼結構網架建設施工中應用的多點同步頂升裝置電液系統進行集成設計，具體包括對液壓缸、液壓元件的參數進行設計,并選取相應型號，對可編程序控制器和觸摸屏進行程序設計,以及對裝置同步性和壓力檢測顯示進行研究,以滿足現場工作的需求。

2 液壓回路設計

在實際施工過程中,按照現場情況,所需頂升液壓缸的數量不等,泵站設計的基本要求為一套泵站搭配兩個液壓缸。為了實現多點同步頂升裝置在頂升過程中頂升位移的實時檢測和壓力的及時回傳,在液壓回路的元器件選擇方面,考慮數據的及時回傳和控制系統的閉環反饋。液壓缸配有位移傳感器,用于檢測液壓缸的伸出長度。選用比例換向閥,控制油路流量的大小。選用壓力表和壓力變送器,實時讀取油液壓力。選用雙泵系統,以備油泵發生系統故障時能夠及時切換,保證整個裝置始終處于安全運行狀態。配置蓄能器,作為應急壓力補充源,防止意外發生。

2.1 液壓缸

實際應用中液壓缸上升時需克服負載的重力,待負載到達指定位置回落時,依靠自身回油速度較慢,對此，筆者在設計中采用了活塞式雙作用液壓缸。結合實際負載情況,選取單缸負載為8×105N,液壓系統額定工作壓力為21 MPa。根據計算公式,作用在活塞上的載荷除以油液作用在單位面積上的壓強，得到活塞的有效工作面積[3]，于是有：

式中：A為液壓缸活塞端面積,m2；F為液壓缸外部負載壓力,N;p為液壓系統工作壓力,MPa。

計算得到液壓缸的缸徑為484 mm,實際制作中選用缸徑為500 mm的液壓缸。在實際網架施工中,網架單節高度在1 m之內,結合施工中的支撐物高度等,液壓缸行程定為1.25 m。

2.2 電機參數

由于實際工作中液壓缸伸出和收回的速度不能過快,因此伸出速度設為1 mm/s[4]。單個液壓缸所需供油流量Q1為：

Q1=vA

(1)

式中:v為液壓缸的伸出速度。

計算得到單個液壓缸供油流量約為12 L/min,根據液壓泵參數,選用排量為0.022 7 L/r的定量泵作為系統動力單元。

選取轉速為1 450 r/min的電機,可以計算得到系統流量Q2為：

Q2=1 450×0.022 7=32.915 L

系統額定壓力為21 MPa,可以計算得到系統理論功率P為：

P=21×32.915/60=11.520 kW

考慮功率損失,按照電機實際運行功率的85%計算,可以得到電機功率選取為13.553 kW，則實際選取型號為15kW-380V-Y160L-4-B35的三相異步電機。

2.3 液壓回路元器件

液壓回路原理如圖2所示。在液壓缸無桿腔中添加液控單向閥,可以提高液壓缸在回落過程中的安全性和可靠性[5-7]。根據上述計算值,為滿足實際工況要求,元器件參數按照計算值附近取上不取下的原則進行選取。

3 電控系統設計

設計一套電控系統,可控制12套泵站單獨或同時啟停。電控系統能夠控制油泵啟停的意義在于,一旦有意外發生,如換向閥閥芯卡頓,千斤頂不受控制伸出,電控系統可以使所有設備停機。電控系統可以控制24個液壓缸的頂升過程同步,也可以單獨控制每個液壓缸,并實時檢測和控制24路液壓油路。電控系統可以實時檢測出每個液壓缸的實際位移值和相對位移值,并根據檢測值實時控制比例換向閥閥芯的位置,以保證液壓缸之間的相對位移值在允許范圍內。另外,電控系統根據壓力傳感器的檢測值,經過運算處理,可以得出托舉重物的質量,方便施工人員核對工程量[8]。

3.1 觸摸屏

在設計過程中,考慮實際施工中的實用性,以及操作和觀察的便捷性,在液壓缸位移檢測界面中設置了絕對和相對兩個界面。根據每個項目的情況,設計了參數設置界面,包括液壓缸量程、同步誤差、液壓缸缸徑、單次工作目標位移及單次工作位移上限，顯示和記錄油路的壓力值與液壓缸頂升質量[9]。

3.2 可編程序控制器程序

在可編程序控制器程序設計中,需要考慮液壓系統的及時性和安全性。在油路壓力檢測中,一旦壓力大于設定壓力值,液壓缸自動停止運行,提醒操作人員對各個液壓缸支撐點進行現場檢查。在實際運行中,相對位移值一旦大于同步誤差設定值,位移值大的液壓缸立即停止運行,待誤差在設定范圍內后再次運行。為便于實際操作,可編程序控制器程序中設有同步和單獨控制液壓缸升降的程序段[10-11]。

4 試驗分析

多點同步頂升裝置在運行中的整體水平度及穩定性，即液壓缸的同步性是施工過程中的關鍵,所以在運行中對液壓缸位移和壓力的檢測是非常重要的。同時,施工點布置越多,對頂升重物的平衡受力情況越好。若布置點中有基礎下沉或壓力突變的情況,可立即做出相應調整。多點同步頂升裝置電液系統設計完成后,進行了初步試驗和調試。選取一套泵站、兩個液壓缸進行了現場試驗,如圖3所示。在試驗過程中,以同步誤差20 mm、目標位移300 mm、位移上限1 150 mm為例進行了連續試驗。在上升過程中,液壓缸能夠在同步誤差內實現同步,到達目標位移時自動停止,連續動作幾次直至位移上限時,停止上升動作。在上升過程中,可手動、自動操作,互不影響。

5 結束語

筆者對多點同步頂升裝置的電液系統進行了集成設計。多點同步頂升裝置的施工作業平臺在地面上或接近地面,設備體積小,且施工占用場地小,使施工人員的安全性及施工質量得到保證。施工過程中，多點同步頂升裝置起重能力強,可長時間載重懸停,并在各種工況下實現負荷升、降與停留，不受施工現場的限制。在施工過程中,裝置姿態可進行調整,負載升降平穩,沖擊力及振動極小。鑒于以上優點,多點同步頂升裝置在工程中的應用將越來越廣。