双顶同步轨枕张拉自动控制系统的研制

许子龙

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

在预应力钢筋混凝土轨枕的生产过程中，预应力钢筋中预应力能否准确施加是保证预应力混凝土轨枕产品质量的关键工序，也是混凝土轨枕产品生产过程中的关键环节之一。在传统的张拉装置中，张拉工序是手动控制，不易满足张拉工序加载速率要求，也难以保证两顶同步张拉，使张拉工序过程中增加了人为的不确定性，从而影响了张拉工艺的准确执行。而且各种数据还要人工记录，用油压换算载荷的方法需要定期标定油顶的摩阻系数和油压表的精度。对单点调压的液压系统，两顶的摩阻系数要匹配一致，否则满足不了张拉精度要求。如采用开关阀进行模式控制，由于阀体和油顶的内泄，导致在1 min保压过程中频繁地在高压状态下进行开关，使得换向阀、油顶的密封圈和油管使用寿命大大降低。而且在保压阶段的载荷波动也较大。

为此，研制了计算机控制的预应力混凝土钢筋张拉自动控制仪，它由工控计算机、传感器、液压组件和驱动机电一体化设备组成。该仪器可以按预先编制好的程序由计算机自动完成，能确保钢筋的张拉工艺参数一致。通过高精度测力传感器、采集板转换后直接在计算机上显示张力的大小和曲线。保证了张拉力值的精度，同时减少了液压油顶和油表的标定工作，延长了油顶密封圈和液压阻件的使用寿命。该系统有动态保压作用，同时也可做到对历史数据的查询和存档。

1 系统原理

该系统是运用现代传感技术和计算机控制技术，研制的钢筋预应力自动张拉控制系统。图1为系统框图，它由油泵、张拉千斤顶、测力传感器(L1，L2)、驱动采集箱、手动驱动箱、接口板和工控计算机组成。采用两个比例溢流阀分别控制两个液压油顶，通过力传感器来测量预拉力的大小。然后将测量力值反馈给计算机与系统给定值进行比较，通过调整液压油顶的压力来控制张拉力的大小。按照张拉工艺要求，计算机自动完成张拉过程，同时记录张拉数据以备查证。

2 系统设计

设计目标为要求系统可实现两顶精确同步张拉，张拉加载速率可控，同时可实现缓慢释放应力。每小时张拉20模。

2.1 液压系统设计

系统每个顶采用独立的油泵进行压力调节和换向控制，便于系统检修和故障的快速定位。共控制2个1 500 kN、行程200 mm的穿心式油顶。液压系统最高压力31.5 MPa。力传感器测量范围为0～700 kN，测力精度±1%。

图2是其中一路液压系统的原理示意。系统采用一个MCY14-1B耐压为31.5 MPa的轴向柱塞泵2供油，经过单向阀3通过精密滤油器4过滤后进入比例溢流阀5，调压后通过三位四通换向阀8再进入油顶10的工作油腔，在工作腔前端接一油压传感器9监控油顶的工作压力。

图2 液压系统原理

系统的特点是，通过比例溢流阀的无级调压，液压系统保压状态不用调节换向阀的动作，即可完成1 min保压过程，避免了液压系统的冲击。直接通过测力传感器测量张拉力，保证了系统的控制精度，同时确保两油顶的同步张拉。系统能保证模型张拉过程中不受偏载，亦保证了预应力钢筋在轨枕中的准确位置。比例溢流阀选用华德BE10-30/315YM型，它可根据所需的张拉力来调节系统的压力，从而可提高油泵电机的用电效率。两个三位四通阀选用华德4WE6E6E61B/CC24N9Z5L，它被用来控制油顶的进油、出油和停止供油。进油、回油滤器的作用是过滤液压油中的污物，保护液压元件正常工作。为了适应不同季节工作环境要求，油泵上加有电加热器和液压油的风冷却器。

2.2 测控系统设计

测量系统采用RBH2902型以太网接口的A/D采样接口板，精度为16位，它的维护性比其它类型的接口板容易，检修也比较方便。它负责对两油顶的四路(4～20 mA)模拟量的采集。D/A输出提供两路比例放大板的控制(0～10 V)电压，实现对张拉力的调整，八路数字量的输出控制信号用来控制换向阀电磁铁线圈(DC 24 V)，通过供电电压的通断来实现油顶的换向。

测力传感器选用BK-1型，量程0～700 kN、精度0.5%(为满足设计要求提高了一个等级)。油压传感器选用JP-40型，量程0～45 MPa，精度0.2%。

驱动箱分为强电和弱电两部分，强电驱动部分负责电机、加热器和换向电磁阀的手动模式的控制。弱电驱动部分负责传感器供电、信号采集、调压信号的产生、换向阀控制和计算机的通讯。

2.3 软件系统设计

软件部分有以下6个模块:力值测量模块、开关输出模块、调压控制模块、工艺参数输入模块、测量系统标定模块和历史数据查询模块。

2.4 系统标定

手动控制面板如图3所示，启动张拉自动控制系统前，必须将两油顶手动调压电位器旋钮调至零位(逆时针旋转至最小)。图中1前、后和2前、后为两油顶手动换向开关。

图3 手动控制面板

测力系统标定时油顶安装示意如图4，将标准测力传感器6(900 kN精度0.3%)和待标定的力传感器5串在张拉丝杠中，两端用前、后锁紧螺母固定。打开驱动箱和计算机预热15 min后，用手动开关控制张拉千斤顶，然后顺时针调节相对应的油压手动调压电位器，按 0，100，200，300，400，500，600 kN 七级进行分段标定。通过标定可以弥补传感器测量的非线性误差。

图4 测力系统标定时油顶安装示意

3 现场应用

安装主机需要可靠的接地。按定义要求，将每个测量传感器输入口的电控线接到功率驱动箱对应的接口上，连接计算机的接线，并将I/O控制线接到功率驱动箱上，功率驱动箱上电源为AC 380 V。打开总电源开关和驱动箱前控制面板上的电源开关。

往油箱加油时，必须在回油滤清器前面的加油管注入或者用过滤精度为10 μm的加油车。检查电机的转向，如果压力表上有压力指示则表明电机相序接线正确。接上液压油顶，使系统在低压状态运行10 h，然后再将压力提高到20 MPa，进行4 h循环。最后将回油滤清器的滤芯更换方可使用。在自动控制模式下，严禁用手动开关进行操作。两个电磁换向阀开关必须处于如图3所示位置。在使用前确认各种开关动作是否正常，换向阀的动作定义是否和计算机上的方向一致。然后选择一套张拉目标力值较低的模型进行试验。液压油的最高工作温度为55℃，如果高于此温度，油冷却器的散热风扇就自动启动工作，以免油温过高导致的泄漏。长期不用时，应将液压油缸和液压油管的进出油口全部堵上，以免液压系统受到污染。定期检查液压件、油顶的密封情况。工作满5 000 h或放置二年后更换液压油和高低压滤芯。

图5为Ⅲa型轨枕的张拉和缓慢放张的曲线。曲线是两个顶的张拉曲线，由于精确同步张拉，故两条曲线完全重合。张拉目标值420 kN，持荷60 s后缓慢卸载。生产能力每小时张拉20模，满足现行轨枕流水机组法的生产节奏。

图5 张拉和缓慢放张全过程曲线

4 结论

该系统经在现场使用，满足了张拉工艺对可靠性和准确性的要求，保证了两顶的同步工作。张拉力同步精度达到1%，预应力混凝土轨枕脱模时，通过改变系统工艺参数，可实现钢筋应力的缓慢释放，减少了预应力轨枕端部握裹力的损失。做到一机两用，简化了轨枕张拉设备在现场的维护工作。此种类型的张拉控制模式也可用于预应力混凝土梁或其它长线台座法的单根预应力筋张拉。

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