（机械电子工程专业论文）液压吊桩器载荷试验系统研究.pdf

中文摘要 为了提高海上采油管桩的安装以及平台建造过程中起吊桩腿作业的安全性 和科学性，对吊桩器械的承载能力和载荷状况进行使用前的测试是十分必要的。 本文重点研究内胀式液压吊桩器( i l t ) 使用前的静负荷检测试验系统，具有十 分重要的应用背景和工程意义。 液压吊桩器载荷检测系统是根据相关的标准和规定，以钢结构台架作为测力 系统承载的主体，液压系统作为施力系统，以计算机控制为核心，基于现场总线 技术，对压力传感器、状态设置开关、油泵电磁阀、油管电磁阀和压力控制阀等 设备进行网络监控和数据采集，以实现多千斤顶协调控制的集机、电、液、计算 机于一体的系统。本文以吊桩器检测系统的开发设计为主线，进行了深入的分析。 该系统是由钢架结构的承载主体、液压系统、电气控制系统以及计算机自动控制 系统几个部分组成： 1 分析了吊桩器检测过程的相关理论。进行了主体承载结构及液压系统的分 析研究，根据吊桩器在工作状况下的受力特点，采用多千斤顶驱动顶升单元的运 动控制实现吊桩器的加载和卸载，并对系统做出校核，保证系统的安全性和可靠 性。 2 设计测力系统的试验台架机构。主体钢架结构除了应该有足够的抗压特 性、刚度及稳定性外。当对测试单元分别检测横向和纵向拉力静负荷时，主体试 验台结构还应该具有相应位置的装置。 3 进行了电气控制系统及计算机数据采集和计算机控制系统的设计研究。 4 详细分析了多项驱动的顶升单元的协同运动控制，提出了控制算法和控制 模型。 5 基于提出的控制算法开发了相应的计算机程序。 6 设计试验装置，并对文中提出的控制模型和软件进行测试，验证系统原理、 控制原理及软件开发的正确性。 关键词：载荷检测内胀式吊桩器( r o t )比例压力阀现场总线数据采集 控制算法 a bs t r a c t f o rt h es a f e t ya n ds c i e n c eo f t h eh o i s t i n gl e gp i l e so f t h ep l a t f o r mb u i l d i n ga n dt h e i n s t a l l i n gs t e e lp i p ep i l eo fo i le x t r a c t i o n ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt o t e s tt h ec a r r y i n g c a p a c i t ya n dd i s t o r t i o no f l l ta ti n t e r v a l s i th a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n d p r o j e c ts i g n i f i c a n c eo nt h er e s e a r c ho f t e s ts y s t e mo f t h ec a r r y i n gc a p a c i t yo f l l t b a s e do nt h er e l e v a n ts t a n d a r d sa n dc r i t e r i a , t h el o a dt e s t i n gs y s t e mo fh y d r a u l i c p i l el i f t i n gt o o li sg a t h e rm e c h a n i s m ，e l e c t r i cc o n t r o l ，h y d r a u l i cp r e s s u r e ，c o m p u t e r c o n t r o l i n t oo n e p i e c es y s t e m w h i c ht a k e ss t e e ls t r u c t u r ea s1 0 a d b e a t i n gb o d yo ft h e m e a s u r i n gs t r e n g t hs y s t e m ，t h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m 舔a p p l i c a t i o no ff o r c e s y s t e m ，t h ec o m p u t e ra st h ec e n t e r , b a s e do nf i e l d - b u st e c h n o l o g y , t or e a l i z ej a c k s c o o r d i n a t e d c o n t r o lb yc a r r y i n gn e tm o n i t o ra n dd a t aa c q u i s i t i o no nt h ep r e s s u r e s e n s o r s ，s t a t u ss w i t c h e s , e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e sa n dp r e s s u r ec o n t r o lv a l v e sf o rh i g h p r e s s u r eh y d r a u l i ch o s e s ，p u m pv a l v e sa n do t h e re q u i p m e n t s i nt h ep a p e r , t h e d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho ft h el o a dt e s t i n gs y s t e mo fh y d r a u l i cp i l el i f t i n gt o o li s g i v e np r i o r i t y t h es y s t e mi n c l u d e sm a i nb o d yo fs t e e ls t r u c t u r et o b e a rl o a d s h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m ，p r e s s u r es e n s o r s ，c o m p u t e ra n dc o n t r o le l e c t r o - c i r c u i t c a r e f u la n a l y s i st ot h es y s t e mi ss t a t e d ： 1 f i r s t l y , t h et h e o r yo f t e s tp r o c e s so f t h ep i l el i f tt o o li sa n a l y z e d n ed e s i g na n d r e s e a r c ho fm a i nb o d yt ob e a rl o a d sa n dh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e ma r ec a r e f u l l y c a r r i e dt h r o u g h a c c o r d i n gt ot h et r a i to ft h ep i l el i f tt o o lu n d e rl o a d s ，t h el i f t i n g m o v e m e n tc e l ld r i v e db yj a c k sa r eu s e dt oa d do rr e d u c el o a d st ot h ep i l el i f tt 0 0 1 n e s y s t e mi sc a r e f u l l yc a l c u l a t e dt oa s s u r et h es a f e t ya n dd e p e n d a b i l i t y 2 d e s i g n e dt h et e s t i n go r g a n i z a t i o no ft h em e a s u r i n gs t r e n g t hs y s t e m n o to n l y t h em a i nt e s t i n gb o d ys t r u c t u r es h o u l dh a v ee n o u g hr e s i s t a n tt o c o m p r e s s i o n c h a r a c t e r i s t i c ，r i g i d i t ya n ds t a b i l i t y , b u ta l s ot h em a i nt e s t i n gb o d ys t r u c t u r es h o u l d h a v et h ec o r r e s p o n d i n gp o s i t i o ni n s t a l l m e n t , w h e nt ot e s ts e p a r a t e l yh o r i z o n t a la n d v e r t i c a lt e n s i l ei n s p e c t i n go nt h et e s t i n gc e l l 3 e l e c t r i c a ls y s t e m ，d a t u mc o l l e c t i o na n dc o m p u t e rc o n t r o ld r i v es y s t e ma r e c a r e f u l l yd i s c u s s e d 4 w h e nt h es y s t e mr u n n i n g ，t h ec o n c e r t e dm o t i o no ft h el i f t i n gm o v e m e n tc e l li s c a r e f u l l ya n a l y z e d ，t h ea r i t h m e t i ca n dm o d e lo fc o n t r o la leb r o u g h tf o r t h 5 b a s e do nt h ea r i t h m e t i co f c o n t r o l ，t h er e l e v a n tp r o g r a mw a sd e v e l o p e d 6 e x p e r i m e n td e v i c ei sd e s i g n e da n dt h ev a l i d i t yo ft h ec o n t r o lm o d e la n dt h e p r o g r a mh a sb e e nv e r i f i e d k e yw o r d s ：l o a dt e s t i n t e r n a l l i f t i n gt o o l ( i l t ) p r o p o r t i o n a lp r e s s u r ev a l v e f i e l d b u s d a t aa c q u i s i t i o nc o n t r o la r i t h m e t i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：徐连江 签字日期： 渺7年，月7 r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：钰、连；工 导师签名： 签字日期：渺7 年，月7 日 手青 甲 出 签字日期：莎叼年月加日 l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 吊桩器检测系统的工程背景 近年来随着国民经济和社会主义建设事业的蓬勃发展，对能源需求的增长也 日益提高，长期以来人们对陆地资源的开采和利用，造成陆地上能源日益匮乏， 而丰富的海洋能源越来越受到人们的重视，对海洋能源的开发和利用事业也越来 越蓬勃发展。随着改革开放，我国对领海和专属经济区域内的石油天然气资源进 行有计划的勘探和开采，而要想进行海洋能源的开采，就必须要在海上搭建开采 平台，即大型海洋平台结构物。海洋平台工程是近海油气开发中至关重要的环节， 俗话说，海上无风三尺浪，要想使开采平台稳稳扎根于波涛汹涌的大海，而不会 发生倾覆和颠簸，就需要先进行打桩和接桩，建造结实的采油平台。然而随着海 洋开发深度的增加，传统的打桩和吊桩技术已经不能满足现在工程的需要，取而 代之的是水下打桩，而建造平台时，桩腿的尺寸和重量较大，因此便涉及到吊桩 的安全性和科学性问题。 海上结构物的钢管桩基础具有桩径大、桩数多、桩身长的突出特点，在海上 进行吊桩、打桩和陆地上进行接桩施工是海洋平台建造和安装中不可缺少的工 序。传统的吊桩系统通常采用钢丝绳和附加焊接吊环的方法，一般有四点吊桩和 五点吊桩法，涉及卡紧、吊装移位、解脱环节和切割吊环，由于管桩的自身重量 及吊点之间的跨度较大，有时尽管采用吊点优化技术，但是，管桩在吊运的过程 中产生的控制弯矩及应力仍然很大，有时甚至大于工作状态下的控制内力或超出 允许应力的范围。由于海上环境复杂，并且钢桩的重量也越来越重，使得钢丝和 吊环的强度要求很高，而且切割吊耳也会造成资源的浪费，于是胀桩式吊桩器便 应运而生。该技术可以降低吊桩运输过程中的风险，避免潜水员水下解脱工序和 切割吊环，可以大大提高工作效率，具有重要的工程意义。 伴随着石油化工装置规模发展的大型化，装置中的重型设备越来越多，而且 随着运输能力的提高，超长超重设备可以整体进入安装现场。为适应我国石化装 置设备大型化的需要，中国海洋石油工程有限公司引进了国外先进的液压提升技 术内胀式液压吊桩系统( i l t ) ，填补了国内空白。 中国海洋石油工程有限公司购买的内胀式液压吊桩器( i l t ) 是荷兰i h c 公 司开发的一种管桩专用的吊具，广泛的应用于海上工程安装和建造大型管桩架结 第章绪论 构，具有强度高、自重轻、便于操作、工作甲稳可靠、承受动载能力强以及杠高 速工作条件下运行车无赚声等优点，工作过程如削i 一1 所示。该系统能够满足超 霍超长设备的吊装是国内吊装机械能力之最。液压提升技术是该系统的核心部 分。千斤顶i 以在满负荷状态下，进行维修和更换零部件实现了尤忧操作安全 可靠，吊桩及白安装过程采刚计算机在地面集中控制。 圈i 一1j l t 现场工作照片 海洋聚油平台的建造安装设计工程是海上采油t 程的个重要组成部分，尤 其是海上打桩及陆地上平台桩腿的安装烊接是海洋采油工程安装中疑难的环竹 结构物的重量分布是结构物海卜安装的重要控制参数准确的藿量对选择吊桩器 ( i l t ) 和吊索起决定性作用。但是当钢管桩设计重量接近于吊桩器能力极限时 或吊桩器( i l t ) 经过多次使用后，会给下一次吊装作业的安全性带来严币隐患。 当吊桩系统经过多次使用后或者所吊管桩重量接近其斛桩器承载l 限时，需要进 行吊装能力的定标椅测，以确保吊桩过程的安全，间时为了保i j e t _ 程施工的安全 性确保甲台桩腿和立桩本身的的重量小于吊桩器的极限载椅，最大限度的发挥 液压吊桩器能力，根有必要在吊桩前对吊桩器进行= 奠全载荷检测，从而实现安全 吊桩。因此对内胀式吊桩器( i l t ) 的载倚有效性榆测有 。分再要的工程意义， 开发一套内胀式吊桩器( i l t ) 计算机榆测系统具有广泛的应用价值，有利 提 高吊装过程的可靠性、安仝性和科学性，预防和避免事战的发生，降低生产成本。 1 2 吊桩器试验系统升降的控制技术 吊柱i _ 器试验椅测系统粟门j 被j 玉提升控制技术来模拟钢管桩重j 载荷唼现旧 第一章绪论 桩器拉力载荷的检验，同时记录测力过程中的相关信息。在国外，液压提升技术 很早就得到了应用，英国j g p ( j o h ng i s b s o np r o j e c t s ) 公司大约在三十年前 就开始了这方面的研究，现已经将该技术广泛应用于大型构件的提升和下降、平 移、桥梁的竖转以及定位等。美国实用动力( e n e r p a c ) 有限公司和英国的赛以钢 ( b i d l i f tz a l c o n ) 公司也在进行这方面的研究和应用。在国际上，有瑞士的 v s l 公司，瑞典的b y g g g u d d e m a n n 这样的专门从事提升安装的专业公司。 他们已经在全世界三十多个国家进行了大吨位构件的提升安装，如法国巴黎t d f 塔7 7 8 0 吨塔楼的提升，在芬兰赫尔辛基9 0 0 0 吨伞形水塔的提升等。在日本大阪 国际机场机库建设和跨海大桥施工都使用了液压提升技术晗1 。 在我国，这项技术从八十年代末开始，先后应用于上海东方明珠广播电视塔 钢天线桅杆整体提升、北京西客站主站房的钢门楼整体提升及上海大剧院钢屋架 整体提升等一系列重大建设工程中，并获得了巨大成功昭1 。2 0 0 2 年，天津大学与 中国海洋石油工程有限公司合作开发的大型结构物自动称重系统，运用多液压缸 系统同步动作来确定大型结构物准确的重量和重心，从而实现安全吊装和运输， 创造了巨大的经济效益。 在结构物升降系统和许多液压举升装置中，多液压缸协同负载动作是比较常 见的，如双液压缸变幅机构、双液压缸单级吊臂伸缩机构、多液压缸举升机构等。 可是，多液压缸协同负载动作的运动同步一直是比较难解决的问题。从理论上讲， 只要两个液压缸的活塞有效面积相同，输入流量也相同，它们之间应该做出同步 运动【1 引。但是，实际上由于负载的不均、摩擦阻力的不等、泄漏量的不同和液压 缸制造尺寸精度间的差异，都不可避免地会使液压缸间的运动不协调。容易造成 液压缸运动阻滞、速度不平稳和液压缸、被传动件偏载加剧等现象，严重的甚至 导致液压缸或被传动件过早地毁坏。因此，系统地分析，比较负载不均情况下的 多液压缸协同动作的措施，评判液压控制同步回路对多液压缸运动同步上的作用 与相互影响，从中总结这些液压缸同步措施的适用性。将对于改进这类机构的液 压回路设计，提高设计方案水平具有积极的意义。 大量的实际检验表明：当多液压缸协同负载动作出现液压缸间的运动不同步 时，液压缸间有无机械联系所产生的运动不同步程度差异是较大的。在多液压缸 液压系统中，协同控制液压回路可在较大程度上弥补上述原因引起的不同步，使 两液压缸问基本上实现压力协同运动。压力协同控制回路就是为了克服上述影 响，通过改变进入其中一些或全部液压缸的流量来达到压力同步的目的，通常以 一个液压缸的压力作为参考，改变进入其他液压缸的压力来达到压力跟随而同 步。同步回路的控制方式一般有3 种：容积控制、流量控制和伺服控制i l 引。其中 伺服控制的同步协调精度最高，流量控制的同步协调精度次之。但是，伺服控制 第一章绪论 的同步协调液压回路所涉及的液压元件较精密，复杂，抵抗环境干扰能力弱，成 本高。流量控制的同步协调精度已可以满足大型结构物升降和液压举升装置多液 压缸协同负载下的同步要求。而且它受负载变化的影响小，简单、紧凑、易维护， 成本较低，获取的性价比较高，其不足主要是压力损失大，使液压系统效率下降， 发热增加，不适于连续负载和低压的系统。因此，流量控制的液压缸同步液压回 路广泛应用于大型结构物的液压举升装置中。 目前，在大型液压起重机和液压举升装置中多液压缸协同负载下的同步回路 主要采用4 种形式：分流阀控制、液控单向阀控制、可调单向节流阀控制和可调 节流桥式单向阀组控制同步回路等1 9 】。要求同步协调精度较高的场合，可考虑可 调节流桥式单向阀组或分流阀控制的同步回路。要求成本低、同步精度一般的场 合，可考虑被控单向阀或可调单向节流阀控制的同步回路。要求适应间歇负载、 偏载的场合，适用于液控单向阀或分流阀控制的同步回路。根据选用的比例元件 来分，有比例方向阀同步回路，比例调速阀同步回路和比例变量泵同步回路1 2 。 前两者属于节流控制式，后者属于容积控制式。在大型结构物升降系统中，一般 采用节流调速来控制协同升降。 1 3 吊桩器实验系统中需要解决的关键问题 液压提升控制是一个较为复杂的过程。首先，液压吊桩器( i l t ) 的承载力 大，对系统的试验台架机构及施力系统都有严格的要求。检测过程中施力千斤顶 承载压力动态变化，当检验载荷很大时，各施力千斤顶承载压力会出现接近极限 载荷的情况，各作用点承载压力的变化，可能导致千斤顶压力超压，因此，在施 力过程中必须严格控制各千斤顶的压力。 其次，施力系统是多点支撑，利用多个千斤顶为顶升单元加载，如何协调多 个千斤顶的运动是一个关键问题。在多点支撑的情况下，由于受力部分是刚性结 构，如果各千斤顶的活塞伸长不同可能导致部分的千斤项承载力很小，造成各千 斤顶压力不协调，可能发生弯曲和变形的危险，对结构有一定损坏的危险，严重 的会破坏系统结构。因此，在自动检测的施力过程中，需要协调控制各千斤项压 力的运动。 再次，在自动检测过程中，整个系统的产生的摩擦力较大，因此对测试试验 台的结构约束有很高的要求，例如对千斤顶的位置约束和安装测试管桩的i l t 组 合测试单元在试验台架上的约束等等，如果各千斤顶的活塞伸缩程度不同，有可 能导致测试试验台的结构产生一定的微小变形。所以设计试验台的刚性承载结构 也是系统的一个关键。 第一章绪论 因此，试验台的刚性承载结构的设计，如何控制系统的运动，如何保证各千 斤顶的压力不超压以及如何提高系统的测量精度是本系统设计中所需解决的关 键问题。 1 4 课题的研究内容 根据实际情况需要，以及针对国内外现有液压载荷检测系统中存在的技术难 题，本课题拟定对液压吊桩器载荷检测系统中存在的技术难题进行研究。 1 4 1 课题的基本方案 经过分析和调研，采用钢结构试验台架、液压千斤顶和压力传感器配合实现 检测吊桩器拉力载荷的方案。液压吊桩器检测系统的最终目的就是要检测和检验 吊桩器的满负荷工作时自身的安全性，且可以测量多种型号吊桩器。要实现这一 目的，首先需要试验台架来支撑和承载测试元件，钢架式结构具有承压能力强、 施工方便、价格低等众多优点，是作为本检测系统的试验台架的主体承载机构。 其次，顶升元件首选方案必须满足能够伸缩自如，需要有一定的行程范围且 具有可控性。液压千斤顶的特性正好能够满足这一需要，所以在液压吊桩器载荷 检测系统中采用千斤顶作为施力元件。千斤顶的运动需要有动力源，油泵可以通 过向油路供油可以驱动千斤顶的运动。由于结构有往复运动，油路中还需有切换 装置。油泵、千斤顶和其他控制油路切换和通断的元件共同构成液压系统。液压 系统的设计是为了完成对顶升运动单元的往复运动施加载荷的操作。 仅仅有液压系统是不够的。在液压吊桩器载荷检测系统中要实现压力加载和 卸载的控制，就要对千斤顶油路的通断以及升降油路的切换进行控制。为了实现 这种控制，必须通过电气控制系统和计算机控制系统、数据采集系统共同完成。 需要用压力传感器来测量千斤顶的压力值，同时测量的压力值还需要输送到计算 机中，这就涉及到数据采集系统的设计。为了实现自动控制，需要计算机对液压 系统中的控制油路通断和油路切换的各种阀进行控制，这就需要有一套计算机控 制系统的设计方案。为了系统的调试方便和容错性，需要检测系统能够手动操作， 这就牵涉到电气控制系统的设计。 1 4 2 课题的主要任务 针对载荷检测系统设计过程中遇到的难题，本课题拟解决的技术关键问题如 下： 第一章绪论 1 首先对载荷检测系统的试验台钢架机构进行设计研究。主体结构应有足 够的抗压特性、足够的刚度及稳定性。当对测试单元分别检测横向和纵向拉力载 荷时，主体试验台结构应具有相应位置的装置。 2 液压系统的设计研究。在检测过程中使施力系统可以平稳的同步协调动 作，解决多个千斤顶运动的压力控制，同时保证液压系统在运行过程中不超压以 及千斤顶活塞伸缩不超出行程范围。 3 进行自动检测系统的电气控制系统的设计，实现对液压回路的切换和通 断控制。为了实现自动检测，进行数据采集和计算机控制系统组成的硬件设计研 究。通过检测系统来测量和监视千斤项的运动，用压力传感器测量千斤项的承力 状况，用工业控制机和固体继电器驱动电路，转换设备和通讯设备来实现自动控 制。 4 研究压力协调运动的控制算法，基于该算法开发相应的计算机监控软件 程序。 5 通过模拟实验来验证算法。 第一荜液压吊桩器载荷椅测系统的理论分析度组上茈 第二章液压吊桩器载荷检测系统的理论分析及组成 2 1 吊桩器载荷试验检测系统的相关原理 内胀式吊桩器( i l t ) 经过多次使州之后，会h 1 现靠膨胀产生摩擦力的钢质 楔块育可能仲腱不能到位( 就像数控机床的换刀装置使片j 长时曲以后便会出现换 刀小到仲的情况) ，或l l 多改使j f 】过程t 与铡桩内壁之间的磨损斯导致摩擦力 f 降无注蝌起制桩或n t 埔桩过程中 l t 与钢桩发生骨动致使钢桩脱落的情况 萁至发牛市故，造成人身伤害和财产损失。冈i m ，内胀式吊机器系统缉= 过多次使 用后需要进行吊桩前载荷的检测，以确保i u 在吊桩过程的安全性。 液压卅桩器载荷试验检测系统就是以钢架机构作为系统试验的主体承载机 构，以液压系统作为试验系统的施力单元和压力撺制单兀，基于现场总线，对压 力传感器、状态位置j f 芙、油泵电磁闽、油管电磁阀等设备进行远程网络监控和 数据采集，对多液压千斤项进行压力协调控制的机、屯、液、汁算机一体化系统， 利用液压系统装黄产生的压力柬模拟管桩重力负载的方法柬实现液压吊桩器的 横向和纵向拉力试验检测并且可以实现模拟载倚的任意调解。 2 1 - ii l t 工作过程中的受力分析 罔2 - l2 4 ”内胀式吊桩器( i l t 第二章液压吊桩器载荷检测系统的理论分析及组成 检测试验系统的胀桩部分采用荷兰i h c 公司的内胀式吊桩器( i l t ) 系统。 该系统采用液压控制，用油的压力控制吊桩器的多个共同伸缩的楔块，通过选用 合适的材料，i l t 在钢桩内部胀紧利用摩擦力实现吊桩，并通过单向阀实现自锁， 6 0 的i l t 可吊起重达1 0 0 0 吨的钢桩，如图2 - 1 所示为2 4 ”内胀式吊桩器( i l t ) 。 假设i l t 有n 个楔块，则每个楔块所受的摩擦力 ( 2 - 1 ) 式中f 为总摩擦力，其数值应大于钢桩自身的重力g ，i p f g 。由于楔块所受 的摩擦力为静摩擦力，故可根据摩擦力公式f f = p n 来计算每个楔块所需压力 n = f p 。 i n ；n l l 妙 ：一土；一 图2 - 2i l t 受力示意图 在工作过程中，i l t 内部的液压膨胀产生向外的胀紧力作用于钢桩内壁产生 摩擦力，可以看出装有i l t 的钢桩水平在地面上起吊过程中，i l t 的受力方向先 是向斜上方的，即i l t 与钢桩的相对运动趋势是向斜上方的。当钢桩完全被吊在 空中时，i l t 与钢桩基本上处于竖直状态，故其受力方向也是竖直的，受力分析 如图2 2 所示。 2 1 2 检测过程中系统加载受力分析 载荷检测系统试验台是由主体钢架机构和顶升运动单元组成。项升机构和多 千斤项组成的项升运动单元。j 1 、j 2 、j 3 、j 4 四个千斤顶安装在项升机构翼板上， 在加载过程中，液压系统给千斤顶供油，驱动顶升机构运动，通过连接装置给测 试钢桩单元施加力的作用。图2 3 中的f i 、f 2 代表被测钢桩单元所受的作用力( t g 就是施加给测试钢桩单元的测试载荷) ，作用在顶升运动单元各千斤项的作用力 分别为f 卜f 2 、f 3 、f 4 。在加载过程中，运动台受到的摩擦力远远小于四个顶的 k怯+ 第二章液压吊桩器载荷检测系统的理论分析及组成 图2 - 3 系统加载过程中受力原理图 作用力，故可忽略不计，根据平衡关系，可得出作用力方程： f + f ，+ f ，+ f = f + f ： ( 2 2 ) 对于每一个千斤项，设其上腔的油液压力为p o ，活塞有效面积为s o ，下腔的 油液压力为p l 、活塞有效面积为s l ，设千斤顶对顶升运动台的作用力为f j 。由千 斤顶内部活塞的力学平衡关系： f j - - - - p l s i p o s o ( 2 3 ) 即每个千斤顶对顶升运动台作用力的大小为该顶下腔与上腔液压油对活塞 的作用力之差。考虑上腔直接和油箱导通，在不考虑管道特性的情况下，忽略上 腔油压的影响。式( 2 3 ) 可简化为 f j 2 1 ：) 1 xs l ( 2 - 4 ) 在检测系统中，千斤顶的尺寸参数都已知，只要知道各个千斤顶的内腔压力， 就可以计算出该千斤项的作用力，进而可以求出载荷大小。 2 1 3 多缸协同控制理论 液压升降压力协同控制技术是近年来我国发展起来的一项崭新的施工方法。 数千吨的大型构件可以在地面组装后整体升降到几十米甚至几百米的高空安装 就位。在升降过程中，不但可以控制结构的运动姿态和应力分布，还可以让构件 长期在空中停留和进行微调，实现倒装施工和空中拼接。这种技术是集机械、电 气、液压、计算机、传感器和控制论于一体的高新技术啪1 。 单台液压升降器的升降能力有限，通常需要有几十台、甚至上百台升降器共 同承载提升。多液压缸就是指多台升降器共同承载升降，由于每台液压缸承载不 一致，动作也有差异，因此必须要决策什么时间动作，什么时间停止，什么时间 联动，什么时间单独操作，以实现多台液压缸的协同动作。 第二章液压吊桩器载荷检测系统的理论分析及组成 为了检测液压缸的位置情况，在提升液压缸上安装有一套油缸传感器。实时 控制系统通过现场实时网络获取所有液压缸的状态信息。同时，实时控制系统根 据提升油缸的状态，综合用户的控制要求( 例如手动、顺控、自动) 可以决定提升 油缸的下一步动作。实际检验表明：实时控制系统必须保证各个升降液压缸的伸 缩位置和压力协调。在升降体系中，往往是通过改变进入其中一个或全部液压缸 的流量来达到协调动作的目的，通常以一个液压缸的位置作为参考位置，改变进 入其他液压缸的流量来达到位置跟随而同步。操作人员可以根据泵站的流量分配 和其它因素来设定参考液压缸的升降速度，参考液压缸的升降速度决定整个升降 系统的升降速度。可见同步回路从本质上来讲是一个位置控制回路。同步回路的 控制方式一般有3 种：容积控制、流量控制和伺服控制。其中伺服控制的同步精 度最高，流量控制的同步精度次之。但是，伺服控制的同步液压回路所涉及的液 压元件比较精密、复杂，抵抗环境干扰能力弱，成本高。流量控制的同步协调精 度已经可以满足大型结构物升降和液压举升装置多液压缸协同负载下的同步协 调要求。而且它受负载变化的影响小，简单、紧凑、易维护、成本较低，获取的 性价比较高，其不足主要是压力损失大，使液压系统效率下降，发热增加，不适 于连续负载和低压的系统。因此，流量控制的液压缸同步液压回路广泛应用于大 型结构物的液压举升装置中。 2 1 4 多缸协同动作系统数学建模及分析 多缸机构的运动一致性十分重要，对于带有多个执行器，同时驱动同一负载 运动的液压系统，由于每个缸的制造质量、摩擦力、泄漏、负载及结构上的差异， 如果不采用适当的同步协调措施，各个缸的行程会不一致，导致机构运动的不平 图2 - 4 多缸液压系统示意图 第二章液压吊桩器载荷检测系统的理论分析及组成 稳或不能正常工作，引起设备的失效，甚至严重的损坏。因此，一套良好的液压 系统是在正确的理论分析基础上，设计相应良好的控制系统来实现的，其中包括 元件加工制造质量及个元件的装配精度等元素。 液压升降运动系统是一个较庞大、复杂的物理系统，因此在建立该系统各部 件的数学模型时，需要忽略某些次要因素，简化一些复杂的物理现象，才能抓住 主要矛盾，建立起既与实际系统相近，又便于理论分析的数学模型。用图2 - 4 来 简略表示多缸液压系统，图中的符号w 、p 、q 为每条支路上的负载力、油压力 及输入流量。如果每条支路的输入流量以及几何参数等都相同，那么，就成为一 个理想的压力协同控制装置。然而，在运行中，必然存在外负载变化、油缸的动 态特性、液压控制系统特性等因素，一致性显然受到很大影响。现取其中条支 路来研究，如图2 5 所示。这里假设管道动态特性、摩擦等可以忽略，并用集中 参数考虑。 图2 5 支路液压缸控制原理 根据液体流量连续性原则，液压缸负载流量与活塞运动速度、液体压缩量 和液压缸泄漏量有关，可得出流量连续性方程： q - - a 紫+ 詈誓+ c s p ，( z - 5 ) =警(2-6)v2 百 式中：a 广液压缸活塞面积； x 。一液压缸活塞位移； l 卜油液的体积弹性模量； v t 一液压缸总容积； p 广液压缸负载压差； c 广总泄漏系数； r 活塞移动速度。 式( 2 - 5 ) 中等号右边第一项a 警是活塞移动所需流量；第二项兽霉是因油 uj、u 第二章液压吊桩器载荷枪测系统的理论分析及组成 液被压缩所引起的体积变化率；第三项c s p 。是泄漏量。 液压缸负载压力可以看成活塞与负载折算到活塞上的总质量引起的惯性力， 液压缸活塞与负载运动的粘性阻尼引起的阻尼力和外干扰力组成，则液压缸的负 载力平衡方程为： a t p ，- m l 斧+ b f 百d x , + f l ( 2 7 ) 式中：m 广活塞与负载折算到活塞上的总质量； 既一粘性阻尼系数： f 广外负载力。 式( 2 7 ) 中等号左边为液压缸a t p r 产生的推力；等号右边第一项m 篆为惯 性力；第二项b 。百d x , 为阻尼力；第三项f 。为外负载力。 假设初始条件为零，将式( 2 5 ) 和( 2 7 ) 取拉氏变换并整理后得 q ( s ) 2 a t s x t ( s ) + ( c 。+ 毒s ) p r ( s ) ( 2 8 ) a 。p ，( s ) = ( m 。s 2 + b 。s ) x 。( s ) + f 。( s ) ( 2 9 ) 由式( 2 - 6 ) ，( 2 8 ) 和( 2 - 9 ) 可以画出系统的方框图，如图2 - 6 所示，并且综合成 式( 2 1 0 ) 和( 2 - 11 ) - 图2 - 6 液压缸系统方框图 a q ( s ) 一( c 。+ 兽s ) f 。( s ) x t g 卜再司每面 弘柳 a ，q ( s ) 一( c 。+ 警s ) f 。( s ) a ：+ c b t ( 1 s 2 + 笠s + 1 ) s 第二章液压吊桩器载荷检测系统的理论分析及组成 为： ，警a 一走a ( c s + 旦ks ) f l ( s )l t： 。呼i 矿 蝌2 面v t2瓦+1-i硒v志 ：击竺尝堂翌 p a ：+ c b + 笠s + l 、7 ，警一去( c 。+ 詈s ) f l ( s ) t + i c 1 t轰2 + 羞s + l 由于与争口l ，故式( 2 - 1 0 ) 和( 2 一1 1 ) 可简化为 w 。、警一枷+ 詈她c s ) x妒气筹$-，s+l ( + 堕 ) s 彩缈- 。 ( 2 - 1 2 ) 盼等q(s)擎i v t 亿聊 上式中的缈和f 分别代表液压缸系统的无阻尼固有频率和阻尼比，其值分别 藤 ( 2 - 1 4 ) f = 去2 t o 紫m v ( 2 - 1 5 ) 。 u 。1 ) j 式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 表明液压缸位置一致性控制受到每个支路的输入流量q 和 外负载力f l 的影响，如果每个支路的输入流量相同或其误差越小，则一致性精度 就会越高。而在压力控制系统中，液压系统中由于采用“一泵四顶”的方案，每 个千斤顶及各种阀等元件的各种几何参数都相同，所以能够保证它们的输出量相 等，即物入到每个支路的流量等容。当由于外负载力和系统内泄漏等因素造成执 行元件不同步时，电磁阀补偿控制系统就可以根据反馈信号，动态地补偿输入流 量较少的支路，从而使执行元件继续保持压力一致性运动。 在液压吊桩器载荷检测系统中，采用“一泵四项”的方案，使用电磁阀来控 制千斤项的协同运动，属于阀控方式，通过采用精密元件，可以达到较高的压力 一致性能。 第二章液压吊桩器载荷检测系统的理论分析及组成 2 2 吊桩器载荷检测系统的组成 液压吊桩器载荷检测系统是一个以工控机为核心的自动控制系统，涉及到系 统信息的采集及网络自动控制技术，工控机通过网络通讯，采集和分析系统运行 的信息，根据一定的算法，确定系统下一步的动作，由计算机自动控制系统发送 命令，驱动千斤顶的动作，系统结构框图如图2 7 所示。 图2 - 7 吊桩器载荷检测控制系统框图 该系统既可手动操作，也可以用计算机控制自动操作。系统由多千斤顶液压 系统协调推动项升运动单元给钢桩测试单元施加载荷或卸载，在自动操作时，系 统把压力传感器传递的信号，经过a d 转换和功率放大，转换为计算机可以接 受的数字信号，把压力传感器信息显示在计算机上，同时，通过一定的协同控制 算法，发送相关的控制信号，经由f o 转换为开关量信号，并经由固态继电器， 完成对油泵电磁阀线圈、油管电磁阀线圈的控制，从而完成对千斤项的快速供油 控制。在加载过程中，当接近规定载荷时，二位二通阀旁通，油管压力由压力比 例阀控制，放大器接受d a 转换电路输出的信号，直至压力达到规定载荷。手 动操作时，通过固态继电器来控制电磁阀线圈的触点，由电磁阀线圈的得失电来 控制千斤顶的流量，使之趋于预定的运动。此外，手动操作并不影响计算机对千 斤顶运动信息的采集，相关设备的压力信息仍实时的显示在计算机的屏幕上，这 也是进行手动操作的依据。 液压吊桩器载荷检测系统由于采用了计算机控制，能够全自动完成千斤顶协 调伸缩、负载均衡、姿态校正、应力控制、操作闭锁、参数显示和故障报警等一 系列功能，整套系统安全可靠性好，自动化程度高，操作方便灵活，具有很强的 现场适应性和通用性，是集机、电、液、计算机、传感器及控制论为一体的现代 化先进设备。 2 2 1 试验台架承载机构与液压系统 在测试前，需要使内胀式吊桩器i l t 在泵站驱动下往复伸缩几次，测量外径 第二章液压吊桩器载荷检测系统的理论分析及组成 的最大值和最小值。将内胀式吊桩器( i l t ) 装入测试钢桩内，启动工作泵站施 加动力使i l t 在测试管桩内胀紧到规定压力。本文将装有i l t 的测试钢桩称为钢 桩测试单元。 检测液压吊桩器满负载工作时自身的负载安全性能，需要给测试钢桩单元施 加上预定的载荷，并记录试验过程中的相关数据。在对测试钢桩单元加载过程中， 由力的相互作用可知，承载机构也必将承受相同的力，因而要求主体承载机构要 有足够的强度，从力学的角度上考虑，主体承载机构还要有足够的稳定性。因此 在主体承载机构设计中，采用钢架结构作为检测系统的承载主体。 系统在加载过程中，液压系统是整个系统的动力源，通过液压加载系统驱动 顶升运动单元的运动实现对测试钢桩单元施加力的作用，从而满足了模拟加载试 验的载荷要求，以此检验i l t 的载满载荷条件下的安全性能。 2 2 2 电气控制系统 电气控制系统和计算机控制系统构成了载荷检测系统的控制部分，电气控制 系统是整套液压吊桩器载荷检测系统的手动控制部分，是计算机控制系统的辅助 系统，在全自动检测前先进行手动控制，是千斤顶与支撑受力面接触，也可作为 载荷检测系统加载期间出现故障时的备用系统，充分保证系统的安全可靠性。测 量工况有一定的危险性，在开发过程中需要有电气控制系统来进行包括液压系统 在内的整体功能测试，在检测试验过程中，当计算机自动控制出现故障时，可以 转到电气控制系统来进行手动控制。电气控制系统在逻辑控制方面结构简单，容 易实现，抗干扰性较好，经济实用。 2 2 3 数据采集和计算机控制系统 数据采集和计算机控制系统，是以测量控制计算机为主体直接参与被控对象 的检测、监督和控制，加上检测装置及执行机构，与被监控的对象共同构成的整 体。 计算机控制系统是整套液压吊桩器载荷检测系统的大脑中枢，围绕工控机设 计的外围电路建立起与外部设备之间的联系，从而实现对整套系统运行情况的检 测和控制。在计算机的电信号控制下，驱动各类电磁阀动作，完成对液压缸的顺 序操作控制和协同控制。计算机和外部设备之间连成的监控网络，通过数据采集 系统获取系统运行信息，然后通过程序相关算法的分析，做出相应的判断，根据 程序指令的要求对传感器输出信号进行分析处理，再经计算决策后向电液执行机 构输送控制信号，以完成控制过程。 第二章液压吊桩器载荷检测系统的理论分析及组成 2 2 4 千斤顶运动控制 液压吊桩器载荷检测系统最后要完成对i l t 在规定拉力载荷作用下的实验 检测，从而检验i l t 在满载荷工作状态下的安全性能。在给测试钢桩单元施加载 荷的过程中要保证主体承载机构的顶升单元的平稳动作，即要保证千斤项的动作 协调性。同时，在施加载荷过程中，随着千斤顶的压力值得升高，要有措施保证 千斤顶的压力不超过极限载荷且接近规定测量值时要能够进行压力的控制。 d 1 7 1 2 输出模块和d 5 2 5 2 输入模块通过r s - 4 8 5 接口与计算机通信。计算机通过 d 5 2 5 2 输入模块采集压力传感器信号，经过软件的计算向d 1 7 1 2 或d 4 2 6 2 模块 发出相应指令，驱动与模块相连的固态继电器或比例阀控制器动作，从而控制有 关电磁阀和油泵电磁阀的通断，实现千斤顶的压力控制。这是计算机控制系统的 硬件组成，系统的动作要靠软件驱动硬件来实现。 2 2 5 系统的软件 系统的软件是在控制系统的硬件设备的基础上建立起来的，使检测系统的协 同控制思想得以实现。通过系统软件，使