（机械电子工程专业论文）钢丝绳拉力检测系统研究.pdf

摘要 为了提高海上吊装作业的安全性和科学性，对钢丝绳的承载能力和变形状况 进行定期的检测十分必要。目前，国内的钢丝绳厂家无法提供钢丝绳的拉伸变形 系数，该参数对吊装配扣十分重要。本文重点研究钢丝绳承载力和拉伸变形的检 测系统，具有十分重要的应用背景和工程意义。 钢丝绳拉力计算机自动检测系统利用钢筋混凝土结构作为承载的主体，根据 相关的标准和规定，把被洲钢丝绳加载到检验载荷，在此过程中 i _ ：l 录钢丝绳的载 衙力及变形情况。本文以对钢丝绳拉力自动检测系统的开发设计为主线，进行了 深入分析，该系统以钢筋混凝土承载主体、多千斤顶构成的液压系统、电气控制 以及计算机自动控制系统几个组成部分： 1 分析了钢丝绳检测过程的相关理论。进行了主体承载结构及液压系统的 设计研究，根据钢丝绳在工作状况下的受力变形特点，采用对多千斤顶驱动的两 层运动台的同步控制来为钢丝绳加载，并对系统做出校核，保证系统的安全性和 可靠性。 2 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。 自动控制系统以工控机为核心，基于现场总线技术，对压力传感器、位移传感器、 状态设置丌关、油泵电磁阀及油管电磁阀进行网络监控，以实现对多千斤顶系统 的同步控制。 3 详细分析了多项驱动的多层运动台的同步运动控制。提出了同步控制算 法和控制模型。 4 基于提出的同步算法开发了相应的计算机程序。 5 设计了实验装置，并对本文提出的控制模型和软件进行测试，验证了系 统原理、控制原理及软件丌发的正确性。 关键词：拉力检测同步控制 控制算法现场总线 钢丝绳 a b s t r a c t f o rt h es a f e t ya n ds c i e n c eo ft h eh o i s t i n gt a s ko ft h eo c e a np r o j e c t ，i ti s v e r y n e c e s s a r yt ot e s t t h ec a r r y i n gc a p a c i t ya n dd i s t o r t i o no fw i r er o p e sa ti n t e r v a l s a t p r e s e n t ，t h eh o m e m a n u f a c t u r e r so fw i r er o p e sc a n n o ta f f o r dt h et e n s i l ec o e f f i c i e n to f w i r er o p e sw h i c hi sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rt h eh o i s t i n gt a s ki th a si m p o r t a n t a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dp 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 ft h e c a r r y i n gc a p a c i t ya n dd i s t o r t i o no f w i r er o p e s t h ec o m p u t e ra u t o c o n t r o ls y s t e mf o rt h ei n s p e c t i n go ft h et e n s i l eo fw i r er o p e s t a k e st h ef e r r o c o n c r e t es t r u c t u r ea sm a i n b o d y t ob e a rt h el o a d s b a s e do nt h er e l e v a n t s t a n d a r d sa n dc r i t e r i a ，t h et e s tl o a d sa r ea d d e dt ot h ew i r er o p e ，a n dd u r i n gt h e p r o c e s s t h ed a t u mo ft e n s i l ef o r c ea n dt h ee l o n g a t i o no ft h ew i r er o p ea r er e c o r d e d t h e r e s e a r c ha n dd e s i g no nt h et e n s i l ei n s p e c t i n gs y s t e mo fw i r er o p ei s g i v e np r i o r i t yt o b y t h ep a p e r , t h es y s t e mi n c l u d e sm a i nb o d yo ff e r r o c o n c r e t et ob e a rl o a d s h y d r a u l i c p r e s s u r es y s t e mc o n s i s t i n go f j a c k s ，p r e s s u r es e n s o r s ，d i s p l a c e m e n ts e n s o r s ，c o m p u t e r a 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 to f a l l ，t h et h e o r yo ft e s tp r o c e s so f t h ew i r er o p e si sa n a l y z e d t h ed e s i g n a n dr 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 fw i r e r o p eu n d e r1 0 a d s ，t h e m o v e m e n t s t r u c t u r e sd r i v e db yj a c k sa r eu s e dt oa d dl o a d st ot h ew i r er o p e t h e s y s t e mi s c 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 e l e c t r i c a l s y s t e m ，d a t a c 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 e s y s t e m a r e c a r e f u l l yd i s c u s s e d t h ea u t o c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nf i e l d b u st e c h n o l o g y , t a k e st h ei n d u s t r i a lc o m p u t e ra st h ec e n t e rt oc o n t r 0 1t h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mt o m o v es y n c h r o n o u s l y , t om o n i t o rt h ep r e s s u r es e n s o r s ，d i s p l a c e m e n ts e n s o r s ，s t a t u s s 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 sf o rh i g hp 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 d o t h e r e q u i p m e n t s 3 w h e nt h es y s t e mr u n n i n g t h es y n c h r o n o u sm o t i o no ft h em o v e m e n ts t r u c t u r e s i s c a r e f u l l ya n a l y z e d 7 f h ea r i t h m e t i ca n dm o d e lo fs y n c h r o n o u sc o n t r o la r eb r o u g h t f o r t h 4b a s e do nt h ea r i t h m e t i co fs y n c h r o n o u sc o n t r o l ，t h er e l e v a n tp r o g r a mw a s d e v e l o p e d 5 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 ：t e n s i l ei n s p e c t i n gs y n c h r o n o u sc o n t r o l c o n t r o la r i t h m e t i c f i e l d - b u sw i r er o p e 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，沦文中f i 包含其他人 三经发表 或撰写过的研究成果，电不包含为获得墨盔苤至或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。j 我同工作的同志划本研究所做的任何贡献均已在论文巾 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：旃毛，广 签字f 1 期：工一3 年月多h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤叠盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗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、汇编以供奁阅和借阅。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晓明) 学位论文作者签名；萄志，广 导师签名 手音 签字f 1 期：工w 3 年 1 月歹日 签字日期：。h 口年，月r f _ 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 钢丝绳拉力检测系统的工程背景 钢丝绳是工程中应用广泛的一种挠性构件，具有强度高、自重轻、弹性好、 工作平稳可靠，承受动载和过载能力强以及在高速工作条件下运行和卷绕无噪 声等优点。钢丝绳在使用过程中会发生疲劳、腐蚀、磨损，甚至断裂等现象， 钢丝绳的破断可能带来严重后果如重大设备或人身安全事故，因此对钢丝绳的 有效性检测有十分重要的工程意义，有利于提高吊装过程的可靠性、安全性和 科学性，预防事故的发生，降低生产成本。 海上作业或大型工程项目有很多吊装任务，对吊装能力的要求不断提高。 如海洋石油股份有限公司已有3 5 0 0 吨的吊重能力，目前该公司用于陆地吊装和 海上吊装的钢丝绳有一百多条，按照规范要求，钢丝绳要进行定期检测，原来 的测试手段是截取小段的钢丝作力学特性试验，对于长整钢丝绳特别是大吨位 钢丝绳的实际承载力检测，国内尚无有效的检测手段，开发一套钢丝绳拉力计 算机检测系统有广泛的应用价值。 钢丝绳的弹性模量是一个重要的参数，对于架空索道和缆索起重机承载索 设汁极为重要，弹性模量值的选取是否得当，直接关系到承载索拉力值和线性 计算的准确性，也关系到系统安全系数、材料、设备的选定【10 1 。对于钢材，弹 性模量，其值不随材料的形状和大小而改变。对于钢丝绳，影响弹性模量的因 素有很多。根据前苏联对弹性模量的测试与研究，得出的结论是：钢丝绳的弹 性模量与其结构、新旧程度、钢丝绳所受拉力大小及钢丝绳的长短有关。目 前对于钢丝绳弹性模量的测试，有三种方法：振测法、点荷下的摄动法及位移 一拉力法i l 。其中位移一拉力法需要钢丝绳承载力及位移变化数据。钢丝绳拉 力检测系统检测过程中的实测数据，为研究钢丝绳弹性模量和变形提供了科学 依据。 1 2 钢丝绳测试方法概述 关于起重用钢丝绳的检验与报废标准，在国家标准g b5 9 7 2 8 6 ( 等效采 用国际标准i s o4 3 0 9 1 9 8 1 ) 上有详细的规定，其它行业标准化组织也有相应 的规范，如a p i 组织的( ( s p e c i f i c a t i o n f o rw i r er o p e 和 r e c o m m e n d e dp r a c t i c e 第一一章绪论 o n a p p l i c a t i o n ， c a r e ，a n du s eo f w i r er o p ef o ro i l f i e l ds e r v i c e ) ) 。以国家标准 g b5 9 7 2 8 6 为例，钢丝绳使用的安全程度由1 1 个项目判定，分别是：断丝的 性质和数量；绳端断丝；断丝的局部聚集；断丝的增加率；绳股断裂；由于绳 芯损坏引起的绳径减小：弹性减小；外部及内部磨损；外部及内部腐蚀：变形： 由于热或电弧造成的损坏。 1 2 1 传统钢丝绳管理和使用方法 _ h 、定期更换法 在设计过程中，通常都按照一定的安全系数来选择钢丝绳，在使用过程中 不可避免地会产生疲劳以及磨损、锈蚀、变形、断裂等缺陷，导致钢丝绳的强 度下降，甚至突然破坏。为了保证设备和人身安全，确保生产的顺利进行，往 往采耿定期更换的方法使用和管理钢丝绳。 这种方法主要依据钢丝绳的额定使用寿命来确定其更换周期，忽视了钢丝 绳的实际状况，有些被更换下来的钢丝绳性能与新钢丝绳的性能基本没有多大 变化。 二、人工目测法 该方法由专业人员定期对使用中的钢丝绳进行外观检查，采用卡尺测量绳 径、手摸或肉眼寻找缺陷，根据铜丝绳断丝报废标准判断是否更换钢丝绳，或 者根据钢丝绳表面磨损或腐蚀折算系数判断是否更换钢丝绳。 人工目测检查只能发现钢丝绳露在外面的缺陷，其内部因环境污染与水的 渗透造成腐蚀以及应力和弯曲造成钢丝绳劣化就不得而知，况且人工检测受人 为因素的影响较大，误检率高，往往造成有缺陷的钢丝绳得不到及时更换，从 而导致事故发生。 三、钢丝绳管理和使用方法的弊端 据研究资料表明【2 】，利用传统方法对钢丝绳进行管理和使用，造成在使用 的钢丝绳中大约有1 0 其强度损耗超过1 5 ，2 以上强度损耗超过额定强度 的3 0 。即在使用中的钢丝绳大约1 0 工作在具有潜在危险的状态，还有2 以上工作在相当危险的状态；另一方面，所更换的钢丝绳有7 0 以上甚至没有 损坏。另有资料表明：更换下来的钢丝绳中，有一半以上的强度达新品强度的 9 0 以e 。 从钢丝绳使用的经济性、安全性考虑，传统的检测方法存在较大缺陷。从 钢丝绳的维护方面而言，传统的人工目视检查法要求钢丝绳的运行速度不能太 快，一次检查所需时削长，检查人员容易疲劳，劳动强度大，效率低，影向劳 第一章绪论 动生产率的提高；另一方面，对操作人员的要求也较高，需要经验丰富的老工 人或训练有素的技术人员，该检测方法只能对肉眼能够看到的钢丝绳段进行检 查，钢丝绳内部缺陷则难以检测，不能实行钢丝绳全程和全面检查，降低了其 检测的可信度“。 1 2 2 国内外钢丝绳损伤检验技术 钢丝绳断丝、磨损量、锈蚀程度和绳径缩细量是钢丝绳无损检测的几个主 要方面。钢丝绳无损检测技术已经发展比较成熟。有代表性的是声发射检测、 y 射线、x 射线、超声波检测和漏磁检测【3 】。国内外公认的最可靠、最实用的方 法是漏磁检测方法。其原理如下：利用永久磁铁沿钢丝绳方向磁化钢丝绳被检 测段，当钢丝绳产生磨损或绳径缩细等缺陷时，将会在磁化段钢丝绳表面产生 不同的漏磁场，利用磁敏元件( o b 霍尔元什或磁敏二极管) 检测这一变化的漏磁场 即可获得反映缺陷状况的检测信号 3 】。 1 2 3 钢丝绳拉力试验的发展状况 我国生产的钢丝绳大多数执行g b l1 0 2 7 4 国家标准，钢丝绳只需拆股试 验，检验钢丝绳中钢丝的弯曲、扭转和抗拉强度及钢丝破断拉力总和。随着铡 丝绳生产的发展，出口到美国、西欧等工业发达国家的钢丝绳，以及国内开发 顶替进口的石油钻井用钢丝绳都要求做整绳破断拉力试验鸭钢丝绳做整绳破 断拉力试验逐渐受到生产厂家的重视。 一、钢丝绳的破断力检测有其科学性 4 】 1 整绳破断拉力测试和工作时的受力状况相同。钢绳在提升或牵引重物时 主要承受拉力负荷。钢丝绳在做整绳破断拉力试验时，将钢丝绳试样夹持在拉 力试验机上，施加拉力，测定破断时所施力的大小。 2 钢丝绳的破断拉力能综合反映钢丝绳的生产水平。钢丝绳的质量主要取 决于制绳钢丝的质量以及捻股和合绳时的捻制质量。测试整绳破断拉力既能判 断钢丝绳组成元件制绳钢丝的抗拉强度、韧性的高低，又能反映钢丝绳捻 制是否均匀。 ：二、钢丝绳拉力机 目前，钢丝绳拉力测试的专门拉力机主要用于检测几米长的短绳，常用的 吨位1 0 0w 2 0 0 吨。如渤海船舶公司的钢丝绳拉力，其结构为卧式，以液压系 统加载并有自动调节功能的试验机，通过压力表的值换算成拉力数据。 第一章绪论 现在的钢丝绳的整绳拉力破断试验，只选取钢丝绳的一段试样进行测试 一般用于钢丝绳出厂前的检验验收，对更高承载力的长整绳检测，还有待进 步的研究。 1 3 加载系统的控制技术 钢丝绳拉力检测采用液压系统作为施力系统，载荷允许最大可达到7 m n ， 采用单个千斤顶很难满足系统的要求，需多个千斤顶加载，而多千斤顶的协同 动作是一个复杂的问题。 在大型结构物升降系统和液压驱动装置中，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【l 】。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 1j 。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问的差异，都不可避免地会使液压缸问的运动不同步，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，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技术，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。 同步回路的控制方式一般有：流量控制和伺服控制。其中伺服控制的同 步精度最高，伺服控制的同步液压回路所涉及的液压元件较精密、复杂，抗环 境干扰能力弱，成本高。流量控制的同步精度次之，其控制精度已可以满足大 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，它受负载变化 的影响小，简单、紧凑、易维护、成本较低，性能价格比较高，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液压驱动装置中。 在大型液压起重机和液压举升装胃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【5 】。要求同步精度较高的场合，可考虑可调节 流桥式单向阀组或分流阀控制的同步回路。对同步精度要求一般的场合，可考 虑液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。 第一章绪论 1 4 钢丝绳拉力检测系统需解决的关键问题 钢丝绳的拉力检测是一一个较为复杂的过程。首先，海上作业钢丝绳的承载 力大，最大的额定载荷达4 m n 以上，对系统的支撑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 f 斤顶承载压力会接近极限载荷，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，利用多个千斤顶为钢丝绳加载，如何协调多 个千斤顶的同步运动是一个关键问题。在多点支撑的情况下，由于施力端不是 完全的刚性结构，如果各千斤顶的顶杆伸长不同，可能发生弯曲和变形，严重 的会破坏系统结构；另一方面，不同步时，可能导致部分的千斤顶承载力很小， 使其它的千斤顶有过载的危险。在自动检测的施力过程中需要控制各千斤项的 同步运动。 因此，如何控制系统的同步运动，如何保证各千斤顶不超压，是钢丝绳整绳 检测过程中所需解决的关键问题。 1 5 本课题的研究内容 钢丝绳拉力检测的目的在于根据相应的规范及标准，给钢丝绳加载以验证 其力学性质，检测钢丝绳使用一段时间后能否符合生产的需要。另外，钢丝绳 的拉伸变形长度是吊装配扣的重要参数之一，钢丝绳拉力检测过程中要记录承 载力与变形的数据。 钢筋混凝土整体式结构有承压能力强、施工方便、价格低等众多优点，是 作为本检测系统的主体结构首选方案：系统采用液压驱动方式，通过基于微机 控制的传感测量控制技术检测钢丝绳拉力及变形。 本课题拟解决的技术关键问题如下： 1 对检测系统的主体结构进行设计研究。承载主体应有足够的抗压特性、足 够的刚度及稳定性。当被测钢丝绳出现断裂或钢丝绳接头出现失效时，主 体结构应具有缓冲措施。 2 对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动作， 解决多个千斤顶运动的同步性，同时保证液压系统在运行过程中不超压。 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 第一章绪沧 计研究。检测系统用位移传感器来测量和监视千斤项的同步运动，用压力 传感器测量千斤顶的承力状况，用工业控制机和固体继电器驱动电路、a d 设备和通讯设备实现自动控制。 4 研究同步运动的控制算法，基于该算法编制相应的计算机监控程序。 5 通过实验验证同步算法及所丌发软件的j f 确性。 第一章承载主体及液压系统的设计 第二章承载主体及液压系统的设计 根据相应的规范和标准要求，确定钢丝绳的检验载荷，钢丝绳整绳拉力检 测系统对该检验载荷进行校验。首先进行整体受力分析，设计一种对钢丝绳的 施力机构，使钢丝绳达到预期的张紧拉力。同时进行液压系统进行分析和设计。 2 1 钢丝绳检测过程分析 根据钢丝绳拉力检测系统的要求，系统需要一个支持结构支承钢丝绳受拉 时而产生的压力。 2 1 1 钢丝绳加载过程中受力分析 f 芝一r i 立娄芝蔓念_ 、连接批 i、卜 一 、卜、一。、 l、b - _ 一 一一1 4 峥、 一1 一。s 、 r 挺jihp 妊一j + _ _ 、一i 二讯、 、 !、j 、i 、 、 归|f 二。班：卜1 、1 、伊、 。 j 、1 。、j 1 、- 、 12 l 图2 1 系统加载过程中的受力示意图 检测系统主体承载结构采用了两层运动台的结构方式( 如图2 1 所示) 。j 1 、 j 2 、j 3 、j 4 四个千斤顶作用在第一个运动台上，j 5 、j 6 、j 7 、j 8 作用在第二个运 动台上。在加载过程中，通过液压系统给千斤顶的供油，驱动运动台给被测钢 丝绳施力。图中f 代表被测钢丝绳所受拉力，设作用在第一层运动台各千斤顶 的力分别为：巧、鼻：、e ，、e 。；作用在第二层运动台各千斤顶的力分另t j # j 疋。、 e ：、巧，、巧。：i ，i 、 分别是两运动台所受的地面摩擦力。根据力平衡关系： e ，+ 五2 + 3 + e 4 2 ，+ 五( 2 1 ) 曩l + e2 + 一3 + 鼻4 = ( e i + e 2 + 3 + e 4 ) + 石( 2 2 ) 出式( 2 - 1 ) 可得 第二章承载主体及液压系统的设计 f 。巴+ z + e + 兄一( 2 3 ) 由于运动台与底面导轨是滚动接触，在系统的加载过程中所受摩擦力远远 小于四个顶的作用力，故可忽略，作用于第二层运动台四个顶的合力大小即为 被测钢丝绳所受拉力的大小。 对于每一个千斤顶，设其上腔液压油的压力为只，有效面积为& ，下腔液 压油的压力为只、有效面积为s 。，设千斤顶对运动台的作用力为r 。由千斤顶 内部活塞的力学平衡关系： 2 鼻s 一只s o 即千斤顶对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，在不考虑管道动态特性的情况下，忽略上腔 压力的影响。 2 暑s 2 1 2 钢丝绳的伸长 通常钢丝绳加载后会产尘伸长，造成这种伸长的原因有两种：一是山于钢 丝绳生产中产生的工艺应力和变形，钢丝在绳殷内、绳股在钢丝绳内的相对位 置不顺，当钢丝绳一经使用，经过多次荷载作用，逐步理顺了这些相对位置， 使钢丝绳产生了永久的伸长，即结构伸长；另种是钢丝绳的弹性伸长，即在 钢丝绳弹性极限内，受荷载后产生的伸长，这种伸长在没有结构伸长的情况下， 去除荷载后，仍将恢复到钢丝绳原有的长度。 ( 1 ) 钢丝绳结构伸长量估算 为限制钢丝绳的结构伸长，钢丝绳一般都经过预张拉设备的处理，其结构 伸长能被控制在o 2 一0 5 之问，估算3 5 米长钢丝绳的结构伸长量应在 7 0 - 1 7 5 m m 之间。 ( 2 ) 钢丝绳弹性伸长的估算 钢丝绳的弹性伸氏计算公式为： f ， ，= 二二一f m l e 一a 式中；f 一钢丝绳受的张拉载荷，n f 一钢丝绳长度，r n e 一钢丝绳的弹性模量，n i m m 2 第二章承载主体及液压系统的设计 爿一钢丝绳的金属截面积，m m 2 根据一些实验研究资料表明，弹性模量问有下列关系：毛( 钢丝绳) 5 p 把( 2 6 ) 式代入得：i 0 1 6 9 ( m 4 ) t 、i t o 都需满足这种条件，承载主体满足稳定条件。有： f 击纠一击包 3 一唾一争一包 叫s ， 1 扣l 丧矗和a ， 另由应力条件，截面的最大应力为： 7 1 0 67 1 0 6 s 6 矗一岛啊 取安全系数不小于l o ，则 n ：旦= 3 2 4 ( b h 一鱼 ) 1 0 q 令x ，= 6 ，x ：= ，x 3 = b ix 4 = 啊，求最小的截面面积使之满足强度及稳定条件 可建立如下约束最优模型： 优化目标：r a i n f = x l x 2 一x 3 x 4 约束条件为上部的强度条件、稳定条件及一些尺寸限定条件： rx l x i 一6 x ；x 3 x 4 + 1 2 x 2 x 3 x ；一7 x 3 x 2 0 8 2 ix ? x ：一x ；x 。 2 0 8 2 x l x 2 一x l x 4 30 8 墨0 4 i 1 x 2 2 x 3 x l 3 l 睾+ 0 2 z 。x ： 第：章承载主体及液压系统的设计 利用m a t l a b 数学：【：具包的k t 方法求解，解得x 。= 2 7 6 1 4 ，x ：= 14 2 8 ， x ，= 0 6 2 6 ，_ = 1 0 15 4 。最终所取的截面图形的宽度为3 m ，高为1 5 m ，槽宽 度为o 6 m ，槽深为1 0 m 。 2 2 3 桩基分析 桩基础设计的目的是使作为支承上部结构的地基和基础结构具有足够的承 载能力，使基础变形不超过上部结构安全和f 常使用所允许的范围；作为传递 载荷的结构，桩和承台还必须有足够的强度、刚度和耐久性。 桩基础的设计必须具备四个方面的基本资料： 1 岩土土层勘察资料 2 建筑场地与环境条件资料 3 建筑物的资料 4 施工条件资料 根据钢丝绳承载主体结构的整体结构的特点，关键是保证其稳定性的特点， 根据海洋工程的特点，选用钢管桩。根据对陈山码头钢管桩的一组实验：采用 钢管桩直径1 2 0 0 m m ，桩长4 4 m ，桩端进入硬粘性土层，敞口式桩的极限承载 力为4 6 0 0 k n ，管外摩阻力为2 7 0 0 k n ，桩端阻力为1 8 3 0 k n ，当采用加隔板的半 劐闭桩时，极限承载力可提高2 2 t ”】，桩的抗拔承载力取决于桩身的材料强度 ( 包括桩在承台中的嵌固、桩的接头等) 和桩与土之间的抗拔侧摩阻力。桩的 抗拔摩阻力与抗压桩的摩阻力相比，通常小于抗压桩的摩阻力【1 3 1 。 2 3 液压系统的设计 2 3 1 多缸液压同步系统的模型分析 多液压缸同步系统的简图如图2 - 4 所示，符号w 、p 、q 为每条支路上的负 载力、油压力及输入流量，下标1 、2 、3 、1 3 为每条支路的编号。如果每条 支路的输入流量及几何参数都相等，则成为个理想的同步装置。然而在运行 中，存在外负载的变化、油缸的动态特性、液压控制系统特性等因素，同步性 受到影响。现取其中一条支路来研究，如图2 5 所示。假设管道动态特性、磨 擦等可忽略。 第二章承载主体及液压系统的设计 图2 - 4 多液压缸同步系统的简图 根据流量连续性原则，考虑到流体的压缩性、 流量连续性方程： g = 爿害+ e p + 茜害 式中： 图2 - 5 泄漏( 层流型) 等，可得出 口一输入油缸的流量； e 。、c 。一油缸高压腔外泄漏、内泄漏的系数 c 一总泄漏系数，c = e 。q - c 。； p 一油缸进油压力； 爿一油缸有效面积： y 一活塞位移； v 一油缸高压腔容积； 尻一液体体积弹性模数。 式( 2 7 ) 表明输入流量、泄漏和压缩性流量的关系。 由液压力与惯性力、阻尼力、外负载力的平衡关系 爿口：盟+ b 塑+ 1 d t ： d t 式中： m 一活塞与负载的总质量； 口一粘性阻尼系数： w 一外负载力。 式( 2 7 ) 、式( 2 - 8 ) 的拉氏变换并整理后分别为： p 2 i q - a s y 屈 ( 2 - 7 ) 得出油缸力平衡方程 ( 2 _ 8 ) f 2 9 1 第二章承载主体及液压系统的设计 爿口一 垆i 赢 由( 2 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 画山方框幽如图2 4 所示 图2 4 可得输出量y ，考虑到e c f a 2 l 7 1 0 ” 液压加载过程中，载荷是逐渐增加的，在大部分过程中，安全系数都要大 于1 4 2 ，能够满足系统的需求。 第二章电气控制系统的殴计 第三章电气控制系统的设计 电气控制系统和计算机控制系统构成了钢丝绳拉力自动检测系统的控制部 分。电气控制系统包括电源系统、电动泵起停控制系统、手动自动控制切换电 路、油泵电磁阀控制电路和油管电磁阀的控制电路。 3 1 系统的供电电源设计 1 n 睁 。卜 j、 卜。1 j 一一j 稚爷 卜卜 。、。 l 。l ；，t 旨。 、“i 图3 1 系统电源原理图 2 i z d l 口_ j d 目 * 口一日h h _ 3 a i i b e o f ，一g n t * 口h * 一# ， w 口 n 【一n w 口 l = l n l s ! t # 6 肚q it*i 1it l l ； n n o 、i h e _ 5 _ n !l、 _ o 一 u ll_!，j卜崖州_ 第二章电气控制系统的发计 列于整个系统的供电系统，系统所需的电源由包括：三相交流动力电源 ( 3 8 0 v ) ，两相交流电源( 2 2 0 v ) 以及用于辅助控制回路的直流电源( 2 4 v ) 。供 电系统中通过相应的观测仪表和指示灯，用于监视系统电源状况。电源系统中 考虑了负载的均衡，电采用了短路保护措施。系统的供电系统如图3 1 所示。 3 2 电动泵起停主电路设计 油泵电机的启停控制包括电机的启停继电保护电路、短路保护和过载保护 电路。为了检测主电路的工作情况，设有电流表、电压表等观测仪表。主电路 设t t 图如图3 2 所示。主电路部分是油泵电机的起停电路。电流从三相电源出 来，经过熔断器f u 、接触器的主触点、热继电器的线圈后接入电动泵。 r r s t ， 1 ) p e 。、 t 1 。 i ：1 w i t 0 1 ) 。 “一1 。删硼1 i ； 1 1 u i 【 l ：l i 】f 1 u i2 m 。1 h 1 1 1 2 s 21 2 i 广_ l 一 1 审i “ 。1 y f l ( 警，。1 图3 2 油泵主电路图 熔断器f u 是电机电路中一种最简单的保护措施。熔断器的熔体串联在被 保护的电路中，当电路发生短路或严重过载的情况，自动熔断，切断电路，达 第三章电气控制系统的设计 到保护的目的。 当电动机长期超载运行，电动机的绕组温升超过其允许值，电动机的绝缘 材料就会变脆，寿命减少，严重时使电机损坏。使用热继电器f r ，可起到过载 保护的作用：当电动泵过载时，电动机的工作电流比额定值大。热继电器的双 金属片经过一段时问受热弯曲，将控制电路中的常闭触点断j 1 ：。当电动泵断电 后，热继电器的双会属片会重新复位，常闭触点闭合。 3 3 电动泵启停控制电路 如图3 3 所示为电动泵的起停控制电路图，完成电动泵的起停动作。 21 0 n 一5 删。r 肾 j ”- i r 6 启动指示 l # 油泵 1 0 t 2 7 i r 。m 7 | 删2 ，1 、 启动指示 l i 油泵 图3 3 油泵控制电路图 电路中串接有k a 8 ，是继电器的个辅助触点，其线圈与主电气柜和控制 电气柜上的急停按钮串联。系统运行过程中，当有意外情况发生时，操作人员 可立即按下急停接钮。急停按钮是常闭触点，当按下急停接钮时，k a 8 线圈失 电，电动泵起停控制电路中的常闭触点断开，切断电路，中断执行机构的运行。 当k a 8 触点断开时同时切断了k m l 和k m 2 接触器，系统运行停止。 r 二- “ 一 一 一l葛， 1 、 _ _ ， ” = 一 第三章电气控制系统的设计 3 4 手动自动切换电路 检测系统根据运行要求、调试系统、保证系统安全的考虑，在控制电路中， 要有调试、工作、手动及自动的种种工作状态的选择，涉及到切换电蹄的设计。 设计的手动自动切换电路如图3 - 4 所示。图中k a 8 是由急停按钮控制的 继电器线圈，通过按下急停按钮使k a 8 线圈失电，使图3 3 中的k m l 失电， 关断油泵电机。s w 是一系列转换开关，分别完成工作与调试状态的转换、油泵 电磁阀手动控制与自动控制的转换、油管电磁阀手动与自动状态的转换。 汕泵嗣试手动油杂自动i 乜碰阀电磁阀 于动自动 图3 4 手动自动切换电路 3 5 油泵电磁阀控i t l 0 电路设计 油泵通过三位四通阀束控制千斤顶中液压油的流向。三位四通电磁阀的控 制电路设计图如图3 5 所示( 以1 # 油泵的三位四通阀为例) 。 油泵电磁阀控制电路的电源采用直流2 4 v 。自动检测系统由手动控制和计 算机自动控制两部分构成。由图中可以看出，k a i 、k a 2 、k a 3 、k a 4 和k a 5 触点决定着系统是手动还足自动状态，它们的线圈都在图3 - 4 所示的手动自动 转换电路中。当s w l 切换至断开情况下，k a i 的常闭触点闭合，k a 2 、k a 3 ；l 【m 2l 、j 1 k 】，11l 一 1kl l m 一叫、川j 【 】k “1i ij i l 】) - 厂卜川、卜iii能【 ， 咄 恤孔 第三章电气控制系统的设计 的常丌触点断开，系统是处于工作状态，当切换s w l 使得各线圈接通后，系统 则处于调试及手动状态。k a 4 和k a 5 是切换油泵电磁阀手动控制和自动控制的 触点。当s w 2 切换到油泵调试手动时，图3 - 5 中的k a 4 的常开触点闭合，而 k a 5 断开，油泵电磁阀的手动调试电路起作用，2 4 v 的直流电源、k a 8 的常开 触点、k a 4 的常开触点、起动按钮和时问继电器和三位四通阀的线圈组成手动 控制电路部分。当s w 2 切换到油泵自动档时，则k a 5 常丌触点闭合而k a 4 断 开，油泵电磁阀自动控制电路起作用，2 4 v 的直流电源、k a 8 的常丌触点、k a l 、 k a 5 的常开触点、固体继电器、时间继电器以及三位四通阀的线圈构成自动部 分的控制电路。k a 8 的常闭触点接在控制电路中，用于急停操作。 n i + 。e 。 2 7 2 1 月【 2 。7 l ， 4 “ ，ll m ii ”z“2 1 i l 一 k 2 m 7ck t 2 2 ” _ k t l ； i l l l 掣、0 2j9 7 1 兰_ _ k v 2 一 t 、r t 一 一 位凹通阀i二位四通阀1 自动加戴手动调试加裁 t 删j m 阿ij 位心通问i 自动卸载手动调卸城 图3 5 三位四通阀控制电路 手动控制和自动控制两种状态是互锁的，当s w l 切换到手动吲，k a i 的常 闭触点断丌，断丌自动控制回路，同时，切换开关s w 2 只能接通k a 4 和k a 5 线圈中的一个，保证了油泵手动和自动两种状态的互锁。 在手动控制的条件下，当按下起动按钮s b 使电磁阀动作。 3 6 油管电磁阀的控制电路设计 与油泵电磁阀的手动控制及自动控制相似，油管电磁阀的控制电路中也设 训了手动及计算机自动控制的切换。在液压系统中，采用二位二通电磁阀控制 吐浆 一11i，ll ， o o “ 。 。 。 川 第四章数据采集和计算机控制系统设计 第四章数据采集系统和计算机控制系统设计 本章重点研究计算机控制系统的设计及数据采集系统的设计。测量钢丝绳 的承载力的状况和伸氏参数，采用多千斤顶液压系统推动运动台给钢丝绳施加 载荷，如何保证运动台的平稳有效运动是一个关键的问题，控制千斤顶的同步 动作是计算机控制系统的主要目标。 控制千斤顶的运动，需要判断千斤顶的运动状态，如油腔的油压及顶杆的 伸出量，同时保证油腔的压力的均衡及油压和顶杆的伸出量都限定在许可的范 围之内。根据传感器测量参数和控制模型计算，发出控制指令，驱动电磁阀等 可控元件，控制千斤顶供油，实现对千斤顶运动的控制。 系统状态检测采用压力传感器和位移传感器来测量千斤顶的内腔压力值和 顶杆伸出量，传感器的信号通过放大、a d 模数转换、由i o 接口输入计算机， 通过计算机的分析计算，再由i o 接口电路输出控制信号，输出的信号经过驱 动电路的输出放大，送往执行部件，执行器件控制千斤顶进行运动，从而实现 同步的控制。图4 - 1 为控制系统图。 图4 - 1 控制系统图 4 1 计算机数据采集系统设计 下面对数据采集系统的各个环节及其工作原理进行详细分析。 4 1 1 传感器系统 检测系统中使用传感器系统把位移信号和压力信号转换为电流或电压等电 信号，压力及位移的大小直接反映在电流及电压的变化上。对于压力传感器， 其内部有高精度的应变片，在压力的作用下能产生定应变，通过应变与压力 的关系，将压力信号转换为电信号：位移传感器则靠内部的电阻丝阻抗随长度 而变换的列应关系将位移信号转变为电信号。 第四章数据采集和汁算机控制系统设计 压力传感器选用d r u c k 公司的p t x 系列应变式传感器，其精度、稳定性 及可靠性都能满足检测系统的要求。p t x 6 0 0 压力传感器的压力范围是0 7 0 m p a ，接口为1 4 n p t 外螺纹，精度不低于0 i f s ，稳定性不低于0 i f s 年，温度从- 1 0 到5 0 度变化时，传感器精度变化不超过0 5 f s ，过载能力不低 于2 倍，输出为4 - 2 0 m a 两线制，输入为5 - 4 0 v 直流电源，有一定抗机械冲击、 抗振动的、抗电压冲击的能力。位移传感器是用于测量系统运行过程中千斤顶 的位移值及被测钢丝绳的伸长变形。位移传感器选用一种拉线式位移传感器， 型号为p 4 2 0 一2 0 ，其内部由一线轴、精密电位器和输出接口电路组成，测量范 围是0 - 5 0 0 r a m ，精度不低于o2 5 ：输出为4 2 0 m a 电流信号，航空插头输出 接头，重复精度0 0 2 f s 。 4 1 2 数据转换模块 模数转换模块的功能是将模拟信号转换为数字 信号。检测现场与计算机的距离较远，a d 模块要 有适于远程通信的端口。为保证检测系统的精确， a d 转换模块需有很高的精度，选用美国d g h 公 司的d 5 2 5 2 作为a d 转换模块( 见图4 2 ) 。输入为 4 2 0 m a 电流模拟量，与前面所讲的位移传感器和 图4 2d 5 2 5 2 压力传感器的4 2 0 m a 电流输出正好匹配，温度 为一2 5 7 0 度时精度不超过1 f s ，本身具有零点校正，线性补偿，大小模式滤 波，输出的设置和校验，其工作原理如图4 3 。 图4 3 d 5 2 5 2 工作原理 d 5 2 5 2 模块具有自己的处理器，采用r s 4 8 5 接口与计算机进行通讯，通讯的 数据格式为a s c i i 码。 第