CN110407126B - 用于支撑轴力的高精度控载装置及其使用方法 - Google Patents

用于支撑轴力的高精度控载装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基坑围护结构支护装置领域，具体为一种用于支撑轴力的高精度控载装置及其使用方法。一种用于支撑轴力的高精度控载装置，包括千斤顶(1)，其特征是：还包括换向阀(2)、球阀(41)、卸载阀(42)、高压溢流阀(43)、油压计(5)、油泵(6)、油箱(7)、步进电机(8)和控制器(9)，换向阀(2)的第一进油口通过第一油管(31)连接千斤顶(1)的进油端，换向阀(2)的第二进油口通过第二油管(32)连接千斤顶(1)的出油端，第二油管(32)还连接卸油管(35)。本发明体积紧凑，使用便捷，加速响应快，适应性强。

Description

用于支撑轴力的高精度控载装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及基坑围护结构支护装置领域，具体为一种用于支撑轴力的高精度控载装置及其使用方法。
背景技术
在对基坑进行支护时，需要时刻根据围护结构后侧的土压力变化而调整钢支撑的轴力，最终达到一个动态的力平衡状态，保证围护结构不发生较大的水平位移。钢支撑的轴力一般通过调整与其轴向连接的支撑系统的液压来实现。现有的支撑系统主要由数控泵站来控制液压系统的压力，从而达到调整钢支撑轴力的作用。数控泵站的液压系统具有加载、卸载和收顶三项功能，是通过各种液压阀元件来实现的，其中控制加载和收顶的液压阀有多种，只需要具备进出油、油路截止和回油的功能都可以正常使用，但是调整钢支撑轴力的卸载阀是极其重要的。
用于基坑围护的数控液压系统不仅要根据实时变化的土压力来及时调整钢支撑轴力，而且还需要有足够高的控制精度来应对频繁变化的轴力值。传统的数控液压系统一般通过变频电机加液控单向阀来调整钢支撑的轴力，但是变频电机的响应频率不够高，难以应对系统的频繁启停，对荷载的调整往往反应不够及时，较为滞后，同时用液控单向阀调整液压力，应对变化复杂无规律的土压力时，在钢支撑的轴力控制方面精度欠佳。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提供一种体积紧凑、使用便捷、加速响应快、适应性强的载荷支撑设备，本发明公开了一种用于支撑轴力的高精度控载装置及其使用方法。
本发明通过如下技术方案达到发明目的：
一种用于支撑轴力的高精度控载装置，包括千斤顶，其特征是：还包括换向阀、球阀、卸载阀、高压溢流阀、油压计、油泵、油箱、步进电机和控制器，
换向阀的第一进油口通过第一油管连接千斤顶的进油端，换向阀的第二进油口通过第二油管连接千斤顶的出油端，第二油管上串联球阀，第二油管还连接卸油管，卸油管上设有阻尼孔，卸油管上依次串联油压计和卸载阀；
换向阀的第三进油口通过第三油管连接油泵的抽油口，第三油管还连接溢油管，溢油管连接油箱，溢油管上串联高压溢流阀，换向阀的第四进油口通过第四油管连接油箱；
步进电机的输出轴连接油泵，控制器通过信号线连接步进电机。
所述的用于支撑轴力的高精度控载装置，其特征是：控制器选用可编程控制器。
所述的用于支撑轴力的高精度控载装置的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：
当千斤顶对基坑围护结构实施加载时，控制器读取所需的压力目标值P，并将P转换为步进电机相应的扭矩T，步进电机在转动并输出扭矩的过程中，当T大于设定值T0时，控制器控制步进电机的转速由V减小到V0，保证步进电机正常运转的同时将转速V控制在最大值，步进电机在最短的时间内将当前压力由P1加到目标值P，T、V和P之间的关系如下式a和b所述：
V=-201lnP+835——a，P=9T——b，P的取值范围在1MPa至70MPa，V的取值范围在65r/min至750r/min；
步进电机驱动油泵从油箱中输出油液，油液形成油压并在进油油路中传输，此时换向阀开启并处于正向工作，油液经过换向阀和球阀对千斤顶施加压力，卸载阀全程处于关闭状态；加载完成后，油压计测量油液的油压，达到设定值后油泵停止工作，千斤顶稳压，千斤顶对钢支撑施加的轴力稳定；当油压值高于额定压力时，高压溢流阀开启以将多余油液送回油箱，起到过载安全保护作用；
当基坑围护结构所需的轴力需要增加以抵抗围护结构背后增加的土压力时，步进电机启动油泵从油箱中输出油液形成油压进行补偿，从而增加千斤顶对钢支撑施加的轴力，系统的实施步骤和加载相同；
当对基坑围护结构进行卸载时，卸载阀开启并处于正向工作，卸载阀以一定开关频率动作，卸油管的阻尼孔上下两端产生液压差，形成细小的回油通道，使多余的油压精确地释放回到油箱，卸载阀通过脉宽调节卸载的方法来卸掉油液的，卸载目标值△P即当前压力P1与目标压力P之差平均分为n个压力等级，因此产生n个压力区间，即：[0,]，(/>,]，(/>,/>]，……，(/>,ΔP]，当前卸载目标值ΔP1从0逐渐加大到∆P；
卸载阀以一定的频率做开合动作，闭合的时间为定值T，打开的时间为Ti，卸载阀打开时，油液回到油箱即为卸载，Ti随ΔP1所处的压力区间不同而变化，Ti和ΔP1所处的压力区间成正比，当前卸载目标值ΔP1所处的压力区间越大时，卸载脉宽Ti也越大，反之当前卸载目标值ΔP1所处的压力区间越小时，卸载脉宽Ti也越小，在当前压力P1越接近目标压力P时，卸载脉宽Ti越接近于0；
当基坑围护结构的支护工作完成，需要对千斤顶收顶时，步进电机驱动所述油泵从油箱中输出油液，油液形成油压并在进油油路中传输，此时换向阀开启并处于反向工作，油液经过换向阀将球阀的回油开关打开，并将千斤顶反向推回，使千斤顶内部的油液沿着回油油路返回油箱。
工作状态如下表所示：
注：上表中，0代表不工作，1代表工作，+为正向状态，-为反向状态。
本发明通过千斤顶及微型数控泵站形成高精度控载的动力系统，能够对所连接的钢支撑产生机械轴力，能够安装在与钢支撑连接的支撑头中，结合电控系统PLC中的扭矩自适应加载控制方法和基于脉宽调制的卸载控制方法对钢支撑的轴力进行精准控制，从而对基坑围护结构进行支护。
本发明采用步进电机驱动，使用卸载阀加阻尼孔控制液压的方式来完成数控泵站的液压控制功能。步进电机作为动力源具有加速响应快，调速范围广，并且适合频繁启停的特点；同时能够使液压压力无限接近目标值P，因此不会发生压力过冲的现象；步进电机还有体积小的特点，适合安装在小型数控泵站内。阻尼孔具有孔径小，对液压流能形成大压差、分频细的特点，卸载阀用于卸掉多余油压，配置阻尼孔共同工作，使得卸载精度大大提高。因此本发明能够根据变化复杂的土压力及时精确的调整钢支撑的轴力，保证基坑围护结构的位移维持在安全范围内。
本发明提出了一种扭矩自适应加载控制方法和基于脉宽调制的卸载控制方法，是将加载与卸载的控制方法写入电控系统中的PLC控制器，对步进电机进行控制。
步进电机通过转动产生扭矩提供动力以抵抗负载，负载大小即系统压力P，与扭矩大小T成正比，与电机的转速V成反比。
步进电机驱动泵工作，在负载过大时电机会出现动力不足的卡死现象，这也是传统设备选择三相异步电机驱动的原因。
基于脉宽调制的卸载控制方法，其基本原理是：卸载时，卸载阀会以一定的频率做开合动作，闭合的时间为间歇周期T0，T0为定值；打开的时间为卸载脉宽Ti，Ti随当前卸载目标值ΔP1所处的压力区间不同而不同，两者成正比，ΔP1所处的压力区间越大时，卸载脉宽Ti也越大，反之越小。
本发明解决了现有支撑轴力伺服系统数控泵站启停需要一定时间，难以应对基坑围护结构背后变化快且无规律的土压力的情况，并提高了系统的测控精度，能够及时准确地应对土压力变化，从而对基坑围护结构的水平位移进行有效精准的控制。
本发明具有如下有益效果：
与现有基坑围护结构支护系统的钢支撑轴力数控泵站相比，本发明提出的控制系统体积小，能够内置在支撑头中，形成一体化支撑头，使用更加便捷。同时使用步进电机进行驱动，加速响应快，能够频繁启停，适合应对变化复杂多端的土压力，增加阻尼孔来配合卸载阀卸载，同时采用基于脉宽调制的卸载控制方法大大提高了荷载调控的精度，能够及时准确的调整钢支撑轴力，从而能够对基坑围护结构的水平位移进行有效精准的控制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明使用时加载时的扭矩-转速曲线；
图3是本发明使用时采用的脉宽调制卸载控制方法示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
一种用于支撑轴力的高精度控载装置，包括千斤顶1、换向阀2、球阀41、卸载阀42、高压溢流阀43、油压计5、油泵6、油箱7、步进电机8和控制器9，如图1所示，具体结构是：
换向阀2、球阀41、卸载阀42、高压溢流阀43、油压计5、油泵6、油箱7、步进电机8和控制器9集成为一个微型数控泵站，可以接千斤顶1后产生机械轴力，上述微型数控泵站能够安装在与钢支撑连接的支撑头中，对基坑围护结构进行支护。
换向阀2的第一进油口通过第一油管31连接千斤顶1的进油端，换向阀2的第二进油口通过第二油管32连接千斤顶1的出油端，第二油管32上串联球阀41，第二油管32还连接卸油管35，卸油管35上设有阻尼孔351，卸油管35上依次串联油压计5和卸载阀42；
换向阀2的第三进油口通过第三油管33连接油泵6的抽油口，第三油管33还连接溢油管36，溢油管36连接油箱7，溢油管36上串联高压溢流阀43，换向阀2的第四进油口通过第四油管34连接油箱7；
步进电机8的输出轴连接油泵6，控制器9通过信号线连接步进电机8。
本实施例中：控制器9选用可编程控制器。
本实施例使用时，按如下步骤依次实施：
当千斤顶1对基坑围护结构实施加载时，控制器9读取所需的压力目标值P，并将P转换为步进电机8相应的扭矩T，步进电机8在转动并输出扭矩的过程中，当T大于设定值T0时，控制器9控制步进电机8的转速由V减小到V0，保证步进电机8正常运转的同时将转速V控制在最大值，步进电机8在最短的时间内将当前压力由P1加到目标值P，T、V和P之间的关系如下式a和b所述：
V=-201lnP+835——a，P=9T——b，P的取值范围在1MPa至70MPa，V的取值范围在65r/min至750r/min；
图2为扭矩-转速曲线图，当T与V的垂直交点A落在该曲线左侧填充区域时，步进电机8正常运转，当T与V的垂直交点A落在该曲线右侧时，步进电机8无法正常运转。T0与V0为T-V曲线上的垂直交点，可在曲线上任意位置动态调整，寻找最佳交点A；
步进电机8驱动油泵6从油箱7中输出油液，油液形成油压并在进油油路中传输，此时换向阀2开启并处于正向工作，油液经过换向阀2和球阀41对千斤顶1施加压力，卸载阀42全程处于关闭状态；加载完成后，油压计5测量油液的油压，达到设定值后油泵6停止工作，千斤顶1稳压，千斤顶1对钢支撑施加的轴力稳定；当油压值高于额定压力时，高压溢流阀43开启以将多余油液送回油箱7，起到过载安全保护作用；
当基坑围护结构所需的轴力需要增加以抵抗围护结构背后增加的土压力时，步进电机8启动油泵6从油箱7中输出油液形成油压进行补偿，从而增加千斤顶1对钢支撑施加的轴力，系统的实施步骤和加载相同；
当对基坑围护结构进行卸载时，卸载阀42开启并处于正向工作，卸载阀42以一定开关频率动作，卸油管35的阻尼孔351上下两端产生液压差，形成细小的回油通道，使多余的油压精确地释放回到油箱7，卸载阀42通过脉宽调节卸载的方法来卸掉油液的，如图3所示：卸载目标值△P即当前压力P1与目标压力P之差平均分为n个压力等级，因此产生n个压力区间，即：[0,]，(/>,/>]，(/>,/>]，……，(/>,ΔP]，当前卸载目标值ΔP1从0逐渐加大到∆P；
卸载阀42以一定的频率做开合动作，闭合的时间为定值T0，打开的时间为Ti，卸载阀42打开时，油液回到油箱7即为卸载，Ti随ΔP1所处的压力区间不同而变化，Ti和ΔP1所处的压力区间成正比，当前卸载目标值ΔP1所处的压力区间越大时，卸载脉宽Ti也越大，反之当前卸载目标值ΔP1所处的压力区间越小时，卸载脉宽Ti也越小，在当前压力P1越接近目标压力P时，卸载脉宽Ti越接近于0；
当基坑围护结构的支护工作完成，需要对千斤顶1收顶时，步进电机8驱动所述油泵6从油箱7中输出油液，油液形成油压并在进油油路中传输，此时换向阀2开启并处于反向工作，油液经过换向阀2将球阀41的回油开关打开，并将千斤顶1反向推回，使千斤顶1内部的油液沿着回油油路返回油箱1。
工作状态如下表所示：
注：上表中，0代表不工作，1代表工作，+为正向状态，-为反向状态。
连接千斤顶10后形成高精度控载的动力系统，能够对所连接的钢支撑产生机械轴力。其特征在于：该高精度控载系统能够安装在与钢支撑连接的支撑头中，结合电控系统PLC中的扭矩自适应加载控制方法和基于脉宽调制的卸载控制方法对钢支撑的轴力进行精准控制，从而对基坑围护结构进行支护。

Claims (1)

1.一种用于支撑轴力的高精度控载装置的使用方法，所述的用于支撑轴力的高精度控载装置包括千斤顶(1)、换向阀(2)、球阀(41)、卸载阀(42)、高压溢流阀(43)、油压计(5)、油泵(6)、油箱(7)、步进电机(8)和控制器(9)，
换向阀(2)的第一进油口通过第一油管(31)连接千斤顶(1)的进油端，换向阀(2)的第二进油口通过第二油管(32)连接千斤顶(1)的出油端，第二油管(32)上串联球阀(41)，第二油管(32)还连接卸油管(35)，卸油管(35)上设有阻尼孔(351)，卸油管(35)上依次串联油压计(5)和卸载阀(42)；
换向阀(2)的第三进油口通过第三油管(33)连接油泵(6)的抽油口，第三油管(33)还连接溢油管(36)，溢油管(36)连接油箱(7)，溢油管(36)上串联高压溢流阀(43)，换向阀(2)的第四进油口通过第四油管(34)连接油箱(7)；
步进电机(8)的输出轴连接油泵(6)，控制器(9)通过信号线连接步进电机(8)；
控制器(9)选用可编程控制器；
其特征是：按如下步骤依次实施：
当千斤顶(1)对基坑围护结构实施加载时，控制器(9)读取所需的压力目标值P，并将P转换为步进电机(8)相应的扭矩T，步进电机(8)在转动并输出扭矩的过程中，当T大于设定值T0时，控制器(9)控制步进电机(8)的转速由V减小到V0，保证步进电机(8)正常运转的同时将转速V控制在最大值，步进电机(8)在最短的时间内将当前压力由P1加到目标值P，T、V和P之间的关系如下式a和b所述：
V=-201lnP+835——a，P=9T——b，P的取值范围在1MPa至70MPa，V的取值范围在65r/min至750r/min；
步进电机(8)驱动油泵(6)从油箱(7)中输出油液，油液形成油压并在进油油路中传输，此时换向阀(2)开启并处于正向工作，油液经过换向阀(2)和球阀(41)对千斤顶(1)施加压力，卸载阀(42)全程处于关闭状态；加载完成后，油压计(5)测量油液的油压，达到设定值后油泵(6)停止工作，千斤顶(1)稳压，千斤顶(1)对钢支撑施加的轴力稳定；当油压值高于额定压力时，高压溢流阀(43)开启以将多余油液送回油箱(7)，起到过载安全保护作用；
当基坑围护结构所需的轴力需要增加以抵抗围护结构背后增加的土压力时，步进电机(8)启动油泵(6)从油箱(7)中输出油液形成油压进行补偿，从而增加千斤顶(1)对钢支撑施加的轴力，系统的实施步骤和加载相同；
当对基坑围护结构进行卸载时，卸载阀(42)开启并处于正向工作，卸载阀(42)以一定开关频率动作，卸油管(35)的阻尼孔(351)上下两端产生液压差，形成细小的回油通道，使多余的油压精确地释放回到油箱(7)，卸载阀(42)通过脉宽调节卸载的方法来卸掉油液的，卸载目标值△P即当前压力P1与目标压力P之差平均分为n个压力等级，因此产生n个压力区间，即：[0,ΔP/n]，[ΔP/n,2ΔP/n]，[2ΔP/n,3ΔP/n]，……，[(n-1)ΔP/n,ΔP]，当前卸载目标值ΔP1从0逐渐加大到∆P；
卸载阀(42)以一定的频率做开合动作，闭合的时间为定值T0，打开的时间为Ti，卸载阀(42)打开时，油液回到油箱(7)即为卸载，Ti随ΔP1所处的压力区间不同而变化，Ti和ΔP1所处的压力区间成正比，当前卸载目标值ΔP1所处的压力区间越大时，卸载脉宽Ti也越大，反之当前卸载目标值ΔP1所处的压力区间越小时，卸载脉宽Ti也越小，在当前压力P1越接近目标压力P时，卸载脉宽Ti越接近于0；
当基坑围护结构的支护工作完成，需要对千斤顶(1)收顶时，步进电机(8)驱动所述油泵(6)从油箱(7)中输出油液，油液形成油压并在进油油路中传输，此时换向阀(2)开启并处于反向工作，油液经过换向阀(2)将球阀(41)的回油开关打开，并将千斤顶(1)反向推回，使千斤顶(1)内部的油液沿着回油油路返回油箱(1)。
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