CN112081387A - 一种智能控制拉索预应力调整装置及其索力调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能控制拉索预应力调整装置及其索力调控方法，调整装置安装在具有拉索的结构端部；包括外接螺栓杆、液压缸、活塞块、伺服油泵、可调螺栓、穿心式压力传感器、伺服电机、拧动齿轮和智能控制系统；本发明提供的智能控制拉索预应力调整装置在现有的大跨度建筑结构的拉索端部安装连接，通过智能控制系统控制液压缸顶动拉索端部的外接螺栓杆，通过伺服电机驱动拧进或拧出可调螺栓，实现对索力的智能调整，液压缸只有在索力调整时才施加油压，平时无油压，能够有效避免漏油；拧进拧出可调螺栓均是在可调螺栓不受力情况下进行，需要伺服电机转动的力矩较小，整体结构简单可靠，易于推广使用，调节效果好。

Description

一种智能控制拉索预应力调整装置及其索力调控方法
技术领域
本发明涉及土木工程预应力结构技术领域，用于预应力结构的预应力索力的智能控制和调整，更具体的说是涉及一种智能控制拉索预应力调整装置及其索力调控方法。
背景技术
预应力结构在我国广泛应用，特别是大跨度桥梁、大跨度空间结构、大跨度混凝土结构等，预应力结构由于预应力筋松弛、混凝土收缩徐变、结构荷载变化等需要调整预应力值大小，也就是要调整索力，许多斜拉桥的拉索都是在使用中进行调整索力，调整索力经常会中断交通、影响工程的正常使用，许多大跨度空间结构在使用过程中也发生过调整索力现象，空间结构调整索力也需要复杂的工艺、复杂程度胜过施工阶段的预应力张拉。
随着智能系统的应用和自动控制技术的提高，实现预应力结构索力的智能控制、自动调整已经成为可能，然而目前市场上还没有行之有效的预应力结构索力的调控装置，而对于预应力结构的预应力索力的调控对于大跨度建筑结构的稳定有着重要意义。
因此，如何提供一种简单有效的智能控制拉索预应力调整装置及其索力调控方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种智能控制拉索预应力调整装置，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种智能控制拉索预应力调整装置，安装在具有拉索的结构端部；包括：外接螺栓杆、液压缸、活塞块、伺服油泵、可调螺栓、穿心式压力传感器、伺服电机、拧动齿轮和智能控制系统；
所述外接螺栓杆的一端与所述拉索的端头固定，且垂直所述结构端部的端面向其外部延伸；
所述液压缸同轴间隔套设在所述外接螺栓杆外侧，且端头与所述结构端部的端面固定；
所述活塞块固套在所述外接螺栓杆上，且滑动连接在所述液压缸内部；
所述伺服油泵固定在所述液压缸上，且与所述活塞块和结构端部之间形成的油腔连通；
所述可调螺栓与所述外接螺栓杆螺纹连接，且位于所述液压缸远离所述结构端部一端的外侧，所述可调螺栓外圆周面上具有齿纹；
所述穿心式压力传感器固定在所述液压缸的端部，且位于所述液压缸的端部和所述可调螺栓之间；
所述伺服电机固定在所述液压缸上；
所述拧动齿轮与所述伺服电机的动力输出轴固定连接，且与所述可调螺栓的外部齿纹啮合；
所述智能控制系统分别与所述穿心式压力传感器、伺服油泵和伺服电机电性连接，且用于接收所述穿心式压力传感器的压力信号，并控制所述伺服油泵和伺服电机工作。
通过上述技术方案，本发明提供的智能控制拉索预应力调整装置在现有的大跨度建筑结构的拉索端部安装连接，通过智能控制系统控制液压缸顶动拉索端部的外接螺栓杆，通过伺服电机驱动拧进或拧出可调螺栓，实现对索力的智能调整，液压缸只有在索力调整时才施加油压，平时无油压，能够有效避免漏油；拧进拧出可调螺栓均是在可调螺栓不受力情况下进行，需要伺服电机转动的力矩较小，整体结构简单可靠，易于推广使用，调节效果好。
优选的，在上述一种智能控制拉索预应力调整装置中，所述智能控制系统包括：变送器、逻辑计算单元和伺服驱动器；所述变送器与所述穿心式压力传感器电性连接；所述逻辑计算单元的信号输入端与所述变送器电性连接；所述伺服驱动器的输入端与所述逻辑计算单元的信号输出端电性连接，所述伺服驱动器的输出端分别与所述伺服油泵和伺服电机电性连接。本发明提供的智能控制系统通过信号的接收、传递和反馈实现智能化控制，结构简单，使用效果好。
优选的，在上述一种智能控制拉索预应力调整装置中，所述逻辑计算单元包括：索力差值计算器和PID调节器；所述索力差值计算器通过A/D转换器与所述变送器电性连接，用于计算所述穿心式压力传感器测量的实际工作索力与设定的理想工作索力的差值；所述PID调节器的输入端与所述索力差值计算器电性连接，输出端通过D/A转换器与所述伺服驱动器电性连接。通过PID调节器的调节，简单可靠，易于推广。
优选的，在上述一种智能控制拉索预应力调整装置中，当|en/F0×100％|＞10％时，所述PID调节器启动；其中：
en＝Fp-F0；
en为索力差值，F0为理想工作索力，Fp为实际工作索力；
所述PID调节器传递至所述伺服控制器的控制信号Ct为：
Figure BDA0002651340230000031
其中：
Kc为PID算法的比例参数、Ki为PID算法的积分参数、Kd为PID算法的微分参数。
本发明提供的智能控制系统对实际工作索力和理想工作索力的索力差值进行实时监控，当索力差值的浮动超出设定的阈值时，启动调控装置运动，实时调控能力强。
优选的，在上述一种智能控制拉索预应力调整装置中，所述索力差值计算器和PID调节器采用PLC控制器，所述PLC控制器的型号为西门子SIMATICS7-1200。所述伺服驱动器为三菱伺服电机驱动JE-100A/HG-SN102J组合。所述穿心式压力传感器的型号为ZGIOM1400KN。能够满足结构的使用需求。
优选的，在上述一种智能控制拉索预应力调整装置中，所述拧动齿轮转动一周对应的所述拉索拉长或放回的量Δ为：
Δ＝nD/nP*c；
其中：nD为所述拧动齿轮外圆周的齿数；nP为所述可调螺栓外圆周的齿数；c为所述可调螺栓与所述外接螺栓杆的螺距。
通过以上公式能够对拉索拉长或放回的长度进行精确计算和控制。
本发明还提供了一种智能控制拉索预应力调整装置的索力调控方法，智能控制系统对穿心式压力传感器传递的索力进行监控，当拉索的实际工作索力与设定的理想工作索力的索力差值超过可浮动阈值时，控制伺服油泵对液压缸进油，通过活塞块带动外接螺栓杆拉伸，使得可调螺栓处于无内力状态；然后驱动伺服电机带动拧动齿轮正转或翻转，进而拧进或拧出可调螺栓，实现索力的调整。
通过上述技术方案，本发明提供的索力调控方法对实际工作索力和理想工作索力的索力差值进行实时监控，当索力差值的浮动超出设定的阈值时，启动调控装置运动，通过智能控制系统控制液压缸顶动拉索端部的外接螺栓杆，通过伺服电机驱动拧进或拧出可调螺栓，实现对索力的智能调整。智能化程度高，且结构简单易调控。
优选的，在上述一种智能控制拉索预应力调整装置的索力调控方法中，当拉索索力需要增加时：伺服油泵控制外接螺栓杆向外伸出，单次伸出10mm后，伺服油泵停止，伺服电机带动拧动齿轮转动，控制将可调螺栓拧进10mm，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服电机控制将可调螺栓拧进到贴紧穿心式压力传感器，液压缸将液压压力调到零，即完成拉索索力的增加；
当拉索索力需要减小时，伺服油泵控制外接螺栓杆向外伸出，单次伸出5mm后，穿心式压力传感器压力为零，伺服电机控制将可调螺栓拧出10mm，伺服油泵回油，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服电机控制将可调螺栓拧进到贴紧穿心式压力传感器，液压缸将液压压力调到零，即完成拉索索力的减小。
本发明根据索力的增加和减小设定了不同的调节方案，均是以让可调螺栓不受力情况下进行，需要伺服电机转动的力矩较小，调节更轻松可靠。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种智能控制拉索预应力调整装置及其索力调控方法，具有以下有益效果：
1、本发明提供的智能控制拉索预应力调整装置在现有的大跨度建筑结构的拉索端部安装连接，通过智能控制系统控制液压缸顶动拉索端部的外接螺栓杆，通过伺服电机驱动拧进或拧出可调螺栓，实现对索力的智能调整，液压缸只有在索力调整时才施加油压，平时无油压，能够有效避免漏油；拧进拧出可调螺栓均是在可调螺栓不受力情况下进行，需要伺服电机转动的力矩较小，整体结构简单可靠，易于推广使用，调节效果好。
2、本发明提供的索力调控方法对实际工作索力和理想工作索力的索力差值进行实时监控，当索力差值的浮动超出设定的阈值时，启动调控装置运动，通过智能控制系统控制液压缸顶动拉索端部的外接螺栓杆，通过伺服电机驱动拧进或拧出可调螺栓，实现对索力的智能调整。智能化程度高，且结构简单易调控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的结构示意图；
图2附图为本发明提供的智能控制系统的示意图；
图3附图为本发明提供的索力调节的线条变化图。
其中：
01-拉索；02-结构端部；03-外接螺栓杆；04-液压缸；05-活塞块；06-伺服油泵；07-可调螺栓；08-穿心式压力传感器；09-伺服电机；10-拧动齿轮；11-智能控制系统；110-变送器；111-逻辑计算单元；1110-索力差值计算器；1111-PID计算器；1112-A/D转换器；1113-D/A转换器；112-伺服驱动器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1和附图2，本发明实施例公开了一种智能控制拉索预应力调整装置，安装在具有拉索01的结构端部02；包括：外接螺栓杆03、液压缸04、活塞块05、伺服油泵06、可调螺栓07、穿心式压力传感器08、伺服电机09、拧动齿轮10和智能控制系统11；
外接螺栓杆03的一端与拉索01的端头固定，且垂直结构端部02的端面向其外部延伸；
液压缸04同轴间隔套设在外接螺栓杆03外侧，且端头与结构端部02的端面固定；
活塞块05固套在外接螺栓杆03上，且滑动连接在液压缸04内部；
伺服油泵06固定在液压缸04上，且与活塞块05和结构端部02之间形成的油腔连通；
可调螺栓07与外接螺栓杆03螺纹连接，且位于液压缸04远离结构端部02一端的外侧，可调螺栓07外圆周面上具有齿纹；
穿心式压力传感器08固定在液压缸04的端部，且位于液压缸04的端部和可调螺栓07之间；
伺服电机09固定在液压缸04上；
拧动齿轮10与伺服电机09的动力输出轴固定连接，且与可调螺栓07的外部齿纹啮合；
智能控制系统11分别与穿心式压力传感器08、伺服油泵06和伺服电机09电性连接，且用于接收穿心式压力传感器08的压力信号，并控制伺服油泵06和伺服电机09工作。
为了进一步优化上述技术方案，智能控制系统11包括：变送器110、逻辑计算单元111和伺服驱动器112；变送器110与穿心式压力传感器08电性连接；逻辑计算单元111的信号输入端与变送器110电性连接；伺服驱动器112的输入端与逻辑计算单元111的信号输出端电性连接，伺服驱动器112的输出端分别与伺服油泵05和伺服电机09电性连接。
为了进一步优化上述技术方案，逻辑计算单元111包括：索力差值计算器1110和PID调节器1111；索力差值计算器1110通过A/D转换器1112与变送器110电性连接，用于计算穿心式压力传感器08测量的实际工作索力与设定的理想工作索力的差值；PID调节器1111的输入端与索力差值计算器1110电性连接，输出端通过D/A转换器1113与伺服驱动器112电性连接。
为了进一步优化上述技术方案，当|en/F0×100％＞10％时，PID调节器1111启动；其中：
en＝Fp-F0；
en为索力差值，F0为理想工作索力，Fp为实际工作索力；
PID调节器1111传递至伺服控制器112的控制信号Ct为：
Figure BDA0002651340230000071
其中：
Kc为PID算法的比例参数、Ki为PID算法的积分参数、Kd为PID算法的微分参数。
为了进一步优化上述技术方案，索力差值计算器1110和PID调节器1111采用PLC控制器，PLC控制器的型号为西门子SIMATIC S7-1200。
为了进一步优化上述技术方案，伺服驱动器112为三菱伺服电机驱动JE-100A/HG-SN102J组合。
为了进一步优化上述技术方案，穿心式压力传感器08的型号为ZGIOM1400KN。
为了进一步优化上述技术方案，拧动齿轮10转动一周对应的拉索01拉长或放回的量Δ为：
Δ＝nD/nP*c；
其中：nD为拧动齿轮10外圆周的齿数；nP为可调螺栓07外圆周的齿数；c为可调螺栓07与外接螺栓杆03的螺距。
为了进一步优化上述技术方案，可调螺栓07的轴向长度大于拧动齿轮10的轴向长度，为其预留出足够的位移长度。
本发明提供的智能控制拉索预应力调整装置的索力调控方法为：智能控制系统11对穿心式压力传感器08传递的索力进行监控，当拉索01的实际工作索力与设定的理想工作索力的索力差值超过可浮动阈值时，控制伺服油泵06对液压缸04进油，通过活塞块05带动外接螺栓杆03拉伸，使得可调螺栓07处于无内力状态；然后驱动伺服电机09带动拧动齿轮10正转或翻转，进而拧进或拧出可调螺栓07，实现索力的调整。
具体的：
当拉索01索力需要增加时：伺服油泵06控制外接螺栓杆03向外伸出，单次伸出10mm后，伺服油泵06停止，伺服电机09带动拧动齿轮10转动，控制将可调螺栓07拧进10mm，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服电机09控制将可调螺栓07拧进到贴紧穿心式压力传感器08，液压缸04将液压压力调到零，即完成拉索01索力的增加；
当拉索01索力需要减小时，伺服油泵06控制外接螺栓杆03向外伸出，单次伸出5mm后，穿心式压力传感器08压力为零，伺服电机09控制将可调螺栓07拧出10mm，伺服油泵06回油，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服电机09控制将可调螺栓07拧进到贴紧穿心式压力传感器08，液压缸04将液压压力调到零，即完成拉索01索力的减小。
如图3所示，两组试验数据，横轴时间，纵轴为索力，经过调整，索力最终稳定在理想工作状态。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种智能控制拉索预应力调整装置，其特征在于，安装在具有拉索(01)的结构端部(02)；包括：外接螺栓杆(03)、液压缸(04)、活塞块(05)、伺服油泵(06)、可调螺栓(07)、穿心式压力传感器(08)、伺服电机(09)、拧动齿轮(10)和智能控制系统(11)；
所述外接螺栓杆(03)的一端与所述拉索(01)的端头固定，且垂直所述结构端部(02)的端面向其外部延伸；
所述液压缸(04)同轴间隔套设在所述外接螺栓杆(03)外侧，且端头与所述结构端部(02)的端面固定；
所述活塞块(05)固套在所述外接螺栓杆(03)上，且滑动连接在所述液压缸(04)内部；
所述伺服油泵(06)固定在所述液压缸(04)上，且与所述活塞块(05)和结构端部(02)之间形成的油腔连通；
所述可调螺栓(07)与所述外接螺栓杆(03)螺纹连接，且位于所述液压缸(04)远离所述结构端部(02)一端的外侧，所述可调螺栓(07)外圆周面上具有齿纹；
所述穿心式压力传感器(08)固定在所述液压缸(04)的端部，且位于所述液压缸(04)的端部和所述可调螺栓(07)之间；
所述伺服电机(09)固定在所述液压缸(04)上；
所述拧动齿轮(10)与所述伺服电机(09)的动力输出轴固定连接，且与所述可调螺栓(07)的外部齿纹啮合；
所述智能控制系统(11)分别与所述穿心式压力传感器(08)、伺服油泵(06)和伺服电机(09)电性连接，且用于接收所述穿心式压力传感器(08)的压力信号，并控制所述伺服油泵(06)和伺服电机(09)工作。
2.根据权利要求1所述的一种智能控制拉索预应力调整装置，其特征在于，所述智能控制系统(11)包括：变送器(110)、逻辑计算单元(111)和伺服驱动器(112)；所述变送器(110)与所述穿心式压力传感器(08)电性连接；所述逻辑计算单元(111)的信号输入端与所述变送器(110)电性连接；所述伺服驱动器(112)的输入端与所述逻辑计算单元(111)的信号输出端电性连接，所述伺服驱动器(112)的输出端分别与所述伺服油泵(05)和伺服电机(09)电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种智能控制拉索预应力调整装置，其特征在于，所述逻辑计算单元(111)包括：索力差值计算器(1110)和PID调节器(1111)；所述索力差值计算器(1110)通过A/D转换器(1112)与所述变送器(110)电性连接，用于计算所述穿心式压力传感器(08)测量的实际工作索力与设定的理想工作索力的差值；所述PID调节器(1111)的输入端与所述索力差值计算器(1110)电性连接，输出端通过D/A转换器(1113)与所述伺服驱动器(112)电性连接。
4.根据权利要求3所述的一种智能控制拉索预应力调整装置，其特征在于，当|en/F0×100％|＞10％时，所述PID调节器(1111)启动；其中：
en＝Fp-F0；
en为索力差值，F0为理想工作索力，Fp为实际工作索力；
所述PID调节器(1111)传递至所述伺服控制器(112)的控制信号Ct为：
Figure FDA0002651340220000021
其中：
Kc为PID算法的比例参数、Ki为PID算法的积分参数、Kd为PID算法的微分参数。
5.根据权利要求3或4所述的一种智能控制拉索预应力调整装置，其特征在于，所述索力差值计算器(1110)和PID调节器(1111)采用PLC控制器，所述PLC控制器的型号为西门子SIMATIC S7-1200。
6.根据权利要求3或4所述的一种智能控制拉索预应力调整装置，其特征在于，所述伺服驱动器(112)为三菱伺服电机驱动JE-100A/HG-SN102J组合。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种智能控制拉索预应力调整装置，其特征在于，所述穿心式压力传感器(08)的型号为ZGIOM1400KN。
8.根据权利要求1所述的一种智能控制拉索预应力调整装置，其特征在于，所述拧动齿轮(10)转动一周对应的所述拉索(01)拉长或放回的量Δ为：
Δ＝nD/nP*c；
其中：nD为所述拧动齿轮(10)外圆周的齿数；nP为所述可调螺栓(07)外圆周的齿数；c为所述可调螺栓(07)与所述外接螺栓杆(03)的螺距。
9.一种应用权利要求1-8任一项所述的智能控制拉索预应力调整装置的索力调控方法，其特征在于，智能控制系统(11)对穿心式压力传感器(08)传递的索力进行监控，当拉索(01)的实际工作索力与设定的理想工作索力的索力差值超过可浮动阈值时，控制伺服油泵(06)对液压缸(04)进油，通过活塞块(05)带动外接螺栓杆(03)拉伸，使得可调螺栓(07)处于无内力状态；然后驱动伺服电机(09)带动拧动齿轮(10)正转或翻转，进而拧进或拧出可调螺栓(07)，实现索力的调整。
10.根据权利要求9所述的一种智能控制拉索预应力调整装置的索力调控方法，其特征在于：
当拉索(01)索力需要增加时：伺服油泵(06)控制外接螺栓杆(03)向外伸出，单次伸出10mm后，伺服油泵(06)停止，伺服电机(09)带动拧动齿轮(10)转动，控制将可调螺栓(07)拧进10mm，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服电机(09)控制将可调螺栓(07)拧进到贴紧穿心式压力传感器(08)，液压缸(04)将液压压力调到零，即完成拉索(01)索力的增加；
当拉索(01)索力需要减小时，伺服油泵(06)控制外接螺栓杆(03)向外伸出，单次伸出5mm后，穿心式压力传感器(08)压力为零，伺服电机(09)控制将可调螺栓(07)拧出10mm，伺服油泵(06)回油，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服电机(09)控制将可调螺栓(07)拧进到贴紧穿心式压力传感器(08)，液压缸(04)将液压压力调到零，即完成拉索(01)索力的减小。
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