CN112301895B - 拉索中间点预应力智能控制调整装置及其索力调控方法 - Google Patents

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CN112301895B CN202011157502.7A CN202011157502A CN112301895B CN 112301895 B CN112301895 B CN 112301895B CN 202011157502 A CN202011157502 A CN 202011157502A CN 112301895 B CN112301895 B CN 112301895B
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邵彦超
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Abstract

本发明公开了一种拉索中间点预应力智能控制调整装置及其索力调控方法，调整装置安装在拉索断点处；包括承拉油缸、承拉活塞杆、伺服油泵、可调螺栓、伺服传动机构和智能控制系统；本发明提供的拉索中间点预应力智能控制调整装置在现有的大跨度建筑结构的拉索中间断点安装连接，通过智能控制系统控制伺服油泵顶动拉索断点端部的承拉活塞杆，通过伺服传动机构驱动拧进或拧出可调螺栓，实现对索力的智能调整，承拉油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，需要伺服传动机构输出的转动力矩较小，整体结构简单可靠，易于推广使用，调节效果好。

Description

拉索中间点预应力智能控制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拉索中间点预应力智能控制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，本发明提供了一种拉索中间点预应力智能控制调整装置及其索力调控方法，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：
一种拉索中间点预应力智能控制调整装置，拉索具有断点，且在所述拉索断点处的两个端头上固定有第一索头和第二索头；所述第二索头端面开设有避让孔；包括：承拉油缸、承拉活塞杆、伺服油泵、可调螺栓、伺服传动机构和智能控制系统；
所述承拉油缸的开口端与所述第二索头固定连接；所述承拉油缸靠近所述第二索头的内壁上固定连接有承压件；
所述承拉活塞杆一端与所述第一索头固定连接，其杆体穿入所述承拉油缸内部，并穿过所述承压件，另一端伸入所述避让孔内；所述承拉活塞杆上具有与所述承拉油缸内壁滑动连接的活塞块，所述活塞块与所述承拉油缸远离所述第二索头的一端形成密封的油腔；所述承拉活塞杆由所述活塞块向所述第二索头方向的杆体上具有螺纹；
所述伺服油泵与所述油腔连通；
所述可调螺栓与所述承拉活塞杆螺纹连接，且位于所述承压件和第二索头之间，并与所述承压件压紧贴合；
所述伺服传动机构安装在所述承拉油缸的外壁上，且用于驱动所述可调螺栓转动；
所述智能控制系统分别与所述伺服油泵和伺服传动机构的控制部电性连接，且用于控制所述伺服油泵和伺服传动机构工作。
通过上述技术方案，本发明提供的拉索中间点预应力智能控制调整装置在现有的大跨度建筑结构的拉索中间断点安装连接，通过智能控制系统控制伺服油泵顶动拉索断点端部的承拉活塞杆，通过伺服传动机构驱动拧进或拧出可调螺栓，实现对索力的智能调整，承拉油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，需要伺服传动机构输出的转动力矩较小，整体结构简单可靠，易于推广使用，调节效果好。
优选的，在上述一种拉索中间点预应力智能控制调整装置中，所述伺服传动机构包括伺服电机、主动齿轮和从动齿轮；所述伺服电机固定在所述承拉油缸的外壁上，且与所述智能控制系统电性连接；所述主动齿轮与所述伺服电机的动力输出轴固定连接；所述从动齿轮转动连接在所述承拉油缸侧壁开设的安装口上，且与所述主动齿轮啮合；所述可调螺栓的外圆周面上具有齿纹，且与所述从动齿轮啮合。通过伺服电机驱动主动齿轮和从动齿轮配合运动，即可对可调螺栓进行驱动，结构简单，传动稳定可靠。
优选的，在上述一种拉索中间点预应力智能控制调整装置中，所述拉索具有所述第二索头的绳体上安装有加速度索力计。能够对拉索的索力进行实时智能检测。
加速度索力计测量拉索在自然状态下的振动主频f，并换算为索力，公式为：
T＝4mf2L2；
其中：m为拉索重量，单位为千克/米；L为拉索长度，单位为米；T的单位为牛顿。
优选的，在上述一种拉索中间点预应力智能控制调整装置中，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；所述变送器与所述加速度索力计电性连接；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，在上述一种拉索中间点预应力智能控制调整装置中，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，用于计算所述加速度索力计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，在上述一种拉索中间点预应力智能控制调整装置中，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驱动器的控制信号Ct为：
Figure BDA0002743217690000031
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，在上述一种拉索中间点预应力智能控制调整装置中，所述主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为所述主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承拉活塞杆的螺距。
通过以上公式能够对拉索拉长或收回的长度进行精确计算和控制。
优选的，在上述一种拉索中间点预应力智能控制调整装置中，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SIMATIC S7-1200。所述伺服驱动器为三菱伺服电机驱动JE-100A/HG-SN102J组合。能够满足结构的使用需求。
优选的，在上述一种拉索中间点预应力智能控制调整装置中，所述第一索头和所述承拉活塞杆之间通过螺纹连接固定；所述承拉油缸和所述第二索头之间通过螺纹连接固定；所述承压件和所述承拉油缸内壁之间通过螺纹连接固定。连接简单方便，稳定可靠。
本发明还提供了一种拉索中间点预应力智能控制调整装置的索力调控方法，智能控制系统对加速度索力计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，控制伺服油泵对油腔进油，通过活塞块带动承拉活塞杆拉伸，使得可调螺栓处于无内力状态；然后驱动伺服传动机构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伺服油泵顶动拉索断点端部的承拉活塞杆，通过伺服传动机构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，在上述一种拉索中间点预应力智能控制调整装置的索力调控方法中，当拉索索力需要增加时：伺服油泵控制承拉活塞杆向避让孔方向伸入，单次伸入10mm后，伺服油泵停止，伺服传动机构控制将可调螺栓向承压件方向拧进10mm，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服传动机构控制将可调螺栓拧进到贴紧承压件，油腔内的液压压力调到零，即完成拉索索力的增加；
当拉索索力需要减小时，伺服油泵控制承拉活塞杆向避让孔方向伸入，单次伸出5mm后，伺服传动机构控制将可调螺栓向第二索头方向拧出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，伺服传动机构控制将可调螺栓拧进到贴紧承压件，油腔内的液压压力调到零，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拉索中间点预应力智能控制调整装置及其索力调控方法，具有以下有益效果：
1、本发明提供的拉索中间点预应力智能控制调整装置在现有的大跨度建筑结构的拉索中间断点安装连接，通过智能控制系统控制伺服油泵顶动拉索断点端部的承拉活塞杆，通过伺服传动机构驱动拧进或拧出可调螺栓，实现对索力的智能调整，承拉油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，需要伺服传动机构输出的转动力矩较小，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伺服油泵顶动拉索断点端部的承拉活塞杆，通过伺服传动机构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伺服传动机构连接的结构示意图；
图3附图为本发明提供的智能控制系统的示意图；
图4附图为本发明提供的索力调节的线条变化图。
其中：
1-拉索；
11-第一索头；12-第二索头；121-避让孔；
2-承拉油缸；
21-承压件；22-油腔；23-安装口；
3-承拉活塞杆；
31-活塞块；
4-伺服油泵；
5-可调螺栓；
6-伺服传动机构；
61-伺服电机；62-主动齿轮；63-从动齿轮；
7-智能控制系统；
71-变送器；72-逻辑计算单元；721-索力差值计算器；722-PID调节器；
723-A/D转换器；724-D/A转换器；73-伺服驱动器；
8-加速度索力计。
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拉索中间点预应力智能控制调整装置，拉索1具有断点，且在拉索1断点处的两个端头上固定有第一索头11和第二索头12；第二索头12端面开设有避让孔121；包括：承拉油缸2、承拉活塞杆3、伺服油泵4、可调螺栓5、伺服传动机构6和智能控制系统7；
承拉油缸2的开口端与第二索头12固定连接；承拉油缸2靠近第二索头12的内壁上固定连接有承压件21；
承拉活塞杆3一端与第一索头11固定连接，其杆体穿入承拉油缸2内部，并穿过承压件21，另一端伸入避让孔121内；承拉活塞杆3上具有与承拉油缸2内壁滑动连接的活塞块31，活塞块31与承拉油缸2远离第二索头12的一端形成密封的油腔22；承拉活塞杆3由活塞块31向第二索头12方向的杆体上具有螺纹；
伺服油泵4与油腔22连通；
可调螺栓5与承拉活塞杆3螺纹连接，且位于承压件21和第二索头12之间，并与承压件21压紧贴合；
伺服传动机构6安装在承拉油缸2的外壁上，且用于驱动可调螺栓5转动；
智能控制系统7分别与伺服油泵4和伺服传动机构6的控制部电性连接，且用于控制伺服油泵4和伺服传动机构6工作。
为了进一步优化上述技术方案，伺服传动机构6包括伺服电机61、主动齿轮62和从动齿轮63；伺服电机61固定在承拉油缸2的外壁上，且与智能控制系统7电性连接；主动齿轮62与伺服电机61的动力输出轴固定连接；从动齿轮63转动连接在承拉油缸2侧壁开设的安装口23上，且与主动齿轮62啮合；可调螺栓5的外圆周面上具有齿纹，且与从动齿轮63啮合。
为了进一步优化上述技术方案，拉索1具有第二索头12的绳体上安装有加速度索力计8。
参见附图3，智能控制系统7包括：变送器71、逻辑计算单元72和伺服驱动器73；变送器71与加速度索力计8电性连接；逻辑计算单元72的信号输入端与变送器71电性连接；伺服驱动器73的输入端与逻辑计算单元72的信号输出端电性连接，伺服驱动器73的输出端分别与伺服油泵4和伺服电机61电性连接。
为了进一步优化上述技术方案，逻辑计算单元72包括：索力差值计算器721和PID调节器722；索力差值计算器721通过A/D转换器723与变送器71电性连接，用于计算加速度索力计8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722的输入端与索力差值计算器721电性连接，输出端通过D/A转换器724与伺服驱动器73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722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722传递至伺服驱动器73的控制信号Ct为：
Figure BDA0002743217690000081
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，主动齿轮62转动一周对应的拉索1拉长或放回的量Δ为：
Δ＝nD/nP*c；
其中：nD为主动齿轮62外圆周的齿数；nP为可调螺栓5外圆周的齿数；c为可调螺栓5与承拉活塞杆3的螺距。
为了进一步优化上述技术方案，第一索头11和承拉活塞杆3之间通过螺纹连接固定；承拉油缸2和第二索头12之间通过螺纹连接固定；承压件21和承拉油缸2内壁之间通过螺纹连接固定。
本发明提供的拉索中间点预应力智能控制调整装置的索力调控方法为：智能控制系统7对加速度索力计8传递的索力进行监控，当拉索1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4对油腔22进油，通过活塞块31带动承拉活塞杆3拉伸，使得可调螺栓5处于无内力状态；然后驱动伺服传动机构6拧进或拧出可调螺栓5，实现索力的调整。
具体的：
当拉索1索力需要增加时：伺服油泵4控制承拉活塞杆3向避让孔121方向伸入，单次伸入10mm后，伺服油泵4停止，伺服传动机构6控制将可调螺栓5向承压件21方向拧进10mm，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服传动机构6控制将可调螺栓5拧进到贴紧承压件21，油腔22内的液压压力调到零，即完成拉索1索力的增加；
当拉索1索力需要减小时，伺服油泵4控制承拉活塞杆3向避让孔121方向伸入，单次伸出5mm后，伺服油泵4停止，伺服传动机构6控制将可调螺栓5向第二索头12方向拧出10mm，伺服油泵4回油，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服传动机构6控制将可调螺栓5拧进到贴紧承压件21，油腔22内的液压压力调到零，即完成拉索1索力的减小。
如图4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 (5)

1.一种拉索中间点预应力智能控制调整装置，其特征在于，拉索(1)具有断点，所述拉索(1)断点处的两个端头上固定有第一索头(11)和第二索头(12)；所述第二索头(12)端面开设有避让孔(121)；包括：承拉油缸(2)、承拉活塞杆(3)、伺服油泵(4)、可调螺栓(5)、伺服传动机构(6)和智能控制系统(7)；
所述承拉油缸(2)的开口端与所述第二索头(12)固定连接；所述承拉油缸(2)靠近所述第二索头(12)的内壁上固定连接有承压件(21)；
所述承拉活塞杆(3)一端与所述第一索头(11)固定连接，其杆体穿入所述承拉油缸(2)内部，并穿过所述承压件(21)，另一端伸入所述避让孔(121)内；所述承拉活塞杆(3)上具有与所述承拉油缸(2)内壁滑动连接的活塞块(31)，所述活塞块(31)与所述承拉油缸(2)远离所述第二索头(12)的一端形成密封的油腔(22)；所述承拉活塞杆(3)由所述活塞块(31)向所述第二索头(12)方向的杆体上具有螺纹；所述拉索(1)具有所述第二索头(12)的绳体上安装有加速度索力计(8)；
所述伺服油泵(4)与所述油腔(22)连通；
所述可调螺栓(5)与所述承拉活塞杆(3)螺纹连接，且位于所述承压件(21)和第二索头(12)之间，并与所述承压件(21)压紧贴合；
所述伺服传动机构(6)安装在所述承拉油缸(2)的外壁上，且用于驱动所述可调螺栓(5)转动；所述伺服传动机构(6)包括伺服电机(61)、主动齿轮(62)和从动齿轮(63)；所述伺服电机(61)固定在所述承拉油缸(2)的外壁上，且与所述智能控制系统(7)电性连接；所述主动齿轮(62)与所述伺服电机(61)的动力输出轴固定连接；所述从动齿轮(63)转动连接在所述承拉油缸(2)侧壁开设的安装口(23)上，且与所述主动齿轮(62)啮合；所述可调螺栓(5)的外圆周面上具有齿纹，且与所述从动齿轮(63)啮合；
所述智能控制系统(7)分别与所述伺服油泵(4)和伺服传动机构(6)的控制部电性连接，且用于控制所述伺服油泵(4)和伺服传动机构(6)工作；所述智能控制系统(7)包括：变送器(71)、逻辑计算单元(72)和伺服驱动器(73)；所述变送器(71)与所述加速度索力计(8)电性连接；所述逻辑计算单元(72)的信号输入端与所述变送器(71)电性连接；所述伺服驱动器(73)的输入端与所述逻辑计算单元(72)的信号输出端电性连接，所述伺服驱动器(73)的输出端分别与所述伺服油泵(4)和伺服电机(61)电性连接；所述逻辑计算单元(72)包括：索力差值计算器(721)和PID调节器(722)；所述索力差值计算器(721)通过A/D转换器(723)与所述变送器(71)电性连接，用于计算所述加速度索力计(8)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(722)的输入端与所述索力差值计算器(721)电性连接，输出端通过D/A转换器(724)与所述伺服驱动器(73)电性连接；
当|en/F0×100％|＞10％时，所述PID调节器(722)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(722)传递至所述伺服驱动器(73)的控制信号Ct为：
Figure FDA0003556194590000021
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。
2.根据权利要求1所述的一种拉索中间点预应力智能控制调整装置，其特征在于，所述主动齿轮(62)转动一周对应的所述拉索(1)拉长或放回的量Δ为：
Δ＝nD/nP*c；
其中：nD为所述主动齿轮(62)外圆周的齿数；nP为所述可调螺栓(5)外圆周的齿数；c为所述可调螺栓(5)与所述承拉活塞杆(3)的螺距。
3.根据权利要求1所述的一种拉索中间点预应力智能控制调整装置，其特征在于，所述第一索头(11)和所述承拉活塞杆(3)之间通过螺纹连接固定；所述承拉油缸(2)和所述第二索头(12)之间通过螺纹连接固定；所述承压件(21)和所述承拉油缸(2)内壁之间通过螺纹连接固定。
4.一种应用权利要求1-3任一项所述的拉索中间点预应力智能控制调整装置的索力调控方法，其特征在于，智能控制系统(7)对加速度索力计(8)传递的索力进行监控，当拉索(1)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(4)对油腔(22)进油，通过活塞块(31)带动承拉活塞杆(3)拉伸，使得可调螺栓(5)处于无内力状态；然后驱动伺服传动机构(6)拧进或拧出可调螺栓(5)，实现索力的调整。
5.根据权利要求4所述的一种拉索中间点预应力智能控制调整装置的索力调控方法，其特征在于：
当拉索(1)索力需要增加时：伺服油泵(4)控制承拉活塞杆(3)向避让孔(121)方向伸入，单次伸入10mm后，伺服油泵(4)停止，伺服传动机构(6)控制将可调螺栓(5)向承压件(21)方向拧进10mm，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服传动机构(6)控制将可调螺栓(5)拧进到贴紧承压件(21)，油腔(22)内的液压压力调到零，即完成拉索(1)索力的增加；
当拉索(1)索力需要减小时，伺服油泵(4)控制承拉活塞杆(3)向避让孔(121)方向伸入，单次伸出5mm后，伺服油泵(4)停止，伺服传动机构(6)控制将可调螺栓(5)向第二索头(12)方向拧出10mm，伺服油泵(4)回油，反复操作直到索力差值恢复至可浮动阈值内，伺服传动机构(6)控制将可调螺栓(5)拧进到贴紧承压件(21)，油腔(22)内的液压压力调到零，即完成拉索(1)索力的减小。
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