多点同步顶升装置电液系统的集成设计*

□ 张 虎 □ 郭海霞 □ 许晓燕 □ 成慧翔 □ 刘 攀 □ 苏 波

1.山西农业大学信息学院 智能工程学院 山西太谷 030800 2.山西三鼎液压制造有限公司 山西榆次 030600 3.山西农业大学 工学院 山西太谷 030800 4.晋西集团山西利民工业有限责任公司 山西太谷 030800

1 设计背景

近年来,液压顶升装置广泛应用于大型或大吨位重物整体顶升施工项目中。在实际应用中,施工自上而下进行,即先将施工对象的上层施工完毕,由多点同步顶升装置同步顶起后,再进行下一层的施工,逐层进行,如图1所示。相对于目前流行的高空散装法、整体吊装法、高空滑移法、分块安装法等,利用顶升装置施工,既安全可靠,保质保量,又省钱、省力、省工、省料。可见，多点同步顶升装置具有独特的优越性[1]。

在实际施工中,为了避免大型或大吨位重物在顶升过程中由一个千斤顶顶升导致倾斜的危险,以及起重物可能损坏的情况发生,需要对多点同步顶升装置及其同步性进行设计和研究[2]。笔者从液压回路和电控系统两个角度出发,对在钢结构网架建设施工中应用的多点同步顶升装置电液系统进行集成设计，具体包括对液压缸、液压元件的参数进行设计,并选取相应型号，对可编程序控制器和触摸屏进行程序设计,以及对装置同步性和压力检测显示进行研究,以满足现场工作的需求。

2 液压回路设计

在实际施工过程中,按照现场情况,所需顶升液压缸的数量不等,泵站设计的基本要求为一套泵站搭配两个液压缸。为了实现多点同步顶升装置在顶升过程中顶升位移的实时检测和压力的及时回传,在液压回路的元器件选择方面,考虑数据的及时回传和控制系统的闭环反馈。液压缸配有位移传感器,用于检测液压缸的伸出长度。选用比例换向阀,控制油路流量的大小。选用压力表和压力变送器,实时读取油液压力。选用双泵系统,以备油泵发生系统故障时能够及时切换,保证整个装置始终处于安全运行状态。配置蓄能器,作为应急压力补充源,防止意外发生。

2.1 液压缸

实际应用中液压缸上升时需克服负载的重力,待负载到达指定位置回落时,依靠自身回油速度较慢,对此，笔者在设计中采用了活塞式双作用液压缸。结合实际负载情况,选取单缸负载为8×105N,液压系统额定工作压力为21 MPa。根据计算公式,作用在活塞上的载荷除以油液作用在单位面积上的压强，得到活塞的有效工作面积[3]，于是有：

式中：A为液压缸活塞端面积,m2；F为液压缸外部负载压力,N;p为液压系统工作压力,MPa。

计算得到液压缸的缸径为484 mm,实际制作中选用缸径为500 mm的液压缸。在实际网架施工中,网架单节高度在1 m之内,结合施工中的支撑物高度等,液压缸行程定为1.25 m。

2.2 电机参数

由于实际工作中液压缸伸出和收回的速度不能过快,因此伸出速度设为1 mm/s[4]。单个液压缸所需供油流量Q1为：

Q1=vA

(1)

式中:v为液压缸的伸出速度。

计算得到单个液压缸供油流量约为12 L/min,根据液压泵参数,选用排量为0.022 7 L/r的定量泵作为系统动力单元。

选取转速为1 450 r/min的电机,可以计算得到系统流量Q2为：

Q2=1 450×0.022 7=32.915 L

系统额定压力为21 MPa,可以计算得到系统理论功率P为：

P=21×32.915/60=11.520 kW

考虑功率损失,按照电机实际运行功率的85%计算,可以得到电机功率选取为13.553 kW，则实际选取型号为15kW-380V-Y160L-4-B35的三相异步电机。

2.3 液压回路元器件

液压回路原理如图2所示。在液压缸无杆腔中添加液控单向阀,可以提高液压缸在回落过程中的安全性和可靠性[5-7]。根据上述计算值,为满足实际工况要求,元器件参数按照计算值附近取上不取下的原则进行选取。

3 电控系统设计

设计一套电控系统,可控制12套泵站单独或同时启停。电控系统能够控制油泵启停的意义在于,一旦有意外发生,如换向阀阀芯卡顿,千斤顶不受控制伸出,电控系统可以使所有设备停机。电控系统可以控制24个液压缸的顶升过程同步,也可以单独控制每个液压缸,并实时检测和控制24路液压油路。电控系统可以实时检测出每个液压缸的实际位移值和相对位移值,并根据检测值实时控制比例换向阀阀芯的位置,以保证液压缸之间的相对位移值在允许范围内。另外,电控系统根据压力传感器的检测值,经过运算处理,可以得出托举重物的质量,方便施工人员核对工程量[8]。

3.1 触摸屏

在设计过程中,考虑实际施工中的实用性,以及操作和观察的便捷性,在液压缸位移检测界面中设置了绝对和相对两个界面。根据每个项目的情况,设计了参数设置界面,包括液压缸量程、同步误差、液压缸缸径、单次工作目标位移及单次工作位移上限，显示和记录油路的压力值与液压缸顶升质量[9]。

3.2 可编程序控制器程序

在可编程序控制器程序设计中,需要考虑液压系统的及时性和安全性。在油路压力检测中,一旦压力大于设定压力值,液压缸自动停止运行,提醒操作人员对各个液压缸支撑点进行现场检查。在实际运行中,相对位移值一旦大于同步误差设定值,位移值大的液压缸立即停止运行,待误差在设定范围内后再次运行。为便于实际操作,可编程序控制器程序中设有同步和单独控制液压缸升降的程序段[10-11]。

4 试验分析

多点同步顶升装置在运行中的整体水平度及稳定性，即液压缸的同步性是施工过程中的关键,所以在运行中对液压缸位移和压力的检测是非常重要的。同时,施工点布置越多,对顶升重物的平衡受力情况越好。若布置点中有基础下沉或压力突变的情况,可立即做出相应调整。多点同步顶升装置电液系统设计完成后,进行了初步试验和调试。选取一套泵站、两个液压缸进行了现场试验,如图3所示。在试验过程中,以同步误差20 mm、目标位移300 mm、位移上限1 150 mm为例进行了连续试验。在上升过程中,液压缸能够在同步误差内实现同步,到达目标位移时自动停止,连续动作几次直至位移上限时,停止上升动作。在上升过程中,可手动、自动操作,互不影响。

5 结束语

笔者对多点同步顶升装置的电液系统进行了集成设计。多点同步顶升装置的施工作业平台在地面上或接近地面,设备体积小,且施工占用场地小,使施工人员的安全性及施工质量得到保证。施工过程中，多点同步顶升装置起重能力强,可长时间载重悬停,并在各种工况下实现负荷升、降与停留，不受施工现场的限制。在施工过程中,装置姿态可进行调整,负载升降平稳,冲击力及振动极小。鉴于以上优点,多点同步顶升装置在工程中的应用将越来越广。