伺服系統(tǒng)在橋梁施工質(zhì)量控制中的應用

李康建 趙曜 李巧巧 呂明磊

摘 要：伺服系統(tǒng)通常由比較元件、調(diào)節(jié)元件、執(zhí)行元件、控制單元等組成，是一種可實現(xiàn)被控對象的位置、速度、狀態(tài)等輸出量隨輸入量的變化而精確變化的自動控制系統(tǒng)，目前已在航空、化工、冶金、機械、運輸?shù)榷囝I(lǐng)域得到廣泛應用，是提高工作效率、降低對人工依賴度的有效途徑。本文介紹了伺服系統(tǒng)的原理與基本組成，重點分析了伺服系統(tǒng)在橋梁工程的力學試驗機、預應力張拉設備和預應力孔道壓漿設備上的應用。相對于傳統(tǒng)的設備與工藝，伺服系統(tǒng)應用于橋梁工程的力學試驗機、預應力張拉設備及預應力孔道壓漿設備，實現(xiàn)了力學試驗、預應力張拉工藝與孔道壓漿工藝的自動化、智能化、精準化、同步化與可視化，并可按需設置不合格預警，有效提升了橋梁施工質(zhì)量的管理水平。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng); 橋梁工程; 質(zhì)量控制; 預應力張拉; 力學試驗

中圖分類號：TG334.9? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）11-187-002

科學技術(shù)的進步，讓機械、電子、信息、網(wǎng)絡等技術(shù)實現(xiàn)了深度融合，帶動了不同領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展，伺服技術(shù)如虎添翼。我國橋梁建設正在經(jīng)歷由傳統(tǒng)向現(xiàn)代化的邁進，無論是施工機械裝備、施工工藝，還是施工質(zhì)量檢測與控制手段等均取得了長足的進步。特別是以往一些受人為因素影響較大的施工工序，或?qū)ψ鳂I(yè)人員操作水平要求較高的施工工藝（例如油壓、氣壓設備及與之相關(guān)的施工工藝與檢測方法等），正逐步趨于精確化、自動化和效率化，而這些顯著的進步均是得益于“伺服系統(tǒng)”的推廣應用。

1.伺服系統(tǒng)簡介

“伺服”—詞源于希臘語，是指“奴隸”。工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)將機構(gòu)或工具能服從控制信號的要求而做出相應動作的性能稱為“伺服”性能。“伺服系統(tǒng)”因此而得名。伺服系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)，是構(gòu)成自動化體系的基本環(huán)節(jié)，是指通過各種自動化控制，使被控對象的某種狀態(tài)（例如位置、速度、力矩、轉(zhuǎn)矩等）能自動地、連續(xù)地、精確地服從輸入量（或給定值）的變化而變化^[1]。伺服系統(tǒng)的基本任務是按控制命令的要求，對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，保證被控對象的輸出狀態(tài)按輸入信號的規(guī)律運動，并使輸入與輸出之間的偏差不超過允許的誤差范圍^[1]。伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性、準確性和快速性等三個方面^[2]。這也是現(xiàn)階段伺服系統(tǒng)的應用幾乎遍及社會各個領(lǐng)域的主要原因。

一個典型的伺服系統(tǒng)主要由比較元件、調(diào)節(jié)元件、執(zhí)行元件、控制單元等部分組成^[2]。伺服系統(tǒng)的基本工作原理是：由比較元件測量系統(tǒng)的輸入量與輸出量之間的偏差，獲得偏差信號;調(diào)節(jié)元件將偏差信號放大，并判斷其變化趨勢，確定調(diào)節(jié)節(jié)奏;然后由執(zhí)行元件輸出足夠功率，直接對被控對象進行控制，從而保證輸出量在預期誤差范圍內(nèi)。在此過程中，控制單元就像人的大腦，通過算法完成控制功能（下達指令）。

伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，按照伺服系統(tǒng)中主要元件的種類、特征，可劃分出不同種類的伺服系統(tǒng)。例如，按照執(zhí)行元件的種類，伺服系統(tǒng)可分為電動伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、起亞伺服系統(tǒng)和電氣伺服系統(tǒng)等^[2]。

2.伺服系統(tǒng)在橋梁施工質(zhì)量控制中的應用

橋梁施工中使用的一些對精度要求較高的機械設備，例如預應力張拉設備、壓力機、萬能試驗機、預應力管道壓漿設備等多采用液壓控制，需要通過人工進油調(diào)節(jié)與回油調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)對力（或壓力）的大小與變化速度的控制，實際作業(yè)過程受人為因素影響較大。通過“伺服系統(tǒng)”對上述設備進行升級改造，就能使施工過程和試驗過程實現(xiàn)按輸入命令的快速、精準和穩(wěn)定控制，以減少人為和外界因素對系統(tǒng)產(chǎn)生的各種干擾，對于提高橋梁施工質(zhì)量、提升橋梁施工管理水平等均有著重要的現(xiàn)實意義。

2.1伺服系統(tǒng)用于材料試驗機

水泥、碎石、混凝土與鋼筋等是橋梁施工常用的幾類原材料。其中，水泥的抗折強度、抗壓強度，碎石壓碎值與混凝土的抗壓強度，鋼筋的抗拉強度等力學指標是此類原材料質(zhì)量控制的主要指標。水泥抗折強度、抗壓強度試驗采用抗折抗壓試驗機，碎石壓碎值與混凝土強度試驗采用壓力機，鋼筋抗拉強度試驗采用萬能試驗機，雖然試驗設備各不相同，但此類試驗有著以下共同特點：

（1）試驗過程對施加荷載大小、加荷速度、穩(wěn)壓時間等均具有明確要求;

（2）試驗過程中需要試驗人員判斷試驗狀態(tài)，例如壓力機上受壓試件的破壞狀態(tài)與力的峰值，萬能試驗機進行鋼筋拉伸試驗時鋼筋的屈服荷載與最大荷載等^[3]。

上述試驗設備均為液壓設備，傳統(tǒng)設備均需通過試驗人員操作油壓調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)施加荷載的大小與加載速度等，同時需要人為判斷試件在試驗過程中所處的狀態(tài)。因此，傳統(tǒng)試驗設備難以實現(xiàn)對試驗過程的精準控制，而因此造成的試驗誤差會對后續(xù)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的施工質(zhì)量造成一定影響，并可能成為橋梁服役期內(nèi)的安全隱患。

電液伺服閥主要用于電液伺服系統(tǒng)，其作用是將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為大功率的液壓輸出，通過液壓執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)對機械設備的自動化控制。通過對上述試驗設備配制電液伺服閥、精密油泵、機伺服控制器及顯示器等硬件設備，同時安裝數(shù)據(jù)分析軟件，就可以實現(xiàn)以下功能：

（1）試驗數(shù)據(jù)的實時自動采集、分析和處理，包括試驗應力、鋼筋屈服強度、時間變形量、穩(wěn)壓時間等，繪制試驗過程曲線，并生成試驗報告;

（2）試驗過程的等速應力、等速應變、等速位移、荷載保持、位移保持等;

（3）試驗過程的自動、精準、全過程控制;

（4）根據(jù)提前設置的“不合格”預警，對試驗結(jié)果進行判斷，以加強對原材料質(zhì)量的監(jiān)督管理;

（5）避免了試驗過程中試驗人員的近距離觀察與全程看守，降低了因試驗設備故障或操作失誤而引起的安全事故發(fā)生率。

2.2伺服系統(tǒng)用于預應力張拉設備

水泥混凝土具有先天性抗拉力不足的缺陷，混凝土橋梁在使用一段時間后，均會出現(xiàn)不同程度的下?lián)稀㈤_裂等現(xiàn)象，影響橋梁的服役質(zhì)量和使用壽命。因此，現(xiàn)代橋梁建設通常采用預應力張拉技術(shù)，在橋梁混凝土構(gòu)件承受外荷載之前，對受拉模塊中的鋼筋、鋼絲束或鋼絞線，預先施加一定預壓應力（即反作用力），提高構(gòu)件的剛度和抗彎能力，推遲裂縫在使用期間的出現(xiàn)時間，從而提高構(gòu)件的耐久性^[4]。

預應力張拉施工是由兩個張拉千斤頂在混凝土構(gòu)件兩端同時張拉，以應力為控制指標、以伸長量誤差作為校對指標，并要求兩個張拉千斤頂同步工作。使用傳統(tǒng)預應力張拉設備時，需要通過人工識讀儀表盤數(shù)值來判斷張拉力的大小，手動操作油壓調(diào)節(jié)閥控制壓力并使其保持恒定，并用鋼尺測量千斤頂活塞外露的實際伸長值。

近幾年，自動化程度較高的智能張拉系統(tǒng)在預應力張拉施工中逐步得到推廣與應用。預應力智能張拉系統(tǒng)，其實質(zhì)是對傳統(tǒng)預應力張拉設備的“伺服”化改造，即在原有設備基礎上，增設了伺服油源系統(tǒng)、壓力傳感器、位移傳感器、控制系統(tǒng)及無線傳輸模塊等。預應力張拉過程中，伺服控制器通過壓力與伸長量傳感器實時自動采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析，并與預設的目標值進行比較，計算控制的同步偏差，同時根據(jù)偏差值的大小、經(jīng)比例-積分-微分（PID）控制器計算得到實際需要控制的具體數(shù)值，并實時將指令發(fā)送給伺服油源系統(tǒng)進行糾偏和協(xié)調(diào)控制，確保預應力張拉的同步性^[5];張拉設備（或泵站）接受來自系統(tǒng)的指令，同步控制每臺設備的每一個機械動作，實現(xiàn)對張拉力和加載速度的實時精準控制，并自動完成整個張拉過程，確保預應力張拉的精確性。

“伺服系統(tǒng)”在預應力張拉設備中的應用，使傳統(tǒng)預應力張拉設備得以智能化，具有以下功能優(yōu)勢：

（1）預應力張拉的實時自動化精確控制，包括張拉應力、伸長量、張拉同步性等;

（2）實現(xiàn)了張拉數(shù)據(jù)的實時傳送，第一時間進行預應力張拉質(zhì)量的判斷，可預設“不合格”預警，加強質(zhì)量管控;

（3）實現(xiàn)了張拉過程的全過程記錄，彌補了傳統(tǒng)預應力張拉中過程數(shù)據(jù)的缺失。可通過數(shù)據(jù)還原張拉過程，并進行張拉質(zhì)量的分析以及張拉問題的追溯^[6];

（4）通過對張拉全過程數(shù)據(jù)的二次加工，可進一步挖掘分析張拉初始應力等參數(shù)，使得張拉工藝更加科學合理;

（5）自動生成施工報表，減少了報告的編制工作。

2.3伺服系統(tǒng)用于預應力孔道壓漿設備

采用后張法施工預應力構(gòu)件在預應力張拉完成后，還需要對預埋的張拉孔道進行壓漿施工，使水泥漿飽滿填充孔道內(nèi)壁與預應力鋼筋、鋼絲束或鋼絞線之間的空隙，并在固結(jié)后能保持較好的密實度，以確保預應力筋不會快速銹蝕、松弛，同時保證預應力筋和結(jié)構(gòu)共同工作，從而有效提升橋梁整體的結(jié)構(gòu)強度和耐久性。與傳統(tǒng)預應力張拉設備一樣，傳統(tǒng)預應力孔道壓漿設備在使用過程中對人工的依賴程度同樣較高。例如，孔道壓漿過程中需要操作人員時刻關(guān)注壓力表盤數(shù)值，判斷壓漿狀態(tài)，同時調(diào)整壓漿壓力和穩(wěn)壓時間，經(jīng)驗不足或操作不當時，均會造成孔道壓漿不密實，不能完全均勻包裹預應力筋，進而加速預應力的松弛。除此之外，采用人工的方式記錄壓漿過程，數(shù)據(jù)可能被篡改，可信度不高。

通過對傳統(tǒng)孔道壓漿設備進行“伺服”化改造，采用伺服式壓漿泵替代普通壓漿泵，并在原有設備上增設壓力傳感器、流量傳感器、控制系統(tǒng)、無線傳輸模塊等。孔道壓漿施工中，伺服控制器通過壓力傳感器實時采集孔道的進漿口和出漿口的壓力值，并通過無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析，計算孔道進、出口壓力損失值，同時與預設的壓力值進行對比，計算偏差值，并實時將指令發(fā)送給伺服壓漿泵;由伺服壓漿泵自動調(diào)整壓漿壓力，確保整個壓漿施工中的壓漿壓力值在預設誤差范圍內(nèi)，實現(xiàn)壓漿壓力和穩(wěn)壓時間的精準控制^[7]。與此同時，安裝在進漿管和回流管上的流量傳感器將實時采集的進漿量和回漿量數(shù)據(jù)傳至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)分析對比實際進漿量與理論進漿量，并自動判斷開始和結(jié)束穩(wěn)壓過程，實現(xiàn)壓漿過程的全自動化。此外，控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器實時傳送的數(shù)據(jù)，自動計算水泥漿密實度和孔道充盈度等指標，并自動生成報表，真實記錄整個壓漿過程^[8]。

“伺服系統(tǒng)”在預應力壓漿設備中的應用，使傳統(tǒng)預應力壓漿設備具有以下功能優(yōu)勢：

（1）實時監(jiān)測孔道的進、出口壓力值，實現(xiàn)自動調(diào)整并控制壓漿壓力與穩(wěn)壓時間，有效保證整個壓漿過程精準按照標準壓力和持壓時間進行，避免施工過程受人為、環(huán)境等因素的影響;

（2）全過程自動記錄壓漿壓力、壓漿量、穩(wěn)壓時間、水泥漿密實度、孔道充盈度等數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)真實可靠、可追溯;

（3）實時監(jiān)測進漿量和回漿量，自動判斷壓漿進程，無需人工操作。

3.結(jié)語

后張法預應力混凝土橋梁施工中，原材料、預應力構(gòu)件的張拉與壓漿質(zhì)量控制直接影響著預應力混凝土構(gòu)件的成品質(zhì)量，甚至橋梁在服役期內(nèi)的狀態(tài)。但由于傳統(tǒng)設備對人工的依賴程度高，經(jīng)常存在因人為操作而造成施工質(zhì)量問題。伺服系統(tǒng)因其具有穩(wěn)定性好、控制精度高和響應速度快等顯著優(yōu)勢，最初在軍工領(lǐng)域得到大量應用，例如火炮的控制，船艦、飛機的自動駕駛，導彈發(fā)射等，后來逐漸推廣至民用領(lǐng)域，并在橋梁施工中得到推廣應用，在保證施工質(zhì)量、提升工程管理水平等方面發(fā)揮重要作用。在綠色低碳、可持續(xù)發(fā)展的大背景下，隨著BIM、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的進一步發(fā)展，伺服系統(tǒng)在橋梁工程中的應用勢必會更加廣泛與深入，質(zhì)量控制與管理手段也將更加智慧高效、節(jié)能低碳。

參考文獻：

[1]肖英奎主編.伺服系統(tǒng)實用技術(shù)[M]北京：化學工業(yè)出版社， 2004

[2]袁坤，敖榮慶主編.伺服系統(tǒng)[M]北京：航空工業(yè)出版社，2006

[3]張永帥.伺服壓力機的技術(shù)應用及發(fā)展趨勢[J]鍛造與沖壓，2019（16）：54-56

[4]王曉波.橋梁預應力張拉精細化施工監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]西安：長安大學，2015

[5]邱喜華.橋梁預應力智能張拉控制系統(tǒng)研究[D]西安：長安大學，2017

[6]梁曉東，吳濤，劉德坤.預應力智能張拉與傳統(tǒng)張拉的比對試驗研究[J]公路，2012（4）：144-147

[7]吳軍.預應力孔道大循環(huán)智能壓漿技術(shù)研究[J]公路交通科技（應用技術(shù)版），2017，13（11）：205-207

[8]王文建.橋梁預應力智能張拉與壓漿系統(tǒng)原理及施工技術(shù)[J]漢江大學學報（自然科學版），2015，43（4）：328-331

作者簡介：李康建，1998年1月生，男，漢族，河南商丘人，碩士研究生在讀，研究方向：環(huán)保功能型路面材料。通訊作者簡介：趙曜，1986年3月生，女，漢族，四川綿陽人，副教授，博士，主要研究方向：智慧道路建設技術(shù)、固廢資源化利用技術(shù)。