随着超高层建筑在世界尤其是中国的大规模兴建,应用于塔楼核心筒施工的自顶升模架取得了一系列技术突破和广泛的应用。模架顶升体系经历了从爬模^[1] 、低位顶模^[2,3] 到微凸支点顶模^[4,5] 的发展过程,模架的功能也不再仅是承载挂架和模板,而是集合挂架模板体系、堆场、机房、控制调度室、消防水箱、布料机甚至塔式起重机等大型设施、设备于一体的多功能集成化施工平台,从而对支承体系的承载力和顶升系统的动力需求大幅提高。如图1所示。

液压传动具有功率-质量比值高、负载刚度大、响应速度快、易于实现自动化等优点,并且液压缸具有行程长、负载能力强等特性,因此液压顶推技术在建筑、桥梁、水利水电等领域得到了广泛应用。

超高层建筑结构施工平台采用多支点液压缸同步顶升技术,支点数量>3个。由于发展时间较短,目前液压顶升系统的设计、制造技术掌握在部分专业液压设备成套生产商手中,并且由于缺乏针对建筑施工领域的相关规范、标准以及充足的应用经验,生产商所提供的成套设备往往缺乏对施工现场需求和作业环境的综合考虑,导致在液压顶升系统投入运行后的较长一段时间内故障频发,需投入大量资源和时间进行调整。同时,项目组织的临时性造成每个项目的技术、管理人员对液压顶升系统的适应期较长,一个项目的应用经验难以被下一个项目有效继承。

本文基于目前超高层建筑结构施工采用最多的电液比例同步顶升系统及其应用经验,对系统的组成原理、关键技术以及典型故障进行介绍分析。

施工平台采用多个支点支承附着于核心筒剪力墙上,每个支点处布置一个长行程重载顶升液压缸。所有液压缸行程和总输出力将施工平台及其附属设备、设施整体顶升至少1个结构层高度,顶升速度约1mm/s,各液压缸行程差异宜<5mm。

液压顶升系统组成主要包括:顶升液压缸、液压泵站以及电液控制系统。液压缸提供施工平台整体顶升所需的位移和顶推力;液压泵站是将电能转换为液压能的换能装置,为顶升液压缸提供流量和压力;电液控制系统将控制指令转换为相应电、液元器件的动作,并实时监测液压顶升系统的运行参数,主要由操作台、PLC控制器(包含I/O模块)、各类传感器和继电器组成。如图2所示。

施工平台顶升时,全部支点上支承架(或上支承箱梁)与剪力墙脱离,各顶升液压缸活塞杆保持同步匀速向上伸出直至达到指定高度后回落就位。

图3所示为目前应用最广泛的液压比例同步顶升系统,一般采用一套恒压源泵站为多个液压缸提供动力,每个液压缸活塞杆的运动方向和速度通过独立的比例换向阀控制。此外,也可以利用数字阀通过PWM(脉宽调制)控制液压缸活塞杆的运动速度^[6] 。

如图3和图4所示,多缸同步顶升的一般原理为:采用多个液压缸其中之一作为主动缸,其余液压缸为从动缸,通过调整控制主动缸的比例方向阀开度增益完成顶升速度调定后,从动缸以主动缸位移为参考做跟随运动。每个从动缸上的位移传感器实时采集位移并作为反馈输入PLC控制器与主动缸实时位移进行比较求差得到位移误差,PLC控制器利用位移误差通过特定算法计算得到控制输出量,并发讯给各从动缸比例方向阀,使各从动缸向着缩小与主动缸位移误差的趋势运动。同步控制精度取决于比例阀的分辨率、频率响应,位移传感器精度以及PLC的采样、计算和发讯频率。

目前最常用的同步控制算法为PID控制,这也是目前95%以上的工业控制器采用的控制算法,PID控制不依赖于受控对象的数学模型,对于大多数应用场合都能够达到较高的速度、精度以及稳定性要求。式(1)为PID控制算法的数学表达式^[7] 。

式中:k_P为比例系数;k_I为积分时间常数;k_D为微分时间常数;e(t)为同步位移误差;u(t)为控制输出量。

式(1)所表述的PID控制算法具有比例、积分、微分3个环节,比例环节对误差进行增益放大,加快系统纠偏响应,k_P参数越大,系统的响应也就越快,但容易导致超调,使系统出现振荡;积分环节用于消除稳态误差,k_I参数越大,对于稳态误差的消除速度越快,但是类似于比例环节,积分作用越强,系统的振荡越剧烈,越不稳定;微分环节对误差发展趋势进行预判并超前产生控制作用,但微分环节对噪声有放大作用,降低系统的抗干扰性。PID控制器设计的主要工作就是进行k_P,k_I,k_D整定,使系统在响应速度和稳定性二者之间达到平衡。

由于堆载和各种设施、设备的离散布置导致施工平台平面内竖向荷载往往分布不均,并且施工平台整体所受水平力和倾覆力矩最终被各支点支反力所平衡,因此各支点液压缸的负载不一致,甚至差别较大。比例阀输出流量受阀口开度和进出口压差综合影响,对于节流控制型比例阀,相同的初始位移误差和阀口开度下,负载大的液压缸供液流量小,其位移变化“滞后”于其他小负载液压缸,待其同步位移误差持续增大至被PLC识别并做出增加控制输出量的响应,从而增大阀口开度和输出流量,使其加速“追赶”其他小负载液压缸。在PLC及其I/O模块具有足够的采样、计算、输出频率,并且比例阀具有足够快速响应能力的情况下,大负载液压缸的这种“滞后”-“追赶”过程没有显著表征,但液压缸压力的反复变化有可能造成爬行现象。

目前模架顶升过程中对各支点液压缸行程差一般要求<3mm,实际应用中,多数电液比例系统能控制同步位移误差在1mm左右。

液压顶升系统是整个施工平台的重要组成部分,其性能和可靠性直接影响建筑施工进度和安全性。特别是顶升液压缸,不仅提供平台顶升所需的位移和动力,更是连接平台和支承附墙体系的重要结构件。系统可靠性方面的设计关系到液压顶升系统是否能按照指令精准、高效运行。提高液压顶升系统可靠性的方法有以下几种^[8] 。

在设计阶段进行元件选型时,应充分调研产品的应用情况并优化选型,必要时进行可靠性试验,选用高可靠性、低故障率的元器件。

系统构成越复杂,包含元件越多,运行中出现故障的可能性越大,在满足功能和安全性要求的前提下,减少不必要的元器件使用,采用多个功能集成于一体元件取代多个离散的单一功能元件,如采用插装阀、叠加阀取代管式阀件。

在简化系统原理、组成的前提下,对影响系统重要功能实现和安全性的元件和子系统可进行冗余设计,提高可靠性。实现冗余有2种方法:(1)元件冗余在系统中增加储备元件,当工作元件失效后储备元件立即投入工作;(2)功能冗余系统中有多个元件及机构的功能可同时实现同一个安全效果,并且这些实现方式互为冗余。液压回路中,主要控制阀和液压缸实现元件冗余会大大增加系统的复杂性,而且经济性较差,因此在元件冗余方面,一般通过在泵站设计2组冗余的电动机泵组,提高动力源可靠性,以及在平衡阀和液压缸进、出口之间增设高压截止阀来防止平衡阀失效后液压缸位移失控。功能冗余在液压顶升系统设计中体现在防止顶升液压缸同步位移超差和异常动作。如图3所示,在非顶升/提升工况以及系统骤然失电、失压情况下,平衡阀能锁定油缸位移。利用平衡阀机能,当平台顶升过程中液压缸位移误差超出允许范围时,可通过Y型中位比例方向阀置中、先导溢流阀卸荷、电动机泵组紧急停车3种方式实现系统卸压,仅须其中之一有效动作即可锁定液压缸位移。

在系统的设计计算和元件选型时,考虑充足的安全系数,使元、辅件承受的荷载、磨损低于正常水平,可以延长其寿命并降低故障率。对于液压泵、阀组、管路等元、辅件的选型,提高选型元、辅件的额定压力等级;对于液压缸的设计,考虑充足且经济的安全系数,适当提高液压缸的承载力。

在系统中增加设备装置对故障诱导因素进行消除或减弱,同时检测系统运行状态,对已发故障和将发故障的特征进行识别预警。具体实施方式包括:采用高效率冷却器、过滤器降低液压油温升和污染;实时监测液压系统总功率、油液温度、回路各处压力,并且设定相应阈值,当状态参数超过正常范围时,发出故障预警或警报。

液压顶升系统回路中液压阀件种类及数量较多,就污染敏感度以及由于阀芯径向力不平衡导致的液压卡紧二者而言,滑阀形式的比例方向阀、换向阀、平衡阀、溢流阀先导级等相对于锥阀、球阀形式的溢流阀主阀芯、单向阀、截止阀等更容易发生卡阻。对于液压卡紧导致故障,可通过设计阶段元件选型充分调研和提高安全系数来降低液压卡紧导致的卡阻故障率。

导致液压阀卡阻的液压油污染因素,可分为固体颗粒污染和液体污染。固体污染颗粒产生原因^[9] 包括制造安装残留、管道剥落、液压油氧化分解生成、元件磨损产生磨屑、新油带入等。固体污染颗粒不仅会进入阀件密封间隙导致卡阻,还会破坏密封导致泄漏,催化油液氧化分解。液体污染主要是外界侵入系统的水,水掺入液压油导致润滑性能劣化,阀件相对于运动部件的表面摩擦阻力增大,导致阀件易卡阻。

液压油污染导致的液压阀卡阻已成为目前液压顶升系统最常见、危害最大的故障类型之一。比例换向阀卡阻会导致液压缸动作不受控,若同时溢流阀先导级也发生卡阻而电动机泵组不停车,则系统持续带载,导致电控系统的液压缸行程超差锁定功能介入失效,卡阻比例阀所控制的液压缸动作将持续失控直至电动机泵组停车。由此可见,控制油液清洁度对于液压顶升系统的安全可靠运行至关重要。

目前最常见的油液清洁方法是通过图3所示在液压泵的吸入口、比例方向阀的前端以及回油管路分别设置吸油过滤器、压力过滤器以及回油过滤器。为了防止吸入不足,吸油过滤器精度低于压力过滤器和回油过滤器。压力过滤器控制进入比例方向阀的油液清洁度,通常比例方向阀为液压回路中污染敏感度最高的元件,因此压力过滤器精度较高,并且应在溢流阀下游,不影响系统安全。除了在工作回路设置过滤器外,还可增加独立滤油系统,由于滤油系统不承担负载压力,可提高过滤精度,对油箱内的油液进行精滤。

爬行是指液压缸在运动过程中出现速度不均匀,严重时出现反复间歇性运动过程,并伴随振动和异响。式(2)为液压缸相邻两次爬行前冲运动间隔的停顿时间t₀计算公式^[10] 。t₀趋向于0时,爬行消失,对于液压系统设计而言,选择较大的缸径比、减少非必要行程、在回油路增设背压元件、选用低摩擦系数的密封导向材料均可改善爬行问题。

式中:ΔF为动、静摩擦力之差;p_b为液压缸回油腔背压;A为液压缸工作面积;L为液压缸工作腔长度;C为比例因数;v₀为活塞运动速度;E₀为油液体积弹性模量。

在液压顶升系统运行过程中,液压缸爬行更多的是由于ΔF和E₀的异常变化导致。活塞、活塞杆以及缸筒的同轴度误差过大、密封面摩擦力增大都会使ΔF增大,具体原因是液压缸制造精度不符合要求、活塞杆受到过大的径向偏载、液压油润滑性劣化、密封面侵入固体污染颗粒等。E₀的异常变化主要是液压油中侵入空气,降低了工作介质的体积弹性模量。此外,节流调速形式的比例阀对负载较敏感,系统刚度不足,也会增加液压缸爬行的几率。

液压缸爬行不仅影响顶升平稳,还会危害顶升系统的可靠性和安全,如活塞杆径向偏载过大、密封面侵入固体颗粒,最终会对活塞杆镀铬层和密封件造成不可逆转的损坏,产生泄漏,一旦泄漏不可控制,液压缸将无法有效输出顶推力和位移。

因此,在系统应用过程中,必须严格控制活塞杆受力和液压油清洁度在合理范围内。此外,采用压力补偿型比例阀提高液压系统刚度也有助于改善爬行问题。

如前文所述,液压顶升系统工作过程中各支点液压缸负载压力出现较大差别是正常现象,但是当某液压缸负载压力值快速上升或下降时,通常表明系统运行出现故障。液压缸工作压力急升的原因一般是该支点液压缸在顶升过程中遭遇阻碍,如挂架与墙体剐蹭、悬挑结构阻碍了平台及附属设施的上升路径等。位移测量误差也会导致液压缸负载异常,若某液压缸测量位移小于实际位移时,其行程会始终大于其他正常液压缸,承受较大的不平衡负载;反之,若某液压缸测量位移大于实际位移时,其负载压力降低。

因此,在顶升作业前,应全面检查平台、挂架等上升路径上是否存在阻碍,定期检验和标定位移传感器,确保测量值准确。

液压顶升系统大部分设备暴露在露天环境下的温湿度和降水冲淋中,并且施工平台施工现场汇集了起重作业、临时设施、人员活动、坠物、泥浆洒落、气体切割/焊接设备等不利因素,对液压顶升系统的防护造成困难。常见的由于防护不周导致的系统故障包括:电气绝缘条件破坏导致短路,外置电液元器件遭雨淋、坠物、泥浆损坏,管路、线缆受拉扯、挤压等。

在系统设计阶段就需要针对施工现场环境条件进行相应的防护性设计,如选用自身具有较高防护等级的元器件,仪器设备采用独立的供电回路和保险装置,采用隔离变压器、隔离直流电源、PLC光电隔离I/O端口,选用具有一定耐冲击和耐热能力的室外管路、电缆等。设计无法满足防护要求时,应在现场提供额外防护,如增加设备防护罩等。

1)液压顶升系统工作环境复杂,对施工进度和安全性影响重大,因此在设计阶段除满足使用性能指标前提下,应充分考虑系统的防护等级和可靠性。对影响系统效能发挥及安全性的设备、元件以及保护功能可通过优化选型、简化系统、冗余设计以及故障预防等方式提高可靠性。

2)进行规范合理的安装、调试和运行操作以及维护对于系统的效能发挥和减少故障非常重要。

3)系统安装阶段,液压缸的安装精度要求最为严格,一般要求平面位置度误差<5mm,全高垂直度要求H/1 500<4mm。并且在使用过程中应定期对液压缸位置度和垂直度进行复测检查,防止液压缸出现不利偏载。

4)泵站、电控系统的安装布置需满足相关防护要求。管路、电缆的排布应避开热源、火源以及人流密集通道,并提供合理的固定和防护措施。

5)安装完成进入调试阶段,应严格依照相关标准规范对管路分别进行排气、耐压试验和循环冲洗,对电控系统进行交接试验,对传感器数据传输显示、溢流阀限压保护、油缸自锁以及故障发讯报警等功能进行测试,完成以上程序后,方可进行单缸微动试验和整体试顶升。

6)系统运行阶段,除严格按照操作手册进行顶升作业外,还需定期对油液清洁度、密封泄漏、电缆线路绝缘电阻等关键指标进行检查。