濕噴混凝土噴射打擊力分布測試試驗研究

蘇 暢，鄭強強

(1.安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

噴射混凝土廣泛應用于地鐵、隧道、巷道等工程施工中，能有效的起到支撐圍巖、阻止圍巖松動等作用[1]。完善噴嘴結(jié)構(gòu)、優(yōu)化混凝土在圍巖上的離散性能，弱化粉塵懸浮集度等問題是當下的研究熱點。射流測試是對噴嘴噴射性能檢測的一種研究方式。文獻[2]研究了氣固兩態(tài)在噴嘴出口處的速度，結(jié)果表明兩者速度隨直徑的增加而降低。文獻[3]研究了射流壓力對污染物清洗效率的影響， 得到了在噴嘴直徑為0.4mm、靶距為20mm、出口壓力為180MPa時清洗打擊力能較好的完成清洗工序要求。文獻[4]采用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究了噴嘴結(jié)構(gòu)對高壓水射流的影響。文獻[5]研究了高壓噴嘴的特性并分析測試的主要參數(shù)和方法，得出上位PC機和下位單片機協(xié)調(diào)工作能較好的完成打擊特性測試的結(jié)論。文獻[6]研究了與高壓水射流相關(guān)的參數(shù)，利用高壓水射流進行彈藥除油。博際噴霧公司為研究噴嘴性能組建了試驗室，該試驗室可對射流的高、低壓實時監(jiān)測。北科大為研究噴射打擊力使用空速管驗證打擊力力度[7]。國外很多機構(gòu)和學者對噴嘴性能測試也展開了研究。日本EVERLOY株式會社通過分離射流水平徑向和高度參量的方式研究打擊力的力學性能，并能夠記錄力學參數(shù)和噴霧的寬度[8]。文獻[9-10]自主研發(fā)量測噴射混凝土離散程度的裝置，結(jié)果表明，在噴射混凝土自重的影響下，噴射混凝土射流沿出口方向呈現(xiàn)非圓周對稱。

從國內(nèi)外相關(guān)學者和企業(yè)所作的相關(guān)工作來看，試驗對象主要是針對磨料射流和水為主，試驗范圍主要以線性為主，并未檢索到關(guān)于噴射快速凝固濕噴混凝土料流的研究，也未曾有對噴嘴特性與受噴面均勻度同時考慮的試驗系統(tǒng)。

因此，本文通過自主設計噴射混凝土打擊力測試系統(tǒng)，并基于系統(tǒng)構(gòu)建試驗平臺，使用LabVIEW收集和保存試驗數(shù)據(jù)，并對傳感器的輸出特性進行曲線擬合，提出了一種有效的混凝土噴射打擊力分布測試方案，為混凝土噴射機噴嘴設計提供硬件試驗基礎，并進行了現(xiàn)場試驗。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)概述

噴射混凝土打擊力分布測試系統(tǒng)主要包括射流打擊力分布測試平臺(見圖1)、壓阻式壓力傳感器、硬件電路板、美國NI公司的M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6229(見圖2)和LabVIEW虛擬儀器(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)(編寫采集和讀取程序如圖3所示)。

圖1 混凝土噴射測試平臺示意圖 圖2 NI USB-6229數(shù)據(jù)采集卡

1.2 測試系統(tǒng)傳感器的原理

常見的力學傳感器種類較多，性能各異，包括電阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器及壓阻式壓力傳感器。電阻式壓力傳感器是通過所顯示的電阻值的波動來檢測壓力的變化。其優(yōu)點是取材容易，負載幅值較高，電路的處理也較為簡潔，可以和集成電路相容；缺點是有延遲的缺陷，敏感度不是特別強。電容式壓力傳感器能夠利用電容量的變化來測量打擊力的大小，其優(yōu)點是構(gòu)造簡潔、靈敏度高，可以不用接觸就能夠量測參數(shù)；缺點是存在離散電容、噪音以及溫度的干擾。壓電式壓力傳感器不能夠用于靜態(tài)測量，它利用特殊材料的壓電性質(zhì)(即逆壓電效應和正壓電效應)，對電纜性能要求高。結(jié)合本試驗系統(tǒng)的測試對象和現(xiàn)場試驗的工作特性，本文選用壓阻式壓力傳感器。

1.3 傳感器的選擇

依據(jù)濕噴機噴射參數(shù)0.12m3/min，進口處料流速度36m/min，進氣口處氣壓0.40～0.60MPa，動力粘度32 N·S/m2，筆者自主研發(fā)的測試打擊力系統(tǒng)的壓力變送器選用森納士公司由壬型變送器(見圖4)，最大測量壓力為0.50MPa，其優(yōu)點是可靠性高、精度高并且抗打擊力和抗震性能都較強，變送器工作原理如圖5所示。

圖4 壓力變送器

圖5 變送器工作原理示意圖

1.4 系統(tǒng)傳感器布置

針對噴射混凝土在受噴面離散的問題，筆者自主研發(fā)一個壓力變送器采樣平臺，由于噴射料流和受噴面兩者的結(jié)構(gòu)是以形心(即中心點)為對稱，并且考慮射流噴射的實際范圍，在1.00m×1.00m的測試臺上，沿X軸方向(-0.50～+0.50m)每隔0.10m設一個變送器采集點并用螺栓固定，如圖6所示，為保證耦合效果良好用石蠟密封。這樣沿水平方向均布采集點，中心測點標號為O，并用紅色記號突出標紅靶心，以便后續(xù)試驗開展。從靶心O向外等距依次分組標號(L5、R5)、(L4、R4)、(L3、R3)、(L2、R2)、(L1、R1)布置11個壓力變送器采樣點。

圖6 壓力變送器采集點布置

2 現(xiàn)場試驗

2.1 工程背景

現(xiàn)場試驗布置在三陽隧道，三陽隧道位于興(江西省興國縣)泉(福建省泉州市)鐵路大田段，是該線路的重要組成部分。該隧道總長為4.345 1km，地質(zhì)條件較為復雜，累計穿過三條圍巖接觸帶、五條斷層和十三條節(jié)理密集帶，屬于存在Ⅱ級風險的隧道，為了解決不良地質(zhì)條件巖體裂隙內(nèi)涌水誘發(fā)性強、膠結(jié)性弱等問題，施工隊組采用超前鉆探、超前預測、加強超前支護、注漿加固、噴錨支護等措施，確保工程安全進行，試驗場地如圖7所示。

圖7 試驗場地

2.2 試驗步驟

首先裝配固定待測噴嘴，并向輸送管中加入適量的水，為混凝土噴射施工做準備。然后調(diào)節(jié)壓縮空氣閥門，調(diào)節(jié)空氣流量至額定流量。先噴射大約1.00m3砂漿，用來潤滑整個管路系統(tǒng)，待調(diào)試完成后關(guān)閉噴射系統(tǒng)。按照試驗設計，用螺母將變送器依次安裝在打擊力測試平臺上，注意扭緊力矩不應大于14N·m，并將測試臺固定牢固。將變送器、電路板、采集卡和PC機連接并設置采集參數(shù)。調(diào)整濕噴機械手，使用激光發(fā)射器瞄準，確保噴嘴對準靶心，調(diào)整噴嘴與測試平臺間距離為1.00m。打開噴射系統(tǒng)，調(diào)整噴嘴進氣口風壓數(shù)值為0.40 MPa，開始采集并儲存數(shù)據(jù)，待采集結(jié)束后，關(guān)閉射流噴射系統(tǒng)。然后調(diào)整不同工況(風壓0.50MPa、0.60MPa)重復上述步驟，混凝土噴射打擊力測試系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場布置圖

3 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

調(diào)試LabVIEW軟件，將采集頻率設置為1 000，即1 000次/s，變送器的輸出信號電壓0～5.00V，最大量測壓力為0.50MPa，則電壓和輸出壓力之間的關(guān)系式如式(1)。

(1)

將不同工況現(xiàn)場所測得的多組數(shù)據(jù)存儲到PC上位機，并進行分析處理。讀取保存有多組原始數(shù)據(jù)的Excel文件，進行均值處理，得到不同風壓條件下各采集點的均值，如表1所示。再使用Origin對采集點均值進行曲線擬合，結(jié)果如圖9所示。

擬合曲線顯示，噴射混凝土打擊力分布測試試驗系統(tǒng)能完整的捕捉到測試壓力。試驗結(jié)果表明，在多種工況下，混凝土打擊力分布均符合在噴射軸附近中心區(qū)域大，并向周邊區(qū)域減小的規(guī)律；隨著風壓的增加，混凝土打擊壓力增大。所測得的試驗數(shù)據(jù)的相關(guān)性與文獻[10-12]所做射流特性試驗結(jié)論吻合，故筆者自主設計的噴射混凝土打擊力分布測試試驗系統(tǒng)是可靠的。

圖9 采集點曲線擬合

4 結(jié)論

通過比較、選用壓力變送器，并基于LabVIEW軟件構(gòu)建測試系統(tǒng)，將傳感器的輸出特性進行曲線擬合。在多種工況下，對系統(tǒng)進行現(xiàn)場測試。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析處理，發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果與相關(guān)學者所做的射流測試結(jié)論相吻合，驗證了筆者自主設計的噴射混凝土打擊力分布測試系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)能準確測得現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，對施工現(xiàn)場測試噴嘴性能和噴射混凝土質(zhì)量具有一定的參考價值，本研究為驗證改進噴嘴結(jié)構(gòu)模型的合理性和可行性提供硬件試驗基礎。

表1 不同工況下各采集點參數(shù)均值 MPa