基于正交实验法的大流量磨料水铣混凝土性能的实验研究

胡海涛，杨 林，张小俊，庞 稳

（重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074）

0 引 言

近十年来，混凝土水铣技术在欧美国家已经成熟并被广泛推广，但水铣设备依然采用高压大流量纯水射流模式[1]。目前，我国高压力、大流量、大功率增压水泵技术尚不成熟，进口设备过于昂贵，这些因素限制了混凝土水铣的运用。针对这一状况，笔者尝试采用大流量磨料射流代替纯水射流并对其进行初步实验研究。

由于水铣的特殊性和复杂性，影响水铣的因素很多[2,3]，如射流压力、靶距、磨料浓度以及喷嘴参数等等。根据实验室实际情况，在进行实验时选用的可能影响因素[4]为射流压力P、靶距S 和磨料重量M。这些因素对水铣性能的影响大小和其相互之间的作用难以确定，本文拟采用正交实验的方法，针对上述因素对水铣性能的影响进行实验，同时对实验数据进行分析、处理，以得出结论。

图1 前混合磨料射流系统示意图

1 实验装置

为研究大流量磨料射流对混凝土的冲蚀效果，实验采用前混合磨料射流系统，实验装置[5]，如图1所示。

实验采用圆锥收敛型喷嘴，喷嘴直径 3.8 mm，总长22 mm，加速直线段11 mm，圆锥段收敛角度为25°。实验材料选用重庆某混凝土公司C40标准试件，其尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，采用80#的陶粒作为磨料，磨料浓度在8%~10%之间。

2 正交实验设计

自英国学者Ronald A．Fisher在1920年提出了基于数理统计原理的正交优选法以来，正交试验法[6~8]在近百年内已形成完整的试验技术体系。

正交试验法就是利用排列整齐的正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析，实现通过少数的试验次数找到较好的生产条件，以达到最高生产工艺效果。正交表能够在因素变化范围内均衡抽样，使每次试验都具有较强的代表性，由于正交表具备均衡分散的特点，保证了全面试验的某些要求，这些试验往往能够较好或更好地达到试验的目的。

本实验有3个影响因素，每个都有4个水平，若做完所有组合的64 次实验，需要花费大量时间和精力，所以考虑采用正交实验法安排实验。实验因素与水平，见表1。

表1 实验因素与水平表

根据表1中的因素与水平设计正交表。本实验暂不考虑因素之间的交互作用，有3 个因素，均为四水平。能安排3 个四水平的正交表为L16(45)。使用该表共需要做16组实验。

选定正交表后，按因素水平表上固定的次序，把因素和因素顺序的对号入座，列出实验条件。用L16(45)正交表安排的实验方案。

3 正交实验结果分析

按正交实验设计的因素和水平数，随机抽取实验号，在相应工况下对混凝土靶物进行冲蚀实验。得到16组实验结果，运用正交分析的方法，进行如下分析。

3.1 实验结果的一般分析

将实验的结果按照一般分析的方法列为表2。表中考核指标冲蚀体积vi为实验设计对应工况下对混凝土靶物的冲蚀体积。

表2 正交表L16(45)——实验结果计算分析

1）计算每一因素各个水平导致结果之和Ki；

2）计算每一因素各个水平导致结果之和的平均值ki；

3）计算每一因素各个水平导致结果之和的极差R；

4）确定关键因素、重要因素和可能最优方案；

5）考察水平因素，探求可能最有用方案。

考察水平趋势是通过分析与结果的内在联系，寻求实验当中没有选取但可能是最佳的水平因素，从而进一步依次总结出更佳的实验方案。考察效应曲线图以因素水平为横坐标，用相应的因素水平对应的考察指标冲蚀体积vi为纵坐标，在坐标轴上描出相应点，并将同一因素的点连起来，即形成效应曲线图。极差R用于判断各因素的重要性次序，一般按照其由大到小排列。再结合效应曲线可进一步观察指标随因素水平的变化趋势。效应曲线图，如图2所示。

图2 效应曲线图

根据以上分析，可以得出结论：冲蚀性能随着靶距的变化不大，随射流压力和磨料重量的增加而增加。各因素对考察指标冲蚀体积的影响效果大小次序为：射流压力P—磨料重量M—靶距S；对于因素射流压力的4个水平，由ki可以看出水平4（P=11 MPa）对应的均值最大；同理，因素磨料重量在水平1（M=3 kg）、因素靶距在水平1（S=6 mm）处效果最好。从以上取值可以得到实验最佳方案为A4C1B1，由于分析出的最佳方案并没在所做的16 组实验中出现，补做该组实验，测得对应的冲蚀体积为所有实验中最大值，与理论分析相符合。

3.2 实验结果的方差分析及显著性检验

根据正交方差分析的相关公式，对实验数据进行方差分析，并进行显著性分析检验。

2）计算自由度f ：f总=n-1，f因=na-1，其中：na为因素a 对应的水平数；

计算结果，见表3所示。

从方差分析结果来看，3个因素的主次关系依次为A、C、B，与前面直观分析结果一致。

表3 方差分析表

利用显著性检验可以判断因素影响是否明显。从表3中F值与临界值比较可以看出，射流压力对实验结果影响特别显著，磨料重量对实验结果影响显著，靶距对实验结果影响不显著。

4 结束语

通过对混合磨料射流冲蚀混凝土实验，初步了解大流量磨料水铣混凝土性能。应用正交实验法分析得出影响大流量磨料射流冲蚀混凝土的主要因素依次是射流压力、磨料重量、冲蚀靶距。射流压力对实验结果影响特别显著，磨料重量对实验结果影响显著。

[1] 杜晓琳,杨林.混凝土路面水铣技术及应用[J].北方交通,2011(10):12-14.

[2] 杨清文,廖振方,杨林.磨料射流加工的主要参数对冲蚀体积的影响[J].制造技术与机床,1997(10):30-32.

[3] 杨林,宋军,杜子学.磨料水射流的切割技术特征和工艺特征[J].航空精密制造技术,2005（2）：35-38.

[4] Ning Y L,Hu S G,,Gao J F.The experiment design and study on submerged abrasive water jet[G]//The 7thPacific Rim Inter⁃national Conference on Water Jet Technology. Korea:CIR COMMUNICA-TION,2003:133-139.

[5] 杨清文,王晓敏.前混合磨料水射流切割钢板和混凝土的实验研究[J].兵工学报,2005（1）:133-135.

[6] 赵选民.实验设计方法[M].北京:科学出版社,2005.

[7] 李云燕,胡传荣.试验设计与数据处理[M].北京：化学工业出版社,2005.

[8] 杨玉峰,胡寿根,王宗龙.基于正交实验法的淹没磨料射流冲蚀性能实验研究[J].力学季刊,2006（6）：311-315.