湿喷混凝土喷射打击力分布测试试验研究

苏 畅，郑强强

(1.安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

喷射混凝土广泛应用于地铁、隧道、巷道等工程施工中，能有效的起到支撑围岩、阻止围岩松动等作用[1]。完善喷嘴结构、优化混凝土在围岩上的离散性能，弱化粉尘悬浮集度等问题是当下的研究热点。射流测试是对喷嘴喷射性能检测的一种研究方式。文献[2]研究了气固两态在喷嘴出口处的速度，结果表明两者速度随直径的增加而降低。文献[3]研究了射流压力对污染物清洗效率的影响， 得到了在喷嘴直径为0.4mm、靶距为20mm、出口压力为180MPa时清洗打击力能较好的完成清洗工序要求。文献[4]采用理论分析结合数值模拟的方法研究了喷嘴结构对高压水射流的影响。文献[5]研究了高压喷嘴的特性并分析测试的主要参数和方法，得出上位PC机和下位单片机协调工作能较好的完成打击特性测试的结论。文献[6]研究了与高压水射流相关的参数，利用高压水射流进行弹药除油。博际喷雾公司为研究喷嘴性能组建了试验室，该试验室可对射流的高、低压实时监测。北科大为研究喷射打击力使用空速管验证打击力力度[7]。国外很多机构和学者对喷嘴性能测试也展开了研究。日本EVERLOY株式会社通过分离射流水平径向和高度参量的方式研究打击力的力学性能，并能够记录力学参数和喷雾的宽度[8]。文献[9-10]自主研发量测喷射混凝土离散程度的装置，结果表明，在喷射混凝土自重的影响下，喷射混凝土射流沿出口方向呈现非圆周对称。

从国内外相关学者和企业所作的相关工作来看，试验对象主要是针对磨料射流和水为主，试验范围主要以线性为主，并未检索到关于喷射快速凝固湿喷混凝土料流的研究，也未曾有对喷嘴特性与受喷面均匀度同时考虑的试验系统。

因此，本文通过自主设计喷射混凝土打击力测试系统，并基于系统构建试验平台，使用LabVIEW收集和保存试验数据，并对传感器的输出特性进行曲线拟合，提出了一种有效的混凝土喷射打击力分布测试方案，为混凝土喷射机喷嘴设计提供硬件试验基础，并进行了现场试验。

1 系统设计

1.1 系统概述

喷射混凝土打击力分布测试系统主要包括射流打击力分布测试平台(见图1)、压阻式压力传感器、硬件电路板、美国NI公司的M系列多功能数据采集卡NI USB-6229(见图2)和LabVIEW虚拟仪器(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)(编写采集和读取程序如图3所示)。

图1 混凝土喷射测试平台示意图 图2 NI USB-6229数据采集卡

1.2 测试系统传感器的原理

常见的力学传感器种类较多，性能各异，包括电阻式压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器及压阻式压力传感器。电阻式压力传感器是通过所显示的电阻值的波动来检测压力的变化。其优点是取材容易，负载幅值较高，电路的处理也较为简洁，可以和集成电路相容；缺点是有延迟的缺陷，敏感度不是特别强。电容式压力传感器能够利用电容量的变化来测量打击力的大小，其优点是构造简洁、灵敏度高，可以不用接触就能够量测参数；缺点是存在离散电容、噪音以及温度的干扰。压电式压力传感器不能够用于静态测量，它利用特殊材料的压电性质(即逆压电效应和正压电效应)，对电缆性能要求高。结合本试验系统的测试对象和现场试验的工作特性，本文选用压阻式压力传感器。

1.3 传感器的选择

依据湿喷机喷射参数0.12m3/min，进口处料流速度36m/min，进气口处气压0.40～0.60MPa，动力粘度32 N·S/m2，笔者自主研发的测试打击力系统的压力变送器选用森纳士公司由壬型变送器(见图4)，最大测量压力为0.50MPa，其优点是可靠性高、精度高并且抗打击力和抗震性能都较强，变送器工作原理如图5所示。

图4 压力变送器

图5 变送器工作原理示意图

1.4 系统传感器布置

针对喷射混凝土在受喷面离散的问题，笔者自主研发一个压力变送器采样平台，由于喷射料流和受喷面两者的结构是以形心(即中心点)为对称，并且考虑射流喷射的实际范围，在1.00m×1.00m的测试台上，沿X轴方向(-0.50～+0.50m)每隔0.10m设一个变送器采集点并用螺栓固定，如图6所示，为保证耦合效果良好用石蜡密封。这样沿水平方向均布采集点，中心测点标号为O，并用红色记号突出标红靶心，以便后续试验开展。从靶心O向外等距依次分组标号(L5、R5)、(L4、R4)、(L3、R3)、(L2、R2)、(L1、R1)布置11个压力变送器采样点。

图6 压力变送器采集点布置

2 现场试验

2.1 工程背景

现场试验布置在三阳隧道，三阳隧道位于兴(江西省兴国县)泉(福建省泉州市)铁路大田段，是该线路的重要组成部分。该隧道总长为4.345 1km，地质条件较为复杂，累计穿过三条围岩接触带、五条断层和十三条节理密集带，属于存在Ⅱ级风险的隧道，为了解决不良地质条件岩体裂隙内涌水诱发性强、胶结性弱等问题，施工队组采用超前钻探、超前预测、加强超前支护、注浆加固、喷锚支护等措施，确保工程安全进行，试验场地如图7所示。

图7 试验场地

2.2 试验步骤

首先装配固定待测喷嘴，并向输送管中加入适量的水，为混凝土喷射施工做准备。然后调节压缩空气阀门，调节空气流量至额定流量。先喷射大约1.00m3砂浆，用来润滑整个管路系统，待调试完成后关闭喷射系统。按照试验设计，用螺母将变送器依次安装在打击力测试平台上，注意扭紧力矩不应大于14N·m，并将测试台固定牢固。将变送器、电路板、采集卡和PC机连接并设置采集参数。调整湿喷机械手，使用激光发射器瞄准，确保喷嘴对准靶心，调整喷嘴与测试平台间距离为1.00m。打开喷射系统，调整喷嘴进气口风压数值为0.40 MPa，开始采集并储存数据，待采集结束后，关闭射流喷射系统。然后调整不同工况(风压0.50MPa、0.60MPa)重复上述步骤，混凝土喷射打击力测试系统现场布置如图8所示。

图8 现场布置图

3 试验数据处理及分析

调试LabVIEW软件，将采集频率设置为1 000，即1 000次/s，变送器的输出信号电压0～5.00V，最大量测压力为0.50MPa，则电压和输出压力之间的关系式如式(1)。

(1)

将不同工况现场所测得的多组数据存储到PC上位机，并进行分析处理。读取保存有多组原始数据的Excel文件，进行均值处理，得到不同风压条件下各采集点的均值，如表1所示。再使用Origin对采集点均值进行曲线拟合，结果如图9所示。

拟合曲线显示，喷射混凝土打击力分布测试试验系统能完整的捕捉到测试压力。试验结果表明，在多种工况下，混凝土打击力分布均符合在喷射轴附近中心区域大，并向周边区域减小的规律；随着风压的增加，混凝土打击压力增大。所测得的试验数据的相关性与文献[10-12]所做射流特性试验结论吻合，故笔者自主设计的喷射混凝土打击力分布测试试验系统是可靠的。

图9 采集点曲线拟合

4 结论

通过比较、选用压力变送器，并基于LabVIEW软件构建测试系统，将传感器的输出特性进行曲线拟合。在多种工况下，对系统进行现场测试。通过对试验数据的分析处理，发现试验结果与相关学者所做的射流测试结论相吻合，验证了笔者自主设计的喷射混凝土打击力分布测试系统的可行性。系统能准确测得现场试验数据，对施工现场测试喷嘴性能和喷射混凝土质量具有一定的参考价值，本研究为验证改进喷嘴结构模型的合理性和可行性提供硬件试验基础。

表1 不同工况下各采集点参数均值 MPa