林叔斌 張惠斌
摘 ?要:近幾年中國隧道交通事業(yè)飛速發(fā)展,無論是從數(shù)量、質(zhì)量以及技術(shù)設(shè)備的現(xiàn)代化水平,都已達(dá)到世界領(lǐng)先水平。在噴涂過程中對(duì)混凝土均勻度控制主要依靠機(jī)手的噴漿經(jīng)驗(yàn),所以往往會(huì)導(dǎo)致最終形成隧道壁面平滑度不高,使得噴漿的質(zhì)量降低。因此,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行噴漿操作并不十分的可靠,必須根據(jù)實(shí)際噴漿情況,考慮影響最終噴漿效果的因素,進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn),對(duì)影響因素進(jìn)行參數(shù)化,建立混凝土厚度增長模型。本文介紹了影響噴漿效果的一些因素,建立了混凝土厚度增長模型,最后進(jìn)行了噴漿試驗(yàn),利用最小二乘法求出混凝土的厚度增長速率模型,為后續(xù)分析提供理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:機(jī)械臂;噴漿模型
0引言
噴漿最終的目的是在隧道壁面上形成均勻的混凝土護(hù)層,因此研究混凝土在隧道壁面上的沉積規(guī)律、建立合理的噴漿模型至關(guān)重要[1]。本文主要建立隧道面噴涂模型,一個(gè)精準(zhǔn)的噴涂模型可以很好的反應(yīng)混凝土的分布狀況,從而使規(guī)劃的軌跡更加準(zhǔn)確。建立一個(gè)抽象的噴涂模型和實(shí)際的噴涂模型有一定的區(qū)別,因此本文首先考慮了隧道的各種影響因素,對(duì)于其中的一些共性影響因素,在建立模型的過程中不用考慮。對(duì)于一些在噴涂過程中經(jīng)常變化且對(duì)最終噴涂效果有很大的影響的噴涂參數(shù),需要詳細(xì)研究它們和累積模型的關(guān)系。噴漿模型源于實(shí)際噴漿,但是對(duì)于其中的一些不可控因素,在建立模型的過程中也做出了一些理想化的假設(shè)。然后在上述的假設(shè)前提下,在平面上建立了噴漿模型與噴涂參數(shù)之間的關(guān)系,最后通過實(shí)際的噴涂實(shí)驗(yàn),用上面提出的模型去對(duì)噴涂出的混凝土厚度形狀進(jìn)行擬合,得出噴涂參數(shù)。
1 噴涂的前提假設(shè)
在正式施工的過程中,附著在壁面上混凝土的增長情況和很多因素相關(guān),例如隧道里面的空氣濕度、壓強(qiáng)、噴槍噴射混凝土的速率、噴槍距離待噴涂面的距離、噴槍的噴涂角度、噴槍的移動(dòng)速度等。其中有一些因素不太好量化,而且影響因素也不是很大,一般在實(shí)驗(yàn)中起到的作用是固定的,所以為了構(gòu)建出簡潔有效的噴涂模型,做出如下幾點(diǎn)假設(shè):
1) 一些影響因素不變:假設(shè)在一個(gè)理想的狀態(tài)下,空氣濕度、壓強(qiáng)等自然影響因素保持不變。
2) 噴槍噴出混凝土連續(xù)性假設(shè):通過高速的風(fēng)力噴射出來的混凝土顆粒體積很小,可以認(rèn)為它們?cè)谒淼辣诿嫔鲜蔷鶆蚍植嫉?。并且在噴涂過程中噴漿機(jī)單位時(shí)間內(nèi)噴射出混凝土的量是一定的,所以在噴涂過程中覆蓋也是比較均勻的。
3) 噴涂方式假設(shè):根據(jù)國家公路隧道施工技術(shù)規(guī)范,噴嘴在垂直隧道面噴涂時(shí)效果最好,因?yàn)閮A斜噴涂會(huì)使噴涂的混凝土產(chǎn)生分離,并且會(huì)增加回彈,所以在噴涂過程中,垂直噴涂可以最大程度的使混凝土附著在隧道壁面上,所以假設(shè)在噴涂的過程中,噴槍都是垂直于隧道壁面,并且噴涂在壁面上的混凝土不會(huì)因?yàn)榉磸椂斐苫炷翐p失。
4) 噴漿機(jī)控制精度高:因?yàn)閲姖{機(jī)是液壓驅(qū)動(dòng),因此在運(yùn)行中不是特別穩(wěn)定,因此假設(shè)噴漿機(jī)在運(yùn)行過程中控制穩(wěn)定,相關(guān)參數(shù)的控制精度都能準(zhǔn)確達(dá)到。
2 平面靜態(tài)噴涂模型
基于前面做出的一系列假設(shè)的前提,可以對(duì)噴涂這一操作建立數(shù)學(xué)模型,如圖1所示,它是噴漿機(jī)正在施工的場(chǎng)景,可以看出,噴槍將混凝土通過高速風(fēng)壓噴涂,成錐形狀噴涂在隧道壁面上,由于整個(gè)隧道半徑很大,而噴射出的混凝土的范圍對(duì)于整個(gè)隧道面來說很微小,故噴槍噴涂在隧道壁面上可以近似的認(rèn)為它噴涂在一個(gè)平面上,其噴涂操作可以理想化為圖2所示。
其中h表示為噴槍離隧道壁面的距離,o點(diǎn)表示噴槍垂直于壁面的點(diǎn),也即整個(gè)附著區(qū)域的中心,R表示噴涂覆蓋區(qū)域的半徑,α表示噴涂的張角。我們以o點(diǎn)為圓心建立三維坐標(biāo)系,使Z軸經(jīng)過噴槍的中心。在此我們選取 模型來描述隧道壁面上的混凝土分布規(guī)律,在某一時(shí)刻,隧道壁面上的混凝土的分布函數(shù)為:
其中, 表示噴涂中心o點(diǎn)的厚度,也是整個(gè)噴涂區(qū)域最厚的地方, 是選定的參數(shù),這個(gè)參數(shù)由實(shí)際混凝土增長形狀決定,噴涂區(qū)域覆蓋的半徑R與噴槍離隧道壁面的距離h之間的關(guān)系為:
3 單點(diǎn)噴涂實(shí)驗(yàn)
首先給噴漿機(jī)送風(fēng),等風(fēng)壓穩(wěn)定時(shí),然后打開噴漿機(jī),將噴槍調(diào)節(jié)到離隧道壁面1m的位置,并且噴槍要垂直于壁面,用擋板遮住噴槍口,然后輸送混凝土和速凝劑,待噴涂穩(wěn)定時(shí),迅速移開擋板,使噴漿機(jī)在某一位置噴涂1秒鐘,再用擋板遮住噴槍口,再移動(dòng)一個(gè)位置,重復(fù)進(jìn)行兩組相同的實(shí)驗(yàn)。再以同樣的方法,分別使噴漿機(jī)在某一位置噴涂1.5秒鐘、2秒鐘。然后移開噴嘴,關(guān)閉速凝劑計(jì)量泵,停止供料,待噴嘴里面少量混凝土和速凝劑完全噴完以后,停止供風(fēng)。
由于KC30的噴嘴是圓形,所以噴出來的混凝土近似圓形,由于噴漿機(jī)體型很大且工業(yè)要求不是特別高,所以噴涂實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一些供料不穩(wěn)定和移動(dòng)噴嘴帶來的誤差可以忽略不計(jì)。待噴涂的混凝土凝固之后,采用激光雷達(dá)掃描法來確定噴涂出的厚度分布狀況,即在噴涂前掃描一次隧道面,然后噴涂完成之后再掃描一次隧道面,由于雷達(dá)的位置是固定的,因此兩次掃描的結(jié)果中點(diǎn)的位置變動(dòng)即為噴涂的混凝土的分布狀況,計(jì)算選定的測(cè)試點(diǎn)與第一次噴涂的點(diǎn)云面之間的距離便可以求出混凝土的累積情況。將采集的數(shù)據(jù)最高處的橫切面采集的數(shù)據(jù)繪制如圖3所示
可以看出,隨著噴涂時(shí)間的增加,噴涂厚度穩(wěn)定增加,其分布大致符合β分布模型,所以采用β函數(shù)曲線來擬合涂料分布。分別用這三次噴涂的厚度除以對(duì)應(yīng)的噴涂時(shí)間,然后求出一條最接近的曲線即為混凝土的增長速率曲線。本文采用最小二乘法來求解β的參數(shù),目標(biāo)函數(shù)可以表示為:
根據(jù)上面的公式可得,需要根據(jù)目標(biāo)函數(shù)確定的變量為噴涂半徑R,β函數(shù)的參數(shù)β以及對(duì)應(yīng)的系數(shù) ,當(dāng)m取得最小值時(shí),相應(yīng)的擬合程度最好,如圖4所示。
其對(duì)應(yīng)的解為β=2.7,R=65mm,當(dāng)t=1秒時(shí) =12.03mm,當(dāng)t=1.5秒時(shí) =17.99mm,當(dāng)t=2秒時(shí) =24.09mm,則對(duì)這三個(gè)時(shí)間段內(nèi)的累積速率求單位時(shí)間內(nèi)增長速率為12.02,則可以求出這臺(tái)噴漿機(jī)的速率增長模型為:
4 總結(jié)
本文主要建立了噴涂參數(shù)和混凝土分布之間的關(guān)系,分析了當(dāng)這些影響因素變化時(shí),附著厚度的變化情況。相較于真實(shí)噴漿操作,本文對(duì)噴涂操作中一些情況做了理想化處理,忽視了一些不重要的因素和共性因素,然后基于β分布建立了隧道噴涂模型。然后進(jìn)行了噴涂實(shí)驗(yàn),求出了基于噴漿機(jī)KC30的噴涂累積模型,該模型可以用于軌跡規(guī)劃的理論研究。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉鐵成.噴涂機(jī)器人軌跡規(guī)劃研究[D].重慶:重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文,2015.