摘要：混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程的控制較為復(fù)雜，有較多變量不易監(jiān)控調(diào)整，尤其是對(duì)于采用風(fēng)動(dòng)附著式振搗器，所形成的混凝土振搗體系參數(shù)的量化及控制。文章通過(guò)研究分析混凝土振動(dòng)力場(chǎng)，運(yùn)用傳感轉(zhuǎn)換及反饋調(diào)節(jié)技術(shù)，將復(fù)雜振動(dòng)物理力場(chǎng)進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)科學(xué)定量分析，并進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。對(duì)振動(dòng)力場(chǎng)的監(jiān)測(cè)分析，能為預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝過(guò)程的可追溯性提供可靠依據(jù)，為預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、減人工化方向的發(fā)展提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)力場(chǎng)：監(jiān)測(cè)：反饋調(diào)節(jié)：量化

中圖分類(lèi)號(hào)：TU756

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

混凝土預(yù)制構(gòu)件因其高效節(jié)能、精度強(qiáng)度及外觀質(zhì)量等較有保證，在_丁-程建設(shè)中的應(yīng)用逐漸成為主流，如盾構(gòu)管片、裝配式PC構(gòu)件、扭王塊、預(yù)制箱梁箱涵等，尤其以盾構(gòu)隧道襯砌管片最具代表性，在其生產(chǎn)工藝中，模具型腔混凝土的真道工藝，使用高頻風(fēng)動(dòng)振動(dòng)器提供振動(dòng)力，這也是大體積混凝土主要振搗方式，其振動(dòng)效果對(duì)成品后期抗?jié)B、強(qiáng)度指標(biāo)有關(guān)鍵影響。

目前，盾構(gòu)管片等采用附著式振搗成型的預(yù)制構(gòu)件，在生產(chǎn)過(guò)程中，振動(dòng)效果主要依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)聽(tīng)聲判斷，在整個(gè)預(yù)制行業(yè)中，對(duì)于振動(dòng)力場(chǎng)在模具型腔內(nèi)作用效果尚無(wú)定性定量的數(shù)據(jù)化分析。本文綜合上述研究現(xiàn)狀的情況，首先分析預(yù)制行業(yè)振動(dòng)工序的相關(guān)工況、振動(dòng)力場(chǎng)需要量化的必要參數(shù)，采用壓電振動(dòng)等傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)氣壓一頻率變化、全功率的振動(dòng)場(chǎng)的耦合情況、力場(chǎng)與混凝土密實(shí)度指標(biāo)的關(guān)系等進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，以期為混凝土預(yù)制行業(yè)混凝土振動(dòng)效果的精準(zhǔn)及智能提供科學(xué)支撐。

1 小直徑盾構(gòu)管片模具型腔振動(dòng)器及分布點(diǎn)位的工況簡(jiǎn)介

以盾構(gòu)管片模具為例，其型腔底板居中均勻3個(gè)風(fēng)動(dòng)振動(dòng)器如圖1所示，其內(nèi)部具有固定軸，在壓縮空氣的推動(dòng)下，一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)子圍繞固定軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子通過(guò)其偏心運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的離心力，從而提供動(dòng)力，震動(dòng)頻率在270 Hz，模具整體振幅約0.3 mm。本文分析對(duì)象中鋼制模具型腔及支撐附件白重4.1 t、混凝土滿(mǎn)布3.5 t．模具型腔為內(nèi)徑5.5 m、外徑6.2 m、圓弧中心角67.5°。混凝土為干硬性，坍落度在50 mm左右，骨料粒徑5-25 mm。

在使用中，因壓縮空氣氣壓、振動(dòng)器磨損等造成振動(dòng)功率和頻率的衰減，其中氣壓可以穩(wěn)定控制，但振動(dòng)器耦合密封磨損等情況，造成的力場(chǎng)衰減就需要被及時(shí)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，包括全功率輸出過(guò)程中，多個(gè)振動(dòng)器作用于同一物體，會(huì)產(chǎn)生頻率不同步造成力場(chǎng)的疊加增強(qiáng)或抵消減弱；振動(dòng)器分布點(diǎn)位對(duì)振動(dòng)力傳遞的效果：以及達(dá)到模具固有頻率共振影響模具強(qiáng)度等影響，目前在整個(gè)預(yù)制行業(yè)中尚無(wú)監(jiān)測(cè)分析?；诖斯P者對(duì)模具振動(dòng)力場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行研究分析，對(duì)振動(dòng)頻率、加速度、振幅進(jìn)行量化，并通過(guò)階段性的調(diào)節(jié)壓縮空氣氣壓、流量，反饋調(diào)節(jié)振動(dòng)器的振動(dòng)頻率等參數(shù)，便于直觀把控構(gòu)件混凝土振動(dòng)效果。2模具體系振動(dòng)參數(shù)定量測(cè)量原理

在研究中，測(cè)量元件采用工業(yè)用加速度振動(dòng)傳感器，傳感器均使用磁吸式盤(pán)頭，通電后直接吸附在模具上面。主要分拾振、解調(diào)放大線路和顯示記錄3個(gè)環(huán)節(jié)。拾振環(huán)節(jié)是利用傳感器將被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)的或電的信號(hào)。根據(jù)傳感器原理搭配解調(diào)系統(tǒng)，如專(zhuān)配壓電式傳感器的測(cè)量線路有電壓放大器、電荷放大器等；還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。最后進(jìn)行信號(hào)分析，從測(cè)量線路輸出的電壓信號(hào)，可按測(cè)量的要求輸入給信預(yù)制構(gòu)件振動(dòng)力場(chǎng)監(jiān)調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用

劉增輝

摘要：混凝土預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程的控制較為復(fù)雜，有較多變量不易監(jiān)控調(diào)整，尤其是對(duì)于采用風(fēng)動(dòng)附著式振搗器，所形成的混凝土振搗體系參數(shù)的量化及控制。文章通過(guò)研究分析混凝土振動(dòng)力場(chǎng)，運(yùn)用傳感轉(zhuǎn)換及反饋調(diào)節(jié)技術(shù)，將復(fù)雜振動(dòng)物理力場(chǎng)進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)科學(xué)定量分析，并進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。對(duì)振動(dòng)力場(chǎng)的監(jiān)測(cè)分析，能為預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)工藝過(guò)程的可追溯性提供可靠依據(jù)，為預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、減人工化方向的發(fā)展提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)力場(chǎng)：監(jiān)測(cè)：反饋調(diào)節(jié)：量化

中圖分類(lèi)號(hào)：TU756

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

混凝土預(yù)制構(gòu)件因其高效節(jié)能、精度強(qiáng)度及外觀質(zhì)量等較有保證，在_丁-程建設(shè)中的應(yīng)用逐漸成為主流，如盾構(gòu)管片、裝配式PC構(gòu)件、扭王塊、預(yù)制箱梁箱涵等，尤其以盾構(gòu)隧道襯砌管片最具代表性，在其生產(chǎn)工藝中，模具型腔混凝土的真道工藝，使用高頻風(fēng)動(dòng)振動(dòng)器提供振動(dòng)力，這也是大體積混凝土主要振搗方式，其振動(dòng)效果對(duì)成品后期抗?jié)B、強(qiáng)度指標(biāo)有關(guān)鍵影響。

目前，盾構(gòu)管片等采用附著式振搗成型的預(yù)制構(gòu)件，在生產(chǎn)過(guò)程中，振動(dòng)效果主要依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)聽(tīng)聲判斷，在整個(gè)預(yù)制行業(yè)中，對(duì)于振動(dòng)力場(chǎng)在模具型腔內(nèi)作用效果尚無(wú)定性定量的數(shù)據(jù)化分析。本文綜合上述研究現(xiàn)狀的情況，首先分析預(yù)制行業(yè)振動(dòng)工序的相關(guān)工況、振動(dòng)力場(chǎng)需要量化的必要參數(shù)，采用壓電振動(dòng)等傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)氣壓一頻率變化、全功率的振動(dòng)場(chǎng)的耦合情況、力場(chǎng)與混凝土密實(shí)度指標(biāo)的關(guān)系等進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，以期為混凝土預(yù)制行業(yè)混凝土振動(dòng)效果的精準(zhǔn)及智能提供科學(xué)支撐。

1 小直徑盾構(gòu)管片模具型腔振動(dòng)器及分布點(diǎn)位的工況簡(jiǎn)介

以盾構(gòu)管片模具為例，其型腔底板居中均勻3個(gè)風(fēng)動(dòng)振動(dòng)器如圖1所示，其內(nèi)部具有固定軸，在壓縮空氣的推動(dòng)下，一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)子圍繞固定軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子通過(guò)其偏心運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的離心力，從而提供動(dòng)力，震動(dòng)頻率在270 Hz，模具整體振幅約0.3 mm。本文分析對(duì)象中鋼制模具型腔及支撐附件白重4.1 t、混凝土滿(mǎn)布3.5 t．模具型腔為內(nèi)徑5.5 m、外徑6.2 m、圓弧中心角67.5°?；炷翞楦捎残?，坍落度在50 mm左右，骨料粒徑5-25 mm。

在使用中，因壓縮空氣氣壓、振動(dòng)器磨損等造成振動(dòng)功率和頻率的衰減，其中氣壓可以穩(wěn)定控制，但振動(dòng)器耦合密封磨損等情況，造成的力場(chǎng)衰減就需要被及時(shí)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，包括全功率輸出過(guò)程中，多個(gè)振動(dòng)器作用于同一物體，會(huì)產(chǎn)生頻率不同步造成力場(chǎng)的疊加增強(qiáng)或抵消減弱；振動(dòng)器分布點(diǎn)位對(duì)振動(dòng)力傳遞的效果：以及達(dá)到模具固有頻率共振影響模具強(qiáng)度等影響，目前在整個(gè)預(yù)制行業(yè)中尚無(wú)監(jiān)測(cè)分析?；诖斯P者對(duì)模具振動(dòng)力場(chǎng)效應(yīng)進(jìn)行研究分析，對(duì)振動(dòng)頻率、加速度、振幅進(jìn)行量化，并通過(guò)階段性的調(diào)節(jié)壓縮空氣氣壓、流量，反饋調(diào)節(jié)振動(dòng)器的振動(dòng)頻率等參數(shù)，便于直觀把控構(gòu)件混凝土振動(dòng)效果。2模具體系振動(dòng)參數(shù)定量測(cè)量原理

在研究中，測(cè)量元件采用工業(yè)用加速度振動(dòng)傳感器，傳感器均使用磁吸式盤(pán)頭，通電后直接吸附在模具上面。主要分拾振、解調(diào)放大線路和顯示記錄3個(gè)環(huán)節(jié)。拾振環(huán)節(jié)是利用傳感器將被測(cè)的機(jī)械振動(dòng)量轉(zhuǎn)換為機(jī)械的、光學(xué)的或電的信號(hào)。根據(jù)傳感器原理搭配解調(diào)系統(tǒng)，如專(zhuān)配壓電式傳感器的測(cè)量線路有電壓放大器、電荷放大器等；還有積分線路、微分線路、濾波線路、歸一化裝置等等。最后進(jìn)行信號(hào)分析，從測(cè)量線路輸出的電壓信號(hào)，可按測(cè)量的要求輸入給信號(hào)分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計(jì)等）等，也可輸入到信號(hào)分析儀進(jìn)行各種分析處理，從而得到最終結(jié)果。并包含反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)整風(fēng)壓、流量，從而控制振動(dòng)器的振動(dòng)姿態(tài)，適應(yīng)各種頻率振幅的需要。

系統(tǒng)傳感器采用三軸傳感器，掃描頻率在750次／s，有效覆蓋振動(dòng)器的震動(dòng)頻率。

如圖2所示，為振動(dòng)量化測(cè)量原理，其中各部位組成：（1）直流濾波電源；（2）信號(hào)處理系統(tǒng)（含檢測(cè)、記錄存儲(chǔ)、示波、比較計(jì)算等功能）；（3）聲光報(bào)警器；（4）屏蔽式集成電纜；（5）混凝土預(yù)制構(gòu)件模具型腔；（6）磁吸式盤(pán)頭振動(dòng)傳感器；（7）風(fēng)動(dòng)高頻振動(dòng)器。

其核心控制系統(tǒng)輸入方式DC、AC、GND、IEPE（單端／差動(dòng)）及1/4橋（三線制白補(bǔ)償）、半橋、全橋，并行同步采樣，每通道最高連續(xù)采樣速率256 kHz．每通道獨(dú)立的24位A/D轉(zhuǎn)換器，頻響設(shè)置較寬，可實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)線和TEDS傳感器識(shí)別，具備參數(shù)設(shè)置、功能控制、數(shù)據(jù)管理、報(bào)告輸出等

3 實(shí)際應(yīng)用原理

在生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)所選用混凝土的性狀，確定生產(chǎn)所選擇的頻率、振幅、振動(dòng)時(shí)間。

混凝土振動(dòng)密實(shí)成型的關(guān)鍵參數(shù)主要包括：頻率、振幅以及振動(dòng)時(shí)間，由振動(dòng)頻率與振幅可以計(jì)算激振力。骨料振動(dòng)頻率可根據(jù)法國(guó)學(xué)者雷爾密特提出的計(jì)算公式（1）進(jìn)行估算‘l_。

式中f一振動(dòng)頻率，Hz；D一骨料平均直徑，mm。

根據(jù)坍落度的值可以將混凝土分為塑性混凝土、低流動(dòng)性混凝土及干硬性混凝土?；炷猎诓煌涠葧r(shí)振幅值及振動(dòng)時(shí)間應(yīng)不相同。依據(jù)上述計(jì)算公式得出混凝土相近的振動(dòng)頻率，同時(shí)需要計(jì)入模具的質(zhì)量所抵消的振動(dòng)能量。

根據(jù)所輸入選擇的頻率，系統(tǒng)通過(guò)振動(dòng)傳感器的監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與輸入的目標(biāo)頻率進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)整氣壓的因素進(jìn)行頻率的控制。

4 系統(tǒng)主要有兩種狀態(tài)

4.1 不干預(yù)型振動(dòng)器全功率的工作

該系統(tǒng)僅進(jìn)行監(jiān)測(cè)及振動(dòng)參數(shù)的記錄功能，氣壓恒壓，振動(dòng)器恒功率運(yùn)行，當(dāng)振動(dòng)器磨損或者性能不佳時(shí)，當(dāng)參數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，需要及時(shí)檢查振動(dòng)器排除故障，確保振動(dòng)質(zhì)量有效。

4.2 正負(fù)反饋多階段振動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)

根據(jù)預(yù)設(shè)的頻率，將混凝土布料及振動(dòng)分為若干階段，并設(shè)定一定的時(shí)間，當(dāng)頻率和振幅一定時(shí)，振動(dòng)最佳延續(xù)時(shí)間取決于硅混合物的干硬度（或坍落度），其值可在幾秒鐘至幾分鐘之間[2]。該系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)的參數(shù)，同時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)閥控制氣壓及流量，穩(wěn)定各個(gè)階段的震動(dòng)頻率．優(yōu)化振動(dòng)效果，同時(shí)能夠兼具不干預(yù)狀態(tài)的報(bào)警提示功能。

5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析

5.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

系統(tǒng)通過(guò)傳感器收集信號(hào)，經(jīng)處理后實(shí)時(shí)保存，并進(jìn)行示波顯示，三軸傳感器以Z軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)作為主要分析對(duì)象，每秒750次并取平均值進(jìn)行比較，對(duì)所測(cè)得頻率進(jìn)行示波，形成頻譜。同時(shí)將該時(shí)鐘內(nèi)氣壓、頻率、振幅、加速度等參數(shù)進(jìn)行匯總，對(duì)應(yīng)產(chǎn)品編號(hào)，形成追溯。

5.2 對(duì)應(yīng)產(chǎn)品表觀數(shù)據(jù)的分析

每一個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)產(chǎn)品密實(shí)度、表面氣孔率、抗?jié)B電通量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，形成一種直觀的對(duì)應(yīng)規(guī)律，能夠有效地提升產(chǎn)品質(zhì)量，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可控。運(yùn)用該系統(tǒng)，經(jīng)同條件試塊及部分樣品測(cè)定，混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差<0.7 Mpa，表面氣泡率標(biāo)準(zhǔn)差<2.6%，電通量標(biāo)準(zhǔn)差<12.3C。

6 擴(kuò)展應(yīng)用

如圖3所示，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)接口及數(shù)據(jù)通道可擴(kuò)展，融合應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量等，結(jié)合有限元分析，將模具網(wǎng)格化選取多重節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建振動(dòng)力場(chǎng)的效應(yīng)模型，精細(xì)的分析附著式振動(dòng)器的能量轉(zhuǎn)化特征。

通過(guò)多次數(shù)據(jù)的分析，能直觀的總結(jié)適應(yīng)預(yù)制構(gòu)件的振動(dòng)參數(shù)，兼顧規(guī)避模具固有頻率的共振現(xiàn)象，延長(zhǎng)模具設(shè)備使用壽命。在多軸力場(chǎng)上擴(kuò)展振動(dòng)力場(chǎng)疊加、振幅及頻率耦合作用的分析[3]。

同時(shí)，間接的可以進(jìn)行穩(wěn)定混凝土和易性及坍落度，探索早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度的平衡，減少生產(chǎn)全過(guò)程人為因素的抗干擾，并形成成熟的可追溯性的記錄。

7 結(jié)語(yǔ)

本文所述的基于預(yù)制構(gòu)件附著式震動(dòng)器振動(dòng)力場(chǎng)效應(yīng)定量監(jiān)控調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件振動(dòng)力場(chǎng)效應(yīng)分析，量化振動(dòng)過(guò)程的參數(shù)變化，優(yōu)化振搗過(guò)程，同時(shí)可擴(kuò)展到電控混沌振動(dòng)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)反饋調(diào)節(jié)。但目前還存在一定振動(dòng)算法繁雜的問(wèn)題，后續(xù)仍需進(jìn)行混凝土內(nèi)部振動(dòng)量化的深入研究，不斷深刻還原混凝土振搗過(guò)程及變化。

參考文獻(xiàn)

[1]秦雪濤．移動(dòng)式混凝土振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)及諧響應(yīng)分析與應(yīng)用[J]．建筑機(jī)械化．2020（7）：70-75．

[2]章利華．振動(dòng)參數(shù)對(duì)混凝土密實(shí)度的影及合理選擇[J]．混凝土與水泥制品．1988（5）：52-54．

[3]丑凱．超高性能混凝土堆積密實(shí)度和火山灰效應(yīng)量化研究[D]．長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2010．

（編輯傅金睿）