基于正交實驗法的大流量磨料水銑混凝土性能的實驗研究

胡海濤，楊 林，張小俊，龐 穩

（重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074）

0 引 言

近十年來，混凝土水銑技術在歐美國家已經成熟并被廣泛推廣，但水銑設備依然采用高壓大流量純水射流模式[1]。目前，我國高壓力、大流量、大功率增壓水泵技術尚不成熟，進口設備過于昂貴，這些因素限制了混凝土水銑的運用。針對這一狀況，筆者嘗試采用大流量磨料射流代替純水射流并對其進行初步實驗研究。

由于水銑的特殊性和復雜性，影響水銑的因素很多[2,3]，如射流壓力、靶距、磨料濃度以及噴嘴參數等等。根據實驗室實際情況，在進行實驗時選用的可能影響因素[4]為射流壓力P、靶距S 和磨料重量M。這些因素對水銑性能的影響大小和其相互之間的作用難以確定，本文擬采用正交實驗的方法，針對上述因素對水銑性能的影響進行實驗，同時對實驗數據進行分析、處理，以得出結論。

圖1 前混合磨料射流系統示意圖

1 實驗裝置

為研究大流量磨料射流對混凝土的沖蝕效果，實驗采用前混合磨料射流系統，實驗裝置[5]，如圖1所示。

實驗采用圓錐收斂型噴嘴，噴嘴直徑 3.8 mm，總長22 mm，加速直線段11 mm，圓錐段收斂角度為25°。實驗材料選用重慶某混凝土公司C40標準試件，其尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，采用80#的陶粒作為磨料，磨料濃度在8%~10%之間。

2 正交實驗設計

自英國學者Ronald A．Fisher在1920年提出了基于數理統計原理的正交優選法以來，正交試驗法[6~8]在近百年內已形成完整的試驗技術體系。

正交試驗法就是利用排列整齊的正交表來對試驗進行整體設計、綜合比較、統計分析，實現通過少數的試驗次數找到較好的生產條件，以達到最高生產工藝效果。正交表能夠在因素變化范圍內均衡抽樣，使每次試驗都具有較強的代表性，由于正交表具備均衡分散的特點，保證了全面試驗的某些要求，這些試驗往往能夠較好或更好地達到試驗的目的。

本實驗有3個影響因素，每個都有4個水平，若做完所有組合的64 次實驗，需要花費大量時間和精力，所以考慮采用正交實驗法安排實驗。實驗因素與水平，見表1。

表1 實驗因素與水平表

根據表1中的因素與水平設計正交表。本實驗暫不考慮因素之間的交互作用，有3 個因素，均為四水平。能安排3 個四水平的正交表為L16(45)。使用該表共需要做16組實驗。

選定正交表后，按因素水平表上固定的次序，把因素和因素順序的對號入座，列出實驗條件。用L16(45)正交表安排的實驗方案。

3 正交實驗結果分析

按正交實驗設計的因素和水平數，隨機抽取實驗號，在相應工況下對混凝土靶物進行沖蝕實驗。得到16組實驗結果，運用正交分析的方法，進行如下分析。

3.1 實驗結果的一般分析

將實驗的結果按照一般分析的方法列為表2。表中考核指標沖蝕體積vi為實驗設計對應工況下對混凝土靶物的沖蝕體積。

表2 正交表L16(45)——實驗結果計算分析

1）計算每一因素各個水平導致結果之和Ki；

2）計算每一因素各個水平導致結果之和的平均值ki；

3）計算每一因素各個水平導致結果之和的極差R；

4）確定關鍵因素、重要因素和可能最優方案；

5）考察水平因素，探求可能最有用方案。

考察水平趨勢是通過分析與結果的內在聯系，尋求實驗當中沒有選取但可能是最佳的水平因素，從而進一步依次總結出更佳的實驗方案。考察效應曲線圖以因素水平為橫坐標，用相應的因素水平對應的考察指標沖蝕體積vi為縱坐標，在坐標軸上描出相應點，并將同一因素的點連起來，即形成效應曲線圖。極差R用于判斷各因素的重要性次序，一般按照其由大到小排列。再結合效應曲線可進一步觀察指標隨因素水平的變化趨勢。效應曲線圖，如圖2所示。

圖2 效應曲線圖

根據以上分析，可以得出結論：沖蝕性能隨著靶距的變化不大，隨射流壓力和磨料重量的增加而增加。各因素對考察指標沖蝕體積的影響效果大小次序為：射流壓力P—磨料重量M—靶距S；對于因素射流壓力的4個水平，由ki可以看出水平4（P=11 MPa）對應的均值最大；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）處效果最好。從以上取值可以得到實驗最佳方案為A4C1B1，由于分析出的最佳方案并沒在所做的16 組實驗中出現，補做該組實驗，測得對應的沖蝕體積為所有實驗中最大值，與理論分析相符合。

3.2 實驗結果的方差分析及顯著性檢驗

根據正交方差分析的相關公式，對實驗數據進行方差分析，并進行顯著性分析檢驗。

2）計算自由度f ：f總=n-1，f因=na-1，其中：na為因素a 對應的水平數；

計算結果，見表3所示。

從方差分析結果來看，3個因素的主次關系依次為A、C、B，與前面直觀分析結果一致。

表3 方差分析表

利用顯著性檢驗可以判斷因素影響是否明顯。從表3中F值與臨界值比較可以看出，射流壓力對實驗結果影響特別顯著，磨料重量對實驗結果影響顯著，靶距對實驗結果影響不顯著。

4 結束語

通過對混合磨料射流沖蝕混凝土實驗，初步了解大流量磨料水銑混凝土性能。應用正交實驗法分析得出影響大流量磨料射流沖蝕混凝土的主要因素依次是射流壓力、磨料重量、沖蝕靶距。射流壓力對實驗結果影響特別顯著，磨料重量對實驗結果影響顯著。

[1] 杜曉琳,楊林.混凝土路面水銑技術及應用[J].北方交通,2011(10):12-14.

[2] 楊清文,廖振方,楊林.磨料射流加工的主要參數對沖蝕體積的影響[J].制造技術與機床,1997(10):30-32.

[3] 楊林,宋軍,杜子學.磨料水射流的切割技術特征和工藝特征[J].航空精密制造技術,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] 楊清文,王曉敏.前混合磨料水射流切割鋼板和混凝土的實驗研究[J].兵工學報,2005（1）:133-135.

[6] 趙選民.實驗設計方法[M].北京:科學出版社,2005.

[7] 李云燕,胡傳榮.試驗設計與數據處理[M].北京：化學工業出版社,2005.

[8] 楊玉峰,胡壽根,王宗龍.基于正交實驗法的淹沒磨料射流沖蝕性能實驗研究[J].力學季刊,2006（6）：311-315.