預制構件振動力場監調系統的應用

摘要：混凝土預制構件生產過程的控制較為復雜，有較多變量不易監控調整，尤其是對于采用風動附著式振搗器，所形成的混凝土振搗體系參數的量化及控制。文章通過研究分析混凝土振動力場，運用傳感轉換及反饋調節技術，將復雜振動物理力場進行量化，實現科學定量分析，并進行調節控制。對振動力場的監測分析，能為預制構件生產工藝過程的可追溯性提供可靠依據，為預制構件標準化、精細化、減人工化方向的發展提供參考借鑒。

關鍵詞：振動力場：監測：反饋調節：量化

中圖分類號：TU756

文獻標志碼：A

0 引言

混凝土預制構件因其高效節能、精度強度及外觀質量等較有保證，在_丁-程建設中的應用逐漸成為主流，如盾構管片、裝配式PC構件、扭王塊、預制箱梁箱涵等，尤其以盾構隧道襯砌管片最具代表性，在其生產工藝中，模具型腔混凝土的真道工藝，使用高頻風動振動器提供振動力，這也是大體積混凝土主要振搗方式，其振動效果對成品后期抗滲、強度指標有關鍵影響。

目前，盾構管片等采用附著式振搗成型的預制構件，在生產過程中，振動效果主要依賴人工經驗聽聲判斷，在整個預制行業中，對于振動力場在模具型腔內作用效果尚無定性定量的數據化分析。本文綜合上述研究現狀的情況，首先分析預制行業振動工序的相關工況、振動力場需要量化的必要參數，采用壓電振動等傳感監測技術，對氣壓一頻率變化、全功率的振動場的耦合情況、力場與混凝土密實度指標的關系等進行監測分析，以期為混凝土預制行業混凝土振動效果的精準及智能提供科學支撐。

1 小直徑盾構管片模具型腔振動器及分布點位的工況簡介

以盾構管片模具為例，其型腔底板居中均勻3個風動振動器如圖1所示，其內部具有固定軸，在壓縮空氣的推動下，一個或兩個轉子圍繞固定軸旋轉。轉子通過其偏心運動產生旋轉的離心力，從而提供動力，震動頻率在270 Hz，模具整體振幅約0.3 mm。本文分析對象中鋼制模具型腔及支撐附件白重4.1 t、混凝土滿布3.5 t．模具型腔為內徑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、振動器磨損等造成振動功率和頻率的衰減，其中氣壓可以穩定控制，但振動器耦合密封磨損等情況，造成的力場衰減就需要被及時測量發現，包括全功率輸出過程中，多個振動器作用于同一物體，會產生頻率不同步造成力場的疊加增強或抵消減弱；振動器分布點位對振動力傳遞的效果：以及達到模具固有頻率共振影響模具強度等影響，目前在整個預制行業中尚無監測分析。基于此筆者對模具振動力場效應進行研究分析，對振動頻率、加速度、振幅進行量化，并通過階段性的調節壓縮空氣氣壓、流量，反饋調節振動器的振動頻率等參數，便于直觀把控構件混凝土振動效果。2模具體系振動參數定量測量原理

在研究中，測量元件采用工業用加速度振動傳感器，傳感器均使用磁吸式盤頭，通電后直接吸附在模具上面。主要分拾振、解調放大線路和顯示記錄3個環節。拾振環節是利用傳感器將被測的機械振動量轉換為機械的、光學的或電的信號。根據傳感器原理搭配解調系統，如專配壓電式傳感器的測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。最后進行信號分析，從測量線路輸出的電壓信號，可按測量的要求輸入給信預制構件振動力場監調系統的應用

劉增輝

摘要：混凝土預制構件生產過程的控制較為復雜，有較多變量不易監控調整，尤其是對于采用風動附著式振搗器，所形成的混凝土振搗體系參數的量化及控制。文章通過研究分析混凝土振動力場，運用傳感轉換及反饋調節技術，將復雜振動物理力場進行量化，實現科學定量分析，并進行調節控制。對振動力場的監測分析，能為預制構件生產工藝過程的可追溯性提供可靠依據，為預制構件標準化、精細化、減人工化方向的發展提供參考借鑒。

關鍵詞：振動力場：監測：反饋調節：量化

中圖分類號：TU756

文獻標志碼：A

0 引言

混凝土預制構件因其高效節能、精度強度及外觀質量等較有保證，在_丁-程建設中的應用逐漸成為主流，如盾構管片、裝配式PC構件、扭王塊、預制箱梁箱涵等，尤其以盾構隧道襯砌管片最具代表性，在其生產工藝中，模具型腔混凝土的真道工藝，使用高頻風動振動器提供振動力，這也是大體積混凝土主要振搗方式，其振動效果對成品后期抗滲、強度指標有關鍵影響。

目前，盾構管片等采用附著式振搗成型的預制構件，在生產過程中，振動效果主要依賴人工經驗聽聲判斷，在整個預制行業中，對于振動力場在模具型腔內作用效果尚無定性定量的數據化分析。本文綜合上述研究現狀的情況，首先分析預制行業振動工序的相關工況、振動力場需要量化的必要參數，采用壓電振動等傳感監測技術，對氣壓一頻率變化、全功率的振動場的耦合情況、力場與混凝土密實度指標的關系等進行監測分析，以期為混凝土預制行業混凝土振動效果的精準及智能提供科學支撐。

1 小直徑盾構管片模具型腔振動器及分布點位的工況簡介

以盾構管片模具為例，其型腔底板居中均勻3個風動振動器如圖1所示，其內部具有固定軸，在壓縮空氣的推動下，一個或兩個轉子圍繞固定軸旋轉。轉子通過其偏心運動產生旋轉的離心力，從而提供動力，震動頻率在270 Hz，模具整體振幅約0.3 mm。本文分析對象中鋼制模具型腔及支撐附件白重4.1 t、混凝土滿布3.5 t．模具型腔為內徑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、振動器磨損等造成振動功率和頻率的衰減，其中氣壓可以穩定控制，但振動器耦合密封磨損等情況，造成的力場衰減就需要被及時測量發現，包括全功率輸出過程中，多個振動器作用于同一物體，會產生頻率不同步造成力場的疊加增強或抵消減弱；振動器分布點位對振動力傳遞的效果：以及達到模具固有頻率共振影響模具強度等影響，目前在整個預制行業中尚無監測分析。基于此筆者對模具振動力場效應進行研究分析，對振動頻率、加速度、振幅進行量化，并通過階段性的調節壓縮空氣氣壓、流量，反饋調節振動器的振動頻率等參數，便于直觀把控構件混凝土振動效果。2模具體系振動參數定量測量原理

在研究中，測量元件采用工業用加速度振動傳感器，傳感器均使用磁吸式盤頭，通電后直接吸附在模具上面。主要分拾振、解調放大線路和顯示記錄3個環節。拾振環節是利用傳感器將被測的機械振動量轉換為機械的、光學的或電的信號。根據傳感器原理搭配解調系統，如專配壓電式傳感器的測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。最后進行信號分析，從測量線路輸出的電壓信號，可按測量的要求輸入給信號分析儀或輸送給顯示儀器（如電子電壓表、示波器、相位計等）等，也可輸入到信號分析儀進行各種分析處理，從而得到最終結果。并包含反饋調節系統，調整風壓、流量，從而控制振動器的振動姿態，適應各種頻率振幅的需要。

系統傳感器采用三軸傳感器，掃描頻率在750次／s，有效覆蓋振動器的震動頻率。

如圖2所示，為振動量化測量原理，其中各部位組成：（1）直流濾波電源；（2）信號處理系統（含檢測、記錄存儲、示波、比較計算等功能）；（3）聲光報警器；（4）屏蔽式集成電纜；（5）混凝土預制構件模具型腔；（6）磁吸式盤頭振動傳感器；（7）風動高頻振動器。

其核心控制系統輸入方式DC、AC、GND、IEPE（單端／差動）及1/4橋（三線制白補償）、半橋、全橋，并行同步采樣，每通道最高連續采樣速率256 kHz．每通道獨立的24位A/D轉換器，頻響設置較寬，可實現智能導線和TEDS傳感器識別，具備參數設置、功能控制、數據管理、報告輸出等

3 實際應用原理

在生產過程中，根據所選用混凝土的性狀，確定生產所選擇的頻率、振幅、振動時間。

混凝土振動密實成型的關鍵參數主要包括：頻率、振幅以及振動時間，由振動頻率與振幅可以計算激振力。骨料振動頻率可根據法國學者雷爾密特提出的計算公式（1）進行估算‘l_。

式中f一振動頻率，Hz；D一骨料平均直徑，mm。

根據坍落度的值可以將混凝土分為塑性混凝土、低流動性混凝土及干硬性混凝土。混凝土在不同坍落度時振幅值及振動時間應不相同。依據上述計算公式得出混凝土相近的振動頻率，同時需要計入模具的質量所抵消的振動能量。

根據所輸入選擇的頻率，系統通過振動傳感器的監測，將監測的數據與輸入的目標頻率進行比較，通過調整氣壓的因素進行頻率的控制。

4 系統主要有兩種狀態

4.1 不干預型振動器全功率的工作

該系統僅進行監測及振動參數的記錄功能，氣壓恒壓，振動器恒功率運行，當振動器磨損或者性能不佳時，當參數低于標準值時，系統進行報警，需要及時檢查振動器排除故障，確保振動質量有效。

4.2 正負反饋多階段振動調節狀態

根據預設的頻率，將混凝土布料及振動分為若干階段，并設定一定的時間，當頻率和振幅一定時，振動最佳延續時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]。該系統根據實際的情況實時監測振動的參數，同時調節驅動閥控制氣壓及流量，穩定各個階段的震動頻率．優化振動效果，同時能夠兼具不干預狀態的報警提示功能。

5 數據存儲及分析

5.1 系統數據的存儲

系統通過傳感器收集信號，經處理后實時保存，并進行示波顯示，三軸傳感器以Z軸運動的數據作為主要分析對象，每秒750次并取平均值進行比較，對所測得頻率進行示波，形成頻譜。同時將該時鐘內氣壓、頻率、振幅、加速度等參數進行匯總，對應產品編號，形成追溯。

5.2 對應產品表觀數據的分析

每一個產品對應一個數據，根據產品密實度、表面氣孔率、抗滲電通量等數據，進行大數據分析，形成一種直觀的對應規律，能夠有效地提升產品質量，使產品質量穩定可控。運用該系統，經同條件試塊及部分樣品測定，混凝土強度標準差<0.7 Mpa，表面氣泡率標準差<2.6%，電通量標準差<12.3C。

6 擴展應用

如圖3所示，在現場實際應用中，該系統接口及數據通道可擴展，融合應力應變測量等，結合有限元分析，將模具網格化選取多重節點，構建振動力場的效應模型，精細的分析附著式振動器的能量轉化特征。

通過多次數據的分析，能直觀的總結適應預制構件的振動參數，兼顧規避模具固有頻率的共振現象，延長模具設備使用壽命。在多軸力場上擴展振動力場疊加、振幅及頻率耦合作用的分析[3]。

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

7 結語

本文所述的基于預制構件附著式震動器振動力場效應定量監控調節系統，可實現預制構件振動力場效應分析，量化振動過程的參數變化，優化振搗過程，同時可擴展到電控混沌振動平臺的監測反饋調節。但目前還存在一定振動算法繁雜的問題，后續仍需進行混凝土內部振動量化的深入研究，不斷深刻還原混凝土振搗過程及變化。

參考文獻

[1]秦雪濤．移動式混凝土振動臺結構及諧響應分析與應用[J]．建筑機械化．2020（7）：70-75．

[2]章利華．振動參數對混凝土密實度的影及合理選擇[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度和火山灰效應量化研究[D]．長沙：湖南大學，2010．

（編輯傅金睿）