胡海濤，楊 林，張小俊，龐 穩(wěn)

（重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

0 引 言

近十年來(lái)，混凝土水銑技術(shù)在歐美國(guó)家已經(jīng)成熟并被廣泛推廣，但水銑設(shè)備依然采用高壓大流量純水射流模式[1]。目前，我國(guó)高壓力、大流量、大功率增壓水泵技術(shù)尚不成熟，進(jìn)口設(shè)備過(guò)于昂貴，這些因素限制了混凝土水銑的運(yùn)用。針對(duì)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(duì)其進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)研究。

由于水銑的特殊性和復(fù)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(shù)等等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際情況，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)的方法，針對(duì)上述因素對(duì)水銑性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，以得出結(jié)論。

圖1 前混合磨料射流系統(tǒng)示意圖

1 實(shí)驗(yàn)裝置

為研究大流量磨料射流對(duì)混凝土的沖蝕效果，實(shí)驗(yàn)采用前混合磨料射流系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置[5]，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)采用圓錐收斂型噴嘴，噴嘴直徑 3.8 mm，總長(zhǎng)22 mm，加速直線(xiàn)段11 mm，圓錐段收斂角度為25°。實(shí)驗(yàn)材料選用重慶某混凝土公司C40標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

自英國(guó)學(xué)者Ronald A．Fisher在1920年提出了基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理的正交優(yōu)選法以來(lái)，正交試驗(yàn)法[6~8]在近百年內(nèi)已形成完整的試驗(yàn)技術(shù)體系。

正交試驗(yàn)法就是利用排列整齊的正交表來(lái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)通過(guò)少數(shù)的試驗(yàn)次數(shù)找到較好的生產(chǎn)條件，以達(dá)到最高生產(chǎn)工藝效果。正交表能夠在因素變化范圍內(nèi)均衡抽樣，使每次試驗(yàn)都具有較強(qiáng)的代表性，由于正交表具備均衡分散的特點(diǎn)，保證了全面試驗(yàn)的某些要求，這些試驗(yàn)往往能夠較好或更好地達(dá)到試驗(yàn)的目的。

本實(shí)驗(yàn)有3個(gè)影響因素，每個(gè)都有4個(gè)水平，若做完所有組合的64 次實(shí)驗(yàn)，需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，所以考慮采用正交實(shí)驗(yàn)法安排實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)因素與水平，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平表

根據(jù)表1中的因素與水平設(shè)計(jì)正交表。本實(shí)驗(yàn)暫不考慮因素之間的交互作用，有3 個(gè)因素，均為四水平。能安排3 個(gè)四水平的正交表為L(zhǎng)16(45)。使用該表共需要做16組實(shí)驗(yàn)。

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(duì)號(hào)入座，列出實(shí)驗(yàn)條件。用L16(45)正交表安排的實(shí)驗(yàn)方案。

3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平數(shù)，隨機(jī)抽取實(shí)驗(yàn)號(hào)，在相應(yīng)工況下對(duì)混凝土靶物進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)。得到16組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用正交分析的方法，進(jìn)行如下分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一般分析

將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果按照一般分析的方法列為表2。表中考核指標(biāo)沖蝕體積vi為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)工況下對(duì)混凝土靶物的沖蝕體積。

表2 正交表L16(45)——實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析

1）計(jì)算每一因素各個(gè)水平導(dǎo)致結(jié)果之和Ki；

2）計(jì)算每一因素各個(gè)水平導(dǎo)致結(jié)果之和的平均值ki；

3）計(jì)算每一因素各個(gè)水平導(dǎo)致結(jié)果之和的極差R；

4）確定關(guān)鍵因素、重要因素和可能最優(yōu)方案；

5）考察水平因素，探求可能最有用方案。

考察水平趨勢(shì)是通過(guò)分析與結(jié)果的內(nèi)在聯(lián)系，尋求實(shí)驗(yàn)當(dāng)中沒(méi)有選取但可能是最佳的水平因素，從而進(jìn)一步依次總結(jié)出更佳的實(shí)驗(yàn)方案?？疾煨?yīng)曲線(xiàn)圖以因素水平為橫坐標(biāo)，用相應(yīng)的因素水平對(duì)應(yīng)的考察指標(biāo)沖蝕體積vi為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)軸上描出相應(yīng)點(diǎn)，并將同一因素的點(diǎn)連起來(lái)，即形成效應(yīng)曲線(xiàn)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(jié)合效應(yīng)曲線(xiàn)可進(jìn)一步觀(guān)察指標(biāo)隨因素水平的變化趨勢(shì)。效應(yīng)曲線(xiàn)圖，如圖2所示。

圖2 效應(yīng)曲線(xiàn)圖

根據(jù)以上分析，可以得出結(jié)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(duì)考察指標(biāo)沖蝕體積的影響效果大小次序?yàn)椋荷淞鲏毫—磨料重量M—靶距S；對(duì)于因素射流壓力的4個(gè)水平，由ki可以看出水平4（P=11 MPa）對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)最佳方案為A4C1B1，由于分析出的最佳方案并沒(méi)在所做的16 組實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)，補(bǔ)做該組實(shí)驗(yàn)，測(cè)得對(duì)應(yīng)的沖蝕體積為所有實(shí)驗(yàn)中最大值，與理論分析相符合。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析及顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)正交方差分析的相關(guān)公式，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并進(jìn)行顯著性分析檢驗(yàn)。

2）計(jì)算自由度f(wàn) ：f總=n-1，f因=na-1，其中：na為因素a 對(duì)應(yīng)的水平數(shù)；

計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表3所示。

從方差分析結(jié)果來(lái)看，3個(gè)因素的主次關(guān)系依次為A、C、B，與前面直觀(guān)分析結(jié)果一致。

表3 方差分析表

利用顯著性檢驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響特別顯著，磨料重量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著，靶距對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不顯著。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)混合磨料射流沖蝕混凝土實(shí)驗(yàn)，初步了解大流量磨料水銑混凝土性能。應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響特別顯著，磨料重量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著。

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