炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)研究
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高 愷1，徐 鈞2
（1．重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，重慶400044；2．北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）
[摘要]炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)研究來源于生產(chǎn)實(shí)際的需要。根據(jù)炮孔堵塞要求以及設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)的功能，完成了試驗(yàn)從方案設(shè)計(jì)到詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)所需要的配套設(shè)備的選型研究，同時(shí)進(jìn)行了炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)研究，達(dá)到了預(yù)期的效果，為后續(xù)炮孔自動(dòng)堵塞設(shè)備的研究提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)備參數(shù)。
[關(guān)鍵詞]隧道工程；爆破；炮孔自動(dòng)堵塞；設(shè)備選型；試驗(yàn)
[中圖分類號(hào)] U455.6 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)11-0085-03
0 引言
我國現(xiàn)有土石方開挖爆破工程，在炮孔鉆孔速度、爆破效果和爆破質(zhì)量等方面都已取得較大進(jìn)步，部分工程已達(dá)到國際先進(jìn)水平。但是爆破過程中，炮孔的堵塞問題一直存在一個(gè)誤區(qū)，普遍認(rèn)為“炮孔堵塞麻煩、費(fèi)工費(fèi)時(shí)，不堵塞炮孔也能取得良好的爆破效果”。這種錯(cuò)誤的指導(dǎo)思想導(dǎo)致炸藥爆炸能量利用率大大降低，特別是隧道掘進(jìn)爆破工程中，由于爆破效果得不到有效控制，造成超挖、欠挖、爆破飛石等危害。目前，炮孔堵塞問題雖已逐步引起施工單位的重視，但炮孔堵塞選用何種材料，如何避免人工堵塞炮孔費(fèi)時(shí)、費(fèi)力等問題，避免炮孔堵塞流于形式？特別是缺乏有效的炮孔堵塞設(shè)備支持。炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)平臺(tái)的研究，就是通過試驗(yàn)為炮孔自動(dòng)堵塞設(shè)備的研制做好前期設(shè)備選擇測試以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集等研究。
1炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)
炮孔堵塞過程中，由于炮孔內(nèi)已經(jīng)完成炸藥、雷管的裝填工作，炮孔堵塞時(shí)，首先必須保證堵塞過程中的安全性，不能因?yàn)槎氯^程引起炸藥和雷管的爆炸，也不能破壞雷管腳線；其次，堵塞過程中按照要求炮孔堵塞一定長度，填充堵塞材料在起爆前不能流失；此外，爆破現(xiàn)場必須避免靜電干擾。以隧道掘進(jìn)爆破施工為例，假設(shè)炮孔按照高5m、寬12m的拱形斷面布置，堵塞所用的炮泥需要輸送到>5m的高度。根據(jù)這些基本要求，要實(shí)現(xiàn)炮孔的自動(dòng)堵塞，試驗(yàn)應(yīng)具備如下功能：①輸送炮泥所需要的動(dòng)力源；②能夠?qū)⑴谀噍斔偷街付ㄎ恢玫妮斔驮O(shè)備；③能夠自動(dòng)控制的輸送管路及開關(guān)元件；④透明且方便觀察的模擬炮孔；⑤可控制輸送設(shè)備輸送量大小的控制元件等。
基于上述分析，試驗(yàn)設(shè)備包括電動(dòng)機(jī)、輸送炮泥的設(shè)備泵、開關(guān)用的三通閥、輸送炮泥的高壓管路、單向變頻器等。
1.1 泵選型設(shè)計(jì)
泵作為一種高效輸送噴射裝置在建筑工程等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，可用于輸送炮泥材料這種濃稠泥漿的泵有往復(fù)泵、隔膜泵、螺桿泵等。
往復(fù)泵適用于輸送流量較小、壓力較高的各種介質(zhì)，但往復(fù)泵因流量的不均勻會(huì)造成排除壓力的脈沖，不利于炮泥輸送。
隔膜泵是一種新型輸送機(jī)械，對(duì)于各種腐蝕性液體，帶顆粒的液體及高黏度、易燃、劇毒的液體均可抽送，但隔膜泵的輸出也存在一定的脈沖，對(duì)炮泥的輸送產(chǎn)生不便，且隔膜在固體顆粒的作用下會(huì)存在一定的磨損消耗。
螺桿泵的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，流量及壓力基本無脈沖，運(yùn)行平穩(wěn)，可輸送高黏度介質(zhì)。根據(jù)泵的大小不同可以輸送黏度0~ 200 000mPa .s的介質(zhì)，含有硬質(zhì)懸浮顆粒或固體顆粒的介質(zhì)、纖維的介質(zhì)；調(diào)節(jié)性能好，范圍寬，效率高。
綜上所述，選擇螺桿泵作為炮泥傳輸系統(tǒng)。G型單螺桿泵是一種內(nèi)嚙合回轉(zhuǎn)式容積泵，其輸出壓力級(jí)別最大可達(dá)2. 4MPa。流量最大可到1min幾百立方米。傳送的介質(zhì)顆粒直徑最大可達(dá)20mm。該泵的定子采用耐磨橡膠材料以適應(yīng)炮泥材料泵送時(shí)產(chǎn)生的定子磨損，泵的流量與轉(zhuǎn)速成正相關(guān)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速即可準(zhǔn)確調(diào)節(jié)流量，泵的出口壓力取決于整體管路的背壓，輸出漸進(jìn)、平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)炮孔中的炮泥產(chǎn)生沖擊。
單螺桿泵的流量與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，單螺桿泵的每秒理論流量為：
式中：e為轉(zhuǎn)子偏心距離(mm)；D為轉(zhuǎn)子直徑(mm)；T為定子導(dǎo)程( mm)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(r/mm)。
當(dāng)單螺桿泵泵送有黏度的物料時(shí)，流量會(huì)比理論值減小，日本小坂研究所( KOSAKA)的流量與黏度關(guān)系換算公式為：
根據(jù)試驗(yàn)炮孔的堵塞時(shí)間，選用螺桿泵的合理轉(zhuǎn)速為210~ 220r/min，能夠適用于炮孔的堵塞。根據(jù)流量和輸出壓力的計(jì)算，選擇的泵的參數(shù)為：最大輸出壓力0. 6MPa，最大流量2.4m3／h，定子最高轉(zhuǎn)速960 r/min，額定功率1.5kW。
1.2模擬炮孔與管路設(shè)計(jì)
基于隧道掘進(jìn)爆破以及試驗(yàn)條件，模擬炮孔直徑40mm、長度1.5m，炮泥堵塞長度為0.5~1m。為了能夠清晰地觀察炮泥在孔中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、測量炮泥堵滿所需炮孔長度的時(shí)間，試驗(yàn)平臺(tái)選用透明的有機(jī)玻璃材料來模擬炮孔，按1：1加工完成模擬炮孔，其中一端封閉。為了方便多次試驗(yàn)后的清洗，封閉端炮管與封閉套頭采用可拆卸螺紋旋合連接，如圖1所示。
模擬試驗(yàn)選擇在高差> 10m的場地進(jìn)行。要將炮泥順利輸送到指定位置，需要配置輸送炮泥的管路。隧道爆破，一般炮孔數(shù)量較多，分布于掌子面不同施工位置，為了方便作業(yè)，選擇軟管作為輸送管路。
輸送炮泥的軟管不僅需要承受炮泥的輸出壓力還要承擔(dān)炮泥運(yùn)動(dòng)的摩擦力，因此軟管的選擇需要滿足一定的條件。常用高壓輸送軟管按材質(zhì)主要分為以下兩種。
1)鋼絲增強(qiáng)型聚氨酯軟管 內(nèi)芯為聚氨酯(PU)，增強(qiáng)層為鋼絲編織，外皮是聚氨酯。其特點(diǎn)為外表光滑、彎曲半徑小，具有良好的耐油、耐熱、耐老化性能且承受壓力高，主要用于液壓傳動(dòng)、高壓噴漆等。其缺點(diǎn)是耐磨性欠佳，價(jià)格較高且不透明，不利于觀察管路中炮泥的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
2)鋼絲增強(qiáng)型PVC鋼絲軟管 內(nèi)、外芯為PVC材料，中間為鋼絲增強(qiáng)層。其特點(diǎn)為：內(nèi)、外管壁均勻光滑，耐磨性能好；具有耐腐蝕、耐酸堿、撓性好、不脆裂、不易老化等優(yōu)點(diǎn)，PVC材料透明無毒，廣泛應(yīng)用于真空泵農(nóng)業(yè)機(jī)械、排灌設(shè)備、石油化工等設(shè)備。
PVC鋼絲軟管相對(duì)于其他管路更耐磨且管路透明，能夠及時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)炮泥在管路輸送過程中的堵塞。因此，本次設(shè)計(jì)中選用PVC鋼絲軟管作為炮泥輸送的管路。選擇PVC透明鋼絲軟管長15m、內(nèi)徑38mm作為炮泥輸出管，15m長、內(nèi)徑為32mm的軟管作為回路管道，內(nèi)嵌的螺旋鋼絲骨架為炮泥的輸送提供良好的通道，透明材質(zhì)可以方便觀察炮泥的運(yùn)動(dòng)情況。
1.3 炮泥噴頭及限位減壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
炮泥泵出后，經(jīng)軟管傳送，最后通過噴頭送入炮孔內(nèi)。炮泥送人過程中必須避免炮泥對(duì)炮孔內(nèi)炸藥產(chǎn)生直接沖擊，以及避免炮孔內(nèi)氣壓的驟然過大增加，必須保證在堵塞炮孔的過程中，炸藥及雷管不會(huì)出現(xiàn)意外爆炸。
根據(jù)炮泥堵塞炮孔的基本要求，炮泥噴頭的結(jié)構(gòu)要求不能對(duì)炸藥造成直接沖擊，噴頭管出口處切為斜口避免炮泥進(jìn)入時(shí)對(duì)孔內(nèi)炸藥直接沖擊。出泥管上方并聯(lián)了1個(gè)排氣管道幫助排除炮孔內(nèi)的氣體，減少因堵塞炮孔造成的空氣壓力加大，保證孔內(nèi)壓力正常。同時(shí)，炮泥噴頭能夠根據(jù)工作需要方便開、關(guān)，在噴頭處需要設(shè)置1個(gè)控制閥。噴頭與輸送管之間連接1個(gè)三通閥門則方便實(shí)現(xiàn)炮泥輸送的通斷，當(dāng)三通閥門打向另一出口時(shí)便可以使炮泥從另一條線路回到攪拌器，從而實(shí)現(xiàn)炮泥的循環(huán)運(yùn)送。另外，三通閥的閥門開合程度的大小還可以控制炮泥的流量，在炮泥流量過大時(shí)起到一定的節(jié)流作用。
另外，管口上連接了1塊可以活動(dòng)的擋板，起到固定軟管和噴頭插入炮孔深度的限位作用，防止工人操作時(shí)將噴頭深入孔內(nèi)過深，觸碰到炸藥引發(fā)事故。操作時(shí)擋板堵在孔口，炮泥輸送過程中發(fā)生層流現(xiàn)象時(shí)擋板可以起到阻擋炮泥外溢的作用。導(dǎo)氣管與擋板的配合是動(dòng)配合，導(dǎo)氣管的末端為900彎頭，操作時(shí)可以手握彎頭自由抽動(dòng)氣管，方便在完成堵塞后取出噴頭組件。
1.4 電動(dòng)機(jī)選型及控制電路設(shè)計(jì)
試驗(yàn)選用單螺桿泵作為試驗(yàn)的炮泥輸出部件。動(dòng)力源如果采用風(fēng)動(dòng)電動(dòng)機(jī)需要配套的空壓機(jī)，試驗(yàn)成本過大，因此本次試驗(yàn)采用與所需風(fēng)動(dòng)電動(dòng)機(jī)具有同樣輸出功率以及輸出扭矩的三相異步電動(dòng)機(jī)來代替，電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)為：額定功率1. 5kW，額定電壓380V，輸出轉(zhuǎn)速219 r/min，輸出扭矩65. 4N .m。泵和電動(dòng)機(jī)的安裝組件如圖2所示。
為了避免炮泥對(duì)炮孔內(nèi)的炸藥產(chǎn)生沖擊，需要嚴(yán)格控制炮泥運(yùn)動(dòng)速度、流量及孔內(nèi)壓力。單螺桿的流量與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，在試驗(yàn)中需要對(duì)單螺桿泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，確定最佳轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)平臺(tái)所選的電動(dòng)機(jī)為三相異步電動(dòng)機(jī)，由于試驗(yàn)現(xiàn)場只能提供220V交流電，需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，同時(shí)還需要對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可控調(diào)節(jié)，本次試驗(yàn)采用單相變頻器調(diào)節(jié)輸入三相電動(dòng)機(jī)的頻率，從而實(shí)現(xiàn)單螺桿泵運(yùn)轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)改變。所選的變頻器型號(hào)、性能參數(shù)為：適配電動(dòng)機(jī)功率≤2. 2kW，輸入電壓220V，輸出電壓三相220V，輸出頻率范圍0~650Hz。
2炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)檢測
完成炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及研制后，對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行檢測，將按照所需比例的不同炮泥材料混合后，通過此試驗(yàn)完成了不同位置的炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)，試驗(yàn)中模擬炮孔的最大高度> 10m，超出預(yù)期的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)中，炮泥的輸入注滿單個(gè)炮孔所需長度的時(shí)間在5s左右。炮泥在孔中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)輸入平緩，沒有輸入脈沖和炮泥向前沖擊現(xiàn)象出現(xiàn)。
通過檢測性試驗(yàn)，炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠清晰、直觀地觀察炮孔堵塞的全過程；通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率可以改變泵單位時(shí)間內(nèi)輸出炮泥量，以及單個(gè)炮孔堵塞的時(shí)間，適應(yīng)炮泥材料顆粒直徑≤20mm的不同材質(zhì)、不同配合比的炮泥堵塞試驗(yàn)。
3 結(jié)語
炮孔堵塞與否以及堵塞質(zhì)量，對(duì)隧道爆破效果具有重要影響。炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)研究，完成了炮孔堵塞方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型以及炮孔自動(dòng)堵塞試驗(yàn)研究，達(dá)到了預(yù)期效果。該試驗(yàn)的設(shè)計(jì)為后續(xù)炮孔自動(dòng)堵塞設(shè)備的研究提供了相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)備參數(shù)，同時(shí)也為隧道掘進(jìn)爆破施工自動(dòng)化提供了一個(gè)可行途徑。
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