張 羽 ， 朱成珂 ， 李澤錕

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

凍土是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤[1]。凍土區(qū)別于常規(guī)融土的最本質(zhì)特征是冰的存在，即通常情況下融土是三相體系，而凍土是四相體系（氣，液，土石，冰）[2]。研究表明，在一定的溫度范圍內(nèi)，凍土的快剪強(qiáng)度隨著負(fù)溫的降低而近似地成正比增大，因此在工程施工中，凍土對(duì)挖掘會(huì)產(chǎn)生極大的挖掘阻力。隧道開挖時(shí)，升溫開挖極易導(dǎo)致熱融坍塌，施工時(shí)需搭設(shè)保溫棚減少太陽熱輻射，耗用大量能源，施工費(fèi)用高。因此，可以從挖掘過程著手，在工作層面通過物理超聲賦能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)升溫，解決傳統(tǒng)凍土開挖作業(yè)存在的問題。

1 研究背景

傳統(tǒng)凍土挖掘作業(yè)時(shí)，通常采用爆破、升溫開挖等方式，極易導(dǎo)致熱融坍塌和嚴(yán)重的融沉并形成泥流河。多年凍土地區(qū)的生態(tài)環(huán)境極其脆弱，一經(jīng)破壞，難以恢復(fù)，有時(shí)甚至是不可逆的。傳統(tǒng)作業(yè)方式耗能大、施工難度高、作業(yè)危險(xiǎn)，已逐漸難以滿足可持續(xù)和生態(tài)友好型建設(shè)的需要。利用超聲空化作用產(chǎn)生高能沖擊波和高頻振動(dòng)生熱[3-5]的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可安裝于挖掘機(jī)械鏟斗上的超聲振動(dòng)式挖掘裝置。

2 結(jié)構(gòu)原理示意圖及工作流程

2.1 系統(tǒng)工作原理示意圖

裝置可安裝于挖掘裝置鏟斗內(nèi)進(jìn)行工作，通過電路實(shí)現(xiàn)高頻交流電，通過換能器內(nèi)部的線圈后引發(fā)陶瓷材料產(chǎn)生往復(fù)高頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生超聲波，通過鏟斗斗齒向工作層面做功，并同時(shí)進(jìn)行物理挖掘作業(yè)，如圖1所示。

超聲振動(dòng)換能器和壓力傳感器安裝在鏟斗斗齒內(nèi)部，挖掘鏟斗背部設(shè)置有電纜線保護(hù)槽和蓋板以安裝超聲振動(dòng)換能器或壓力傳感器的電纜線。超聲換能器和壓力傳感器的殼體通過螺紋安裝在斗齒內(nèi)部。超聲挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.2 操作流程

挖掘裝置斗齒在與作業(yè)介質(zhì)凍土相接觸的同時(shí)，安裝在斗齒上的壓力傳感器檢測(cè)到壓力值的升高，通過主控電路打開超聲換能器。換能器通過電路實(shí)現(xiàn)高頻交流電，通過換能器內(nèi)部的線圈后引發(fā)陶瓷材料產(chǎn)生往復(fù)高頻振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，釋放出超聲波。超聲換能器向挖掘切面前方定向發(fā)出頻率在50 kHz～80 kHz的振動(dòng)聲波，在土層中傳播時(shí)，大振幅的聲波形成鋸齒形波面的周期性激波，在波面處產(chǎn)生很大的壓強(qiáng)梯度，振動(dòng)能量不斷被凍土層吸收轉(zhuǎn)化為熱量而使挖掘?qū)用娴臏囟壬?，層面?nèi)的結(jié)晶水融化為液態(tài)水，使層面處的土壤抗剪強(qiáng)度顯著降低；同時(shí)，超聲波作用于液態(tài)水，會(huì)引起空化作用，即空氣中傳播的超聲波引起液體時(shí)而受拉時(shí)而受壓，產(chǎn)生近于真空或含少量氣體的空穴。聲波壓縮階段，空穴被壓縮直至崩潰，由于氣泡壽命極短（約0.1 μs），可產(chǎn)生高速微射流（約110 m/s）并釋放出最高40 MPa～50 MPa局部壓力的沖擊波，破壞挖掘?qū)用嫱寥赖墓橇＝Y(jié)合?？栈饔眠M(jìn)一步降低了層面挖掘阻力。此時(shí)，鏟斗可較為容易地對(duì)凍土層面進(jìn)行挖掘，凍土土方進(jìn)入挖掘鏟斗內(nèi)再被轉(zhuǎn)移至土方運(yùn)輸車或其他施工區(qū)域。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖

圖2 超聲挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)語

綜上所述，筆者設(shè)計(jì)了一種新型的挖掘裝置，將液壓機(jī)械挖掘與超聲技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用的技術(shù)具有以下特性：傳播方向性好，可以在凍土切削方向保持足夠大的振動(dòng)功率；能量大，振動(dòng)頻率高，與普通聲波相比具有大得多的能量；穿透能力強(qiáng)，在不透明固體中能穿透幾十米的厚度；超聲波在傳播過程中與媒介相互作用會(huì)產(chǎn)生的熱作用、機(jī)械作用、空化作用，可以極大降低土壤挖掘阻力。采用本裝置作業(yè)時(shí)土壤熱融層面小，不會(huì)造成熱融坍塌，且超聲振動(dòng)與機(jī)械挖掘同時(shí)進(jìn)行，效率高，施工成本低。