基于回歸正交實驗的混凝土泵車水射流清洗參數優化

譚棟， 文澤軍， 胡佳， 劉湛， 劉繼軍

（湖南科技大學 機械設備健康維護湖南省重點實驗室,湖南湘潭 411201）

0 引言

在水射流清洗中，射流基本參數的改變會影響清洗的效率。選擇的參數過小則不能徹底高效地清洗掉附著在基體表面的污垢，選擇的參數過大則會破壞掉基體結構，對產品造成損壞。而且清洗過程中過高的參數選擇對清洗所需要的成本要求也更高，所以一直以來，合理的清洗參數研究一直是研究的重點。射流的基本參數包括射流壓力、射流流量、流速、功率及反沖力等動力學參數以及射流起始端長度、射流寬度等結構參數。

目前，國內外學者對水射流清洗方面的研究主要集中在射流清洗原理、射流參數優化、射流噴嘴的參數優化等方面。1974年日本學者Yanaida等［1］首先用幾何圖形描述了水射流的特征圖。捷克學者Hlavac等［2］曾推導出計算水射流在環境介質中衰減的簡化模型；同時推導出了描述等價水射流結構發展的關系式，并且推導出計算水射流橫斷面速度場的一組方程。Anirban等［3］在實驗和數值模擬中確定了最佳的水射流清洗作業，并在對射流壓力的模擬中得出射流周圍存在的氣體使得射流中心壓力沿軸線程線性衰減，其最佳射流距離為5倍射流直徑距離，26倍直徑外射流失去效果。薛勝雄［4］應用Fluent軟件模擬的出結果指出射流周圍存在著真空，能使200MPa的工作壓力將射流速度提升到700～800 m/s，若射流的靶距能正好處于該加速區末端可以大大提高其打擊力，并且模擬得出最佳靶距為25 mm。Kunapom［5］研究了用3種不同類型的噴嘴（模糊射流噴嘴、扇形射流噴嘴、圓形射流噴嘴）來沖擊銀合金表面，評估其對表面特性的影響。陳玉凡［6］指出水射流對污垢的打擊力是通過射流的速度以及動能來實現的，壓力為15～50 MPa內能清洗城市排污管道和工礦企業物料輸送管道，熱交換器，硫酸鎂、冷凝器中的硅酸鹽等則需要100～150 MPa壓力才能清除。張蘭芳［7］根據污垢的成分和特點，結合高壓水射流沖蝕巖石的破碎機理，分析了兩類典型污垢的破碎機理，給出了高壓水射流清洗污垢的部分技術參數。Daniel等［8］經過研究表明破碎坑的大小和形狀與高壓水射流的比長（射流長度與噴嘴直徑之比）和比壓（水流沖擊壓力與巖石抗壓強度的比值）有關。

本文在以上學者的研究基礎上，基于回歸正交組合試驗對混凝土泵車水射流清洗參數進行優化。通過分析射流壓力、射流直徑、射流入射角度、靶距與清洗量之間的關系，構建4個參數與清洗量之間的響應面模型。以單位時間內清洗量最大化為優化目標，得出適用于廢舊混凝土泵車水射流清洗的一組最佳參數，并用實驗驗證其正確性。

1 混凝土泵車水射流清洗原理

在混凝土泵車再制造中的清洗作業中，水射流清洗頻繁應用于清洗混凝土泵車表面所沉積的水泥積垢。水射流清洗作為近幾十年興起的一門技術，以其高效無污染受到清洗行業的青睞。所謂高壓水射流清洗技術，是將普通自來水通過加壓數百乃至數千個大氣壓，然后通過特殊的噴嘴（孔徑只有0.5～2.5 mm），以極高的速度（300～600 m/s）噴出的一股或多股能量高度集中的水流，該水射流以很強的沖擊動能，連續作用在被清洗表面，從而使垢物剝離，達到清洗的目的。

水射流清洗裝置如圖1所示，其基本機構參數分別有射流壓力P、射流直徑d、射流入射角度β、靶距l，清洗量用污垢的重量表示。

圖1 混凝土泵車水射流清洗裝置

2 回歸正交組合試驗設計

采用回歸正交組合試驗設計方法對水射流清洗射流直徑d、射流壓力P、入射角度β、靶距l等4個因數進行正交設計，四元二次回歸正交設計由25個試驗點組成。m0是在中心點（0，…，0）處所做的實驗次數，本文取m0=1。查表的γ=1.414，確定各試驗因素的上水平值、下水平值，各因素的零水平為變化間距。

表1 各因素水平編碼值

各因素水平編碼值見表1所示。根據回歸正交組合設計的要求，設計四元二次回歸正交組合設計方案如表2所示。運用實驗方法，測試單位時間內清洗混凝土泵車風冷器的清洗量。

根據回歸正交組合設計結構矩陣計算表，可建立四元二次多項回歸方程為

2.1 回歸分析及清洗量響應面模型

根據結構矩陣和計算表中的數據，進行回歸關系的顯著性檢驗，相關的F分布值為：

F檢驗顯示：總回歸0.01顯著，說明射流壓力P，射流直徑d，入射角度β，靶距l與清洗量F之間存在顯著的回歸關系，其中 x1、x2、x3、x4、x1x2、x1x4、x2x4均達到 0.01 顯著，而互作 用 項 x1x3、x2x3、x3x4均 不顯著。則式（1）可優化為y=9.309+4.429x1+1.390x2+

由二次項中心公式可得

將式（3）帶入式（2）可得

表2 四元二次回歸正交組合設計方案表

將式（3）代入式（2），得射流參數對清洗效率影響的響應面模型為

2.2 水射流清洗優化模型

由射流參數對清洗效率影響的響應面模型式（6）可以建立混凝土泵車水射流清洗優化模型為：

運用Matlab編程求出式（7）的極大值，相對應的P、d、l、β的值就是優化后的最佳值，該點參數值使得清洗量達到最大。計算結果可得 P=0.65、d=2.4、l=3.5、β=0.79，即射流壓力為65 MPa，射流直徑為2.4 mm，靶距為350 mm，入射角度為79°。

3 對比實驗驗證

優化模型求解得出的一組參數為P=65、d=2.4、l=350、β=79，原始參數為 P=50、d=2.0、l=22.0、β=90。經過現場清洗實驗，獲得了優化模型與原始模型下的混凝土泵車風冷器上清洗量數據。

3.1 實驗步驟

1）選取二塊重量為15 kg、尺寸為400 mm×250 mm×10 mm混凝土泵車上的風冷器，編號為A和B，用濕的混凝土對其表面分別進行均勻涂刷，涂刷厚度為（3±1）mm，稱其重量，晾干待用。

2）設定好而種不同參數，靶距以及入射角度確定后將噴頭固定，采用50 mm/s的速度從上至下沖洗。風冷器A表面用優化前參數沖洗，風冷器B表面用優化后參數沖洗。相同時間（500 s）后清洗結束晾干稱其重量。具體清洗過程。

3.2 結果分析

清洗500 s后風冷器A、B表面如圖2所示。

由圖2可知兩種參數條件下水射流清洗均能有效地去除附著在混凝土泵車風冷器上面的水泥污垢，然而B組實驗的清洗更為干凈，效率更高。對A、B二組實驗進行定量分析，

表3 對比實驗數據

由表3可以得出A組實驗被去除的污垢重量為 3.45 kg，B 組實驗被去除的污垢重量為4.23 kg。混凝土的密度為2.4×103kg/m3。混凝土厚度統一為3×10-3mm。可以計算A組實驗的去除風冷器表面混凝土污垢面積為0.479 2 m2，B組實驗的去除風冷器表面混凝土污垢面積為0.587 5 m2。優化后清洗的效率提高18%。

4 結論

本文采用四元二次回歸正交組合試驗設計，分析射流壓力、射流直徑、射流入射角度、靶距作為影響混凝土泵再制造清洗量的四個因素，構建了混凝土泵車再制造清洗量響應面模型，以此為基礎，建立了混凝土泵再制造水射流清洗優化模型，運用MATLAB軟件進行了優化，得到了以清洗量最大化為目標的混凝土泵車再制造水射流參數優化結果。最后，采用對比實驗驗證，優化后清洗效率提高18%。

［1］ Ohashi A，Yanaida K.The fluid-mechanics of capsule pipelines.2.：analysis of the pressure loss in concentric capsule pipelines and concentric annular pipes［J］.Bulletin of the Jsme-Japan Society of Mechanical Engineers，1986，29：4156-4163.

［2］ Hlavac L M，Hlavacova I M，Gembalova L，et al.Experimental method for the investigation of the abrasive water jet cutting quality［J］Journal of Materials Processing Technology，2009，209（20）：6190-6195.

［3］ Guhaa A，Barronden R M.An experimental and numerical study of water jet cleaning process［J］Journal of Materials Processing Technology，2011，211（4）：610-618.

［4］ 薛勝雄，王樂勤，彭浩軍，等.超高壓水除銹技術極其階段性方程［J］.高壓物理學報，2004，18（3）：283-288.

［5］ Kunaporn S，Chillman A，Ramulu M，et al.Effect of waterjet formation on surface preparation and profiling of aluminum alloy［J］.WEAR，2008，265（1-2）：176-185.

［6］ 陳玉凡.高壓水射流打擊效率理論分析［C］//第六屆全國清洗行業技術進步與清潔產業發展論壇.北京：清洗世界雜志社，2006：42-45.

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［8］ Daniel I M，Rowlands R E，Labus T J.Photoelastic study of water jet impact［C］//Proceeding of the 2nd International Symposium on Jet cutting Technology.Cambridge，UK，1974.