吸嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與吸塵性能間的參數(shù)關(guān)系挖掘

舒紹文 鄧亞東 蘇楚奇 汪怡平

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院1) 武漢 430070) (現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室2) 武漢 430070)(汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心3) 武漢 430070)

0 引 言

氣力輸送系統(tǒng)作為清掃車的核心部分，其性能的好壞直接決定了清掃車的清掃效率和吸塵效率，而吸嘴又是整個氣力輸送系統(tǒng)的核心部件，通過改進(jìn)氣力輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、吸嘴結(jié)構(gòu)均可有效改善清掃車的吸塵性能.

美國ELGIN公司首次提出具有反吹口和吸管的循環(huán)式氣力輸送系統(tǒng)，反吹口將從吸管吸入集塵裝置內(nèi)的空氣過濾后反吹至地面，有效提高了清掃效率[1].云現(xiàn)杰[2]根據(jù)氣力輸送理論的相關(guān)知識，分析了塵粒在剪切氣流作用下的受力情況及其起動機(jī)理，構(gòu)建氣固兩相流數(shù)學(xué)模型，提出合理的初始條件和外部約束，然后基于吸嘴三維模型，分析了吸嘴肩部夾角α、下部吸嘴高度H1、吸管結(jié)構(gòu)形狀及增加橫折板等參數(shù)因素對吸嘴內(nèi)部流線、壓強(qiáng)和貼地風(fēng)速的影響規(guī)律，給出最優(yōu)化方案.辛宇華等[3-4]以氣力輸送系統(tǒng)為研究對象，從系統(tǒng)層面上分析了吸嘴體高度、吸嘴肩部夾角對吸塵性能的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化.馬玉鑫等[5]基于傳統(tǒng)經(jīng)驗提出了一種Y形通道吸嘴結(jié)構(gòu)，為吸嘴結(jié)構(gòu)改進(jìn)提出了一種解決方案.朱伏龍等[6-7]以真空吸塵車吸塵系統(tǒng)為研究對象，運(yùn)用計算流體力學(xué)技術(shù)分析了吸塵口的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別對吸塵性能的影響，并以此為依據(jù)進(jìn)行新型吸塵口結(jié)構(gòu)的參數(shù)化實體建模，最后進(jìn)行流體力學(xué)和大量試驗分析，驗證了其合理性，結(jié)果表明，吸塵效率得到了提高.李成林[8]以起塵動力學(xué)、封閉氣幕的設(shè)計計算和空氣匯流三方面的理論為基礎(chǔ)，結(jié)合組合式吸嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，分析了吸塵口的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別對吸塵性能的影響，并以吸嘴吸塵部分的局部壓力損失最小為目標(biāo)，對吸嘴相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計.王悅新等[9]利用CFD對清掃車氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，以直觀方式表示出氣力輸送系統(tǒng)的速度場、壓力場.

總結(jié)可知，目前的研究均以改善吸嘴流場性能為主，針對各結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵性能影響的分析均是單獨(dú)進(jìn)行的，然后進(jìn)行整合得到改進(jìn)結(jié)構(gòu).雖吸塵性能得到了一定改善，但不能保證各參數(shù)同時達(dá)到最優(yōu)值，即沒有考慮各參數(shù)之間的相互影響，導(dǎo)致這種評判具有一定偶然性.文中以某吸掃式清掃車氣力輸送系統(tǒng)為研究對象，挖掘吸嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與吸塵性能各評價指標(biāo)間的參數(shù)關(guān)系，均衡各結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵性能的影響，以吸塵性能各評價指標(biāo)同時達(dá)到預(yù)期值范圍為目標(biāo)，得出各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合.

1 氣力輸送系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

吸嘴結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，分為吸塵拓展區(qū)和吸塵核心區(qū)，前者對路面塵物有初步匯聚和預(yù)起動作用，后者呈喇叭狀，隨著其截面積的縮小，空氣流速增高，有利于塵物的懸浮和向上運(yùn)動.

圖1 吸嘴結(jié)構(gòu)示意圖

主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：吸嘴總長L、總寬B、總高H、離地間隙δ，吸塵核心區(qū)和吸塵拓展區(qū)寬度B1，B2，兩吸管間距離2L1，吸塵核心區(qū)和吸塵拓展區(qū)高度H1，H2，吸嘴肩部夾角α1，α2.考慮到車輛二類底盤尺寸限制且為保證清掃面積和吸塵效果，L，B，H，δ取上限值，結(jié)構(gòu)參數(shù)說明如下.

1) 寬度B1，B2吸嘴寬度B與清掃車行駛方向一致，清掃車作業(yè)時，吸嘴對地面塵物的有效作用時間不能小于地面塵物從被氣流吹起→懸浮→被吸入吸管所需時間，否則無法實現(xiàn)吸塵功能.吸嘴核心區(qū)寬度B1對氣流速度及地面塵物懸浮速度的影響較大，且會影響到吸嘴內(nèi)部氣流與地表塵物間的相互作用時長.因吸嘴總寬為定值，因此B2會隨著B1的變化而變化，所以需設(shè)計B1.

2) 距離L1清掃車作業(yè)過程中，道路塵物在盤刷作用下被聚攏至車輛底部中間位置，雙吸管吸嘴中間部位垃圾容易形成堆積，當(dāng)垃圾量較大時，垃圾吸入耗時長甚至無法有效吸入.因此，吸管在長度方向上的合理分布在很大程度上決定了清掃車的清掃效率，所以需設(shè)計L1.

3) 高度H1，H2吸嘴拓展區(qū)是車輛作業(yè)前進(jìn)時外界大氣與吸塵核心區(qū)的過渡區(qū)域，在風(fēng)機(jī)作用下可產(chǎn)生較大的負(fù)壓值和氣流速度，以保證路面塵粒的啟動和吸收.因總高度為定值，H2變化的同時H1也發(fā)生改變，所以需設(shè)計H2.

4) 肩部夾角α1，α2矩形吸塵核心區(qū)與圓形吸管的連接處存在截面的突變，勢必會引起一定的局部壓力損失和能量損耗.兩者間設(shè)計合理的過渡區(qū)可有效引導(dǎo)氣流從核心區(qū)匯聚到吸管內(nèi)，從而減小這種損失.因此有必要將吸嘴肩部設(shè)計為斜角過度，且需對斜角的大小進(jìn)行分析討論以得到最佳吸塵性能.由于吸嘴總高度和總長度均為定值，因此當(dāng)H2，L1和α1發(fā)生變化時，α2也會隨之發(fā)生變化，所以需設(shè)計α1.

綜上，各參數(shù)取值及說明見表1.

表1 吸嘴主要參數(shù)

1.2 正交試驗設(shè)計

吸嘴中間位置是塵物集中區(qū)，且路面塵物能否被吸嘴有效吸入、氣流能否攜帶塵物進(jìn)入集塵裝置并在罐內(nèi)實現(xiàn)高效分離與收集成為清掃車性能好壞的重要評判指標(biāo)[10]，因此，可以選取吸嘴入口處平面氣流平均速度Y1、吸嘴入口與吸管出口間壓力降Y2和吸嘴入口塵物集中區(qū)(本文選取兩吸管間長度方向上為0.8 m處的區(qū)域)氣流平均速度與Y1的偏差Y3等指標(biāo)來評價吸塵性能的好壞.

三個性能指標(biāo)均與B1,L1,H2,α1有關(guān)，屬四變量問題.響應(yīng)面方法可通過較少的試驗在局部范圍內(nèi)比較精確的擬合復(fù)雜的響應(yīng)關(guān)系，具有良好的魯棒性，用簡單的代數(shù)表達(dá)式展示函數(shù)關(guān)系，方便實用.本文選用式(1)所示二階多項式來構(gòu)造響應(yīng)面模型，進(jìn)而挖掘吸塵性能評價指標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系.需求解的系數(shù)為15個，選取正交試驗L16(44)，見表2.

表2 正交試驗設(shè)計表

YN=β0+β1X1+…+βMXM+…+

(1)

式中：N=1,2,3;Y1,Y2,Y3分別為目標(biāo)函數(shù)；M=4；βij為擬合系數(shù)(i,j=1,2,3,4)；X1，X2，X3，X4分別為B1，L1，H2，α1.

2 流場數(shù)值計算

2.1 模型處理

由于吸嘴入口和風(fēng)機(jī)出口處速度、壓力、流量均未知，氣體流動狀態(tài)復(fù)雜，因此，吸嘴入口和風(fēng)機(jī)出口處均建立了相應(yīng)的擴(kuò)展區(qū)以便于設(shè)定邊界條件,見圖2.模型分為空氣流體域1和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)域2.因模型結(jié)構(gòu)不規(guī)則，采用四面體單元非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對吸嘴體處網(wǎng)格進(jìn)行加密處理.

圖2 氣力輸送系統(tǒng)CFD模型

2.2 邊界條件及初始條件

為保證合理性和求解速度，邊界條件及初設(shè)條件設(shè)置如下：壓力入口、壓力出口(相對大氣壓0 Pa)，旋轉(zhuǎn)域、轉(zhuǎn)子給定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，其他均設(shè)置為無滑移壁面.假設(shè)內(nèi)部氣體不具壓縮性且與外界大氣無熱量交換，材料設(shè)置為理想氣體(密度1.225 Pa·s，黏度1.78×10-5Pa·s)，湍流模型為realizablek-ε湍流模型，離散方法采用有限體積法，壓力-速度耦合關(guān)系采用SIMPLE算法，采用二階迎風(fēng)離散求解方法.

為保證仿真計算結(jié)果的精度與可靠性，避免由網(wǎng)格數(shù)量不同引起的結(jié)果誤差，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗證.表3為方案1采用不同網(wǎng)格數(shù)量時仿真值，其中N為網(wǎng)格數(shù)量.可知210萬網(wǎng)格計算求得的結(jié)果相對其他網(wǎng)格數(shù)量小于3.6%.

表3 模型網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

其中：ei=|Yi-Yi-case-3|/Yi-case-3，i=1,2,3.

3 結(jié)果討論與分析

16組設(shè)計方案流場仿真結(jié)果見表4.

表4 Y1,Y2,Y3仿真結(jié)果

3.1 參數(shù)關(guān)系挖掘

根據(jù)仿真結(jié)果結(jié)合式(1)求得響應(yīng)面模型為

X1X2,X1X3,X1X4,X2X3,X2X4,X3X4]

[9.752 54×101,-5.404×10-1,7.24×10-2,

-1.038,-4.434×10-1,2.4×10-3,5×10-5,

9.7×10-3,-7×10-4,-4×10-4,4.6×10-3,

9×10-4,-8×10-4,-4×10-4,2.8×10-3]T

(2)

X1X2,X1X3,X1X4,X2X3,X2X4,X3X4]

[1.096 742×104,1.214×101,7.82,

-1.282 6×102,-6.612×101,-4.6×10-1,

5×10-3,1.16,-2.8×10-1,2×10-2,

3.5×10-1,6.1×10-1,-1×10-1,

-6×10-2,2.9×10-1]T

(3)

X1X2,X1X3,X1X4,X2X3,X2X4,X3X4]

[3×10-2,4×10-3,-8.728×10-5,

-4×10-3,-5.6×10-3,-5.433×10-5,

-1.847×10-7,3.769×10-5,-4.577×10-5,

-5.302×10-6,3.903×10-5,9.69×10-5,

-3.333×10-6,-5.597×10-6,9.068×10-6]T

(4)

為保證模型的可靠性，驗證實驗方案設(shè)計見表5.對比結(jié)果見圖3.為直觀表達(dá)仿真結(jié)果與響應(yīng)面模型計算結(jié)果的偏差，建立精度表達(dá)式

η=(1-|(YT-YS)/YS|)×100%

(5)

式中：η為模型精度；YT為響應(yīng)面模型計算結(jié)果；YS為仿真計算結(jié)果.三個響應(yīng)面模型精度見表6.

圖3 模型驗證

表5 模型驗證試驗

表6 模型精度計算結(jié)果 %

由表6可知，Y1精度均高于96.5%，Y2精度均高于93%，Y3精度均高于90%，可為后續(xù)優(yōu)化提供精度保障.

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)與評價指標(biāo)關(guān)系分析

3.2.1吸嘴入口氣流平均速度Y1

Y1主效應(yīng)圖和Pareto圖見圖4.

圖4 Y1主效應(yīng)圖和Pareto圖

由圖4可知，X1的增加使得入口截面積增大，入口面積小幅度增大有利于外界氣流進(jìn)入吸嘴腔體，在一定程度上提高氣流速度，但截面積達(dá)到一定值后繼續(xù)增大會使氣流速度減小；X4初步取值已經(jīng)很大，進(jìn)一步增大會形成很大的局部阻力，反而抑制入口氣流速度的增大；X3的增加導(dǎo)致了氣體上升過程中的動能交換及壓力脈動損失，但對速度的影響有限，因而Y1表現(xiàn)為緩慢減小；X2越大，吸管距離兩側(cè)進(jìn)風(fēng)口越近，直接導(dǎo)致氣流速度的增大.X1(貢獻(xiàn)率為-8.7%)、X3(貢獻(xiàn)率為-6.8%)、X4(貢獻(xiàn)率為-14.3%)的增大均會降低Y1，而X2會增大Y1(貢獻(xiàn)率為16%).

3.2.2吸嘴進(jìn)出口壓力降Y2

Y2主效應(yīng)圖和Pareto圖見圖5.

圖5 Y2主效應(yīng)圖和Pareto圖

由圖5可知，X1(貢獻(xiàn)率為-20.1%)、X3(貢獻(xiàn)率為-16.3%)、X4(貢獻(xiàn)率為-6.2%)的增大均會降低吸嘴壓力降.而X2(貢獻(xiàn)率為20.2%)對增大吸嘴壓力降起決定性的作用.分析其原因，過渡區(qū)橫截面積會隨著X1的增大而增大，使得局部阻力損失快速上升，降低了吸嘴壓力降.X2越大，氣流速度越高，造成的沿程阻力損失越大，從而增大了壓力降.X3增大時，吸塵盤橫截面隨之增加，拓展區(qū)氣體充分?jǐn)U散，在肩部突變處渦流區(qū)也越來越大，增大了空氣運(yùn)動黏度，增大了能量耗費(fèi).

3.2.3吸嘴入口塵物集中區(qū)氣流速度偏差Y3

Y3主效應(yīng)圖和Pareto圖見圖6.

圖6 Y3主效應(yīng)圖和Pareto圖

由圖6可知，X3(貢獻(xiàn)率為22.1%)促進(jìn)Y3，而X1(貢獻(xiàn)率-5.1%)、X2(貢獻(xiàn)率-3.5%)、X4均會抑制Y3.結(jié)合這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對Y1的影響分析：X1的變化對兩側(cè)口氣流速度的影響遠(yuǎn)大于入口塵物集中區(qū)；X2和X4對整個入口平面氣流分布的影響從兩端到中間逐漸減小；X3對吸嘴前進(jìn)氣口、兩側(cè)進(jìn)氣口均有影響，導(dǎo)致中間區(qū)域氣體流速受到的影響大于兩端氣體.

為更直觀的表現(xiàn)出各個目標(biāo)變量與設(shè)計變量之間的關(guān)系，從而有助于分析吸嘴的吸塵性能設(shè)計關(guān)鍵因素，表7按照各結(jié)構(gòu)參數(shù)對目標(biāo)變量貢獻(xiàn)率的不同進(jìn)行分類.

表7 各關(guān)鍵參數(shù)對吸嘴各個性能的影響

由表7可知，X1，X2，X3，X4的變化對Y1和Y2的影響趨勢相同，X2的變化對Y1，Y2的影響和對Y3的影響趨勢相反，這說明X1，X2，X3，X4對各性能的影響是相互制約、相互矛盾的.為使吸嘴吸塵性能達(dá)到最優(yōu)，需要通過尋優(yōu)及評價來決定各結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值.

4 多目標(biāo)優(yōu)化

為均衡各結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵性能各評價指標(biāo)的影響，必須選用算法來均衡這種影響，以各評價指標(biāo)同時達(dá)到預(yù)期范圍為目標(biāo)，得出各結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合.

多島遺傳算法(MIGA)本質(zhì)上是對并行分布遺傳算法的改進(jìn)，它具有比傳統(tǒng)遺傳算法更優(yōu)良的全局求解能力和計算效率.因此本文選用多島遺傳算法來有效獲得最優(yōu)Pareto解集，各目標(biāo)加權(quán)權(quán)重相同，其約束條件及優(yōu)化結(jié)果見表8～9.

表9 吸嘴多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

為便于加工制造，優(yōu)化結(jié)果圓整為：X1=100 mm，X2=619 mm，X3=45 mm，X4=26°.結(jié)果顯示，在各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍內(nèi)，三個性能指標(biāo)值均近似于平均值，各性能評價指標(biāo)基本接近預(yù)期范圍，可判斷各結(jié)構(gòu)參數(shù)對各評價指標(biāo)的影響得到了均衡.

5 結(jié) 論

1) 單一設(shè)計變量優(yōu)化能提升某一性能指標(biāo)，但同時又使其他性能指標(biāo)變?nèi)?如X1的增加會降低Y1，但又抑制Y2.

2) 各結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)率隨著目標(biāo)不同而存在明顯差異.比如X1對Y1及Y2的貢獻(xiàn)率分別高達(dá)16%，20.2%，但是對于Y3，基本沒有影響作用.

3) 考慮各結(jié)構(gòu)參數(shù)對各性能指標(biāo)的影響不同、各結(jié)構(gòu)參數(shù)間存在的矛盾，借助多導(dǎo)遺傳算法均衡各結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸塵性能各評價指標(biāo)的影響，得出吸嘴最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：吸嘴寬度為100 mm，吸管間距為1 238 mm，吸塵拓展區(qū)高度為45 mm，吸嘴肩部夾角為26°.

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