基于整車 CFD 的洗掃車吸嘴結構多目標正交試驗優化

摘要：吸嘴是洗掃車氣路系統的關鍵部件，對吸塵效率、吸塵能力和工作可靠性等起著決定性的作用。使用整車流場模型進行數值模擬，設計了五因素三水平的多目標正交試驗，并采用綜合頻率分析法對直觀分析數據和極差分析數據進行評價獲得綜合優化方案，對吸嘴的結構參數作了優化。最后對優化結果進行了試驗驗證。

關鍵詞：洗掃車；吸嘴結構；DOE優化

中圖分類號：U467" 收稿日期：2024-11-18

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502008

1 前言

洗掃車以二類底盤為基礎，加裝副車架、箱體、清掃裝置、吸塵系統、風機、液壓系統等而成。氣力輸送系統作為洗掃車的核心系統，主要部件包括清掃系統、風機、吸嘴、箱體、風道和除塵裝置等。它的工作原理是，風機高速旋轉產生負壓，通過風道、箱體傳遞到吸盤上，實現對路面垃圾的吸拾作業[1]。吸嘴是氣路系統的關鍵部件，對吸塵效率、吸塵能力和工作可靠性等起著決定性的作用。

國內學者對洗掃車吸嘴的結構進行了分析和優化。黃帥帥等[2]對吸嘴高度和反吹口進行了研究，王翔等[3]對吸嘴的收縮角進行了研究，周廣昭[4]對吸嘴肩部斜角和吸管折彎角作了研究，黃登紅等[5]對吸嘴側板水平傾角、后擋板高度、后板傾角、側板鉛垂傾角、前板圓弧半徑及吸管直徑進行了研究，楊春朝等[6]對吸嘴寬度、吸管直徑及吸管傾斜角進行了研究，賴振賦[7]對吸嘴厚度、吸管直徑、喇叭口厚度進行了研究，王興旺[8]對吸盤縱向寬度、高度、吸盤前膠皮與地面夾角以及前膠皮與吸盤側面間隙、輸送管安裝角度、輸送管直徑進行了研究。上述研究對吸嘴的設計具有重要指導意義，但存在以下不足：

a.只對吸嘴的部分參數進行了優化，結構參數選擇不全面；b.所使用的模型為吸嘴的局部結構，將吸管的出口面設置為恒定的負壓，未考慮到整車的影響；c.或是優化時將參數逐個固定，所得的局部優化結果未必是全局最優的解。

本文基于流體分析理論（連續性方程、動量方程和能量方程），在前人研究的基礎上使用整車流場模型進行數值模擬，設計了五因素三水平的多目標正交試驗，對某18 t洗掃車吸嘴的結構參數進行優化，分析結果將更貼近工程實際。

2 流場分析

整車流場分析的模型如圖1所示，吸嘴底面離地高10 mm，風機轉速2 500 r/min，湍流模型選擇Realizable K-e，采用多參考系模型（MRF），壓力-速度耦合關系采用coupled 算法，二階迎風格式。邊界條件為：擴展區進氣面設置為pressure-inlet，排氣口設置為pressure-outlet。計算過程監測擴展入口，排氣口質量流量及風機力矩，迭代5000步后分析已收斂（圖2），整車速度流線圖見圖3。

3 正交試驗

31 試驗方案及結果

正交試驗設計方法（Design of Experiment，DOE），通過合理安排試驗方案，以較小的試驗次數為代價獲取可靠的試驗結果，并以此得到合理的科學結論。

吸嘴橫截面如圖4所示，該模型為目前洗掃車上普遍使用的中置寬吸嘴的布置形式，前端的翅片為安裝橡膠擋板的金屬構件，寬度不變，傾角跟隨前端入口角度θ變化；后端的翅片為安高壓噴淋系統的金屬構件，所形成的封閉腔除高度H外不隨設計參數的變化而改變。根據工程實際選取吸嘴寬度W、吸管內徑D（企業技術保密，未展示實際值，igt;0，jgt;0）、吸嘴內高H、管中心距L、前端入口角度θ作為試驗因素，各因素取三水平，正交試驗因素水平表見表1。管中心距L為吸嘴結構體上吸管中心距沉降箱內管中心距不變，吸管中段彎曲部分適應L的變化。

優化目標為進氣口平均流速v1（望大）、吸管平均流速v2（望大）、軸功率P（望?。?、進氣口全壓效率η（望大）。實現垃圾吸拾的條件是：進氣口平均流速v1不小于垃圾起動速度以使垃圾開始運動；當垃圾進入吸嘴與垃圾箱之間的管路內，要求吸管平均流速v2不小于垃圾的懸浮速度以使垃圾吸入垃圾箱。正交試驗方案L27（35）及數值模擬結果見表2。方差分析顯示目標值v1、v2、P、η的R2分別為9808%、9943%、9675%、9610%，均在95%以上，這表明數據較為穩定。

32 試驗數據極差分析

極差分析結果見表4。根據表中排秩可知，吸管內徑D對四個優化目標的影響程度均是最大的，說明吸管內徑D的變化對洗掃車整體性能起著主導作用；而吸嘴寬度W與吸嘴內高H排秩多次處于第四、第五位，說明吸嘴寬度W與吸嘴內高H對整體性能的影響較??；管中心距L與前端入口角度θ對整體性能影響適中。圖5為各因素值對整體性能的影響趨勢。

33 單目標試驗數據驗證

選取進氣口平均流速v1的最優組合方案a：W2D3H1L1θ1、吸管平均流速v2的最優組合;b：W1D2H3L1θ2、軸功率P的最優組合;c：W2D2H3L3θ1、入口全壓效率η的最優組合;d：W1D3H3L3θ3與原始方案對比，見表5。其中方案d為正交試驗第9組，其余方案重新建模并計算。

單目標值的優化組合方案結果比原始方案均得到較大幅度的改善，其中進氣口平均流速由5237 m/s提升至5667 m/s，提升了82%；吸管平均流速由4885 m/s提升至5716 m/s，提升了170%；軸功率由2398 kW下降至2244 kW，下降了64%；進氣口全壓效率由759%提升至1039%，提升了28%。

34 綜合頻率分析法

以單一目標值的最優參數組合，如在對v1的最優組合方案a中，雖然v1得到大幅提升，η得到提升，但是v2下降明顯、P上升較大，顯然，如此犧牲部分目標值換取單目標性能提升的方案并不是最優的選擇，無法指導產品開發。參考文獻[9]采用綜合頻率分析法，綜合直觀分析的方案與極差分析的較優方案得出綜合最優方案，見表6及表7。

由表7，吸嘴寬度W第一、二水平、吸嘴內徑D第二、三水平、吸嘴內高H第三水平、管中心距L第一、三水平、前端入口角度θ第二、三水平在直觀分析與極差分析最優方案中出現的頻率是最高的。結合前文分析結果與生產實際，選取吸嘴寬度W第二水平、吸嘴內徑D第二水平、吸嘴內高第三水平、管中心距L第三水平、前端入口角度θ第三水平為綜合優化方案e：W2D2H3L3θ3。

對方案e進行建模分析，與原始方案對比結果見表8，進氣口平均流速v1減小246%，吸管平均流速v2增大321%，軸功率P減小073%，入口全壓效率η增加053%。優化目標中的吸管平均流速v2（望大）、軸功率P（望?。?、進氣口全壓效率η（望大）三項目標已符合預期，進氣口平均流速v1（望大）并未實現。由文獻[1]，吸拾高密度球形垃圾所需的起動速度小于懸浮速度，方案e進氣口流速仍大于吸管平均流速，決定方案e吸拾效果的是吸管平均流速，方案e吸管平均流速比原始方案有所增加，吸拾效果將好于原始方案。

4 整車試驗驗證

按方案e試制了吸嘴，見圖6。按行業團體標準T/STACAES 005—2021《環衛保潔車輛洗掃車》規定的試驗方法評估洗掃凈率，作業速度7 km/h，風機以2 500 r/min工作，作業后路面垃圾殘余情況見圖7。三次試驗的平均洗掃凈率為972%，較原始方案的95%提高了22%，清潔效果達到預期。

5 結語

本文采用洗掃車整車模型進行數值模擬，并采用正交試驗的方法對吸嘴的結構參數進行多目標優化，選取吸嘴五因素寬度W、吸管內徑D、吸嘴內高H、管中心距L、前端入口角度θ作為正交試驗因素，各因素取三水平，優化目標為進氣口平均流速v1、吸管平均流速v2、軸功率P、進氣口全壓效率η，采用綜合頻率分析法對直觀分析的方案與極差分析的較優方案綜合得出綜合優化方案。數值模擬表明綜合最優方案與原始方案相比，以更小的功率獲得了更好的吸拾能力。實車試驗的洗掃凈率比原始方案高22%，證實了本優化方法可以用于指導產品設計。

參考文獻：

[1]彭燕華，程小建，楊元寶，等基于整車CFD的純電動洗掃車風機工作轉速設計[J]專用汽車，2023（10）：42-45

[2]黃帥帥，張沛，姜衛生，等基于Fluent的洗掃車吸嘴流場分析與改進[J]機電產品開發與創新，2020，33（5）：84-86

[3]王翔城市道路吸掃車吸塵系統的結構設計和流場分析[D]武漢：武漢理工大學，2013

[4]周廣昭道路洗掃車吸塵系統流場分析及高壓水路控制系統開發[D]天津：河北工業大學，2020

[5]黃登紅，陳承曦，章易程，等基于流場仿真的真空清掃車吸塵口的參數化分析[J]機械設計，2013，30（7）：73-76

[6]楊春朝，章易程，歐陽智江，等基于流場模擬的真空清掃車吸塵口的參數設計[J]中南大學學報（自然科學版），2012，43（9）：3704-3709

[7]賴振賦吸塵車吸嘴CFD仿真分析[J]機電技術，2019（1）：24-27+77

[8]王興旺8 t洗掃車氣力系統結構設計與性能匹配優化研究[D]煙臺：煙臺大學，2022

[9]孫潔，蔡建國，葛新峰，等基于正交試驗多目標的兩葉片燈泡貫流式水輪機性能優化[J]中國電機工程學報，2022，42（9）：3317-3327

作者簡介：

彭燕華，男，1981年生，高級工程師，研究方向為環衛汽車設計與優化。