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?wèn)| 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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)氣力輸送系統(tǒng)的核心部件，通過(guò)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(guó)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(guò)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(shí)，分析了塵粒在剪切氣流作用下的受力情況及其起動(dòng)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(duì)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(duì)象，從系統(tǒng)層面上分析了吸嘴體高度、吸嘴肩部夾角對(duì)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(yàn)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(duì)象，運(yùn)用計(jì)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(duì)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(shí)體建模，最后進(jìn)行流體力學(xué)和大量試驗(yàn)分析，驗(yàn)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(dòng)力學(xué)、封閉氣幕的設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)原則，分析了吸塵口的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別對(duì)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(duì)吸嘴相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).王悅新等[9]利用CFD對(duì)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(chǎng)、壓力場(chǎng).

總結(jié)可知，目前的研究均以改善吸嘴流場(chǎng)性能為主，針對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(shí)達(dá)到最優(yōu)值，即沒(méi)有考慮各參數(shù)之間的相互影響，導(dǎo)致這種評(píng)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(duì)象，挖掘吸嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)與吸塵性能各評(píng)價(jià)指標(biāo)間的參數(shù)關(guān)系，均衡各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸塵性能的影響，以吸塵性能各評(píng)價(jià)指標(biāo)同時(shí)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(jiàn)圖1，分為吸塵拓展區(qū)和吸塵核心區(qū)，前者對(duì)路面塵物有初步匯聚和預(yù)起動(dòng)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(dòng).

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(zhǎng)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(pán)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(shuō)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(shí)，吸嘴對(duì)地面塵物的有效作用時(shí)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(shí)間，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)吸塵功能.吸嘴核心區(qū)寬度B1對(duì)氣流速度及地面塵物懸浮速度的影響較大，且會(huì)影響到吸嘴內(nèi)部氣流與地表塵物間的相互作用時(shí)長(zhǎng).因吸嘴總寬為定值，因此B2會(huì)隨著B(niǎo)1的變化而變化，所以需設(shè)計(jì)B1.

2) 距離L1清掃車作業(yè)過(guò)程中，道路塵物在盤(pán)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(shí)，垃圾吸入耗時(shí)長(zhǎng)甚至無(wú)法有效吸入.因此，吸管在長(zhǎng)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(jì)L1.

3) 高度H1，H2吸嘴拓展區(qū)是車輛作業(yè)前進(jìn)時(shí)外界大氣與吸塵核心區(qū)的過(guò)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(dòng)和吸收.因總高度為定值，H2變化的同時(shí)H1也發(fā)生改變，所以需設(shè)計(jì)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(shì)必會(huì)引起一定的局部壓力損失和能量損耗.兩者間設(shè)計(jì)合理的過(guò)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(jì)為斜角過(guò)度，且需對(duì)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(zhǎng)度均為定值，因此當(dāng)H2，L1和α1發(fā)生變化時(shí)，α2也會(huì)隨之發(fā)生變化，所以需設(shè)計(jì)α1.

綜上，各參數(shù)取值及說(shuō)明見(jiàn)表1.

表1 吸嘴主要參數(shù)

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)高效分離與收集成為清掃車性能好壞的重要評(píng)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(zhǎng)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(lái)評(píng)價(jià)吸塵性能的好壞.

三個(gè)性能指標(biāo)均與B1,L1,H2,α1有關(guān)，屬四變量問(wèn)題.響應(yīng)面方法可通過(guò)較少的試驗(yàn)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(jiǎn)單的代數(shù)表達(dá)式展示函數(shù)關(guān)系，方便實(shí)用.本文選用式(1)所示二階多項(xiàng)式來(lái)構(gòu)造響應(yīng)面模型，進(jìn)而挖掘吸塵性能評(píng)價(jià)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(gè)，選取正交試驗(yàn)L16(44)，見(jiàn)表2.

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(chǎng)數(shù)值計(jì)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(dòng)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(jiàn)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(duì)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(duì)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(wú)滑移壁面.假設(shè)內(nèi)部氣體不具壓縮性且與外界大氣無(wú)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(jì)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(yàn)證.表3為方案1采用不同網(wǎng)格數(shù)量時(shí)仿真值，其中N為網(wǎng)格數(shù)量.可知210萬(wàn)網(wǎng)格計(jì)算求得的結(jié)果相對(duì)其他網(wǎng)格數(shù)量小于3.6%.

表3 模型網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

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(jì)方案流場(chǎng)仿真結(jié)果見(jiàn)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表5.對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3.為直觀表達(dá)仿真結(jié)果與響應(yīng)面模型計(jì)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(jì)算結(jié)果；YS為仿真計(jì)算結(jié)果.三個(gè)響應(yīng)面模型精度見(jiàn)表6.

圖3 模型驗(yàn)證

表5 模型驗(yàn)證試驗(yàn)

表6 模型精度計(jì)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(píng)價(jià)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(jiàn)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(huì)使氣流速度減小；X4初步取值已經(jīng)很大，進(jìn)一步增大會(huì)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(guò)程中的動(dòng)能交換及壓力脈動(dòng)損失，但對(duì)速度的影響有限，因而Y1表現(xiàn)為緩慢減??；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(huì)降低Y1，而X2會(huì)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(jiàn)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(huì)降低吸嘴壓力降.而X2(貢獻(xiàn)率為20.2%)對(duì)增大吸嘴壓力降起決定性的作用.分析其原因，過(guò)渡區(qū)橫截面積會(huì)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(shí)，吸塵盤(pán)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(lái)越大，增大了空氣運(yùn)動(dòng)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(jiàn)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(huì)抑制Y3.結(jié)合這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)Y1的影響分析：X1的變化對(duì)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(duì)整個(gè)入口平面氣流分布的影響從兩端到中間逐漸減小；X3對(duì)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(gè)目標(biāo)變量與設(shè)計(jì)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(jì)關(guān)鍵因素，表7按照各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)吸嘴各個(gè)性能的影響

由表7可知，X1，X2，X3，X4的變化對(duì)Y1和Y2的影響趨勢(shì)相同，X2的變化對(duì)Y1，Y2的影響和對(duì)Y3的影響趨勢(shì)相反，這說(shuō)明X1，X2，X3，X4對(duì)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(guò)尋優(yōu)及評(píng)價(jià)來(lái)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(duì)吸塵性能各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，必須選用算法來(lái)均衡這種影響，以各評(píng)價(jià)指標(biāo)同時(shí)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(duì)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(jì)算效率.因此本文選用多島遺傳算法來(lái)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(jiàn)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(gè)性能指標(biāo)值均近似于平均值，各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)基本接近預(yù)期范圍，可判斷各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響得到了均衡.

5 結(jié) 論

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

2) 各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)Y1及Y2的貢獻(xiàn)率分別高達(dá)16%，20.2%，但是對(duì)于Y3，基本沒(méi)有影響作用.

3) 考慮各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)吸塵性能各評(píng)價(jià)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°.

[1] 任良成,張德文.路面清掃車的現(xiàn)代設(shè)計(jì)[J].水運(yùn)科學(xué)研究,2006(4)：465-473.

[2] 云現(xiàn)杰.道路清掃車吸塵與沉降特性研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2014.

[3] 辛宇華.基于FLUENT的清掃車氣路系統(tǒng)流場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2015.

[4] 王翔.城市道路吸掃車吸塵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和流場(chǎng)分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[5] 馬玉鑫,韓召陽(yáng),張應(yīng)鵬,等.多功能道路清掃車的設(shè)計(jì)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2015(1)：100-102.

[6] 朱伏龍,張冠哲,陳杰.真空吸塵車吸塵口的流場(chǎng)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(11)：50-52.

[7] 朱伏龍.基于吸塵性能的吸塵口結(jié)構(gòu)研究與流場(chǎng)分析[D].上海：上海交通大學(xué),2008.

[8] 李成林.全吸式干濕兩用掃路車關(guān)鍵技術(shù)研究[D].江蘇:江蘇科技大學(xué)，2012.

[9] 王悅新,梁昭舉,曹平韜.基于CFD的清掃車氣力輸送系統(tǒng)仿真分析[J].交通節(jié)能與環(huán)保,2015(3)：32-35.

[10] KALMAN H, SATRAN A, MEIR D, et al. Pickup (critical) velocity of particles[J]. Powder Technology,2005,160(2):103-113.