基于正交試驗(yàn)法沾漿機(jī)漿拐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

邢相偉，彭彥平，龐桂兵，趙秀君

（大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，遼寧大連　116034）

基于正交試驗(yàn)法沾漿機(jī)漿拐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

邢相偉，彭彥平，龐桂兵，趙秀君

（大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，遼寧大連116034）

按照生產(chǎn)工藝和設(shè)計(jì)要求，選擇對(duì)沾漿機(jī)攪拌性能影響最為關(guān)鍵的料桶轉(zhuǎn)速、漿拐形狀和槳徑比3個(gè)參數(shù)為變化因素，按正交方案設(shè)計(jì)了9臺(tái)沾漿機(jī)模型。采用Fluent滑移網(wǎng)格方法對(duì)設(shè)計(jì)的9臺(tái)模型進(jìn)行仿真模擬，得到了各幾何參數(shù)對(duì)沾漿機(jī)攪拌性能影響程度的主次順序，并得出模型沾漿機(jī)漿拐的截面夾角為30°、槳徑比為0.35為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

沾漿機(jī)；正交試驗(yàn)；仿真；優(yōu)化

0　引　言

沾漿機(jī)是應(yīng)用于精密鑄造行業(yè)的攪漿設(shè)備，主要作用是保持漿料的混合均勻性。傳統(tǒng)的沾漿機(jī)雖然能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，但是攪漿效果比較差。而對(duì)于沾漿機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，傳統(tǒng)方式主要是經(jīng)驗(yàn)法和試驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法雖然比較簡(jiǎn)單，但是需要有非常豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且經(jīng)驗(yàn)法并不一定能得到最優(yōu)的結(jié)果。相反實(shí)驗(yàn)法雖然能夠獲得最優(yōu)化的結(jié)果，但是需要做大量的實(shí)驗(yàn)，人力和物力投入比較大。

盡管有許多研究者在攪拌器的研究上做了許多工作，但尚有一些問(wèn)題沒(méi)有完全解決。對(duì)于傳統(tǒng)攪拌器的研究，Lunden等［1］研究和模擬了單層渦輪槳攪拌槽內(nèi)的混合過(guò)程，雖然總體結(jié)果一致，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在細(xì)節(jié)上尚有出入。陳啟宗［2］分析了連續(xù)式攪拌與間歇式攪拌設(shè)備的特點(diǎn)，并分別列舉出了它們的優(yōu)越性，但是并沒(méi)提出來(lái)自己的設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)對(duì)攪漿過(guò)程的觀察研究和分析發(fā)現(xiàn)：漿拐的截面形狀、料桶的轉(zhuǎn)速及槳徑比是影響沾漿機(jī)攪拌性能的主要三因素。作者以Fluent軟件為建模仿真基礎(chǔ)［3］，運(yùn)用正交試驗(yàn)法［4－5］，對(duì)上述三因素進(jìn)行試驗(yàn)研究和分析，結(jié)構(gòu)證明設(shè)計(jì)分析方法是可行的，為實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中漿拐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1　正交試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)探索選定的試驗(yàn)因素對(duì)沾漿機(jī)攪拌效果的影響程度，找出各因素對(duì)性能指標(biāo)的影響程度主次順序。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇沾漿機(jī)漿拐的參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)組合，為沾漿機(jī)漿拐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1.1試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

漿拐的截面形狀、料桶的轉(zhuǎn)速及槳徑比對(duì)沾漿機(jī)的攪拌性能的影響較大。在利用正交試驗(yàn)法，對(duì)形狀、料桶的轉(zhuǎn)速及槳徑比進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要確定幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，來(lái)評(píng)價(jià)得到的方案是否滿足優(yōu)化目標(biāo)的要求。作為試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的主要指標(biāo)有如下3個(gè)。

（1）攪拌功率。漿拐對(duì)流體做功的大小是攪拌性能檢測(cè)的一個(gè)重要指標(biāo)［6－7］，因此將漿拐的攪拌功率P作為一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)為了證明優(yōu)化性能的好壞，依據(jù)已監(jiān)測(cè)到的功率P引入另一個(gè)參數(shù)功率改善率，如公式（1）所示。

式（1）中：P1表示漿拐結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的攪拌功率，P2表示漿拐結(jié)構(gòu)改變后的攪拌功率。λP功率改善率為正時(shí)，說(shuō)明提高了沾漿機(jī)的攪拌功率，達(dá)到了改進(jìn)效果。如果為負(fù)，則表示未達(dá)到改進(jìn)效果。

（2）靜區(qū)域最大速度。在Fluent的仿真模型中劃分了動(dòng)靜區(qū)域，靜區(qū)域速度的改變，說(shuō)明了周圍流體向中間位置的流動(dòng)狀況，因此把靜區(qū)域的最大速度Vmax作為攪拌性能檢測(cè)的另一個(gè)指標(biāo)。通過(guò)Fluent的速度云圖及后處理軟件即可獲得靜區(qū)域的Vmax。而靜區(qū)域最大速度改變率則能反映出改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣性，根據(jù)靜區(qū)域的Vmax例公式，如公式（2）所示。

式（2）中：Vmax1表示漿拐結(jié)構(gòu)改進(jìn)前沾漿機(jī)模型靜區(qū)域的最大速度，Vmax2表示漿拐結(jié)構(gòu)改進(jìn)后沾漿機(jī)模型靜區(qū)域最大速度。最大速度改變率反映了優(yōu)化效果的好壞，值為正即達(dá)到優(yōu)化的目的，反之說(shuō)明不符合優(yōu)化要求。

（3）動(dòng)靜區(qū)域相對(duì)速度。為了更加全面的說(shuō)明流體在整個(gè)桶內(nèi)的整體流動(dòng)性，定義另一個(gè)參數(shù)動(dòng)靜區(qū)域最大相對(duì)速度，如公式（3）所示。式（3）中：Vmaxm表示動(dòng)區(qū)域內(nèi)流體的最大速度，Vmaxq表示靜區(qū)域內(nèi)流體的最大速度。S越小流體向中心區(qū)域的流動(dòng)性越好。

為了表示優(yōu)化性能的好壞，引入了一個(gè)指標(biāo)λS（整體流動(dòng)率）。根據(jù)公式（3）已求得的S例公式，如公式（4）所示。

式（4）中：S1表示漿拐結(jié)構(gòu)改進(jìn)前動(dòng)靜區(qū)域最大速度差值，S2表示漿拐結(jié)構(gòu)改進(jìn)后動(dòng)靜區(qū)域最大速度差值。λS為正表示達(dá)到改進(jìn)要求，若為負(fù)說(shuō)明未達(dá)到改進(jìn)要求。

除了以上3個(gè)指標(biāo)，還為試驗(yàn)設(shè)置了一個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)K，公式如公式（5）所示：

式（5）中：K為綜合優(yōu)化指標(biāo)，K值越大表示優(yōu)化結(jié)果越好。

1.2試驗(yàn)參數(shù)確定

確定評(píng)價(jià)指標(biāo)以后，再根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的工藝要求和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇截面角度A，料桶轉(zhuǎn)速B，槳徑比C作為正交試驗(yàn)的變化因素，因素水平表如表1所示。

表1　沾漿機(jī)正交試驗(yàn)的因素水平表Tab.1　Factor　levels　of　slurry　mixer　orthogonal　text

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1，選擇正交試驗(yàn)方案，共進(jìn)行9次試驗(yàn)。試驗(yàn)分布及結(jié)果如表2所示。

2.2試驗(yàn)結(jié)果極差分析

極差是與各因素不同水平相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)平均值的最大值與最小值之差，一般用R表示，R的值反映出各因素對(duì)考核指標(biāo)的影響大小。R越大表示該因素的水平變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，該因素在試驗(yàn)中越重要；反之，該因素越不重要。正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果見(jiàn)表3，Ki（i＝1，2，3）為第i水平上的平均值，K越大，表明改進(jìn)效果越好。

各因素水平對(duì)K值的影響變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。圖1是用表1的水平因素和表3的來(lái)標(biāo)繪的。從圖中可看出：在試驗(yàn)參數(shù)的范圍內(nèi)沾漿機(jī)漿拐的截面夾角越大，K減?。辉谏a(chǎn)工藝要求的范圍內(nèi)，料桶的轉(zhuǎn)速增大，K增大；槳徑比增大，K增大。

適宜操作條件的確定。由上文介紹，試驗(yàn)指標(biāo)K值愈大愈好。為此，本文的最優(yōu)參數(shù)組合是各水平下K的平均值最大時(shí)的條件：漿拐的截面夾角為π／6rad、料桶的轉(zhuǎn)速為40r／min、槳徑比為0.35。以上參數(shù)恰好為3號(hào)試驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)。

表2　沾漿機(jī)正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2　Result　of　slurry　mixer　orthogonal　test

表3　沾漿機(jī)正交試驗(yàn)的結(jié)果分析Tab.3　Analysis　of　slurry　mixer　orthogonal　test

圖1　正交試驗(yàn)因素變化趨勢(shì)圖Fig.1　Orthogonal　test　factors　trend　chart

2.3試驗(yàn)仿真結(jié)果

圖2、圖3為改進(jìn)前后沾漿機(jī)仿真內(nèi)部剖面圖和俯視圖流場(chǎng)的各自對(duì)比，改進(jìn)前的模型仿真條件為：漿拐的截面夾角為0、料桶的轉(zhuǎn)速為30r／min、槳徑比為0.15、漿拐對(duì)稱安裝。改進(jìn)后的模型仿真條件為：漿拐的截面夾角為π／6rad、料桶的轉(zhuǎn)速為40r／min、槳徑比為0.35、漿拐垂直安裝。通過(guò)圖2沾漿機(jī)流場(chǎng)仿真內(nèi)部剖面圖可以很清楚地看到，改進(jìn)前沾漿機(jī)的攪拌區(qū)主要集中在漿拐附近，而且流體的流動(dòng)性較差。而改進(jìn)后的沾漿機(jī)雖然攪拌區(qū)域也在漿拐附近，但是攪拌區(qū)域明顯擴(kuò)大，而且流體像中心區(qū)域流動(dòng)的趨勢(shì)非常的明顯（可以通過(guò)圖3漿機(jī)流場(chǎng)仿真俯視圖觀察這一變化）。因此對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后沾漿機(jī)的流場(chǎng)分布比較均勻，流體能夠?qū)崿F(xiàn)整體的交換流動(dòng)，基本達(dá)到改進(jìn)要求。

圖2　沾漿機(jī)流場(chǎng)仿真內(nèi)部剖面圖Fig.2　Slurry　mixer　sectional　view　of　the　internal　flow　field　simulation

圖3　沾漿機(jī)流場(chǎng)仿真俯視圖Fig.3　Slurry　mixer　top　view　of　the　internal　flow　field　simulation

3　結(jié)　論

通過(guò)基于Fluent正交實(shí)驗(yàn)法，得出了沾漿機(jī)漿拐的最佳優(yōu)化參數(shù)：漿拐的截面夾角為π／6rad、槳徑比為0.35。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還要考慮機(jī)器的結(jié)構(gòu)問(wèn)題。在槳徑比的選擇上，應(yīng)在保證優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上，盡可能地選擇小的槳徑比。因?yàn)闃獜奖仍龃?，漿拐的尺寸和質(zhì)量就會(huì)增加，不利于漿拐的上下升降。同時(shí)因?yàn)闈{拐是懸臂安裝容易使?jié){拐根部彎曲變形，甚至可能會(huì)與桶壁接觸，產(chǎn)生摩擦。

［1］LUNDENM，STENBERGO，ANDERSSONB.E－valuationofamethodformeasuringmixingtimeusingnumericalsimulationandexperimentaldata［J］.ChemicalEngineeringCommunications，1995，139（1）：115－136.

［2］陳啟宗.連續(xù)式攪拌設(shè)備與間歇式攪拌設(shè)備的性能比較［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29（9）：1001－1004.

［3］文媛媛.基于FLUENT的混合器內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.過(guò)濾與分離，2010，20（1）：26－33.

［4］欒軍.現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1995：20－26.

［5］余艷波，田啟華，杜義賢.插齒機(jī)靜壓支承所受載荷的正交試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.三峽大學(xué)報(bào)，2013，4（2）：81－84.

［6］陳志平，章序文，林興華，等.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：5－15.

［7］鐘麗，黃雄斌，賈志剛.固－液攪拌槽內(nèi)顆粒離底懸浮臨界轉(zhuǎn)速的CFD模擬［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，30（6）：175－176.

［8］李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：45－51.

Optimizationofagitatorstructureofslurrymixerbyorthogonaltestmethod

XINGXiangwei，PENGYanping，PANGGuibing，ZHAOXiujun
（SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation，DalianPolytechnicUniversity，Dalian116034，China）

Accordingtotheproductionprocessanddesignrequirements，thecriticalimpactonmixture performanceofslurrymixer，threeparametersincludingtankspeed，agitatorshapeandpaddle diameterratioaresetasvariablefactors.Nineslurrymixermodelsaredesignedbasedonorthogonal testmethod.NinemodelswithFluentSlidingmeshmethodarestimulated，theinfluenceof geometricalparametersontheextentofthemixerperformanceisobtainedandtheoptimaldesign schemethatissectionangleof30°andimpellerdiameterratioof0.35isacquiredaswell.

slurrymixer；orthogonaltest；simulation；optimize

TH122

A

1674－1404（2015）02－0153－04

2014－01－10.

邢相偉（1987－），男，碩士研究生；通信作者：彭彥平（1962－），男，教授.