基于整車(chē) CFD 的洗掃車(chē)吸嘴結(jié)構(gòu)多目標(biāo)正交試驗(yàn)優(yōu)化

摘要：吸嘴是洗掃車(chē)氣路系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)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(chē)流場(chǎng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)了五因素三水平的多目標(biāo)正交試驗(yàn)，并采用綜合頻率分析法對(duì)直觀分析數(shù)據(jù)和極差分析數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)獲得綜合優(yōu)化方案，對(duì)吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)作了優(yōu)化。最后對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：洗掃車(chē)；吸嘴結(jié)構(gòu)；DOE優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U467" 收稿日期：2024-11-18

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502008

1 前言

洗掃車(chē)以二類(lèi)底盤(pán)為基礎(chǔ)，加裝副車(chē)架、箱體、清掃裝置、吸塵系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、液壓系統(tǒng)等而成。氣力輸送系統(tǒng)作為洗掃車(chē)的核心系統(tǒng)，主要部件包括清掃系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、吸嘴、箱體、風(fēng)道和除塵裝置等。它的工作原理是，風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負(fù)壓，通過(guò)風(fēng)道、箱體傳遞到吸盤(pán)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)路面垃圾的吸拾作業(yè)[1]。吸嘴是氣路系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)吸塵效率、吸塵能力和工作可靠性等起著決定性的作用。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)洗掃車(chē)吸嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析和優(yōu)化。黃帥帥等[2]對(duì)吸嘴高度和反吹口進(jìn)行了研究，王翔等[3]對(duì)吸嘴的收縮角進(jìn)行了研究，周廣昭[4]對(duì)吸嘴肩部斜角和吸管折彎角作了研究，黃登紅等[5]對(duì)吸嘴側(cè)板水平傾角、后擋板高度、后板傾角、側(cè)板鉛垂傾角、前板圓弧半徑及吸管直徑進(jìn)行了研究，楊春朝等[6]對(duì)吸嘴寬度、吸管直徑及吸管傾斜角進(jìn)行了研究，賴(lài)振賦[7]對(duì)吸嘴厚度、吸管直徑、喇叭口厚度進(jìn)行了研究，王興旺[8]對(duì)吸盤(pán)縱向?qū)挾?、高度、吸盤(pán)前膠皮與地面夾角以及前膠皮與吸盤(pán)側(cè)面間隙、輸送管安裝角度、輸送管直徑進(jìn)行了研究。上述研究對(duì)吸嘴的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義，但存在以下不足：

a.只對(duì)吸嘴的部分參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不全面；b.所使用的模型為吸嘴的局部結(jié)構(gòu)，將吸管的出口面設(shè)置為恒定的負(fù)壓，未考慮到整車(chē)的影響；c.或是優(yōu)化時(shí)將參數(shù)逐個(gè)固定，所得的局部?jī)?yōu)化結(jié)果未必是全局最優(yōu)的解。

本文基于流體分析理論（連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程），在前人研究的基礎(chǔ)上使用整車(chē)流場(chǎng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)了五因素三水平的多目標(biāo)正交試驗(yàn)，對(duì)某18 t洗掃車(chē)吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析結(jié)果將更貼近工程實(shí)際。

2 流場(chǎng)分析

整車(chē)流場(chǎng)分析的模型如圖1所示，吸嘴底面離地高10 mm，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)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(guān)系采用coupled 算法，二階迎風(fēng)格式。邊界條件為：擴(kuò)展區(qū)進(jìn)氣面設(shè)置為pressure-inlet，排氣口設(shè)置為pressure-outlet。計(jì)算過(guò)程監(jiān)測(cè)擴(kuò)展入口，排氣口質(zhì)量流量及風(fēng)機(jī)力矩，迭代5000步后分析已收斂（圖2），整車(chē)速度流線圖見(jiàn)圖3。

3 正交試驗(yàn)

31 試驗(yàn)方案及結(jié)果

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（Design of Experiment，DOE），通過(guò)合理安排試驗(yàn)方案，以較小的試驗(yàn)次數(shù)為代價(jià)獲取可靠的試驗(yàn)結(jié)果，并以此得到合理的科學(xué)結(jié)論。

吸嘴橫截面如圖4所示，該模型為目前洗掃車(chē)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(gòu)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(tǒng)的金屬構(gòu)件，所形成的封閉腔除高度H外不隨設(shè)計(jì)參數(shù)的變化而改變。根據(jù)工程實(shí)際選取吸嘴寬度W、吸管內(nèi)徑D（企業(yè)技術(shù)保密，未展示實(shí)際值，igt;0，jgt;0）、吸嘴內(nèi)高H、管中心距L、前端入口角度θ作為試驗(yàn)因素，各因素取三水平，正交試驗(yàn)因素水平表見(jiàn)表1。管中心距L為吸嘴結(jié)構(gòu)體上吸管中心距沉降箱內(nèi)管中心距不變，吸管中段彎曲部分適應(yīng)L的變化。

優(yōu)化目標(biāo)為進(jìn)氣口平均流速v1（望大）、吸管平均流速v2（望大）、軸功率P（望小）、進(jìn)氣口全壓效率η（望大）。實(shí)現(xiàn)垃圾吸拾的條件是：進(jìn)氣口平均流速v1不小于垃圾起動(dòng)速度以使垃圾開(kāi)始運(yùn)動(dòng)；當(dāng)垃圾進(jìn)入吸嘴與垃圾箱之間的管路內(nèi)，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(yàn)方案L27（35）及數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表2。方差分析顯示目標(biāo)值v1、v2、P、η的R2分別為9808%、9943%、9675%、9610%，均在95%以上，這表明數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

32 試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析

極差分析結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表中排秩可知，吸管內(nèi)徑D對(duì)四個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的影響程度均是最大的，說(shuō)明吸管內(nèi)徑D的變化對(duì)洗掃車(chē)整體性能起著主導(dǎo)作用；而吸嘴寬度W與吸嘴內(nèi)高H排秩多次處于第四、第五位，說(shuō)明吸嘴寬度W與吸嘴內(nèi)高H對(duì)整體性能的影響較?。还苤行木郘與前端入口角度θ對(duì)整體性能影響適中。圖5為各因素值對(duì)整體性能的影響趨勢(shì)。

33 單目標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

選取進(jìn)氣口平均流速v1的最優(yōu)組合方案a：W2D3H1L1θ1、吸管平均流速v2的最優(yōu)組合;b：W1D2H3L1θ2、軸功率P的最優(yōu)組合;c：W2D2H3L3θ1、入口全壓效率η的最優(yōu)組合;d：W1D3H3L3θ3與原始方案對(duì)比，見(jiàn)表5。其中方案d為正交試驗(yàn)第9組，其余方案重新建模并計(jì)算。

單目標(biāo)值的優(yōu)化組合方案結(jié)果比原始方案均得到較大幅度的改善，其中進(jìn)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(jìn)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(biāo)值的最優(yōu)參數(shù)組合，如在對(duì)v1的最優(yōu)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(biāo)值換取單目標(biāo)性能提升的方案并不是最優(yōu)的選擇，無(wú)法指導(dǎo)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。參考文獻(xiàn)[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(yōu)方案得出綜合最優(yōu)方案，見(jiàn)表6及表7。

由表7，吸嘴寬度W第一、二水平、吸嘴內(nèi)徑D第二、三水平、吸嘴內(nèi)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(yōu)方案中出現(xiàn)的頻率是最高的。結(jié)合前文分析結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際，選取吸嘴寬度W第二水平、吸嘴內(nèi)徑D第二水平、吸嘴內(nèi)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(yōu)化方案e：W2D2H3L3θ3。

對(duì)方案e進(jìn)行建模分析，與原始方案對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表8，進(jìn)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(yōu)化目標(biāo)中的吸管平均流速v2（望大）、軸功率P（望小）、進(jìn)氣口全壓效率η（望大）三項(xiàng)目標(biāo)已符合預(yù)期，進(jìn)氣口平均流速v1（望大）并未實(shí)現(xiàn)。由文獻(xiàn)[1]，吸拾高密度球形垃圾所需的起動(dòng)速度小于懸浮速度，方案e進(jìn)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(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

按方案e試制了吸嘴，見(jiàn)圖6。按行業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/STACAES 005—2021《環(huán)衛(wèi)保潔車(chē)輛洗掃車(chē)》規(guī)定的試驗(yàn)方法評(píng)估洗掃凈率，作業(yè)速度7 km/h，風(fēng)機(jī)以2 500 r/min工作，作業(yè)后路面垃圾殘余情況見(jiàn)圖7。三次試驗(yàn)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(dá)到預(yù)期。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用洗掃車(chē)整車(chē)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用正交試驗(yàn)的方法對(duì)吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，選取吸嘴五因素寬度W、吸管內(nèi)徑D、吸嘴內(nèi)高H、管中心距L、前端入口角度θ作為正交試驗(yàn)因素，各因素取三水平，優(yōu)化目標(biāo)為進(jìn)氣口平均流速v1、吸管平均流速v2、軸功率P、進(jìn)氣口全壓效率η，采用綜合頻率分析法對(duì)直觀分析的方案與極差分析的較優(yōu)方案綜合得出綜合優(yōu)化方案。數(shù)值模擬表明綜合最優(yōu)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(shí)車(chē)試驗(yàn)的洗掃凈率比原始方案高22%，證實(shí)了本優(yōu)化方法可以用于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介：

彭燕華，男，1981年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)衛(wèi)汽車(chē)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。