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        基于多元回歸模型的礦用膠輪車動力性評估

        2020-02-24 07:42:18成文浩寇子明張潤澤
        煤炭工程 2020年2期
        關(guān)鍵詞:煙度膠輪動力性

        成文浩 ,寇子明,閆 政,張潤澤

        (1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.礦山流體控制國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030024;3.山西省礦山流體控制工程技術(shù)研究中心,山西 太原 030024;4.晉中學(xué)院 機(jī)械學(xué)院,山西 晉中 030619)

        由于動力性不足輕型膠輪車安全事故日益增多[1,2],井下作業(yè)前輕型膠輪車的動力性日檢顯得尤為重要。目前動力性檢測主要以爬坡能力和底盤最大輸出功率檢測為主,劉元鵬等[3]依據(jù)發(fā)動機(jī)功率達(dá)標(biāo)法的原理提出了額定功率車速與驅(qū)動輪輪邊穩(wěn)定車速的驅(qū)動輪功率檢測方法,李亞飛等[4]提出了在低速下汽車動力性測試方法和相關(guān)數(shù)學(xué)模型。但動力性檢測需要固定場地且底盤測功系統(tǒng)成本較高,用戶自檢可行性較小。爬坡動力性檢測由于室外安全隱患較大,檢驗(yàn)時(shí)間較長,無法滿足礦企日常使用要求。

        另外,動力性不足會伴隨著排放冒黑煙,所以排放檢測也可以定性反映車輛動力性能。排放物主要由固體顆粒、氮氧化合物、烴類、一氧化碳、排氣溫度等組成[5,6]。但目前對排放的研究只停留在環(huán)境保護(hù)要求上,霍紅等[7]提出了常用機(jī)動車污染物排放模型用以反映機(jī)動車污染物與其影響因素之間的數(shù)學(xué)或物理關(guān)系,以及反映和預(yù)測車輛的排放水平等,Oliveira等[8]建立了裝配先進(jìn)后處理系統(tǒng)的輕型車和重型車 NOx排放模型,Zanin等[9]建立了 CO2與車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)聯(lián)模型,其不足之處就是缺乏用排放檢測數(shù)據(jù)評估輕型膠輪車動力性的方法,因此,建立礦用輕型膠輪車動力性評估模型是非常有意義的。

        采用回歸分析方法分析車輛的實(shí)際道路排放[10,11]是建立車輛實(shí)際道路污染物排放微觀模型的常用手段之一。研究中,以大同市塔山煤礦某礦用輕型膠輪車為例,利用SPSS軟件得出擬合度最高的多元線性回歸方程,建立了輕型膠輪車動力性評估模型。將評估試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型評估結(jié)果對比分析,驗(yàn)證了評估模型的正確性。

        1 試驗(yàn)方案及設(shè)備

        1.1 試驗(yàn)?zāi)z輪車

        試驗(yàn)車輛為塔山煤礦在用的某輕型膠輪車,其關(guān)鍵參數(shù)見表1,膠輪車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        1.2 關(guān)聯(lián)因素選取

        輕型膠輪車排出廢氣中,除碳煙顆粒以外,廢氣的主要成分為:一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫(SO2)、醛類物質(zhì)等。由于其中CO、HC和NOx在尾氣氣體中所占比較大,且二氧化硫(SO2),其在廢氣中的濃度取決予柴油中硫的含量,故選取煙度、CO、HC、NOx和排氣溫度作為關(guān)聯(lián)因素。

        表1 膠輪車關(guān)鍵參數(shù)

        圖1 膠輪車結(jié)構(gòu)圖(mm)

        1.3 試驗(yàn)設(shè)備選擇

        1)煙度檢測。鑒于不透光煙度計(jì)測量煙度排放用光強(qiáng)度大小來反映煙度排放的大小,故試驗(yàn)選用MQY-200煙度計(jì)測量,以不透光系數(shù)k值作為煙度測量結(jié)果。

        2)尾氣分析。尾氣分析主要包括有NOx、CO、HC和排氣溫度檢測,均與柴油機(jī)燃燒相關(guān)聯(lián),選用MQW-511進(jìn)行。

        3)動力性檢測。底盤輸出功率是評估車輛動力性的重要指標(biāo)[12],試驗(yàn)以20km/h測得的礦用輕型膠輪車底盤最大輸出功率為動力性評估標(biāo)準(zhǔn),檢測設(shè)備為TCG13-3車底盤測功機(jī)。

        1.4 排放多因素回歸分析

        選取煙度、CO、排氣溫度、HC和NOx為排放相關(guān)因子。利用SPSS軟件對底盤輸出功率和排放相關(guān)因子進(jìn)行回歸分析,以探討膠輪車底盤輸出功率可由以上關(guān)聯(lián)因素解釋的程度。選取強(qiáng)迫進(jìn)入法,分析結(jié)果見表2—表4。

        表2 多元回歸模型的統(tǒng)計(jì)概要

        注:a.預(yù)測變量:(常量),排氣溫度,CO,煙度,HC,NOx;b.因變量:底盤輸出修正功率。

        表3 多元回歸模型的方差分析表

        注:a.預(yù)測變量:(常量),排氣溫度,CO,煙度,HC,NOx;b.因變量:底盤輸出修正功率。

        表4 多元回歸模型的回歸系數(shù)表

        注:a.預(yù)測變量:(常量),排氣溫度,CO,煙度,HC,NOx;b.因變量:底盤輸出修正功率。

        從上表系數(shù)a的Sig欄中發(fā)現(xiàn)HC的值大于0.05,說明該因素對結(jié)果是不顯著的,即對于膠輪車輸出功率的評估影響可以忽略。將其去除后,對其他因素分析結(jié)果見表5—表7。

        表5 多元回歸模型的統(tǒng)計(jì)概要

        注:a.預(yù)測變量:(常量),排氣溫度,CO,煙度,NOx;b.因變量:底盤輸出修正功率。

        表6 多元回歸模型的方差分析表

        注:a.預(yù)測變量:(常量),排氣溫度,CO,煙度,NOx;b.因變量:底盤輸出修正功率。

        表7 多元回歸模型的回歸系數(shù)表

        注:a.預(yù)測變量:(常量),排氣溫度,CO,煙度,NOx;b.因變量:底盤輸出修正功率。

        從檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,擬合相關(guān)系數(shù)R2為0.938,非常接近1,說明因變量底盤最大輸出功率與預(yù)測變量之間具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性。檢驗(yàn)的Durbin-Watson為2.026,非常接近2,可以說明因變量取值不存在序列相關(guān)。

        2 建立動力性評估模型

        針對底盤最大輸出功率與煙度、CO、排氣溫度、NOx之間存在較強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系,采用以下數(shù)學(xué)模型,利用SPSS軟件對其進(jìn)行多元線性回歸分析:

        P=p1+p2Q+p3M+p4N+p5T

        (1)

        式中,P為底盤輸出功率,kW;pi為變量系數(shù)與常量;Q為不透光系數(shù)k;M-NOx體積分?jǐn)?shù),%;N-CO體積分?jǐn)?shù),%;T為排氣溫度,℃。

        最后求解得到:

        P=-1084.53+86.695Q+25.49M-

        8773.549N+2.574T

        (2)

        從表7可以看出,模型的顯著性水平達(dá)到了0.005,其中,Sig的值都小于0.05,說明包括常數(shù)項(xiàng)的這幾項(xiàng)對結(jié)果都是顯著的。由方程(2)可見,隨著膠輪車動力性能逐漸提升,煙度、氮氧化合物、排氣溫度不斷上升,一氧化碳不斷下降。

        3 動力性評估試驗(yàn)

        在多元回歸分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了防爆輕型膠輪車的動力性評估試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果測得底盤最大輸出功率、煙度、CO、NOx化合物以及排氣溫度等排放數(shù)據(jù)。

        輕型膠輪車動力性評估預(yù)測選用回歸方程式(2)進(jìn)行,選擇多輛膠輪車排放檢測數(shù)據(jù),計(jì)算得出膠輪車底盤最大輸出功率預(yù)測值,與實(shí)際測得的結(jié)果排進(jìn)行對比分析,結(jié)果見表8。底盤輸出功率檢測照片如圖2所示。

        表8 評估精度分析

        圖2 底盤輸出功率檢測照片

        根據(jù)表8試驗(yàn)結(jié)果可知,評估相對誤差在±5%以下,即在誤差允許的范圍內(nèi)評估模型是有效的。為進(jìn)一步降低回歸模型的評估誤差,各型號膠輪車可根據(jù)排放檢測情況,分析計(jì)算出對應(yīng)的動力性評估模型。

        4 結(jié) 論

        1)利用SPSS軟件進(jìn)行多元線性回歸分析,得到了礦用膠輪車動力性評估模型,模型預(yù)測變量sig的值均小于0.05,證明煙度、氮氧化合物、排氣溫度與膠輪車動力性呈負(fù)相關(guān),一氧化碳與膠輪車動力性呈正相關(guān)。

        2)通過動力性評估試驗(yàn),底盤最大輸出功率預(yù)測相對誤差依次為4.6%、-5.0%、2.57%、4.5%和-4.6%,即模型評估誤差不超過±5%,說明多元回歸模型對膠輪車的動力性評估是有效的,為后續(xù)日常車輛動力性檢測提供了評估依據(jù)。

        3)根據(jù)底盤最大輸出功率實(shí)測數(shù)據(jù)與評估結(jié)果,證明動力性評估模型是合理準(zhǔn)確的,能夠評估膠輪車動力性,為日后膠輪車動力性日檢提供了技術(shù)參考。

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