張 靈 史天亮

(1.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 湖南 株洲 412007；2.中國鐵建重工集團(tuán)有限公司 湖南 長沙 410100)

隨著我國鐵路交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，一系列用于高效清除鐵路道床表面污物、障礙物的“鐵路清道夫”產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生：普遍用于清除高鐵線路道床污物的吸污車，適用于沙漠線路的除沙車和運(yùn)煤專線的吸煤車，通過這些專用車輛對(duì)鐵路線路的維護(hù)，保證列車高速運(yùn)行的安全性。

吸污效率的高低是衡量該類軌道清污車輛性能好壞的關(guān)鍵，為提高吸污效率，在樣車研制階段，研發(fā)工作者做了大量的理論計(jì)算、試驗(yàn)研究和樣機(jī)改進(jìn)工作，其目的是確定主要工作裝置結(jié)構(gòu)的合理性和運(yùn)行參數(shù)的最優(yōu)性。郭關(guān)柱在忽略空氣的黏性力和密度變化、吹風(fēng)口偏角與氣流離開軌道表面角度的差異以及吸風(fēng)對(duì)吹風(fēng)影響的前提下，對(duì)新型軌道吸污裝置的吸污能力進(jìn)行了研究，分析了車輛臨界移動(dòng)速度、吹風(fēng)口偏角對(duì)吸污能力的影響規(guī)律[1]，后又對(duì)能耗和吸污能力進(jìn)行分析[2]；史天亮利用 Fluent 軟件對(duì)鐵路道床吸污車吸塵裝置內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，在不同參數(shù)情況下對(duì)吸塵效率進(jìn)行仿真研究[3]。然而，由于影響吸污效率的因素較多，因素間存在著相互作用，導(dǎo)致實(shí)際值與仿真或理論計(jì)算有較大差距，甚至無法滿足作業(yè)要求，出現(xiàn)吸污車樣車實(shí)際吸污能力不足的現(xiàn)象，針對(duì)該車工作裝置結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)等方面的問題，進(jìn)行了大量的優(yōu)化改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證研究。為此，在吸煤車研制過程中，為減少反復(fù)試驗(yàn)和樣機(jī)調(diào)試次數(shù)，結(jié)合上述研究結(jié)論，選取三個(gè)對(duì)吸污效率影響最大的運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，對(duì)各影響因素的顯著性進(jìn)行分析，確定吸煤車工作裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)選組合方案，并建立了較為準(zhǔn)確的煤粉除凈率評(píng)價(jià)指標(biāo)回歸模型。

1 問題分析

1.1 吸污工作方式

吸煤車采用吹吸結(jié)合的吸污工作方式，如圖1所示，吸風(fēng)口前后布置吹風(fēng)口，風(fēng)機(jī)開啟后，道床表面的煤粉被吹風(fēng)氣流及滾刷卷起后，由吸風(fēng)氣流吸入到除塵設(shè)備中。吸煤車主要清理對(duì)象為煤粉顆粒，煤粉顆粒的臨界啟動(dòng)速度由顆粒當(dāng)量直徑?jīng)Q定[3]。由塵粒啟動(dòng)理論可知：當(dāng)近地面氣流速度大于啟動(dòng)速度時(shí)，塵粒才能被順利吹起[4]。在煤粉顆粒從啟動(dòng)瞬間到進(jìn)入吸風(fēng)口的過程中，同時(shí)受到吹風(fēng)氣流、吸風(fēng)氣流和車輛走行速度的相互作用影響，處于復(fù)雜湍流環(huán)境中，在理論計(jì)算和建模仿真時(shí)容易被忽略或簡化。

圖1 清污工作方式示意圖

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)法具有“均勻分散、齊整可比”的特點(diǎn)[5]，相比于普通試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于最大限度地減少了試驗(yàn)次數(shù)，且在較少試驗(yàn)次數(shù)的基礎(chǔ)上，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出正確結(jié)論。運(yùn)用既有的研究成果，通過對(duì)吸污效率的影響關(guān)系、影響趨勢(shì)及其權(quán)重進(jìn)行預(yù)判，選取以下3個(gè)影響因素：(1)吸風(fēng)口與道床距離L；(2)吹風(fēng)口偏角α，即吹風(fēng)口與鋼軌垂直面的夾角(見圖1)；(3)車輛走行速度v0。將吹風(fēng)口位置、氣流擴(kuò)散以及測(cè)量精度等因素視為通常水平，設(shè)定額定吹風(fēng)風(fēng)量為30 000 m3/h、額定吸風(fēng)風(fēng)量為70 000 m3/h。

試驗(yàn)以單位面積內(nèi)煤粉的除凈率P(表面殘留污物與試驗(yàn)放置量比值)、可吸收煤粉的最大粒徑D作為評(píng)價(jià)該車吸污效率的主要指標(biāo)。選用L9的正交方法安排試驗(yàn)(L為正交表的代號(hào)，做9次試驗(yàn))，根據(jù)上述三個(gè)影響因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平值，試驗(yàn)各因素及水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素和水平

選取廠內(nèi)一段有砟軌道線路，沿道床表面均勻鋪設(shè)厚度為10 cm、當(dāng)量直徑為1～25 mm不等的煤粉顆粒，清污作業(yè)前如圖2(a)所示。

(a)清污作業(yè)前 (b)清污作業(yè)后(試驗(yàn)編號(hào)9)圖2 吸煤車作業(yè)試驗(yàn)情況

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)記錄

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與參數(shù)優(yōu)選

極差分析法簡單易懂，實(shí)用性強(qiáng)，通過極差分析法分別計(jì)算吸風(fēng)口與道床距離L、吹風(fēng)口偏角α、走行速度v0對(duì)試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度。對(duì)除凈率和可吸煤粉的最大粒徑這2個(gè)試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的極差計(jì)算結(jié)果和優(yōu)選組合方案的選取，分別如表3、表4所示。表中，ki表示因素L、α、v0的第i(i=1, 2, 3)個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值之和的平均值。R為任一列因素的極差，R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}。

極差值用于反映因素水平的變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度。極差值越大，所對(duì)應(yīng)的因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因此，可以依據(jù)極差值判斷因素的主次。從表3、表4的極差值大小順序可看出，因素主次是相同的，即對(duì)除凈率和可吸最大粒徑影響最大的是吸風(fēng)口與道床距離L，其次是走行速度v0，最不顯著的是吹風(fēng)口偏角α。

ki值用于判斷因素水平的最優(yōu)選組合方案。由于試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)除凈率和可吸最大粒徑皆為越大越好，所以應(yīng)取各列中ki的最大值所對(duì)應(yīng)的水平作為提高除凈率和可吸最大粒徑的優(yōu)選方案。

表3 除凈率P極差分析結(jié)果

表4 可吸最大粒徑D極差分析結(jié)果

根據(jù)表3、表4中同一列ki值的大小，確定參數(shù)優(yōu)選組合方案為“L1、α2、v01”，該方案的參數(shù)設(shè)置值應(yīng)優(yōu)于上述正交試驗(yàn)的9種組合。在額定風(fēng)量條件下，該方案既能保證吸煤車較高的吸污除凈率，又能盡可能地清除較大顆粒的煤粉：(1)吸風(fēng)口離道床表面距離越小，風(fēng)速衰減越少，即到達(dá)道床表面的風(fēng)速越大，越有利于將吹起的塵粒吸入，受鋼軌高度限制，為保證一定安全距離，取吸風(fēng)口距離道床表面的最小值L=200 mm；(2)隨吹風(fēng)口偏角增大，到達(dá)道床表面的吹風(fēng)氣流減小，但吹風(fēng)口偏角過小，顯然不利于污物顆粒隨吸風(fēng)氣流進(jìn)入吸風(fēng)口，考慮到吸風(fēng)氣流的影響，根據(jù)試驗(yàn)極差分析結(jié)果選取吹風(fēng)口偏角α=8°；(3)道床表面被吸面積遠(yuǎn)大于吸風(fēng)口面積，走行速度v0越慢，有效作業(yè)時(shí)間越長，能夠被吸起的污物粒徑越大，越容易將污物顆粒吸走，但根據(jù)鐵路線路作業(yè)“天窗點(diǎn)”時(shí)間的要求，走行速度不宜過低。

3 建模與回歸

3.1 建立試驗(yàn)指標(biāo)的回歸模型

回歸模型采用建模方便、擬合精度較好的冪函數(shù)形式，除凈率P的回歸模型為

(1)

其中，c、k、q、t為回歸待定系數(shù)。

多元非線性必須轉(zhuǎn)化為多元線性回歸才能估計(jì)待定參數(shù)，對(duì)式(1)兩邊取自然對(duì)數(shù)得：

近年來，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式加速轉(zhuǎn)變，農(nóng)民合作社、龍頭企業(yè)、專業(yè)大戶、家庭農(nóng)場(chǎng)等新型農(nóng)村經(jīng)營主體已成為農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)營的主要力量。與傳統(tǒng)的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)相比較，農(nóng)村新型經(jīng)營主體的經(jīng)營理念、經(jīng)營方式均發(fā)生了根本變化，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的集約化、專業(yè)化、組織化、社會(huì)化水平顯著提高，對(duì)農(nóng)村金融產(chǎn)品和服務(wù)的需求呈現(xiàn)出新的特征。

lnP=lnc+klnL+qlnα+tlnv0

(2)

令lnP=y，lnc=b0，lnL=x1，lnα=x2，lnv0=x3，k=b1，q=b2，t=b3。模型轉(zhuǎn)化為多元線性關(guān)系

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

(3)

該線性方程共包含3個(gè)自變量x1、x2、x3，由9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立多元線性回歸方程，將其表示成矩陣方程的形式

b=[b0b1b2b3]T

(4)

式中：Y為9組試驗(yàn)測(cè)量出的除凈率對(duì)數(shù)值組成的矩陣，由最小二乘法可得

(5)

根據(jù)式(5)可得c=e7.3681，k=-0.492 4，q=0.008 5，t=-0.119 3，代入式(1)得到的除凈率P的回歸模型為

P=e7.3681L-0.4924α0.0085v0-0.1193

(6)

同理可得可吸最大粒徑D的回歸模型

D=e11.5677αp-1.4657vs-0.0108vw-0.3288

(7)

3.2 回歸模型的誤差驗(yàn)證

根據(jù)公式(6)、(7)，分別對(duì)除凈率P和可吸煤粉最大粒徑D進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證回歸模型的誤差情況，產(chǎn)生最大誤差時(shí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)編號(hào)和相應(yīng)結(jié)果如表5所示。

表5 最大誤差時(shí)對(duì)應(yīng)的回歸計(jì)算值與試驗(yàn)值比較

由表5可知，根據(jù)回歸模型得到計(jì)算值與相應(yīng)試驗(yàn)的測(cè)量值之間的最大相對(duì)誤差值分別為1.26%和6.08%，說明模型建立比較準(zhǔn)確?？晌悍圩畲罅秸`差值較大的原因主要是污物顆粒當(dāng)量直徑測(cè)量的不準(zhǔn)確性，同時(shí)，復(fù)雜的吸污過程還受其他多種因素影響。

利用該回歸模型，驗(yàn)證極差分析確定的優(yōu)選實(shí)施方案為“L1、α2、v01”，可達(dá)到95.9%的除凈率和25.3 mm的最大粒徑值。

樣車調(diào)試完畢后，吸風(fēng)口與道床距離L和吹風(fēng)口偏角α兩個(gè)參數(shù)將保持固定不變，但軌道清污車輛作業(yè)走行速度v0可調(diào)。因此，可利用該回歸模型，對(duì)除凈率和可吸煤粉最大粒徑值進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)作業(yè)“天窗點(diǎn)”時(shí)間調(diào)整車輛走行速度。

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)軌道清污車輛的正交試驗(yàn)，獲得了吸污運(yùn)行參數(shù)對(duì)吸污效率和吸污能力的影響規(guī)律：影響最顯著的因素是吸風(fēng)口與道床距離L，其次是走行速度v0，最不顯著的是吹風(fēng)口偏角α。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，并確定了優(yōu)選實(shí)施方案。

(2)采用多元非線性回歸分析法，分別建立了除凈率P和可吸煤粉最大粒徑D的回歸模型。該回歸計(jì)算模型求得的誤差值較小，證明了所建立回歸模型的精度良好。在后續(xù)車輛調(diào)試及工作運(yùn)行時(shí)利用該模型選擇合適的運(yùn)行參數(shù)，可降低制造成本，提高工作效率。