矿用气动水泵涡轮系统参数优化

矿用气动水泵作为一种局部排水设备广泛应用于矿山巷道掘进工作面。 这种水泵结构上主要包括涡轮系统和水轮系统两大部分， 以压缩空气为动力，压缩空气通过喷嘴高速喷出，推动涡轮旋转，从而带动与涡轮同轴的水轮转动，完成排水功能。它具有防爆、工作可靠、重量轻、移动方便及对环境要求低等优点。但是，矿用气动水泵却存在两大突出问题：噪声非常高，接近90dB；压缩空气的利用率相当低，涡轮系统的效率仅为10%～20%。中国矿业大学、河北工程大学和济宁矿业集团有限公司霄云煤矿通过正交试验方法对矿用气动水泵涡轮系统进行参数优化设计，确定影响工作效率的主要因素及其主次顺序，得出最佳水平组合。 通过验证，水泵效率提高10.8%，噪声降低4 dB，改善了经济性和实用性。

（1）涡轮的结构参数及试验因素水平的确定

①涡轮叶片。由于矿用气动水泵采用轴流冲击式涡轮机构，气体离开叶片时还具有相当高的速度。 为了充分利用气体的能量以提高工作效率，结构上采用反气窝结构，使气流转向以再次冲击叶片，达到能量二次利用的目的。 鉴于带反气窝结构的叶片双面均受到气流的作用，因此采用对称形的圆弧骨线形叶片。为了减少气流与叶片作用的阻力， 叶片不宜太厚， 取4 mm 较为合适。弦高反映出叶片的弯度，为可调参数，他们分别取 3 个水平 3 mm、4 mm、5 mm 作为正交试验的因素A。两个叶片之间的距离（栅距）也是影响压缩空气利用率的重要因素，叶片的个数越多则栅距越小。 他们将叶片个数分别取60、72、88 片作为正交试验的因素B。

②喷嘴。 喷嘴是涡轮系统的关键零件之一，其安装角度和形式都会对水泵的功率和效率产生重要影响。 由于喷嘴是个小零件，比较易于加工制造，所以选取其安装角度和喷孔形状为可调参数进行试验。 喷嘴形式为正交试验的因素C，取 3 种形式：C1 为 2 喷孔 I 型，2 孔径相同；C2为 2 喷孔 II 型，外孔径大、内孔径小；C3 为 3 喷孔III 型，外、中、内3 个喷孔。喷嘴角度为正交试验的因素 D，分别取 65°、70°、75°。

③喷嘴与反气窝相对位置。采用反气窝是为了充分利用流出叶轮的高速气流动能，进一步提高效率。 如果喷孔与反气窝的相对位置不合理，气流冲击不到反气窝就无法有效利用尾气动能。所以他们以原位为基准前后调整，取3 个位置进行试验。正交试验的因素E 取3 个水平：E1 为前移 10°、E2 为原位、E3 为后移 10°。

（2）正交表的设计及试验结果

正交试验是在实际生产和科学研究中，通过一定的试验获得一些试验数据，进而对这些数据进行科学分析或数学处理，帮助人们找出问题的主要矛盾及它们之间的相互关系的一种研究方法。 通过正交试验可以明确问题的内在规律，从而寻求问题的解决办法。将正交试验用于涡轮系统的参数优化之中，旨在分析影响其效率和噪声的主要因素，找出最佳的参数组合，改进涡轮系统的参数，提高其工作效率，降低工作噪声。

①正交试验表。 试验因素5 个，每个因素取3 个水平。 正交试验的目的是寻求涡轮系统中各因素的最佳水平组合， 试验考察指标是工作效率。 根据初步试验，上述因素对试验指标除了具有单独的影响外， 各个因素之间还存在交互作用，他们选用L27(313)正交表。

②试验数据的直观分析。他们通过方差分析知道，A（叶片弦高）、D（喷嘴角度）对效率起显著作用；交互作用A×D 对效率有显著作用；B（叶片数量）、C（喷嘴形状）及交互作用 A×B 对效率有较小影响；交互作用A×C 和因素E（喷嘴相对位置）在因素水平范围内对效率几乎无影响。 因素作用的主次顺序为 D、A、C、B、E； 最佳水平组合为 A2、B3、C2、D1、E2，即叶片弯度 4 mm、叶片数量 88 片、 喷嘴形状为 2 喷孔 II 型、 喷嘴角度65°、喷嘴位置为中位。 这个最佳因素水平组合在27次试验的因素水平组合之外，充分说明正交试验的优越性。

（3）验证结果

他们经过对正交试验结果的计算分析，选取最佳因素水平组合。 为了验证结论的正确性，还要进行指标估计及验证试验。 采用效应计算原理，指标估算的结果为：效率的95%置信区间为（18.972，25.108）。 为了考察较好条件的再现性，根据直观分析、方差分析及效应估计得到的最好水平组合条件和第一批试验得到的直接最好条件同时试验，进行验证对比，以确定其中的优劣。验证结果如下： 直接最好条件（A2、B3、C1、D1、E3）时效率为 24.22%；计算最好条件时（A2、B3、C2、D1、E2）效率为 24.30%；加消音罩后（A2、B3、C2、D1、E2）效率为 24.19%。 验证试验结果表明，符合正交试验的直观分析、方差分析及效应估计的结果，并且通过正交试验得出的新样机效率比原来气动泵效率高出10.8%（原泵效率为13.55%）。此外，他们还对样机进行了噪声测试分析，测得样机工作噪声为81.7 dB，比原泵的噪声降低4 dB，达到预期的效果。

（4）体会

将正交试验方法用于气动水泵涡轮系统的参数优化设计是成功的，得出了最佳因素水平组合，不仅为矿用气动水泵产品的继续开发及进一步提高技术性能指明方向，同时也为其它产品的参数优化设计提供了可供参考的科学依据和方法。