基于回归正交实验的混凝土泵车水射流清洗参数优化

谭栋， 文泽军， 胡佳， 刘湛， 刘继军

（湖南科技大学 机械设备健康维护湖南省重点实验室,湖南湘潭 411201）

0 引言

在水射流清洗中，射流基本参数的改变会影响清洗的效率。选择的参数过小则不能彻底高效地清洗掉附着在基体表面的污垢，选择的参数过大则会破坏掉基体结构，对产品造成损坏。而且清洗过程中过高的参数选择对清洗所需要的成本要求也更高，所以一直以来，合理的清洗参数研究一直是研究的重点。射流的基本参数包括射流压力、射流流量、流速、功率及反冲力等动力学参数以及射流起始端长度、射流宽度等结构参数。

目前，国内外学者对水射流清洗方面的研究主要集中在射流清洗原理、射流参数优化、射流喷嘴的参数优化等方面。1974年日本学者Yanaida等［1］首先用几何图形描述了水射流的特征图。捷克学者Hlavac等［2］曾推导出计算水射流在环境介质中衰减的简化模型；同时推导出了描述等价水射流结构发展的关系式，并且推导出计算水射流横断面速度场的一组方程。Anirban等［3］在实验和数值模拟中确定了最佳的水射流清洗作业，并在对射流压力的模拟中得出射流周围存在的气体使得射流中心压力沿轴线程线性衰减，其最佳射流距离为5倍射流直径距离，26倍直径外射流失去效果。薛胜雄［4］应用Fluent软件模拟的出结果指出射流周围存在着真空，能使200MPa的工作压力将射流速度提升到700～800 m/s，若射流的靶距能正好处于该加速区末端可以大大提高其打击力，并且模拟得出最佳靶距为25 mm。Kunapom［5］研究了用3种不同类型的喷嘴（模糊射流喷嘴、扇形射流喷嘴、圆形射流喷嘴）来冲击银合金表面，评估其对表面特性的影响。陈玉凡［6］指出水射流对污垢的打击力是通过射流的速度以及动能来实现的，压力为15～50 MPa内能清洗城市排污管道和工矿企业物料输送管道，热交换器，硫酸镁、冷凝器中的硅酸盐等则需要100～150 MPa压力才能清除。张兰芳［7］根据污垢的成分和特点，结合高压水射流冲蚀岩石的破碎机理，分析了两类典型污垢的破碎机理，给出了高压水射流清洗污垢的部分技术参数。Daniel等［8］经过研究表明破碎坑的大小和形状与高压水射流的比长（射流长度与喷嘴直径之比）和比压（水流冲击压力与岩石抗压强度的比值）有关。

本文在以上学者的研究基础上，基于回归正交组合试验对混凝土泵车水射流清洗参数进行优化。通过分析射流压力、射流直径、射流入射角度、靶距与清洗量之间的关系，构建4个参数与清洗量之间的响应面模型。以单位时间内清洗量最大化为优化目标，得出适用于废旧混凝土泵车水射流清洗的一组最佳参数，并用实验验证其正确性。

1 混凝土泵车水射流清洗原理

在混凝土泵车再制造中的清洗作业中，水射流清洗频繁应用于清洗混凝土泵车表面所沉积的水泥积垢。水射流清洗作为近几十年兴起的一门技术，以其高效无污染受到清洗行业的青睐。所谓高压水射流清洗技术，是将普通自来水通过加压数百乃至数千个大气压，然后通过特殊的喷嘴（孔径只有0.5～2.5 mm），以极高的速度（300～600 m/s）喷出的一股或多股能量高度集中的水流，该水射流以很强的冲击动能，连续作用在被清洗表面，从而使垢物剥离，达到清洗的目的。

水射流清洗装置如图1所示，其基本机构参数分别有射流压力P、射流直径d、射流入射角度β、靶距l，清洗量用污垢的重量表示。

图1 混凝土泵车水射流清洗装置

2 回归正交组合试验设计

采用回归正交组合试验设计方法对水射流清洗射流直径d、射流压力P、入射角度β、靶距l等4个因数进行正交设计，四元二次回归正交设计由25个试验点组成。m0是在中心点（0，…，0）处所做的实验次数，本文取m0=1。查表的γ=1.414，确定各试验因素的上水平值、下水平值，各因素的零水平为变化间距。

表1 各因素水平编码值

各因素水平编码值见表1所示。根据回归正交组合设计的要求，设计四元二次回归正交组合设计方案如表2所示。运用实验方法，测试单位时间内清洗混凝土泵车风冷器的清洗量。

根据回归正交组合设计结构矩阵计算表，可建立四元二次多项回归方程为

2.1 回归分析及清洗量响应面模型

根据结构矩阵和计算表中的数据，进行回归关系的显著性检验，相关的F分布值为：

F检验显示：总回归0.01显著，说明射流压力P，射流直径d，入射角度β，靶距l与清洗量F之间存在显著的回归关系，其中 x1、x2、x3、x4、x1x2、x1x4、x2x4均达到 0.01 显著，而互作 用 项 x1x3、x2x3、x3x4均 不显著。则式（1）可优化为y=9.309+4.429x1+1.390x2+

由二次项中心公式可得

将式（3）带入式（2）可得

表2 四元二次回归正交组合设计方案表

将式（3）代入式（2），得射流参数对清洗效率影响的响应面模型为

2.2 水射流清洗优化模型

由射流参数对清洗效率影响的响应面模型式（6）可以建立混凝土泵车水射流清洗优化模型为：

运用Matlab编程求出式（7）的极大值，相对应的P、d、l、β的值就是优化后的最佳值，该点参数值使得清洗量达到最大。计算结果可得 P=0.65、d=2.4、l=3.5、β=0.79，即射流压力为65 MPa，射流直径为2.4 mm，靶距为350 mm，入射角度为79°。

3 对比实验验证

优化模型求解得出的一组参数为P=65、d=2.4、l=350、β=79，原始参数为 P=50、d=2.0、l=22.0、β=90。经过现场清洗实验，获得了优化模型与原始模型下的混凝土泵车风冷器上清洗量数据。

3.1 实验步骤

1）选取二块重量为15 kg、尺寸为400 mm×250 mm×10 mm混凝土泵车上的风冷器，编号为A和B，用湿的混凝土对其表面分别进行均匀涂刷，涂刷厚度为（3±1）mm，称其重量，晾干待用。

2）设定好而种不同参数，靶距以及入射角度确定后将喷头固定，采用50 mm/s的速度从上至下冲洗。风冷器A表面用优化前参数冲洗，风冷器B表面用优化后参数冲洗。相同时间（500 s）后清洗结束晾干称其重量。具体清洗过程。

3.2 结果分析

清洗500 s后风冷器A、B表面如图2所示。

由图2可知两种参数条件下水射流清洗均能有效地去除附着在混凝土泵车风冷器上面的水泥污垢，然而B组实验的清洗更为干净，效率更高。对A、B二组实验进行定量分析，

表3 对比实验数据

由表3可以得出A组实验被去除的污垢重量为 3.45 kg，B 组实验被去除的污垢重量为4.23 kg。混凝土的密度为2.4×103kg/m3。混凝土厚度统一为3×10-3mm。可以计算A组实验的去除风冷器表面混凝土污垢面积为0.479 2 m2，B组实验的去除风冷器表面混凝土污垢面积为0.587 5 m2。优化后清洗的效率提高18%。

4 结论

本文采用四元二次回归正交组合试验设计，分析射流压力、射流直径、射流入射角度、靶距作为影响混凝土泵再制造清洗量的四个因素，构建了混凝土泵车再制造清洗量响应面模型，以此为基础，建立了混凝土泵再制造水射流清洗优化模型，运用MATLAB软件进行了优化，得到了以清洗量最大化为目标的混凝土泵车再制造水射流参数优化结果。最后，采用对比实验验证，优化后清洗效率提高18%。

［1］ Ohashi A，Yanaida K.The fluid-mechanics of capsule pipelines.2.：analysis of the pressure loss in concentric capsule pipelines and concentric annular pipes［J］.Bulletin of the Jsme-Japan Society of Mechanical Engineers，1986，29：4156-4163.

［2］ Hlavac L M，Hlavacova I M，Gembalova L，et al.Experimental method for the investigation of the abrasive water jet cutting quality［J］Journal of Materials Processing Technology，2009，209（20）：6190-6195.

［3］ Guhaa A，Barronden R M.An experimental and numerical study of water jet cleaning process［J］Journal of Materials Processing Technology，2011，211（4）：610-618.

［4］ 薛胜雄，王乐勤，彭浩军，等.超高压水除锈技术极其阶段性方程［J］.高压物理学报，2004，18（3）：283-288.

［5］ Kunaporn S，Chillman A，Ramulu M，et al.Effect of waterjet formation on surface preparation and profiling of aluminum alloy［J］.WEAR，2008，265（1-2）：176-185.

［6］ 陈玉凡.高压水射流打击效率理论分析［C］//第六届全国清洗行业技术进步与清洁产业发展论坛.北京：清洗世界杂志社，2006：42-45.

［7］ 张兰芳，费建国.高压水射流清洗污垢时的机理及参数［J］.化学清洗，1997，10（3）：6-9.

［8］ Daniel I M，Rowlands R E，Labus T J.Photoelastic study of water jet impact［C］//Proceeding of the 2nd International Symposium on Jet cutting Technology.Cambridge，UK，1974.