基于正交试验法沾浆机浆拐结构的优化改进

邢相伟，彭彦平，庞桂兵，赵秀君

（大连工业大学机械工程及自动化学院，辽宁大连　116034）

基于正交试验法沾浆机浆拐结构的优化改进

邢相伟，彭彦平，庞桂兵，赵秀君

（大连工业大学机械工程及自动化学院，辽宁大连116034）

按照生产工艺和设计要求，选择对沾浆机搅拌性能影响最为关键的料桶转速、浆拐形状和桨径比3个参数为变化因素，按正交方案设计了9台沾浆机模型。采用Fluent滑移网格方法对设计的9台模型进行仿真模拟，得到了各几何参数对沾浆机搅拌性能影响程度的主次顺序，并得出模型沾浆机浆拐的截面夹角为30°、桨径比为0.35为最优设计方案。

沾浆机；正交试验；仿真；优化

0　引　言

沾浆机是应用于精密铸造行业的搅浆设备，主要作用是保持浆料的混合均匀性。传统的沾浆机虽然能满足工业生产的要求，但是搅浆效果比较差。而对于沾浆机结构的优化，传统方式主要是经验法和试验法。经验法虽然比较简单，但是需要有非常丰富的实践经验，而且经验法并不一定能得到最优的结果。相反实验法虽然能够获得最优化的结果，但是需要做大量的实验，人力和物力投入比较大。

尽管有许多研究者在搅拌器的研究上做了许多工作，但尚有一些问题没有完全解决。对于传统搅拌器的研究，Lunden等［1］研究和模拟了单层涡轮桨搅拌槽内的混合过程，虽然总体结果一致，但实验结果与仿真结果在细节上尚有出入。陈启宗［2］分析了连续式搅拌与间歇式搅拌设备的特点，并分别列举出了它们的优越性，但是并没提出来自己的设计方案。

通过对搅浆过程的观察研究和分析发现：浆拐的截面形状、料桶的转速及桨径比是影响沾浆机搅拌性能的主要三因素。作者以Fluent软件为建模仿真基础［3］，运用正交试验法［4－5］，对上述三因素进行试验研究和分析，结构证明设计分析方法是可行的，为实际生产当中浆拐结构的设计和改进提供理论依据。

1　正交试验方案

本试验探索选定的试验因素对沾浆机搅拌效果的影响程度，找出各因素对性能指标的影响程度主次顺序。根据试验结果，选择沾浆机浆拐的参数的最优设计组合，为沾浆机浆拐的结构优化提供理论依据。

1.1试验评价指标

浆拐的截面形状、料桶的转速及桨径比对沾浆机的搅拌性能的影响较大。在利用正交试验法，对形状、料桶的转速及桨径比进行优化时，需要确定几个评价指标，来评价得到的方案是否满足优化目标的要求。作为试验结果评价标准的主要指标有如下3个。

（1）搅拌功率。浆拐对流体做功的大小是搅拌性能检测的一个重要指标［6－7］，因此将浆拐的搅拌功率P作为一个评价指标。同时为了证明优化性能的好坏，依据已监测到的功率P引入另一个参数功率改善率，如公式（1）所示。

式（1）中：P1表示浆拐结构改进前的搅拌功率，P2表示浆拐结构改变后的搅拌功率。λP功率改善率为正时，说明提高了沾浆机的搅拌功率，达到了改进效果。如果为负，则表示未达到改进效果。

（2）静区域最大速度。在Fluent的仿真模型中划分了动静区域，静区域速度的改变，说明了周围流体向中间位置的流动状况，因此把静区域的最大速度Vmax作为搅拌性能检测的另一个指标。通过Fluent的速度云图及后处理软件即可获得静区域的Vmax。而静区域最大速度改变率则能反映出改进后的结构优劣性，根据静区域的Vmax例公式，如公式（2）所示。

式（2）中：Vmax1表示浆拐结构改进前沾浆机模型静区域的最大速度，Vmax2表示浆拐结构改进后沾浆机模型静区域最大速度。最大速度改变率反映了优化效果的好坏，值为正即达到优化的目的，反之说明不符合优化要求。

（3）动静区域相对速度。为了更加全面的说明流体在整个桶内的整体流动性，定义另一个参数动静区域最大相对速度，如公式（3）所示。式（3）中：Vmaxm表示动区域内流体的最大速度，Vmaxq表示静区域内流体的最大速度。S越小流体向中心区域的流动性越好。

为了表示优化性能的好坏，引入了一个指标λS（整体流动率）。根据公式（3）已求得的S例公式，如公式（4）所示。

式（4）中：S1表示浆拐结构改进前动静区域最大速度差值，S2表示浆拐结构改进后动静区域最大速度差值。λS为正表示达到改进要求，若为负说明未达到改进要求。

除了以上3个指标，还为试验设置了一个综合评价指标K，公式如公式（5）所示：

式（5）中：K为综合优化指标，K值越大表示优化结果越好。

1.2试验参数确定

确定评价指标以后，再根据工业生产的工艺要求和设计经验，选择截面角度A，料桶转速B，桨径比C作为正交试验的变化因素，因素水平表如表1所示。

表1　沾浆机正交试验的因素水平表Tab.1　Factor　levels　of　slurry　mixer　orthogonal　text

2　试验结果分析

2.1试验结果

根据表1，选择正交试验方案，共进行9次试验。试验分布及结果如表2所示。

2.2试验结果极差分析

极差是与各因素不同水平相对应的试验指标平均值的最大值与最小值之差，一般用R表示，R的值反映出各因素对考核指标的影响大小。R越大表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大，该因素在试验中越重要；反之，该因素越不重要。正交试验的极差分析结果见表3，Ki（i＝1，2，3）为第i水平上的平均值，K越大，表明改进效果越好。

各因素水平对K值的影响变化趋势见图1。图1是用表1的水平因素和表3的来标绘的。从图中可看出：在试验参数的范围内沾浆机浆拐的截面夹角越大，K减小；在生产工艺要求的范围内，料桶的转速增大，K增大；桨径比增大，K增大。

适宜操作条件的确定。由上文介绍，试验指标K值愈大愈好。为此，本文的最优参数组合是各水平下K的平均值最大时的条件：浆拐的截面夹角为π／6rad、料桶的转速为40r／min、桨径比为0.35。以上参数恰好为3号试验设定的参数。

表2　沾浆机正交试验结果Tab.2　Result　of　slurry　mixer　orthogonal　test

表3　沾浆机正交试验的结果分析Tab.3　Analysis　of　slurry　mixer　orthogonal　test

图1　正交试验因素变化趋势图Fig.1　Orthogonal　test　factors　trend　chart

2.3试验仿真结果

图2、图3为改进前后沾浆机仿真内部剖面图和俯视图流场的各自对比，改进前的模型仿真条件为：浆拐的截面夹角为0、料桶的转速为30r／min、桨径比为0.15、浆拐对称安装。改进后的模型仿真条件为：浆拐的截面夹角为π／6rad、料桶的转速为40r／min、桨径比为0.35、浆拐垂直安装。通过图2沾浆机流场仿真内部剖面图可以很清楚地看到，改进前沾浆机的搅拌区主要集中在浆拐附近，而且流体的流动性较差。而改进后的沾浆机虽然搅拌区域也在浆拐附近，但是搅拌区域明显扩大，而且流体像中心区域流动的趋势非常的明显（可以通过图3浆机流场仿真俯视图观察这一变化）。因此对比发现，改进后沾浆机的流场分布比较均匀，流体能够实现整体的交换流动，基本达到改进要求。

图2　沾浆机流场仿真内部剖面图Fig.2　Slurry　mixer　sectional　view　of　the　internal　flow　field　simulation

图3　沾浆机流场仿真俯视图Fig.3　Slurry　mixer　top　view　of　the　internal　flow　field　simulation

3　结　论

通过基于Fluent正交实验法，得出了沾浆机浆拐的最佳优化参数：浆拐的截面夹角为π／6rad、桨径比为0.35。

在实际设计中，还要考虑机器的结构问题。在桨径比的选择上，应在保证优化结果的基础上，尽可能地选择小的桨径比。因为桨径比增大，浆拐的尺寸和质量就会增加，不利于浆拐的上下升降。同时因为浆拐是悬臂安装容易使浆拐根部弯曲变形，甚至可能会与桶壁接触，产生摩擦。

［1］LUNDENM，STENBERGO，ANDERSSONB.E－valuationofamethodformeasuringmixingtimeusingnumericalsimulationandexperimentaldata［J］.ChemicalEngineeringCommunications，1995，139（1）：115－136.

［2］陈启宗.连续式搅拌设备与间歇式搅拌设备的性能比较［J］.同济大学学报，2001，29（9）：1001－1004.

［3］文媛媛.基于FLUENT的混合器内部流场数值模拟［J］.过滤与分离，2010，20（1）：26－33.

［4］栾军.现代试验设计优化方法［M］.上海：上海交通大学出版社，1995：20－26.

［5］余艳波，田启华，杜义贤.插齿机静压支承所受载荷的正交试验优化设计［J］.三峡大学报，2013，4（2）：81－84.

［6］陈志平，章序文，林兴华，等.搅拌与混合设备设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004：5－15.

［7］钟丽，黄雄斌，贾志刚.固－液搅拌槽内颗粒离底悬浮临界转速的CFD模拟［J］.北京化工大学学报，2003，30（6）：175－176.

［8］李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理［M］.北京：化学工业出版社，2010：45－51.

Optimizationofagitatorstructureofslurrymixerbyorthogonaltestmethod

XINGXiangwei，PENGYanping，PANGGuibing，ZHAOXiujun
（SchoolofMechanicalEngineeringandAutomation，DalianPolytechnicUniversity，Dalian116034，China）

Accordingtotheproductionprocessanddesignrequirements，thecriticalimpactonmixture performanceofslurrymixer，threeparametersincludingtankspeed，agitatorshapeandpaddle diameterratioaresetasvariablefactors.Nineslurrymixermodelsaredesignedbasedonorthogonal testmethod.NinemodelswithFluentSlidingmeshmethodarestimulated，theinfluenceof geometricalparametersontheextentofthemixerperformanceisobtainedandtheoptimaldesign schemethatissectionangleof30°andimpellerdiameterratioof0.35isacquiredaswell.

slurrymixer；orthogonaltest；simulation；optimize

TH122

A

1674－1404（2015）02－0153－04

2014－01－10.

邢相伟（1987－），男，硕士研究生；通信作者：彭彦平（1962－），男，教授.