基于多元回归模型的矿用胶轮车动力性评估

成文浩 ，寇子明，闫 政，张润泽

(1.太原理工大学 机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2.矿山流体控制国家地方联合工程实验室，山西 太原 030024；3.山西省矿山流体控制工程技术研究中心，山西 太原 030024；4.晋中学院 机械学院，山西 晋中 030619)

由于动力性不足轻型胶轮车安全事故日益增多[1，2]，井下作业前轻型胶轮车的动力性日检显得尤为重要。目前动力性检测主要以爬坡能力和底盘最大输出功率检测为主，刘元鹏等[3]依据发动机功率达标法的原理提出了额定功率车速与驱动轮轮边稳定车速的驱动轮功率检测方法，李亚飞等[4]提出了在低速下汽车动力性测试方法和相关数学模型。但动力性检测需要固定场地且底盘测功系统成本较高，用户自检可行性较小。爬坡动力性检测由于室外安全隐患较大，检验时间较长，无法满足矿企日常使用要求。

另外，动力性不足会伴随着排放冒黑烟，所以排放检测也可以定性反映车辆动力性能。排放物主要由固体颗粒、氮氧化合物、烃类、一氧化碳、排气温度等组成[5，6]。但目前对排放的研究只停留在环境保护要求上，霍红等[7]提出了常用机动车污染物排放模型用以反映机动车污染物与其影响因素之间的数学或物理关系，以及反映和预测车辆的排放水平等，Oliveira等[8]建立了装配先进后处理系统的轻型车和重型车 NOx排放模型，Zanin等[9]建立了 CO2与车辆燃油经济性的关联模型，其不足之处就是缺乏用排放检测数据评估轻型胶轮车动力性的方法，因此，建立矿用轻型胶轮车动力性评估模型是非常有意义的。

采用回归分析方法分析车辆的实际道路排放[10，11]是建立车辆实际道路污染物排放微观模型的常用手段之一。研究中，以大同市塔山煤矿某矿用轻型胶轮车为例，利用SPSS软件得出拟合度最高的多元线性回归方程，建立了轻型胶轮车动力性评估模型。将评估试验数据与模型评估结果对比分析，验证了评估模型的正确性。

1 试验方案及设备

1.1 试验胶轮车

试验车辆为塔山煤矿在用的某轻型胶轮车，其关键参数见表1，胶轮车结构如图1所示。

1.2 关联因素选取

轻型胶轮车排出废气中，除碳烟颗粒以外，废气的主要成分为：一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫(SO2)、醛类物质等。由于其中CO、HC和NOx在尾气气体中所占比较大，且二氧化硫(SO2)，其在废气中的浓度取决予柴油中硫的含量，故选取烟度、CO、HC、NOx和排气温度作为关联因素。

表1 胶轮车关键参数

图1 胶轮车结构图(mm)

1.3 试验设备选择

1)烟度检测。鉴于不透光烟度计测量烟度排放用光强度大小来反映烟度排放的大小，故试验选用MQY-200烟度计测量，以不透光系数k值作为烟度测量结果。

2)尾气分析。尾气分析主要包括有NOx、CO、HC和排气温度检测，均与柴油机燃烧相关联，选用MQW-511进行。

3)动力性检测。底盘输出功率是评估车辆动力性的重要指标[12]，试验以20km/h测得的矿用轻型胶轮车底盘最大输出功率为动力性评估标准，检测设备为TCG13-3车底盘测功机。

1.4 排放多因素回归分析

选取烟度、CO、排气温度、HC和NOx为排放相关因子。利用SPSS软件对底盘输出功率和排放相关因子进行回归分析，以探讨胶轮车底盘输出功率可由以上关联因素解释的程度。选取强迫进入法，分析结果见表2—表4。

表2 多元回归模型的统计概要

注：a.预测变量：(常量)，排气温度，CO，烟度，HC，NOx；b.因变量：底盘输出修正功率。

表3 多元回归模型的方差分析表

注：a.预测变量：(常量)，排气温度，CO，烟度，HC，NOx；b.因变量：底盘输出修正功率。

表4 多元回归模型的回归系数表

注：a.预测变量：(常量)，排气温度，CO，烟度，HC，NOx；b.因变量：底盘输出修正功率。

从上表系数a的Sig栏中发现HC的值大于0.05，说明该因素对结果是不显著的，即对于胶轮车输出功率的评估影响可以忽略。将其去除后，对其他因素分析结果见表5—表7。

表5 多元回归模型的统计概要

注：a.预测变量：(常量)，排气温度，CO，烟度，NOx；b.因变量：底盘输出修正功率。

表6 多元回归模型的方差分析表

注：a.预测变量：(常量)，排气温度，CO，烟度，NOx；b.因变量：底盘输出修正功率。

表7 多元回归模型的回归系数表

注：a.预测变量：(常量)，排气温度，CO，烟度，NOx；b.因变量：底盘输出修正功率。

从检验数据可以看出，拟合相关系数R2为0.938，非常接近1，说明因变量底盘最大输出功率与预测变量之间具有较强的线性相关性。检验的Durbin-Watson为2.026，非常接近2，可以说明因变量取值不存在序列相关。

2 建立动力性评估模型

针对底盘最大输出功率与烟度、CO、排气温度、NOx之间存在较强的线性相关关系，采用以下数学模型，利用SPSS软件对其进行多元线性回归分析：

P=p1+p2Q+p3M+p4N+p5T

(1)

式中，P为底盘输出功率，kW；pi为变量系数与常量；Q为不透光系数k；M-NOx体积分数，%；N-CO体积分数，%；T为排气温度，℃。

最后求解得到：

P=-1084.53+86.695Q+25.49M-

8773.549N+2.574T

(2)

从表7可以看出，模型的显著性水平达到了0.005，其中，Sig的值都小于0.05，说明包括常数项的这几项对结果都是显著的。由方程(2)可见，随着胶轮车动力性能逐渐提升，烟度、氮氧化合物、排气温度不断上升，一氧化碳不断下降。

3 动力性评估试验

在多元回归分析的基础上进行了防爆轻型胶轮车的动力性评估试验，根据试验结果测得底盘最大输出功率、烟度、CO、NOx化合物以及排气温度等排放数据。

轻型胶轮车动力性评估预测选用回归方程式(2)进行，选择多辆胶轮车排放检测数据，计算得出胶轮车底盘最大输出功率预测值，与实际测得的结果排进行对比分析，结果见表8。底盘输出功率检测照片如图2所示。

表8 评估精度分析

图2 底盘输出功率检测照片

根据表8试验结果可知，评估相对误差在±5%以下，即在误差允许的范围内评估模型是有效的。为进一步降低回归模型的评估误差，各型号胶轮车可根据排放检测情况，分析计算出对应的动力性评估模型。

4 结 论

1)利用SPSS软件进行多元线性回归分析，得到了矿用胶轮车动力性评估模型，模型预测变量sig的值均小于0.05，证明烟度、氮氧化合物、排气温度与胶轮车动力性呈负相关，一氧化碳与胶轮车动力性呈正相关。

2)通过动力性评估试验，底盘最大输出功率预测相对误差依次为4.6%、-5.0%、2.57%、4.5%和-4.6%，即模型评估误差不超过±5%，说明多元回归模型对胶轮车的动力性评估是有效的，为后续日常车辆动力性检测提供了评估依据。

3)根据底盘最大输出功率实测数据与评估结果，证明动力性评估模型是合理准确的，能够评估胶轮车动力性，为日后胶轮车动力性日检提供了技术参考。