礦用氣動(dòng)水泵作為一種局部排水設(shè)備廣泛應(yīng)用于礦山巷道掘進(jìn)工作面。 這種水泵結(jié)構(gòu)上主要包括渦輪系統(tǒng)和水輪系統(tǒng)兩大部分， 以壓縮空氣為動(dòng)力，壓縮空氣通過噴嘴高速噴出，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)與渦輪同軸的水輪轉(zhuǎn)動(dòng)，完成排水功能。它具有防爆、工作可靠、重量輕、移動(dòng)方便及對(duì)環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。但是，礦用氣動(dòng)水泵卻存在兩大突出問題：噪聲非常高，接近90dB；壓縮空氣的利用率相當(dāng)?shù)?，渦輪系統(tǒng)的效率僅為10%～20%。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、河北工程大學(xué)和濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司霄云煤礦通過正交試驗(yàn)方法對(duì)礦用氣動(dòng)水泵渦輪系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定影響工作效率的主要因素及其主次順序，得出最佳水平組合。 通過驗(yàn)證，水泵效率提高10.8%，噪聲降低4 dB，改善了經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

（1）渦輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)及試驗(yàn)因素水平的確定

①渦輪葉片。由于礦用氣動(dòng)水泵采用軸流沖擊式渦輪機(jī)構(gòu)，氣體離開葉片時(shí)還具有相當(dāng)高的速度。 為了充分利用氣體的能量以提高工作效率，結(jié)構(gòu)上采用反氣窩結(jié)構(gòu)，使氣流轉(zhuǎn)向以再次沖擊葉片，達(dá)到能量二次利用的目的。 鑒于帶反氣窩結(jié)構(gòu)的葉片雙面均受到氣流的作用，因此采用對(duì)稱形的圓弧骨線形葉片。為了減少氣流與葉片作用的阻力， 葉片不宜太厚， 取4 mm 較為合適。弦高反映出葉片的彎度，為可調(diào)參數(shù)，他們分別取 3 個(gè)水平 3 mm、4 mm、5 mm 作為正交試驗(yàn)的因素A。兩個(gè)葉片之間的距離（柵距）也是影響壓縮空氣利用率的重要因素，葉片的個(gè)數(shù)越多則柵距越小。 他們將葉片個(gè)數(shù)分別取60、72、88 片作為正交試驗(yàn)的因素B。

②噴嘴。 噴嘴是渦輪系統(tǒng)的關(guān)鍵零件之一，其安裝角度和形式都會(huì)對(duì)水泵的功率和效率產(chǎn)生重要影響。 由于噴嘴是個(gè)小零件，比較易于加工制造，所以選取其安裝角度和噴孔形狀為可調(diào)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。 噴嘴形式為正交試驗(yàn)的因素C，取 3 種形式：C1 為 2 噴孔 I 型，2 孔徑相同；C2為 2 噴孔 II 型，外孔徑大、內(nèi)孔徑??；C3 為 3 噴孔III 型，外、中、內(nèi)3 個(gè)噴孔。噴嘴角度為正交試驗(yàn)的因素 D，分別取 65°、70°、75°。

③噴嘴與反氣窩相對(duì)位置。采用反氣窩是為了充分利用流出葉輪的高速氣流動(dòng)能，進(jìn)一步提高效率。 如果噴孔與反氣窩的相對(duì)位置不合理，氣流沖擊不到反氣窩就無法有效利用尾氣動(dòng)能。所以他們以原位為基準(zhǔn)前后調(diào)整，取3 個(gè)位置進(jìn)行試驗(yàn)。正交試驗(yàn)的因素E 取3 個(gè)水平：E1 為前移 10°、E2 為原位、E3 為后移 10°。

（2）正交表的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)是在實(shí)際生產(chǎn)和科學(xué)研究中，通過一定的試驗(yàn)獲得一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析或數(shù)學(xué)處理，幫助人們找出問題的主要矛盾及它們之間的相互關(guān)系的一種研究方法。 通過正交試驗(yàn)可以明確問題的內(nèi)在規(guī)律，從而尋求問題的解決辦法。將正交試驗(yàn)用于渦輪系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化之中，旨在分析影響其效率和噪聲的主要因素，找出最佳的參數(shù)組合，改進(jìn)渦輪系統(tǒng)的參數(shù)，提高其工作效率，降低工作噪聲。

①正交試驗(yàn)表。 試驗(yàn)因素5 個(gè)，每個(gè)因素取3 個(gè)水平。 正交試驗(yàn)的目的是尋求渦輪系統(tǒng)中各因素的最佳水平組合， 試驗(yàn)考察指標(biāo)是工作效率。 根據(jù)初步試驗(yàn)，上述因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)除了具有單獨(dú)的影響外， 各個(gè)因素之間還存在交互作用，他們選用L27(313)正交表。

②試驗(yàn)數(shù)據(jù)的直觀分析。他們通過方差分析知道，A（葉片弦高）、D（噴嘴角度）對(duì)效率起顯著作用；交互作用A×D 對(duì)效率有顯著作用；B（葉片數(shù)量）、C（噴嘴形狀）及交互作用 A×B 對(duì)效率有較小影響；交互作用A×C 和因素E（噴嘴相對(duì)位置）在因素水平范圍內(nèi)對(duì)效率幾乎無影響。 因素作用的主次順序?yàn)?D、A、C、B、E； 最佳水平組合為 A2、B3、C2、D1、E2，即葉片彎度 4 mm、葉片數(shù)量 88 片、 噴嘴形狀為 2 噴孔 II 型、 噴嘴角度65°、噴嘴位置為中位。 這個(gè)最佳因素水平組合在27次試驗(yàn)的因素水平組合之外，充分說明正交試驗(yàn)的優(yōu)越性。

（3）驗(yàn)證結(jié)果

他們經(jīng)過對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算分析，選取最佳因素水平組合。 為了驗(yàn)證結(jié)論的正確性，還要進(jìn)行指標(biāo)估計(jì)及驗(yàn)證試驗(yàn)。 采用效應(yīng)計(jì)算原理，指標(biāo)估算的結(jié)果為：效率的95%置信區(qū)間為（18.972，25.108）。 為了考察較好條件的再現(xiàn)性，根據(jù)直觀分析、方差分析及效應(yīng)估計(jì)得到的最好水平組合條件和第一批試驗(yàn)得到的直接最好條件同時(shí)試驗(yàn)，進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，以確定其中的優(yōu)劣。驗(yàn)證結(jié)果如下： 直接最好條件（A2、B3、C1、D1、E3）時(shí)效率為 24.22%；計(jì)算最好條件時(shí)（A2、B3、C2、D1、E2）效率為 24.30%；加消音罩后（A2、B3、C2、D1、E2）效率為 24.19%。 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，符合正交試驗(yàn)的直觀分析、方差分析及效應(yīng)估計(jì)的結(jié)果，并且通過正交試驗(yàn)得出的新樣機(jī)效率比原來氣動(dòng)泵效率高出10.8%（原泵效率為13.55%）。此外，他們還對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了噪聲測(cè)試分析，測(cè)得樣機(jī)工作噪聲為81.7 dB，比原泵的噪聲降低4 dB，達(dá)到預(yù)期的效果。

（4）體會(huì)

將正交試驗(yàn)方法用于氣動(dòng)水泵渦輪系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功的，得出了最佳因素水平組合，不僅為礦用氣動(dòng)水泵產(chǎn)品的繼續(xù)開發(fā)及進(jìn)一步提高技術(shù)性能指明方向，同時(shí)也為其它產(chǎn)品的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可供參考的科學(xué)依據(jù)和方法。