CN110220684A - 一种自吸气脉冲喷头试验优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自吸气脉冲喷头试验优化方法，包括如下步骤：确定至少3个因素，确定每个因素的取值范围；确定目标值；在所述因素的取值范围内随机取样，通过试验测试对应取样的目标值；根据取样的因素和取样的目标值，通过响应面法确定最佳的因素的取值。本发明采用试验测试和图像处理技术相结合的方法来计算脉冲喷头的清洁率，为自吸气脉冲喷头提供性能评判指标。

Description

一种自吸气脉冲喷头试验优化方法

技术领域

本发明涉及智能马桶领域或者喷头领域，特别涉及一种自吸气脉冲喷头试验优化方法。

背景技术

随着生活水平的提高，智能马桶越来越受到消费者的青睐。清洗喷头是智能马桶的核心部件，对智能马桶性能的优劣起着决定性作用。自吸气脉冲喷头作为目前清洗喷头中的最新产品，具有结构简单、清洗面积大及清洗舒适性佳等优点。然而自吸气脉冲喷头性能受结构参数影响较大，加之国内研究人员对智能马桶用自吸气脉冲喷头的研究较少且国外技术保密等原因，使得国内企业生产制造的智能马桶用自吸气脉冲喷头存在脉冲不稳定、击打力较小、清洗舒适性不佳及缺乏性能试验测试装置等亟需解决的问题。

中国专利一种脉冲式坐便器清洗系统，为解决坐便器清洗喷头热水不稳定的问题，发明了一种脉冲式坐便器清洗系统，利用混气脉冲射流喷嘴提高了清洗能力，从而减少清洗水的使用量，从而使加热水流更加稳定。然而以上专利中均只写出喷嘴的最终结构参数，没有阐明结构参数的优化过程。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种自吸气脉冲喷头试验优化方法，通过采用试验测试与优化方法来确定最佳的脉冲喷头结构参数组合。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种自吸气脉冲喷头试验优化方法，包括如下步骤：

确定至少3个因素，确定每个因素的取值范围；

确定目标值；

在所述因素的取值范围内随机取样，通过试验测试对应取样的目标值；

根据取样的因素和取样的目标值，通过响应面法确定最佳的因素的取值。

进一步，3个所述因素分别为上喷嘴进口直径d₂、混气腔的腔长l_c和混气腔的腔高h_c；所述上喷嘴进口直径d₂的取值范围为1.2～1.6d₁，d₁为下喷嘴直径；所述混气腔的腔长l_c的取值范围为4～6.5b_c，所述混气腔的腔高h_c的取值范围为1.3～2b_c，b_c为混气腔的腔宽。

进一步，所述目标值为脉冲频率、击打力和清洁率。

进一步，根据随机取样的所述因素的取值，通过下面公式计算脉冲喷头频率：

式中：d₀为下喷嘴进口前直管段直径；d₁为下喷嘴直径；d₂为上喷嘴进口直径；l_c为混气腔的腔长；b_c为混气腔的腔宽；h_c为混气腔的腔高。

进一步，根据随机取样的所述因素的取值，通过喷射实验测试击打力。

进一步，根据随机取样的所述因素的取值，通过下面步骤确定清洁率：

将模拟的人体排泄物均匀的涂抹到耐水砂纸上；

通过对取值因素的喷头对耐水砂纸清洗，通过监控装置按周期采集所述耐水砂纸上残留模拟污物图像；

对不同周期采集的所述耐水砂纸上残留模拟污物图像的预处理，所述预处理包括亮度调节、对比度调整和平滑滤波；

对预处理后的不同周期采集的所述耐水砂纸上残留模拟污物图像灰度化处理；

对灰度化处理后的不同周期采集的所述耐水砂纸上残留模拟污物图像进行图像分割，通过确定一个全局阈值将整个图像分割成目标对象区域和背景对象区域，全局阈值将整个图像的灰度阈值设置为常数；目标对象区域为未清洗的残污区域，通过图像处理得出未清洗的残污区域面积，根据耐水砂纸面积得出不同周期的清洁率。

进一步，根据取样的因素和取样的目标值，通过响应面法确定最佳的因素的取值具体如下：

构建上喷嘴进口直径d₂、混气腔的腔长l_c和混气腔的腔高h_c与脉冲频率的响应面二阶回归模型；

构建上喷嘴进口直径d₂、混气腔的腔长l_c和混气腔的腔高h_c与击打力的响应面二阶回归模型；

构建上喷嘴进口直径d₂、混气腔的腔长l_c和混气腔的腔高h_c与清洁率的响应面二阶回归模型；

采用方差分析对二阶回归方程进行显著性检验：当显著性满足要求，则获得优化后的因素参数值域；当显著性不满足要求，则重新选取因素。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法，通过采用试验测试与优化方法来确定最佳的脉冲喷头结构参数组合。

2.本发明所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法，提出评价智能马桶用自吸气脉冲喷头的三项性能评价指标：脉冲喷头频率、击打力及清洁率。

3.本发明所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法，采用试验测试和图像处理技术相结合的方法来计算脉冲喷头的清洁率，为自吸气脉冲喷头提供性能评判指标。

附图说明

图1为本发明所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法的流程图。

图2为本发明所述的自吸气脉冲喷头示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为计算本发明所述的清洁率的流程图。

图5为本发明所述的自吸气脉冲喷头优化前后射流流动特征结果对比。

图6为本发明所述的自吸气脉冲喷头优化前后击打力结果对比。

图7为本发明所述的自吸气脉冲喷头优化前后脉冲频率结果对比。

图8为本发明所述的自吸气脉冲喷头优化前后清洁率结果对比。

图9为本发明所述的自吸气脉冲喷头优化前后黄豆酱清洁结果对比。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法，包括如下步骤：确定至少3个因素，确定每个因素的取值范围；确定目标值，目标值为脉冲频率、击打力和清洁率；在所述因素的取值范围内随机取样，通过试验测试对应取样的目标值；根据取样的因素和取样的目标值，通过响应面法确定最佳的因素的取值。

下面有具体实施例来叙述：

设计智能马桶用自吸气脉冲喷头，该自吸气脉冲喷头的具体的设计要求为：在0.12MPa动压下流量Q＝650±30ml/min，击打力F≥0.1N，清洁率S在40s时大于90％，脉冲频率f＝80±10Hz。自吸气脉冲喷头的结构参数见表1，参考图2和图3中的尺寸：

表1自吸气脉冲喷头结构参数

3个所述因素分别为上喷嘴进口直径d₂、混气腔的腔长l_c和混气腔的腔高h_c；所述上喷嘴进口直径d₂的取值范围为1.2～1.6d₁，d₁为下喷嘴直径；所述混气腔的腔长l_c的取值范围为4～6.5b_c，所述混气腔的腔高h_c的取值范围为1.3～2b_c，b_c为混气腔的腔宽。根据实际工程要求，下喷嘴进口直径d₁为保证喷头所需流量为定值，混气腔腔宽b_c为安装固定值。根据脉冲频率f计算公式，为得到脉冲频率f为85±10Hz，可设计上喷嘴进口直径为1.2～1.6d₁，下喷嘴进口前直管段直径d₀为4～6d₁，腔长L_c为4～6.5b_c，腔高1.3～2b_c。

脉冲频率f计算公式为：

式中：d₀为下喷嘴进口前直管段直径；d₁为下喷嘴直径；d₂为上喷嘴进口直径；l_c为混气腔的腔长；b_c为混气腔的腔宽；h_c为混气腔的腔高。

在喷头混气腔内部，为更好的加强混气效果，对混气室左右及底部端面设置倾斜角。左右端面与水平夹角为70～80°，底面与水平夹角为4～7°。

在所述混气腔的腔长l_c、所述混气腔的腔高h_c和上喷嘴进口直径d₂的取值范围内随机17组。对每组参数的自吸气脉冲喷头测试脉冲频率、击打力和清洁率。

所述射流流动特征及击打力测试过程如下：

(1)将喷头水平对准拉伸力传感器后，打开连接喷头的压力调节阀开关与高速相机电源。

(2)通过拉伸力传感器获取击打力数据，同时保存高速相机拍摄的图像。

(3)待数据采集完毕后关闭压力调节阀开关。

如图4所示，所述清洁率测试过程如下：

(1)称量10g黄豆酱作为模拟人体排泄物，将其均匀的涂抹到100*20mm的耐水砂纸上。

(2)调节喷头固定装置使喷头与水平夹角为75°并对准耐水砂纸中间处，并打开压力调节阀开关。

(3)每10s采集砂纸上残留模拟污物图像，直至砂纸上黄豆酱分布无明显变化。

(4)对不同周期采集的所述耐水砂纸上残留模拟污物图像的预处理，所述预处理包括亮度调节、对比度调整和平滑滤波；

(5)对预处理后的不同周期采集的所述耐水砂纸上残留模拟污物图像灰度化处理；

(6)对灰度化处理后的不同周期采集的所述耐水砂纸上残留模拟污物图像进行图像分割，通过确定一个全局阈值将整个图像分割成目标对象黑色区域和背景对象白色区域，全局阈值将整个图像的灰度阈值设置为常数；目标对象黑色区域为未清洗的残污区域，通过图像处理得出未清洗的残污区域面积，根据耐水砂纸面积得出不同周期的清洁率。具体为：通过MATLAB图像处理函数rgb2gray和im2bw，将不同周期采集的所述耐水砂纸上残留模拟污物图像进行二值化处理，并通过size、length和find函数计算未清洗黄豆酱的面积即目标对象黑色区域，通过imdistline函数对砂纸上未清洗部分进行标定，即目标对象黑色区域进行标定，最终得到清洗的实际面积A_d(背景对象白色区域)和砂纸面积A_a，计算清洁率。

以击打力、清洁率和脉冲频率为目标函数，以喷头上喷嘴进口直径d₂、混气腔的腔长l_c和混气腔的腔高h_c作为试验设计变量为设计变量，在设定的范围内按照Box-Behnken试验设计方法建立试验设计方案，并进行试验测试。响应面试验设计方案及击打力、清洁率及脉冲频率计算结果如表2所示。表中用A表示喷头上喷嘴进口直径d₂，用B表示混气腔的腔长l_c，用C表示混气腔的腔高h_c。

表2试验设计方案及试验结果

构建A、B和C与脉冲频率的响应面二阶回归模型；回归方程为：

f＝80-34.37A-9.5B-4.88C+3.5A·B+0.75A·C+5B·C+8.62A²-2.13B²-2.87C²

构建A、B和C与击打力的响应面二阶回归模型；回归方程为：

F＝0.14-0.009138A+0.009238B-0.004675C+0.0067A·B+0.003725A·C-0.002875B·C-0.036A^2-0.012B²-0.00195C²

构建A、B和C与清洁率的响应面二阶回归模型；回归方程为：

S＝100-2.25A+5.38B-1.88C-0.75A·B-0.75A·C-B·C-12A²-6.75B²-2.75C²

式中：A·B为上喷嘴进口直径和腔长的交互项；A·C为上喷嘴进口直径和腔高的交互项；B·C为腔长与腔高的交互项。F为击打力，f为脉冲频率，S为清洁率。

通过方差分析对表2中结构参数和相应的击打力、清洁率及脉冲频率进行分析，得到的方差分析结果如表3所示。当P＜0.05时，说明这一项差异性显著；当P＜0.01时，说明这一项的差异性极显著；反之，当P＞0.05时，说明这一项的差异性不显著，对响应变量没有太大的影响，则需要重新确定目标值和因素或者因素的取值范围。

表3方差分析结果

表中M值为置信度，P为置信因子

通过响应面法，对自吸气脉冲喷头的不同结构参数进行响应面选优，由表3确定上喷嘴进口直径为1.4mm，腔长为17mm，腔高为5.5mm。对优化后模型喷头进行试验测试，测试结果见图5、图6、图7、图8、图9中优化后结果，由图中可知，设计的脉冲喷头击打力为1.3N，脉冲频率为85Hz左右，40s时清洁率为96％，可以证实优化的有效性。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自吸气脉冲喷头试验优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

确定至少3个因素，确定每个因素的取值范围；

确定目标值；

在所述因素的取值范围内随机取样，通过试验测试对应取样的目标值；

根据取样的因素和取样的目标值，通过响应面法确定最佳的因素的取值。

2.根据权利要求1所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法，其特征在于，3个所述因素分别为上喷嘴进口直径d₂、混气腔的腔长l_c和混气腔的腔高h_c；所述上喷嘴进口直径d₂的取值范围为1.2～1.6d₁，d₁为下喷嘴直径；所述混气腔的腔长l_c的取值范围为4～6.5b_c，所述混气腔的腔高h_c的取值范围为1.3～2b_c，b_c为混气腔的腔宽。

3.根据权利要求1所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法，其特征在于，所述目标值为脉冲频率、击打力和清洁率。

4.根据权利要求3所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法，其特征在于，根据随机取样的所述因素的取值，通过下面公式计算脉冲喷头频率：

式中：d₀为下喷嘴进口前直管段直径；d₁为下喷嘴直径；d₂为上喷嘴进口直径；l_c为混气腔的腔长；b_c为混气腔的腔宽；h_c为混气腔的腔高。

5.根据权利要求3所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法，其特征在于，根据随机取样的所述因素的取值，通过喷射实验测试击打力。

6.根据权利要求3所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法，其特征在于，根据随机取样的所述因素的取值，通过下面步骤确定清洁率：

将模拟的人体排泄物均匀的涂抹到耐水砂纸上；

通过对取值因素的喷头对耐水砂纸清洗，通过监控装置按周期采集所述耐水砂纸上残留模拟污物图像；

对不同周期采集的所述耐水砂纸上残留模拟污物图像的预处理，所述预处理包括亮度调节、对比度调整和平滑滤波；

对预处理后的不同周期采集的所述耐水砂纸上残留模拟污物图像灰度化处理；

对灰度化处理后的不同周期采集的所述耐水砂纸上残留模拟污物图像进行图像分割，通过确定一个全局阈值将整个图像分割成目标对象区域和背景对象区域，全局阈值将整个图像的灰度阈值设置为常数；目标对象区域为未清洗的残污区域，通过图像处理得出未清洗的残污区域面积，根据耐水砂纸面积得出不同周期的清洁率。

7.根据权利要求3所述的自吸气脉冲喷头试验优化方法，其特征在于，根据取样的因素和取样的目标值，通过响应面法确定最佳的因素的取值具体如下：

构建上喷嘴进口直径d₂、混气腔的腔长l_c和混气腔的腔高h_c与脉冲频率的响应面二阶回归模型；

构建上喷嘴进口直径d₂、混气腔的腔长l_c和混气腔的腔高h_c与击打力的响应面二阶回归模型；

构建上喷嘴进口直径d₂、混气腔的腔长l_c和混气腔的腔高h_c与清洁率的响应面二阶回归模型；

采用方差分析对二阶回归方程进行显著性检验：当显著性满足要求，则获得优化后的因素参数值域；当显著性不满足要求，则重新选取因素。