陳光浩

摘要：本文提出一種焊接煙塵凈化新工藝，不同與單一的布袋和靜電除塵，采用吸塵-濾塵-荷電吸附的多級(jí)除塵方式，最后由等離子體除塵裝置將粒徑微小的煙塵顆粒吸附在集塵板，達(dá)到凈化有毒煙塵的效果;還通過(guò)模擬以及實(shí)驗(yàn)，確定本裝置重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且提出了追蹤焊接煙塵源的方案。

關(guān)鍵詞：焊接煙塵;等離子體;除塵裝置;模擬

0 ?引言

現(xiàn)如今，工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展十分迅速，其中重要結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)加工主要由焊接完成。焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的大量焊接煙塵，如果不加以處理，不僅對(duì)環(huán)境造成巨大的危害，而且會(huì)損害勞動(dòng)者的健康，是引起包括塵肺在內(nèi)的多種職業(yè)性肺部疾病的重要危害因素，高效除塵方式的提出十分緊迫。

Ali M等[1]通過(guò)研制了混合復(fù)合材料放電電極并在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明復(fù)合電極表現(xiàn)出更高的顆粒收集效率，勝過(guò)金屬電極;I Gallimberti等人[2]開(kāi)發(fā)用于模擬大型靜電除塵器運(yùn)行條件的新型綜合數(shù)學(xué)模型，可以對(duì)靜電沉淀現(xiàn)象進(jìn)行時(shí)間分辨的模擬;F.Beux等人[3]針對(duì)電暈放電產(chǎn)生的離子空間電荷和電場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算中，無(wú)法事先指定金屬絲和金屬板上自洽條件的問(wèn)題，提出了一種基于電流密度場(chǎng)分解的半分析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可以顯著提高數(shù)值求解的速度;Tsrong-Yi Wen等人[4]通過(guò)數(shù)值模擬的手段對(duì)斯托克斯數(shù)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)和仿真表明較低的斯托克斯數(shù)導(dǎo)致較高的收集效率;國(guó)內(nèi)研究方面，朱勇，高孟祥[5]等利用數(shù)值模擬的方法對(duì)電極板形狀對(duì)除塵的效果進(jìn)行了研究，模擬結(jié)果表明波紋型電極板比平板型電極板具有更好的靜電場(chǎng)特性，并且還具有更強(qiáng)的抵抗帶電流體流動(dòng)影響的能力;胡斌等人[6]通過(guò)搭建化學(xué)團(tuán)聚室和一個(gè)與電除塵器相連的湍流裝置，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了運(yùn)用化學(xué)團(tuán)聚進(jìn)行預(yù)處理可以顯著提高電除塵的效率。

目前工廠中配備的除塵設(shè)備主要是傳統(tǒng)的袋式除塵器?，F(xiàn)有的袋式除塵器有除塵范圍大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)不同粒徑的焊接煙塵都具有良好的除塵效果。但同時(shí)，在實(shí)際的使用過(guò)程之，袋式除塵器存在阻力大、耗電量大、布袋需經(jīng)常更換、清理布袋時(shí)容易發(fā)生二次污染等缺點(diǎn)。等離子體除塵器具有處理煙量大，除塵效率高的特點(diǎn)，但其處理效果受粉塵性質(zhì)（化學(xué)成分和粒徑大?。┖蜔焿m參數(shù)（煙塵量、煙塵溫度）的影響很大。

基于上述問(wèn)題，本文根據(jù)袋式除塵和等離子體除塵的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種將等離子體除塵和袋式除塵相結(jié)合的除塵工藝，與單一的袋式除塵和等離子體除塵相比較，具有除塵效率高，除塵效果好的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 ?除塵機(jī)理

1.1 焊接煙塵分析

目前常用的焊接工藝方法主要有電阻焊、電弧焊、電子束焊等，不同焊接工藝中產(chǎn)生的焊接煙塵成分均有很大的差別，如手工電弧焊中的主要有毒氣體為鐵、錳、硅元素的氧化物，而電阻焊的焊煙成分主要是鈣、鎂元素的氧化物;除了焊接工藝方法外，焊接煙塵的成分還與焊接參數(shù)以及焊接材料直接相關(guān)。在不同的焊接作業(yè)中，焊接煙塵的成分雖然有很大的不同，但都具有粒徑范圍大的特點(diǎn)，其粒徑范圍的數(shù)量級(jí)為0.1～10μm。

1.2 等離子除塵機(jī)理研究

焊接煙塵粒子帶電量對(duì)于其在靜電式除塵器中的運(yùn)動(dòng)與沉降起到至關(guān)重要的作用。兩種荷電機(jī)理電場(chǎng)荷電qf和擴(kuò)散荷電qd，一般都會(huì)發(fā)生作用。但在不同粒徑范圍內(nèi)，起主要作用的荷電機(jī)理不同。當(dāng)粒子半徑大于0.5μm 時(shí)，主要為電場(chǎng)荷電;當(dāng)粒子半徑大于等于0.2μm，小于等于0.5μm時(shí)，兩者共同作用;當(dāng)粒子半徑小于0.2μm時(shí)，主要為擴(kuò)散荷電[7]。電場(chǎng)荷電和擴(kuò)散荷電的電荷量分別為：

實(shí)際上，在靜電式除塵器中，對(duì)于荷電部分，時(shí)間常數(shù)τq一般遠(yuǎn)大于 t，該時(shí)間常數(shù)可以用來(lái)評(píng)價(jià)煙塵粒子荷電速度的快慢。為導(dǎo)電粒子的飽和電荷，Q為其荷電量，當(dāng)t=τ時(shí)，粒子荷電可達(dá)到50%。當(dāng)t=10τ時(shí)，可達(dá)到91%。由于在靜電除塵器中，τ一般為10-2～10-3，因此當(dāng)t為0.1～1.0s時(shí)，即可達(dá)到的99%。

對(duì)于絕大多數(shù)的工業(yè)粉塵而言，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度在10～20kV/cm范圍內(nèi)。擊穿時(shí)所釋放出來(lái)的氣體正離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)進(jìn)入極間，當(dāng)其與負(fù)電荷煙塵粒子碰撞時(shí)就會(huì)減少荷電量;當(dāng)其與氣體負(fù)離子相碰撞時(shí)，則會(huì)減少氣體負(fù)離子的數(shù)量，從而導(dǎo)致荷電效率的下降。

1.3 除塵工藝

針對(duì)焊接煙塵粒徑范圍大的特點(diǎn)，提出分級(jí)除塵的思想，并據(jù)此設(shè)計(jì)出除塵工藝流程圖（圖1）。

如圖1所示，焊接煙塵產(chǎn)生后，追蹤機(jī)構(gòu)定位到煙塵源，集氣吸塵罩將焊接煙塵吸入，首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾式預(yù)除塵裝置，將大粒徑的煙塵顆粒過(guò)濾的同時(shí)防止其他雜質(zhì)進(jìn)入;初過(guò)濾的空氣進(jìn)入袋式除塵裝置中，在濾袋的作用下將中等粒徑的煙塵顆粒過(guò)濾掉;最后氣體由三相無(wú)刷風(fēng)機(jī)送入等離子發(fā)生裝置中，小粒徑的煙塵顆粒在此經(jīng)過(guò)擴(kuò)散荷電和電場(chǎng)荷電后進(jìn)入吸附裝置中，最終被收集;最終，清潔的空氣被送出以實(shí)現(xiàn)煙塵凈化。

2 ?仿真模擬

2.1 極板電場(chǎng)

COMSOL Multiphysics是一款廣泛應(yīng)用于工程模擬與仿真計(jì)算的大型數(shù)值模擬軟件，適用于多物理場(chǎng)耦合。利用流體力學(xué)混合物模型及粒子追蹤進(jìn)行耦合，可對(duì)等離子靜電吸附裝置中帶電煙塵顆粒進(jìn)行吸附仿真。

對(duì)平板式等離子靜電吸附裝置電極板施加7000V電壓所得電場(chǎng)分布如圖2所示，電極板中間區(qū)域電勢(shì)分布較均勻，邊緣處電勢(shì)迅速下降?？紤]到氣流流動(dòng)壁效應(yīng)，邊緣處氣流速度較中心處小，該變化對(duì)煙塵吸附影響較小。

2.2 吸附除塵

2.2.1 模擬條件

設(shè)置恒定條件T=293.15K，P=101.325kPa，帶電粒子受重力作用，不同粒徑粒子均視為攜帶單電荷，粒子粒徑為d，入口流速為v，電勢(shì)為U。

利用流體流動(dòng)顆粒追蹤模型，通過(guò)所選定的風(fēng)機(jī)和理論結(jié)果結(jié)合后設(shè)置v=1m/s，因?yàn)轭w粒直徑越大，其位移距離越大，時(shí)間越長(zhǎng)更具有代表性，所以取粒子直徑較大的顆粒進(jìn)行模擬，即粒子直徑d=2μm進(jìn)行模擬[8]。

由于附壁效應(yīng)，邊緣流速下降很快，大多數(shù)區(qū)域仍有穩(wěn)定流速，由于電勢(shì)在邊緣處也下降很快，對(duì)粒子吸附影響較小。當(dāng)粒子與下電極板接觸時(shí)，即視為完成吸附。

2.2.2 仿真結(jié)果

設(shè)置d=2μm，U=7000V，v=1m/s。

可得0.1s時(shí)，初始狀態(tài)時(shí)進(jìn)入電場(chǎng)間的煙塵顆粒已完成吸附，該條件下可實(shí)現(xiàn)煙氣凈化。

3 ?除塵裝置設(shè)計(jì)

除塵裝置的設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分：等離子體除塵裝置的設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)、管道及布袋的選取，實(shí)物的制作和追蹤方案的設(shè)計(jì)。

3.1 等離子除塵裝置的設(shè)計(jì)

等離子體除塵部分是裝置的核心部分，其參數(shù)直接影響除塵效果。該部分結(jié)構(gòu)主要是由等離子電離線和直流高壓電場(chǎng)組成，如圖5所示。

3.1.1 電離線和電極板的設(shè)計(jì)

焊接煙塵氣體進(jìn)去等離子體裝置后首先在電離線附近被電離，微小的煙塵粒子帶電;帶電的煙塵粒子進(jìn)入電極板區(qū)域時(shí)被吸附在電極板上。

本設(shè)計(jì)中選用直徑為0.3mm 的鎢絲電極作為電暈線;同時(shí)，考慮到電極線的加工工藝性，選擇其截面形狀為圓形，該尺寸的電暈線不僅有良好的起暈性能，同時(shí)相較于更小尺寸的電極更易于加工。此外，為提高起暈效果以及進(jìn)一步增加荷電效率，選擇多根鎢絲電極陣列式布置;考慮到電離線的直線度對(duì)于電離效果的影響顯著，在本設(shè)計(jì)采用增加預(yù)緊彈簧的方式來(lái)保證[9]。

設(shè)計(jì)了平板式電極板，每塊電極板的厚度均為3mm表面粗糙度達(dá)到Ra0.08。電極板采用整列布置，集塵極板和放電極板交錯(cuò)分布。極板間距為影響吸附效率的重要參數(shù)，由仿真模擬得到，為7mm。

3.1.2 電源的選用

電源的選用對(duì)除塵效果有著極大的影響，目前阻止除塵效率進(jìn)一步提升的主要原因就是供電過(guò)程中的電暈封閉現(xiàn)象[10]。本設(shè)計(jì)中采用電壓和脈沖頻率可調(diào)節(jié)的脈沖電源，電源的輸入電壓為220V交流電，輸出電壓為4000V到7000V的高壓直流電。

通過(guò)通電螺桿，電源負(fù)極和電離線以及放電極板相連，正極和集塵電極板相連。電源接通后，復(fù)位開(kāi)關(guān)相接觸后裝置工作，焊煙粒子在電場(chǎng)力的作用下帶上負(fù)電荷的塵粒向集塵電極板移動(dòng)，最后被吸附在集塵極板上，完成氣體的凈化;斷開(kāi)電源后，煙塵粒子在重力作用下沉降在下方收集區(qū)。

3.2 整體裝置的連接與實(shí)物制作

焊接煙塵氣體經(jīng)過(guò)預(yù)過(guò)濾和袋式除塵后經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板進(jìn)入等離子除塵裝置中，隨后凈化過(guò)的空氣被風(fēng)機(jī)送出，整體裝置如圖6所示。

根據(jù)計(jì)算與仿真模擬的結(jié)果，考慮到濾塵布袋以及管道帶來(lái)的壓力損失，我們選定該裝置的匹配風(fēng)量是1500m3/h，并且選定風(fēng)機(jī)的功率為1.1kW。為了減小管道中的風(fēng)力損失，我們選取的管道直徑為150mm。為了保證裝置的氣密性和便于靈活移動(dòng)而不被損壞的特點(diǎn)，采用了PVC塑料軟管。

濾塵布袋采用工業(yè)除塵布袋，材料為滌綸針刺氈。該材料采用非織造針刺工藝?yán)美w維交錯(cuò)排列，空隙分布均勻的細(xì)纖維布，以滌綸短纖維與滌綸有捻紗所生產(chǎn)的針刺氈表面經(jīng)熱軋、燒毛或涂層等后處理，使其表面平整光滑，不易被粉塵所堵塞，此濾料空隙率大，透氣性能較好，用途極為廣泛，抗化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)?？稍?0～170℃的環(huán)境下使用，經(jīng)過(guò)處理后還可以抗靜電?？梢杂行н^(guò)濾大于0.3μm的細(xì)小粉塵。

在整體裝配上，由管道連接至3D打印導(dǎo)流板，在導(dǎo)流板中安裝濾塵布袋，連接處仍要添加密封條以保證密封性。在等離子裝置后方由另一個(gè)導(dǎo)流板通過(guò)管道與風(fēng)機(jī)進(jìn)行連接。將風(fēng)機(jī)后置可以保證整個(gè)裝置中都能保持較高的負(fù)壓將煙塵吸入。

圓形管道和等離子體除塵裝置間加裝導(dǎo)流板進(jìn)行連接。導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)也保證了粒子進(jìn)入等離子體除塵裝置時(shí)具有理想的驅(qū)進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)更好的除塵效果。

選用3D打印壁厚為1mm的導(dǎo)流板，為了更好的發(fā)揮打印機(jī)的性能，零件分成8個(gè)部分分別打印。子零件之間由螺栓螺母固定，連接的縫隙間設(shè)置空間來(lái)放置密封條來(lái)保證密封性，如圖7所示。打印時(shí)間控制在7小時(shí)左右，完成切片的子零件如圖7所示。

3.3 追蹤方案的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)提出了采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行追蹤煙塵源的方案，應(yīng)用于利用機(jī)械臂進(jìn)行焊接的場(chǎng)景。

無(wú)人機(jī)跟隨焊接運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤，其飛行軌跡可由兩種方式確定，第一種方式是對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行再開(kāi)發(fā)，將焊接機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)編程入無(wú)人機(jī)中從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接煙塵源的追蹤控制;第二種方式是利用視覺(jué)傳感器進(jìn)行追蹤，這一追蹤方式的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中可以有效的避障。

4 ?結(jié)論

①基于吸塵-濾塵-荷電-除塵的分級(jí)除塵工藝，設(shè)計(jì)出以等離子體除塵為核心的設(shè)備模型并制作實(shí)物裝置。

②通過(guò)仿真模擬，驗(yàn)證了等離子體除塵裝置在電壓U=7000V，運(yùn)動(dòng)速度V=1m/s的條件下對(duì)于粒子直徑d=2μm的煙塵顆粒吸附效果良好。

③提出了利用無(wú)人機(jī)搭載除塵設(shè)備，并追蹤焊接源的構(gòu)想，為智能追蹤除塵提供了一種可行性方案。

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