中心霧化孔壓力對(duì)成膜特性的影響

陳 雁，潘海偉，陳文卓，婁博文，李 江

(中國(guó)人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 油料系， 重慶 401331)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，空氣噴涂機(jī)器人被廣泛應(yīng)用在航空、汽車(chē)、石油與天然氣等領(lǐng)域[1-2]。為獲得均勻的噴涂涂層，需要對(duì)機(jī)器人噴涂工藝進(jìn)行優(yōu)化，其中最為關(guān)鍵的是噴涂參數(shù)的設(shè)定。噴涂參數(shù)主要包括中心霧化孔壓力、扇面控制孔壓力、涂料流量、噴涂距離、噴涂角度、噴槍移動(dòng)速度等[3]。中心霧化孔壓力是位于噴槍空氣帽中心的霧化空氣孔噴涂出的氣體壓力，是影響噴霧流場(chǎng)噴幅、涂層厚度分布及噴涂機(jī)器人工藝優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)。

學(xué)者們已就噴涂參數(shù)對(duì)成膜效果的影響進(jìn)行了大量研究。Domnick 等[4]利用相位多普勒測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量霧化后粒子速度和粒子直徑等，研究改變涂料和空氣流速對(duì)噴涂流場(chǎng)和成膜的影響。Conner 等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)分析提出分析沉積模型，研究距離和角度兩個(gè)變量對(duì)噴涂效果的影響。陳雁等[6]利用拋物線模型研究成膜圖形重疊寬度與涂層均勻性的關(guān)系。馮浩等[7]和劉亞舉等[8]利用積分法研究涂膜成長(zhǎng)速率。以上學(xué)者大都針對(duì)噴涂距離、涂料流量、噴涂角度等噴涂參數(shù)展開(kāi)研究，但由于以前理論研究方法的局限性，無(wú)法通過(guò)建立中心霧化孔壓力對(duì)成膜特性影響的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行深入分析。

中心霧化孔壓力對(duì)涂料成膜特性影響的研究可以采用實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法。實(shí)驗(yàn)研究能夠直觀再現(xiàn)空氣噴涂過(guò)程，但不易精確控制中心霧化孔壓力，不能完全排除噴涂環(huán)境中無(wú)關(guān)變量的影響，無(wú)法深入研究中心霧化孔壓力對(duì)成膜特性的影響。隨著CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))的發(fā)展，數(shù)值模擬法[9-10]逐漸被采用。數(shù)值模擬法利用CFD理論建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)問(wèn)題求解，可以獲得實(shí)驗(yàn)難以得到的參數(shù)，如噴霧流場(chǎng)參數(shù)等，可深入分析整個(gè)霧化成膜過(guò)程。

1 中心霧化孔壓力影響模型

噴涂時(shí)，涂料在高速空氣沖擊作用下霧化成小液滴運(yùn)動(dòng)到工件表面并撞擊粘附在工件表面形成漆膜。根據(jù)上述成膜過(guò)程，建立研究中心霧化孔壓力對(duì)成膜特性影響的模型，中心霧化孔壓力影響模型包括噴霧流場(chǎng)模型和撞擊粘附模型。

1.1 噴霧流場(chǎng)模型

1.1.1 控制方程

質(zhì)量守恒方程為

▽·(βqρqvq)=0

(1)

式中：下標(biāo)q為g和l時(shí)，分別表示氣相和液相；βq為相體積率；ρq為q相的密度；vq為q相的速度。

動(dòng)量守恒方程為

▽·(βqρqvqvq)=

-βq▽p+▽·τq+βqρqg+Ftd,q+Fq

(2)

式中：p為相共用的壓力；τq為q相的黏性應(yīng)力；g為重力；Ftd,q為q相的湍流分散力；Fq為相間作用力。

能量守恒方程為

▽·(βqρqvqhq)=

(3)

式中：hq為比焓；qq為熱通量；Ppq為相間熱交換強(qiáng)度。

1.1.2 湍流模型

為分析流場(chǎng)中的湍流情況，在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中引入：

(4)

(5)

式中：Πtn和Πεn為離散相與連續(xù)相湍流作用的附加項(xiàng)；常數(shù)項(xiàng)參數(shù)的取值與單相流相同。

1.2 撞擊粘附模型

涂料液滴在氣流的作用下向目標(biāo)壁面運(yùn)動(dòng)，撞擊在目標(biāo)壁面上形成液膜。采用撞擊粘附模型對(duì)涂料液滴撞擊目標(biāo)壁面后的運(yùn)動(dòng)和成膜過(guò)程建模。撞擊粘附模型包括壁面液膜模型和液膜控制方程。

1.2.1 壁面液膜模型

壁面液膜模型可以計(jì)算液滴撞擊壁面后形成液膜的過(guò)程。涂料液滴撞擊壁面后的運(yùn)動(dòng)主要是由液滴撞擊壁面時(shí)的能量決定。涂料相撞擊壁面時(shí)的能量由式(6)決定。

(6)

1.2.2 液膜控制方程

涂料液滴撞擊壁面形成的液膜存在一定流動(dòng)性，應(yīng)用液膜控制方程對(duì)液膜流動(dòng)性進(jìn)行數(shù)值模擬。液膜控制方程包括：

連續(xù)性方程：

(7)

動(dòng)量守恒方程：

(8)

2 數(shù)值求解

2.1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

空氣噴槍空氣帽模型如圖1所示，涂料孔孔徑為1.1 mm，中心霧化孔外徑為2.0 mm，內(nèi)徑為1.6 mm，兩側(cè)牛角形結(jié)構(gòu)上分別有2個(gè)孔徑為0.8 mm的扇面控制孔。

圖1 空氣帽模型

流體控制域?yàn)?00 mm×300 mm×190 mm六面體，涂料孔距離平面距離為180 mm，以四面體網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為785 637個(gè)，如圖2所示。因?yàn)槎嗝骟w網(wǎng)格和相同數(shù)量的四面體網(wǎng)格相比，不但計(jì)算結(jié)果更精確，而且解算速度更快，所以利用FLUENT將導(dǎo)入的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成多面體網(wǎng)格。

圖2 流體控制域網(wǎng)格劃分

2.2 求解方法與計(jì)算參數(shù)

選擇三維雙精度求解器，基于氣液兩相的湍流控制方程，并通過(guò)Phase Coupled SIMPLE算法求解壓力速度耦合。計(jì)算過(guò)程中壓力、速度、k等的亞松弛因子大小均取默認(rèn)值。入口邊界條件：設(shè)置涂料入口為質(zhì)量流量入口，流量為0.001 32 kg/s；扇面孔為壓力入口，入口壓力為0.08 MPa；中心霧化孔為壓力入口，入口壓力分別為0.04、0.12、0.20、0.24、0.30 MPa。出口邊界條件：設(shè)置出口為壓力出口，給定靜壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。壁面邊界條件：設(shè)置噴涂平面為歐拉壁面模型。噴涂時(shí)間：時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為Δt=1×10-4s，噴涂時(shí)間為0.5 s。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 中心霧化孔壓力對(duì)噴霧流場(chǎng)形狀的影響

在扇面控制孔氣流的沖擊下，噴霧流場(chǎng)被壓扁，噴錐的橫截面為橢圓形。以空氣帽頂部圓心處為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，X軸為噴錐截面的短軸方向，Y軸為截面的長(zhǎng)軸方向，Z軸為噴錐的軸向方向。

為研究中心霧化孔壓力對(duì)噴霧流場(chǎng)的影響，需要保持其他參數(shù)不變，改變中心霧化孔壓力對(duì)平板工件進(jìn)行噴涂作業(yè)，壓力分別設(shè)定為0.04、0.12、0.20、0.24、0.30 MPa，得到如圖3和圖4所示的長(zhǎng)短軸氣相速度分布。

如圖3所示：隨著中心霧化孔壓力增大，當(dāng)壓力由0.04 MPa增大到0.12、0.20 MPa時(shí)，長(zhǎng)軸流場(chǎng)噴幅寬度迅速變小，當(dāng)繼續(xù)增大壓力到0.30 MPa時(shí)，噴幅變小速度減緩，噴幅寬度逐漸趨于穩(wěn)定。如圖4所示：隨著中心霧化孔壓力增大，流場(chǎng)短軸噴幅寬度逐漸增大。

圖3 長(zhǎng)軸仿真空氣相流場(chǎng)分布

圖4 短軸仿真空氣相流場(chǎng)分布

通過(guò)長(zhǎng)短軸仿真圖可以看出:噴霧流場(chǎng)隨著中心霧化孔壓力變化而變化，當(dāng)中心霧化孔壓力從0.04、0.12、0.20、0.24、0.30 MPa逐漸增大時(shí)，噴霧流場(chǎng)長(zhǎng)軸噴幅寬度逐漸變小，當(dāng)壓力增大到一定數(shù)值，長(zhǎng)軸流場(chǎng)變化趨緩；短軸流場(chǎng)噴幅隨著空氣孔壓力增大有小幅度變大，變化速度比長(zhǎng)軸緩慢；隨著壓力的增大，長(zhǎng)軸和短軸噴幅寬度逐漸趨于相近。

在理想狀態(tài)下，可以用中心霧化孔壓力趨向無(wú)窮大的方法來(lái)分析原因。因?yàn)樯让婵讐毫潭?.08 MPa，隨著中心霧化孔壓力不斷增大，扇面孔壓力相對(duì)作用逐漸減小，當(dāng)中心霧化孔壓力趨向無(wú)窮大時(shí)，扇面孔相當(dāng)于關(guān)閉，這時(shí)得到的噴霧流場(chǎng)為一個(gè)規(guī)則的圓錐，長(zhǎng)軸和短軸噴幅一樣大小，所以隨著中心霧化孔壓力的增大，長(zhǎng)短軸噴幅寬度逐漸趨于相近。

為研究流場(chǎng)分布情況需要,對(duì)涂料液滴在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析。分別取霧化孔中心到目標(biāo)壁面的垂線上涂料速度分布和距離中心霧化孔1.3 cm處涂料速度沿X方向分量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 軸線速度分布

圖6 噴嘴下方1.3 cm處涂料速度X方向分量

如圖5所示：隨著中心霧化孔壓力的增大，軸線方向涂料初始速度明顯增大。由式(2)和(3)可知：涂料相動(dòng)能主要由空氣相壓能轉(zhuǎn)化，當(dāng)中心霧化孔壓力逐漸增大時(shí)，涂料相獲得的動(dòng)能增大，垂直于工件表面的初始法向速度增大，初始速度從30 m/s增大到200 m/s，涂料液滴達(dá)到工作面的時(shí)間縮短。

如圖6所示：不同壓力下的5條速度曲線重合在一起，說(shuō)明隨著壓力的增大，噴嘴下方1.3 cm處涂料速度X方向分量變化很小。因?yàn)樯让婵諝饪诪閲姺刂瓶字饕峁┩苛弦旱蝀和Y方向速度，扇面孔壓力一定時(shí)，X和Y方向速度變化很小。

隨著中心霧化孔壓力增大，涂料液滴到達(dá)工件表面時(shí)間縮短，而X方向速度不變，涂料液滴在X方向位移變小，X方向位移作用主要是從兩側(cè)向中心擠壓噴霧流場(chǎng)，當(dāng)位移變小之后，擠壓的距離變短，短軸長(zhǎng)度相應(yīng)地就會(huì)增大。Y方向是噴霧流場(chǎng)長(zhǎng)軸方向，是由中心向兩側(cè)拉伸噴幅，同樣的液滴在Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短，速度不變，Y方向移動(dòng)距離也變短，向兩側(cè)拉伸噴幅的距離變短，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度也相應(yīng)變短。

3.2 中心霧化孔壓力對(duì)成膜的影響

為研究中心霧化孔壓力對(duì)成膜的影響，仿真得到的涂層厚度分布如圖7所示。從圖7中可以看出：隨著中心霧化孔壓力不斷增大，噴霧圖形長(zhǎng)軸長(zhǎng)度變小，短軸長(zhǎng)度逐漸增大，最后圖形由橢圓形趨于圓形。

圖7 平面成膜云圖

噴霧圖形的長(zhǎng)軸和短軸是涂層分布最具代表性的軸線。長(zhǎng)軸和短軸截面涂層厚度分布情況如圖8和圖9所示，從涂層厚度分布情況可以看出：隨著霧化空氣孔壓力的增大，噴霧圖形在長(zhǎng)軸方向長(zhǎng)度逐漸變小，涂層厚度逐漸增大；噴霧圖形在短軸方向長(zhǎng)度逐漸變大，涂層厚度逐漸增大。

表1為不同壓力下涂層厚度分布情況。當(dāng)中心霧化孔壓力從0.04 MPa變化為0.12 MPa時(shí)，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度從40 cm變?yōu)?0 cm，短軸長(zhǎng)度從10 cm變?yōu)?4 cm，成膜面積由0.044 m2變?yōu)?.033 m2，長(zhǎng)短軸長(zhǎng)度和成膜面積變化明顯。當(dāng)壓力達(dá)到0.20 MPa時(shí)，成膜面積從0.044 m2變?yōu)?.025 m2，繼續(xù)增大壓力到0.24、0.30 MPa，長(zhǎng)軸長(zhǎng)度繼續(xù)從25 cm變短為20 cm，短軸長(zhǎng)度繼續(xù)變大，從14.2 cm增大到15 cm，但是成膜面積保持不變，為0.025 m2。

綜合上述分析可知：隨著中心霧化孔壓力增大，涂層中心厚度迅速增大，在壓力從0.04 MPa變?yōu)?.30 MPa過(guò)程中，涂層厚度從3 μm迅速增大到27 μm，噴涂面積減小，涂料主要集中在成膜圖形的中心位置，成膜圖形的邊緣位置涂料稀少，造成涂層變化不平緩。

圖8 長(zhǎng)軸截面涂層厚度分布

圖9 短軸截面涂層厚度分布

壓力/MPa長(zhǎng)軸長(zhǎng)度/cm 短軸長(zhǎng)度/cm 成膜面積/m2 0.044010.00.0440.123014.00.0330.202514.20.0250.242314.50.0250.302015.00.025

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用特威空氣噴槍?zhuān)瑖姌尵嚯x平板工件180 mm進(jìn)行噴涂作業(yè)。其中涂料動(dòng)力黏度為0.096 86 kg·m-1·s。調(diào)整中心霧化孔壓力為0.12、0.30 MPa進(jìn)行噴涂實(shí)驗(yàn)，噴涂時(shí)間為2 s，利用秒表計(jì)時(shí)。噴涂完成后將工件置于自然通風(fēng)條件下2 d，待涂料固化后，使用涂層測(cè)厚儀測(cè)量干膜厚度。測(cè)量長(zhǎng)軸涂膜厚度時(shí)，每隔5 mm取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)位測(cè)量4次,取平均值，得到的漆膜厚度除以4得到噴涂0.5 s的涂層厚度。

壓力為0.12、0.30 MPa下得到的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果分別如圖10(a)、(b)所示，其中仿真圖形外周深藍(lán)色(如圖7)為小于1 μm涂層，取涂層厚度大于1 μm的內(nèi)部仿真圖形，得到的圖形形狀、大小與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖10 不同壓力下的噴涂圖形

為進(jìn)一步分析試驗(yàn)和仿真結(jié)果的近似度，對(duì)長(zhǎng)軸涂層厚度分布的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。其中坐標(biāo)原點(diǎn)在成膜圖形的中心，橫軸為噴霧圖形的長(zhǎng)軸坐標(biāo)。壓力為0.12、0.30 MPa時(shí)得到的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的涂層厚度分布的平均方差分別為9%和8.5%。因此，模擬和實(shí)驗(yàn)得到的涂層厚度分布吻合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

5 結(jié)論

2) 在扇面空氣孔壓力、涂料流量等條件不變的情況下，隨著中心霧化孔壓力增大，噴霧流場(chǎng)長(zhǎng)軸方向噴幅變小，短軸方向噴幅逐漸增大；當(dāng)壓力增大到一定數(shù)值時(shí)，噴幅趨于穩(wěn)定，長(zhǎng)短軸噴幅寬度趨于相近。

圖11 實(shí)驗(yàn)和仿真長(zhǎng)軸涂層厚度對(duì)比

3) 隨著中心霧化孔壓力增大，涂層長(zhǎng)軸長(zhǎng)度減小，短軸長(zhǎng)度增大，成膜面積逐漸減小，涂層中心厚度增大，涂層中心和邊緣厚度分布差距變大；當(dāng)壓力增大到一定數(shù)值時(shí)，成膜面積趨于穩(wěn)定。

4) 在其他條件不變的情況下，中心霧化孔需要在合適的壓力下才能得到合適噴涂面積和涂層厚度。中心霧化孔壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致噴涂面積過(guò)小、涂層厚度分布不均勻；中心霧化孔壓力過(guò)小會(huì)導(dǎo)致噴涂面積過(guò)大、涂層厚度太薄。

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