一種應(yīng)用于焊接工位的等離子體除塵裝置

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，達到凈化有毒煙塵的效果;還通過模擬以及實驗，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。焊接過程中會產(chǎn)生的大量焊接煙塵，如果不加以處理，不僅對環(huán)境造成巨大的危害，而且會損害勞動者的健康，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]通過研制了混合復(fù)合材料放電電極并在實驗中進行測試，結(jié)果表明復(fù)合電極表現(xiàn)出更高的顆粒收集效率，勝過金屬電極;I Gallimberti等人[2]開發(fā)用于模擬大型靜電除塵器運行條件的新型綜合數(shù)學(xué)模型，可以對靜電沉淀現(xiàn)象進行時間分辨的模擬;F.Beux等人[3]針對電暈放電產(chǎn)生的離子空間電荷和電場的數(shù)值計算中，無法事先指定金屬絲和金屬板上自洽條件的問題，提出了一種基于電流密度場分解的半分析技術(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]通過數(shù)值模擬的手段對斯托克斯數(shù)進行研究，實驗和仿真表明較低的斯托克斯數(shù)導(dǎo)致較高的收集效率;國內(nèi)研究方面，朱勇，高孟祥[5]等利用數(shù)值模擬的方法對電極板形狀對除塵的效果進行了研究，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特性，并且還具有更強的抵抗帶電流體流動影響的能力;胡斌等人[6]通過搭建化學(xué)團聚室和一個與電除塵器相連的湍流裝置，實驗驗證了運用化學(xué)團聚進行預(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，對不同粒徑的焊接煙塵都具有良好的除塵效果。但同時，在實際的使用過程之，袋式除塵器存在阻力大、耗電量大、布袋需經(jīng)常更換、清理布袋時容易發(fā)生二次污染等缺點。等離子體除塵器具有處理煙量大，除塵效率高的特點，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。

基于上述問題，本文根據(jù)袋式除塵和等離子體除塵的優(yōu)缺點，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，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 ?除塵機理

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，其粒徑范圍的數(shù)量級為0.1～10μm。

1.2 等離子除塵機理研究

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

實際上，在靜電式除塵器中，對于荷電部分，時間常數(shù)τq一般遠大于 t，該時間常數(shù)可以用來評價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，粒子荷電可達到50%。當(dāng)t=10τ時，可達到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，即可達到的99%。

對于絕大多數(shù)的工業(yè)粉塵而言，擊穿電場強度在10～20kV/cm范圍內(nèi)。擊穿時所釋放出來的氣體正離子在電場的作用下會進入極間，當(dāng)其與負(fù)電荷煙塵粒子碰撞時就會減少荷電量;當(dāng)其與氣體負(fù)離子相碰撞時，則會減少氣體負(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

針對焊接煙塵粒徑范圍大的特點，提出分級除塵的思想，并據(jù)此設(shè)計出除塵工藝流程圖（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)過過濾式預(yù)除塵裝置，將大粒徑的煙塵顆粒過濾的同時防止其他雜質(zhì)進入;初過濾的空氣進入袋式除塵裝置中，在濾袋的作用下將中等粒徑的煙塵顆粒過濾掉;最后氣體由三相無刷風(fēng)機送入等離子發(fā)生裝置中，小粒徑的煙塵顆粒在此經(jīng)過擴散荷電和電場荷電后進入吸附裝置中，最終被收集;最終，清潔的空氣被送出以實現(xiàn)煙塵凈化。

2 ?仿真模擬

2.1 極板電場

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

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

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，電勢為U。

利用流體流動顆粒追蹤模型，通過所選定的風(fēng)機和理論結(jié)果結(jié)合后設(shè)置v=1m/s，因為顆粒直徑越大，其位移距離越大，時間越長更具有代表性，所以取粒子直徑較大的顆粒進行模擬，即粒子直徑d=2μm進行模擬[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，由于電勢在邊緣處也下降很快，對粒子吸附影響較小。當(dāng)粒子與下電極板接觸時，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，初始狀態(tài)時進入電場間的煙塵顆粒已完成吸附，該條件下可實現(xiàn)煙氣凈化。

3 ?除塵裝置設(shè)計

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

3.1 等離子除塵裝置的設(shè)計

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組成，如圖5所示。

3.1.1 電離線和電極板的設(shè)計

焊接煙塵氣體進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;帶電的煙塵粒子進入電極板區(qū)域時被吸附在電極板上。

本設(shè)計中選用直徑為0.3mm 的鎢絲電極作為電暈線;同時，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于電離效果的影響顯著，在本設(shè)計采用增加預(yù)緊彈簧的方式來保證[9]。

設(shè)計了平板式電極板，每塊電極板的厚度均為3mm表面粗糙度達到Ra0.08。電極板采用整列布置，集塵極板和放電極板交錯分布。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

電源的選用對除塵效果有著極大的影響，目前阻止除塵效率進一步提升的主要原因就是供電過程中的電暈封閉現(xiàn)象[10]。本設(shè)計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)位開關(guān)相接觸后裝置工作，焊煙粒子在電場力的作用下帶上負(fù)電荷的塵粒向集塵電極板移動，最后被吸附在集塵極板上，完成氣體的凈化;斷開電源后，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物制作

焊接煙塵氣體經(jīng)過預(yù)過濾和袋式除塵后經(jīng)過導(dǎo)流板進入等離子除塵裝置中，隨后凈化過的空氣被風(fēng)機送出，整體裝置如圖6所示。

根據(jù)計算與仿真模擬的結(jié)果，考慮到濾塵布袋以及管道帶來的壓力損失，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而不被損壞的特點，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維交錯排列，空隙分布均勻的細纖維布，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。可在70～170℃的環(huán)境下使用，經(jīng)過處理后還可以抗靜電?？梢杂行н^濾大于0.3μm的細小粉塵。

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導(dǎo)流板通過管道與風(fēng)機進行連接。將風(fēng)機后置可以保證整個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)流板進行連接。導(dǎo)流板的設(shè)計也保證了粒子進入等離子體除塵裝置時具有理想的驅(qū)進速度，實現(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)揮打印機的性能，零件分成8個部分分別打印。子零件之間由螺栓螺母固定，連接的縫隙間設(shè)置空間來放置密封條來保證密封性，如圖7所示。打印時間控制在7小時左右，完成切片的子零件如圖7所示。

3.3 追蹤方案的設(shè)計

本設(shè)計提出了采用無人機進行追蹤煙塵源的方案，應(yīng)用于利用機械臂進行焊接的場景。

無人機跟隨焊接運動軌跡進行追蹤，其飛行軌跡可由兩種方式確定，第一種方式是對無人機進行再開發(fā)，將焊接機械臂的運動軌跡參數(shù)編程入無人機中從而實現(xiàn)對焊接煙塵源的追蹤控制;第二種方式是利用視覺傳感器進行追蹤，這一追蹤方式的優(yōu)點在于無人機在飛行過程中可以有效的避障。

4 ?結(jié)論

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

②通過仿真模擬，驗證了等離子體除塵裝置在電壓U=7000V，運動速度V=1m/s的條件下對于粒子直徑d=2μm的煙塵顆粒吸附效果良好。

③提出了利用無人機搭載除塵設(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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