Моделирование движения воздушно-порошковой смеси в поле коронного разряда при нанесении полимерных покрытий распылителями с внешней зарядкой тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

БЕЛАВИНА Радмила Владимировна

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУШНО -ПОРОШКОВОЙ СМЕСИ В ПОЛЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА ПРИ НАНЕСЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ РАСПЫЛИТЕЛЯМИ С ВНЕШНЕЙ ЗАРЯДКОЙ

Специальность 01.02.05 - механика жидкости газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 1998

Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева на кафедре прикладной физики и химии

Научный руководитель - доктор технических наук.

профессор Каримов А.Х.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук.

профессор Клоков В.В., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Зиганшин P.P.

Ведущее предприятие - Государственный институт промышленности,.бизнеса и приватизации РТ (КНИАТ)

Защита состоится 1998 г. в 1'^ часов на заседании дис-

сертационного совета Д 063 43.01 Казанского государственного технического университета по адресу: 420111. Казань. ул.К.Маркса, 10. зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан _ / 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного

совета 7 А.Г.Каримова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В различных отраслях промышленности широкое применение получили полимерные порошковые покрытия. Они обладают антикоррозионными, электроизоляционными и декоративными свойствами, являются химически и термически стойкими. Одним из эффективных методов нанесения полимерных порошковых покрытий является окрашивание в электрическом поле коронного разряда. Применение этой технологии нанесения ' покрытий по сравнению с другими способами обеспечения аналогичных свойств позволяет экономить материальные и энергетические ресурсы, а также повышает экологичность процесса.

Однако имеется еще ряд задач, решение которых будет способствовать внедрению этого прогрессивного технологического процесса. Одной из таких актуальных задач является разработка методики определения параметров режима процесса нанесения покрытий. Для этого необходимо составление рабочих математических моделей, позволяющих определять технологические параметры процесса и оборудования.

Цель работы. Разработка математических моделей движения воздушно-порошковой смеси в поле коронного разряда при нанесении полимерных покрытий распылителями с внешней зарядкой частиц порошка, рассматривающих течение в канале ствола распылителя и в электрическом поле между коронирующим электродом и окрашиваемой поверхностью.

Научная новизна.

- Разработанная одномерная математическая модель течения Еоздушно-порошковой смеси в канале ствола распылителя учитывает,сжимаемость и двухфазность рабочей среды и позволяет рассчитывать скорости воздуха и частиц порошка раздельно.

- Предложена трехмерная математическая модель движения частиц порошка в поле коронного разряда при нанесении полимерных покрытий, позволяющая рассчитать в любой точке межэлектродного пространства напряженность поля коронного разряда, электрический заряд частицы, компоненты электрической и аэродинамической сил, скорости частиц и воздуха, траектории движения частиц и распределение частиц порошка, доставленных струей воздуха к покрываемой поверхности.

- Расчетами по математической модели установлен эффект резкого ускорения частиц порошка вблизи коронирующего электрода-иглы из-за наличия пика электрической силы и заряда частицы.

- Установлены зависимости скорости частиц порошка от параметров процесса.

Практическая ценность.

- Разработанные математические модели позволяют рассчитать параметры режима процесса и форму канала распылителя, обеспечивающие

большее заполнение струи воздуха порошком в канале распылителя, большие . скорости частиц порошка.

- С использованием результатов исследований разработаны и внедрены пистолет-распылитель и технологические процессы нанесения полимерных порошковых покрытий.

- Выполненная работа использована для разработки спецкурса лекций и лабораторного практикума.

Реализация результатов. Результаты исследований использованы при разработке и внедрении оборудования, технологических процессов напыления на ряде фирм РТ и РФ, а также в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных (Казань 1995 г., Н.Челны 1996 г.), Всероссийских (Курск 1994 г., Казань 1994 г., Москва 1995 г., Самара 1995 г., Тула 1997 г.), республиканской (Казань 1996 г.) и городской (Казань 1994 г.) научно-технических конференциях.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 статьях и тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложения и списка литературы. Она содержит 95 страниц машинописного текста, 49 рисунков, 5 таблЬгц, 2 приложения и список литературы из 124-х наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации и кратко ракрьгаается основное содержание работы.

В первой главе дается общая характеристика процесса и рассматриваются решаемые задачи. Приводятся результаты обзора литературных и патентных источников. •

Отмечается, что в настоящее время имеется значительное число работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса.

Большой вклад в исследование и внедрение процесса внесли отечественные и зарубежные ученые Верещагин И.П., Котлярский Л.Б., Васильев В.Е.. Пашин М.М., Панюшкин В.В., Догадин С.Г., Яковлев А.Д., Мазис1а 5. Иоподак! и др.

В опубликованных работах приводятся обобщенное математическое описание процесса и ряд эмпирических моделей, исследуются влияние различных факторов на выходные показатели процесса.

В работе проанализированы применяемые технологические процессь нанесения полимерных порошковых красок, применяемое оборудование и ви ^ ды красок.

Отмечается, что имеются еще задачи, препятствующие более эффек тивному применению рассматриваемого процесса. Одной . из них яв-2

ляется разработка методики определения оптимальных параметров режима окрашивания. Это, в свою очередь, требует составления математических моделей, наиболее полно учитывающих особенности процесса. Известные общие математические модели имеют в основном описательный характер. Математические модели, приводимые в работах экспериментального характера, весьма упрощенные и часто содержат недостаточно обоснованные допущения. Практически отсутствуют математические модели, описывающие течение воздушно-порошковой смеси в канале ствола распылителя.

Проведенный анализ состояния вопроса позволил наметить следующие задачи исследований:

- Составить одномерную математическую модель течения воздушно-порошковой смеси в стволе канала распылителя, позволяющую определить значения параметров потока на срезе ствола и дать рекомендации по выбору формы канала ствола распылителя.

- Разработать трехмерную математическую модель движения воздушно-порошковой смеси в пространстве между коронирующим электродом и напыляемой поверхностью, позволяющую рассчитывать компоненты скорости частиц порошка и плотность их доставки на окрашиваемую поверхность.

- Провести измерения скорости потока воздуха в характерных сечениях струи и распределение массы порошка по напыляемой поверхности.

- По результатам теоретических и экспериментальных исследований дать рекомендации по форме канала ствола распылителя и выбору значений параметров режима напыления.

- Использовать результаты исследований при разработке и внедрении оборудования, технологических процессов нанесения полимерных порошковых покрытий в поле коронного разряда, а также в учебном процессе.

Во второй главе диссертации приведены математические модели течения воздушно-порошковой смеси в канале ствола распылителя.

Рассматривается стационарный сжимаемый поток воздушно-порошковой смеси с переменной плотностью воздуха р, и постоянной плотностью порошка рл . Течение смеси считается адиабатическим и температура порошка Т„ - постоянной. Скорости частиц порошка ¥„ и воздуха Ув имеют разные значения, и их отношение \У— У„/ Ув изменяется по длине канала х Объемное содержание порошка а в потоке воздуха определялось как отношение части площади поперечного сечения, занятой порошком, ко всей площади а=/г„//\

Уравнения сохранения массы, импульса и энергии для движения смеси по каналу распылителя записаны в виде

-¡¡-(аУнряР) = 0, (2.1)

[О - a)Ve2paF + aPnV„2F\ = - g F - ТгЯг

dx

Pi

(2.2)

(2.3)

(2.4)

где р - давление воздуха, К - радиус канала, т - напряжение силы трения на стенке, /иС - показатель и постоянная адиабаты.

Уравнение движения частиц порошка записывается окончательно в виде

dV к F и * п псм1 ах

dx

mVn

(2.5)

где ксм - коэффициент, учитывающий степень смешения порошка с воздухом, Fax . аэродинамическая сила, приложенная к частице со стороны окружающего воздуха, т - среднее значение массы частицы.порошка.

Уравнения (2.1) - (2.5) представляют собой замкнутую систему обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, достаточную для определения искомых величин Ve, V^ W, а, р. Однако уравнения являются нелинейными и простого аналитического решения не имеют. Для численного решения эта система приведена к стандартному виду, разрешенному относительно производных искомых функций.

Из уравнения (2.1) получим

da dx

^(^JL V„ I dx F

" dx) '

(2-6)

С помощью уравнений (2.1) - (2.3) получаем выражение для производной от давления:

dx

НО ~a)VeP Х

f 1 da 1 dF^

(l -a)dx F dx

где D =

zzt

]-C(l-a)Z-lVe2pX

dVn 2r 1 /

(2.7)

Из уравнения (2.3) получим выражение для производной от скорости воздуха:

dVe 1 da 1 dp 1 dF

dx " (l - a) dx p dx F dx

(2.8)

Для величин Уп, а граничные условия заданы в сечении х-0 (на срезе эжектирующего сопла), а для р. в сечении х=Ь..

При небольших скоростях истечения воздуха из эжектирующего сопла, а также когда не требуется высокая точность расчета, можно пользоваться допущением ре-сотг. В этом случае уравнения (2.1), (2.2), (2.5) и (2.6) сохраняются, а уравнения (2.7) и (2.8) принимают вид:

Граничные условия остаются теми же.

Системы уравнений (2.5) - (2.8) и (2.5), (2.6), (2.9), (2.10) решались стандартным численным методом Рунге-Кутта. Программа составлена на языке Турбо-Паскаль.

По составленным математическим моделям были рассчитаны зависимости V„ Vn,p, a, Wot х для цилиндрического, конфузорного (-1°), диффу-зорного (+1°), конфузорно-диффузорного и диффузорно-конфузорного каналов ствола распылителя при разных давлениях воздуха на входе.

Предварительные расчеты показали, что сжимаемость воздуха оказывает существенное влияние на объемное содержание а порошка в потоке воздуха. Поэтому основные расчеты выполнялись по модели сжимаемого воздуха.

На рис.1 приведены результаты расчетов объемного содержания порошка а и отношения скоростей порошка и воздуха W.

Рачетами установлена зависимость характеристик смеси от формы канала и параметров потока на входе. Большую скорость частиц порошка Vn обеспечивает конфузорная, конфузорно-диффузорная и цилиндрическая формы каналов. Наибольшие значения объемного наполнения а порошком воздуха и отношения W скоростей характерны для диффузорной, диффузор-но-конфузорной и цилиндрической форм. Статическое давление меняется по каналу слабо.

(2.9)

dx

dp л \ г/ dVe т. dVn - = (1 -a)peVe-±+apnVn —

—+ — . dx F

(2.10)

Рис. 1. Распределение а (а) и IV, (б) по длине х канала, рассчитанные при р„-1.08' К?Па для различных форм канала: 1 - цилиндр, 2- диффузор +1°, 3 - конфузор -Г, 4 - диффузор-конфузор, 5 - конфузор-диффузор.'

В третьей главе диссертации проводится математическое моделирование движения частиц полимерного порошка в поле коронного разряда при нанесении покрытий.

Рассматривается движение частиц порошка между срезом ствола распылителя и окрашиваемой поверхностью. Частицы вылетают из ствола со скоростью Ул, получают заряд <7 в поле коронного разряда у электрода-иглы и далее двигаются под действием силы тяжести п^, электрической силы Ре = дЕ, аэродинамической силы Ра. Движение происходит в прямоугольной системе координат ХХЪ с началом координат О в точке пересечения оси канала распылителя с окрашиваемой поверхностью и осью ОХ. направленной от напыляемой поверхности к распылителю.

Уравнения движения частицы массой т записывается в виде ¿у

т—■^- = mg%\ríв+qEx + Fax , ас

бУт

т—т£соз0+ <?£■,. + Рау , (3.1)

а/ ' '

а1

где . '''г>=с1}/с{[- Ех- ЕУ,Е; - составляющие вектора

напряженности электрического поля Е, д - заряд частицы, в - угол расположения покрываемой поверхности к вертикальной плоскости.

Начальными условиями для интегрирования системы (3.1) являются начальное положение частицы на срезе сопла г и скорость частицы Уп0.

Для решения системы (3.1) необходимо предварительно определить Ех, Еу. Е. , Е^, Ещ., /V .

Напряженность электрического поля Е определяется в результате расчета поля коронного разряда. Система уравнений, описывающих поле коронного разряда, после преобразований сводится к уравнению

(Г <р)2 + gradcp ' %гаЦ V (р) =0, (3.2)

где V- оператор Набла, <р- потенциал электрического поля.

Для решения этого уравнения применен метод Дейча-Попкова. Напряженность в каждой точке поля коронного разряда для электрода-иглы в виде гиперболоида вращения выражается формулой

• р> I г-2 Ъар

е- .; ^ -ы-

ке(,Ь

1-^-1. (3.3)

. з/?2

где а, р, Ь - геометрические параметры поля. Е„,- напряженность электрического поля на окрашиваемой поверхности, у,, - плотность тока, к - подвижность ионов, е„. электрическая постоянная.

Величина £„, определяется из решения трансцендентного уравнения, получаемого интегрированием формулы (3.3) вдоль силовой линии 1 от плоскости до поверхности иглы

«I

^Е<1Ыи , (3.4)

О

здесь и - напряжение на электродах.

Распределение плотности тока рассчитывается по эмпирическим зависимостям.

Проекции вектора Е определяются как

Ех = Е ■ тх , Еу-Е- Ту, * Е:=Е- г., (3.5)

где гх. Ту, г. - проекции единичного вектора г , направленного по градиенту • потенциала поля.

С учетом геометрии поля получаем

л- -а*)

—гр—; 1 = , (з.б)

т = У __УД2 . . ^ ^

г«2

(б2 - а^Ы<р\ " '

(3.8)

Для определения заряда ц частицы используется уравнение, характеризующее изменение д по времени I

7 f

<?„, =4лг„д2£ 1 + -^-L , (3.9)

где а - радиус частицы, е- диэлектрическая проницаемость, е - заряд электрона, п - концентрация ионов.

Аэродинамическая сила, действующая на частицу, направлена противоположно вектору относительной скорости воздуха У=У„- V,.

Принимая струю расширяющейся, для каждого участка струи определены законы распределения скорости воздуха Ув . Вне струи принималось У = 0.

С учетом этого компоненты аэродинамической силы, приложенной к частице, выражаются в виде:

где сшv - коэффициент сопротивления.

Программа расчета, ориентированная на использование персонального компьютера с операционной системой DOS или Windows, состоит из основной части и 7-ми вспомогательных модулей. Модули реализуют программы решения системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутга. сплайн аппроксимации, вычисления определенного интеграла, решения трансцендентного уравнения, построение графиков, определения констант и т.д.

По разработанной математической модели были рассчитаны .следующие зависимости:

а) Е=/(х), q-f(x) для частиц, вылетевших из разных точек сопла;

б) Fav F^ Fa:, Fex, Fiy, Fe:, от расстояния ,v;

в) траектории движения частиц порошка;

r)V„nV„=f(x)-,

д) плотности распределения частиц порошка, доставленных к покрываемой поверхности.

Расчеты проводились для условий: напряжение U=40...60 кВ, / = 150...300 мм, Feo=5...15 м/с, Ут= 2...5 м/с, я=10...200 мкм. '

F« = -1-ла2схРв\Уа - Va\{ynx - Уах) ,

(ЗЛО)

(3.11)

Fa: = --тгсхРв|V„ - УВ\(У,1: - VK),

(3.12)

Как показали результаты расчетов компоненты электрической и аэродинамической сил Fex и Fax на два порядка больше, чем F^., F^., Fe:, Fa..

При прохождении частицы порошка вблизи электрода-иглы составляющая электрической силы Fex имеет примерно десятикратный пик, соответствующий пику напряженности £ электрического поля и заряда q частицы (рис.2, а). Пик силы Fex у иглы разгоняет частицу до скоростей, больших скорости воздуха Fa, > V&x (рис.2, б). На протяжении дальнейшего полета частицы струя воздуха оказывает тормозящее действие.

Поперечные составляющие электрической и аэродинамической сил не оказывают существенного влияния на расширение струи воздушно-порошковой смеси.

К увеличению скорости частиц у покрываемой поверхности приводит увеличение напряжения на электродах, уменьшение расстояния между ними увеличение скорости воздуха на срезе сопла. Большую конечную скоросп имеют более крупные частицы с радиусом 200, 100, 50 мкм.

Поток частиц порошка не занимает весь объем расширяющейся струр воздуха, а сосредотачивается ближе к оси потока.

Распределение плотности долетевших до поверхности частиц имеет хол мообразный характер.

В четвертой главе диссертации приводятся* результаты эксперименталь ных исследований процесса нанесения полимерных порошковых покрытий j поле коронного разряда.

Измерялись давления и скорости воздушной струи на срезе сопла рас пылителя, в пространстве между распылителем и напыляемой деталью и не посредственно на напыляемой пластине. Измерения проводились пневмомет рическим способом с помощью трубки Пито-Прандгля и контрольных шайб Результаты измерений обрабатывались методами математической статистики

Графики распределения давления и скорости воздуха по срезу сопл; имеют два максимума выше и ниже оси ствола. При удалении от среза сопл; профили распределений давлений и скоростей выправляются и приближаются к классическому, так как влияние электрода-иглы на поток уменьшается.

Увеличение давления воздуха на входе в распылитель приводит к про порциональному увеличению скорости потока.

Рабочему диапазону давлений воздуха на входе в распылитель

(0,2...1)*105 Па сооветствуют скорости потока на срезе сопла 8...25 м/с.

Измерения давления на напыляемой пластине показали, что в центр пластины оно составляет порядка 35-50 Па при нулевых значениях на края? Это говорит о том, что поток воздуха создает давление на пластину только области действия струи. Далее поток поворачивается вдоль пластины.

Сравнение экспериментальных и расчетных результатов проводилось п среднерасходной скорости воздуха на выходе из ствола распылителя. Расхс

ф10п,Кл; Е-10"5, В/м Н; Рв-10', н

тах(Е) = 2559,10 Кл

X, м

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 а

40 V.,, М/С

о

ф-о О-

-е—в—©—

[]□□□□—в—в—в

-40 -

-80 -

-в- V.,

\л/

X, м

1 1 I 1 г53^^^ 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 б

Рис. 2. Зависимости ч, Е, Р„, Р.=1Г(х) - (а); V,,, V,, \У=*(х) - (б): и=50 кВ, /=200 мм, а=10^ м, У„=5 м/с, У„=3 м/с, г=0,4 мм.

ждение результатов составило в пределах восьми процентов, что говорит о работоспособности математической модели.

Распределение массовой плотности напыленного на стеклянную пластину порошка определялось по уменьшению проходящего светового потока. Предварительно снималась тарировочная зависимость освещенности датчика люксметра от массы порошка, нанесенного на стеклянную пластину размерами 40 х 40 мм.

Далее порошок напылялся на опытную стеклянную пластину размерами 160 х 200 мм, разделенную на квадраты 40 х 40 мм. По освещенности датчика люксметра проходящим через пластину со слоем порошка светом по тариро-вочной зависимости определялась масса напыленного в каждом квадрате порошка. По результатам измерений строилась зависимость распределения массы напыленного порошка по квадратам пластины.

Распределение массы порошка по напыляемой поверхности имеет холмообразный характер. Максимальная масса порошка осаждается вблизи оси распылителя. Далее от оси масса порошка плавно убывает. В нижней части пластины значения массы несколько выше, чем в верхней. Это можно объяснить влиянием силы тяжести на частицы.

Из сравнения расчетных и экспериментальных результатов следует, что наблюдается лишь их качественное совпадение. На практике порошок осаждается на значительно большей площади, чем сечение струи. Математическое описание процесса осаждения порошка кроме модели доставки частиц должно включать модели сопутствующих процессов.

Для изучения процесса осаждения порошка было проведено фотографирование потока воздушно-порошковой смеси при взаимодействии его с окрашиваемой поверхностью.

Анализ фотоснимков показал, что при взаимодействии потока с поверхностью над ней образуется вихревое облако частиц порошка. Мелкие и средние частицы, не обладающие достаточной инерционностью, смываются потоком воздуха вдоль поверхности. Осаждение частиц происходит и из потока воздуха, протекающего вдоль напыляемой поверхности.

Моделирование процесса взаимодействия частиц порошка с напыляемой поверхностью является сложной задачей. В первом приближении можно предложить статистический подход к расчету распределения частиц по поверхности.

В пятой главе приводятся результаты практического применения исследуемого процесса. Усовершенствован пистолет-рапылитель модели "Старт-50". разработаны и внедрены на ряде фирм РТ и РФ технологические процессы окрашивания нескольких десятков деталей.

В КГТУ им.А.Н.Туполева создан экспериментальный участок, оснащенный необходимым оборудованием, где проводится предварительная отработка внедряемых технологических процессов окрашивания.

Применение исследованного процесса окрашивания позволило снизить трудоемкость операции, расход порошка, повысить качество покрытий, улучшить условия труда.

ВЫВОДЫ

1.Разработана одномерная математическая модель течения воздушно-порошковой смеси в канале ствола распылителя, учитывающая сжимаемость и двухфазность рабочей среды и позволяющая рассчитать раздельно скорости воздуха и частиц порошка. По результатам расчетов даны рекомендации по параметрам режима течения и форме канала ствола распылителя.

2. Предложена трехмерная математическая модель движения частиц порошка и воздуха в поле коронного разряда при нанесении полимерных покрытий. Модель позволяет рассчитывать в любой точке межэлектродного пространства напряженность поля коронного разряда, электрический заряд частиц, компоненты электрической и аэродинамической сил, скорости частиц и воздуха, траектории движения частиц и распределение частиц порошка, доставленных струей воздуха к покрываемой поверхности.

Определены зависимости перечисленных величин от параметров процесса.

3. Расчеты по математическим моделям позволили определить условия максимального наполнения струи воздуха порошком и достижения наибольшей скорости частиц порошка. Установлен эффект резкого ускорения частиц полимерного порошка вблизи коронирующего электрода-иглы из-за пика электрической силы и заряда частицы.

4. Проведенные экспериментальные исследования показали удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных результатов. Однако по распределению доставленных к поверхности частиц математическая модель обеспечивает только качественную сходимость результатов по сравнению с экспериментом. Определена необходимость дополнительного учета при расчетах процессов растекания воздушно-порошковой смеси и осаждения из нее порошка. Намечены пути составления модели движения и осаждения частиц порошка вдоль окрашиваемой поверхности.

Результаты исследований использованы при разработке оборудования, технологических процессов и их внедрении на ряде фирм РТ и РФ, а также в учебном процессе КГТУ им.А.Н.Туполева.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Белавина Р.В. Малогабаритное оборудование для нанесения полимерных порошковых* покрытий. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии 94". Курск, 1994 г. С. 17.

2. Белавина P.B:, Острова С.О., Закиев A.A., Ключарев Ю.Е., Каримов А.Х. Полимерные порошковые покрытия в машиностроении. Тезисы до кладов Всероссийской научно-технической конференции "Технологически« проблемы производства J1A и двигателей". Казань, 1994 г. С. 39.

3. Белавина Р.В., Каримов А.Х. Оборудование для нанесения полимер ных порошковых покрытий. Тезисы докладов городской научно-техническо! конференции 'Электрофизические и электрохимические методы обработка материалов". Казань. 1994 г. С. 28.

4. Белавина Р.В. Технология и оборудование для нанесения полимерны; порошковых покрытий. Сборник тезисов докладов Всероссийской молодеж ной научной конференции "XXI Гагаринские чтения". Москва, 1995 г. С. 15.

5. Белавина Р.В., Гилерсон A.A., Каримов А.Х. Математическое моде лирование потока воздушно-порошковой смеси при нанесении полимерны, покрытий. Тезисы докладов международной научно-технической конферен ции. "Модель-проект-95". Казань, 1995 г. С.4.

6. Белавина Р.В. Полимерные порошковые покрытия как средство пс вышения качества деталей механических систем. Тезисы докладов Всероссий ской конференции "Надежность механических систем". Самара, 1995 г. С. 21.

7. Белавина Р.В., Каримов А.Х. Исследование технологии нанесения пс лимерных покрытий из порошковых материалов. Тезисы докладов междуна родного научно-технического семинара "Новые технологии-96". Казань, 1996 г. С. 179. '

8. Белавина Р.В., Каримов А.Х. Технологический процесс нанесения пс лимерных порошковых покрытий. Тезисы докладов 2-ой республиканской нг учно-технической конференции молодых ученых и специалистов. Казань 1996 г. С. 109.

9. Белавина Р.В., Каримов А.Х. Прогрессивная технология нанесен« полимерных покрытий. Тезисы докладов международной научно-техническо конференции "Молодая наука - новому тысячелетию". Н.Челны, 1996 г. С. 109.

10. Белавина Р.В., Каримов А.Х., Филатов Е.И. Математическое мод лирование течения воздушно-порошковой смеси в канате распылителя дг нанесения полимерных покрытий в электростатическом поле. Вестник КГТ им.А.Н.Туполева, 1997 г. №4. С. 74-82.

11. Белавина Р.В., Острова С.О., Каримов А.Х. Исследование, разрабо ка и внедрение процесса и оборудования нанесения полимерных порошковь покрытий в электростатическом поле. Тезисы докладов Всероссийской нау но-технической конференции "Современная электротехнология в машин* строении". Тула, 1997 г. С. 256.

12. Белавина Р.В., Филатов Е.И., Каримов А.Х. Математическое мод лирование движения частиц порошка в электрическом поле коронного разр да при нанесении полимерных покрытий. Препринт 98П10, Казан, гос. ун им.А.Н.Туполева. Казань, 1998 г. 20 с.

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.ТУПОЛЕВА

БЕЛАВИНА РАДМИЛА ВЛАДИМИРОВНА

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУШНО-ПОРОШКОВОЙ СМЕСИ В ПОЛЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА ПРИ НАНЕСЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ ПОКРЫТИЙ РАСПЫЛИТЕЛЯМИ С ВНЕШНЕЙ ЗАРЯДКОЙ

Специальность 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д.т.н., профессор А.Х.Каримов

Казань 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................ 4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ И ПАТЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ПРОЦЕССУ НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ...............................

1.1. Общая характеристика процесса и решаемые пробемы. . . 5

1.2. Обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований........................... 7

1.3. Технологический процесс нанесения порошковых полимерных покрытий, оборудование, применение.........

1.3.1. Технологический процесс нанесения порошковых покрытий в электростатическом поле коронного разряда ..........................................................22

1.3.2. Полимерные порошковые краски. .......................26

1.3.3. Конструкции распылителей................................27

1.4. Цель и задачи работы..............................................31

Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ВОЗДУШНО-ПОРОШКОВОЙ СМЕСИ В КАНАЛЕ РАСПЫЛИТЕЛЯ..........

2.1. Предположения и допущения................... 33

2.2. Основные уравнения общей модели течения сжимаемой воздушно-порошковой смеси в канале ствола распылителя. . . 36

2.3. Преобразования к стандартному виду............. 40

2.4. Математическая модель с постояной плотностью воздуха. . 42

2.5. Программа расчета на ЭВМ................... 43

2.6. Результаты расчетов и их обсуждение..............

2.6.1. Изменение параметров смеси по длине канала..... 44

2.6.2. Изменение параметров смеси в зависимости от входного давления....................... 50

Выводы по главе......................... 54

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ ПОЛИМЕРНОГО ПОРОШКА В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА ПРИ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ. . . .

3.1 .Постановка задачи......................... 55

3.2. Расчет поля коронного разряда..................

3.2.1. Основные допущения....................58

3.2.2. Геометрия поля....................... 58

3.2.3. Общие уравнения...................... 60

3.2.4. Расчет поля коронного разряда методом Дейча-Попкова...............................60

3.2.5. Алгоритм расчета напряженности поля коронного разряда..............................62

3.2.6. Расчет компонент вектора напряженности поля корон ного разряда........................ 63

3.2.7. Расчет заряда частицы................... 64

3.3. Расчет аэродинамических сил...................66

3.4. Описание программы и порядок расчета.............70

3.5. Результаты расчета и их анализ..................71

Выводы................................89

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ В ПОЛЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА.............

4.1. Исследование параметров воздушной струи на выходе распылителя................................ 91

4.1.1. Методика проведения исследований и применяемое оборудование...........................91

4.1.2. Обработка результатов экспериментов и оценка погрешностей измерений.................. 95

4.1.3. Результаты измерения параметров воздушной среды и

их анализ........................... 98

4.1.4. Сравнение экспериментальных и расчетных результатов.............................. 104

4.2. Измерение поверхностной плотности напыленного порошка..................................108

4.2.1. Методика измерения и применяемое оборудование. . . 108

4.2.2. Результаты измерения поверхностной плотности напыленного порошка, их анализ, сравнение с расчетом. . . 113

Глава 5. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕСОВ НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ В ПОЛЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА...............................118

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................126

ЛИТЕРАТУРА.................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Блок-схемы программ расчетов............141

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Сертификат соответствия...............143

ВВЕДЕНИЕ

В различных областях промышленности широкое применение получили полимерные порошковые покрытия. Они обладают антикоррозионными, электроизоляционными и декоративными свойствами, являются химически и термически стойкими. Одним из эффективных методов нанесения полимерных порошковых покрытий является окрашивание в электрическом поле коронного разряда. Применение этой технологии нанесения покрытий по сравнению с другими способами обеспечения аналогичных свойств позволяет экономить материальные и энергетические ресурсы, а так же повышает экологичность процесса.

Однако имеется еще ряд нерешенных проблем, затрудняющих внедрение процесса нанесения покрытий в электрическом поле. Одной из таких актуальных проблем является разработка методики определения параметров режима процесса нанесения покрытий. Для этого необходимо составление математических моделей процесса, позволяющих определять необходимые параметры процесса и оборудования.

В работе проводится математическое моделирование процесса нанесения полимерных порошковых покрытий в электрическом поле коронного разряда распылителями с внешней зарядкой частиц порошка. Разработаны математические модели течения воздушно-порошковой смеси в канале ствола распылителя, в пространстве между коронирующим электродом и окрашиваемой поверхностью. Рассмотрены вопросы осаждения порошка на покрываемой поверхности. Проведены экспериментальные исследования процесса.

Результаты исследований использованы при разработке распылителей и технологических процессов нанесения полимерных порошковых покрытий. Технологические процессы и оборудование внедрены на ряде предприятий Республики Татарстан и Российской Федерации.

Работа выполнялась на кафедре прикладной физики и химии Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ И ПАТЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ПРОЦЕССУ НАНЕСЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ПОРОШКОВЫХ

ПОКРЫТИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ КОРОННОГО РАЗРЯДА.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1Л. Общая характеристика процесса и решаемые проблемы

Полимерные порошковые покрытия наносятся различными способами. Наиболее эффективными из них являются способы нанесения порошков в электрическом поле.

Существует несколько способов нанесения полимерных порошков в электрическом поле [7,60]:

- нанесение порошков в ионизированном кипящем слое;

- электрофоретическое нанесение порошков;

- электростатическое распыление порошков.

Все указанные способы получения покрытий используют электрические силы для нанесения порошковых материалов на изделия и обусловлены электризацией частиц [28,49,42,43,113,117]. При внесении частицы полимера в электрическое поле силы поля непосредственно воздействуют на нее и направленно перемещают [20,36,44].

Из перечисленных способов наибольшее применение получило нанесение полимерных порошковых материалов в электрическом поле коронного разряда [45,58,66,67,68,90,116,119,120,121,122]. В этом случае напыление производится

с помощью специальных распылительных устройств, которые могут быть переносными ручными, стационарными, автоматизированными [2,3,4,81,87].

Принципы процесса нанесения порошковых покрытий в электростатическом поле с помощью распылителей можно пояснить по схеме на рис. 1.1.

2

Рис. 1.1. Схема установки для нанесения ШИ1 в поле коронного разряда.

1. Деталь. 5. Распылитель.

2. Камера напыления. 6. Воронка.

3. Компрессор. 7. Коронирующий электрод.

4. Манометр.

Напыляемая деталь 1 помещается в камеру 2 и заземляется. От компрессора 3 подается сжатый воздух под давлением (0,5ч-10)4О3 Па, контролируемый манометром 4. В распылитель 5 из воронки 6 за счет создаваемого разряжения подается порошок. Электрод 7 подключается к отрицательному полюсу источника высокого напряжения и=30-=-100 кВ. Для наиболее эффективной зарядки частиц электрод выполняется в виде иглы. В этом случае на кончике иглы возникает коронный разряд [29,30,31,32]. Он представляет собой форму электрического разряда, характерную для резко неоднородных полей. При этом ионизационные процессы происходят в узкой области вблизи электрода-иглы с малым

радиусом закругления [29,30,31,32]. В этой области и осуществляется зарядка частиц порошка. Облако заряженных частиц движется к заземленному изделию. При равномерном перемещении распылителя частицы ровными слоями покрывают детали любой конфигурации. Далее деталь в течении 15-20 минут выдерживается в печи при температуре 180-200°С [48,50]. При этом покрытие поли-меризуется и приобретает требуемые эксплуатационные и декоративные качества.

Для успешного внедрения процесса и совершенствования его технологических показателей решаются следующие проблемы:

1. Составляются математические модели движения воздушно-порошковой смеси в канале распылителя и в межэлектродном промежутке, позволяющие рассчитывать параметры процесса.

2. Разрабатываются и совершенствуются конструкции распылителей и вспомогательного оборудования.

3. Совершенствуются технологические процессы нанесения порошковых покрытий.

Большой вклад в решение указанных проблем внесли отечественные и зарубежные ученые и инженеры Верещагин И.П., Котлярский Л.Б., Васильев В.Е., Панин М.М., Панюшкин В.В., Догадин С.Г., Яковлев А.Д., Мазис1а Б., Nonogakl и др.

1.2. Обзор результатов теоретических и экспериментальных

исследований

Разработке математических моделей процесса нанесения полимерных порошковых покрытий в электрическом поле коронного разряда, экспериментальным исследованиям процесса посвящены работы ряда отечественных и зарубежных ученых и инженеров.

В работе [26] рассматривается роль потока сжатого воздуха в процессе осаждения полимерного порошкового материала на изделие.

Рассчитываются аэродинамическая и электрическая Рэ силы, действующие на частицы порошка в межэлектродном промежутке.

Расчеты проводились при напряжении Ц=5Ю4 В, скорости потока сжатого воздуха ¥1=2 м/с, размере частиц с!=30 мкм, межэлектродном расстоянии Н=250 мм.

В результате расчетов получены: Ра=14 10"9Н, Рэ=14 Ю"10Н.

Сделан вывод, что аэродинамическая сила является определяющей в перенесении частиц к изделию.

По формуле Стокса оценивается минимальный (критический) диаметр частиц, которые могут соприкоснуться с поверхностью.

В результате получается, что вероятность уноса потоком воздуха частиц диаметром менее 10 мкм велика.

Далее проводился эксперимент, результаты которого подтверждают сделанные предположения.

Сделан вывод о том, что влияние скорости потока сжатого воздуха при нанесении порошка пневмо-электрическим распылителем проявляется в уносе за пределы окрашиваемой поверхности мелкой фракции заряженных частиц.

В статье [24] с помощью расчетных и экспериментальных методов выбирается интервал размеров частиц, оптимальный для закрепления порошка на изделии.

Рассматриваются силы, действующие на частицу в момент их контакта с изделием:

- сила зеркального отражения

1

Г

^ =

3.0. . ,7 '

4ле0а

где д - заряд частицы; с1 - диаметр частицы; £0 - электрическая постоянная;

- сила прижатия к подложке частицы с зарядом с[ внешними электрическими полем Рп

Рп=Еср-Я>

где Еср - средняя напряженность электрического поля коронного разряда по межэлектродному промежутку:

- сила межмолекулярного сцепления с подложкой Рм;

- сила воздействия отраженного (обтекающего изделие) воздушного потока

Рот

•п _ от о

"от 2 '

где с - коэффициент аэродинамического сопротивления; р - плотность воздуха; Ж - скорость воздушного потока, обтекающего изделие; £ - площадь сечения частицы;

- сила тяжести Рт

где а - радиус частицы,у - плотность материала частицы.

Из анализа результатов делаются следующие выводы:

- размер частиц значительно влияет на значение сил;

- силой тяжести можно пренебречь для частиц диаметром менее 20 мкм;

- наиболее чувствительны к отраженному воздушному потоку мелкие частицы диаметром до 10 мкм;

-частицы диаметром более 200 мкм за счет заряда невозможно прочно удержать на вертикальной стенке.

Проводился эксперимент по изучению закрепления частиц на изделии.

Из результатов эксперимента делались выводы об условиях закрепления на изделии частиц с различным диаметром. Описывается влияние обратной короны на слой порошка из мелких и крупных частиц.

По результатам расчетов и экспериментов даются следующие рекомендации:

- получение покрытий хорошего качества и исключение влияния на его толщину обратной короны достигается при соблюдении следующих соотношений между размерами частиц и толщиной оплавленного покрытия:

Диаметр частиц, Толщина покрытия,

мкм мкм

10 - 50 50 - 70

50 - 100 70 - 150

100- 150 >150

- размеры частиц порошка, осаждаемых пневмоэлектростатическим методом должны быть в пределах 10-150 мкм.

В работе [27] рассматривается влияние полидисперсности краски на равномерность покрытия.

При нанесении частицы перемещаются по межэлектродному промежутку со скоростью Vi за счет динамического напора сжатого воздуха и сил электрического поля

у. = V +V

У J У в 1 У з ,

где VB, V3 - скорости, сообщаемые частице давлением сжатого воздуха и электрическим полем, м/с.

Условия долета частиц до изделия:

V > 1

/V,-1'

где У2=Уё+У0Тс - скорость частиц под действием силы тяжести и отсоса потока в рекуператор.

Из качественной оценки делается вывод, что мелкие частицы до 30 мкм могут не долетать до изделия.

Качественная оценка вероятности закрепления частицы на детали делается по соотношению

-2-> 1

м отр £

где - сила взаимодействия между зарядом частицы и ее зеркальным отображением на детали; Ротр - сила действия потока воздуха, отражающегося от поверхности, - масса частицы.

Из анализа результатов сделаны следующие выводы:

- улучшить условия закрепления частиц на поверхности можно за счет увеличения напряженности поля и снижения скорости отражающегося потока;

- лучше закрепляются частицы попадающие в центр и в верхнюю часть отпечатка;

- более чувствительны к отраженному потоку мелкие частицы, чем крупнее частица, тем больше вероятность ее выпдадения в осадок.

В экспериментальной части работы проводили окраску плоских изделий при разных режимах и разными материалами.

Обоснованы условия получения равномерных пленок на плоских изделиях: создание равномерной по сечению факела скорости воздуха и равномерного электрического поля у поверхности окрашиваемого изделия. Показано, что полидисперсность оказывает влияние на коэффициент осаждения, показано влияние отраженного потока воздуха на равномерность покрытия.

В статье [36] выполнено исследование процесса электростатического нанесения покрытий на движущиеся изделия из диэлектрика, приведен анализ линейной и нелинейной регрессионной моделей процесса.

Входными параметрами являлись: поверхностная плотность слоя порошка, определяющая толщину получаемой после оплавления пленки, и коэффициент осаждения, характеризующий эффективность процесса нанесения.

Выходными параметрами были: зарядное напряжение, продолжительность напыления, расход порошка. В качестве формализованной математической модели было взято регрессионное уравнение вида

3 3 3

= ь0 + +'

1 = 1 ¡ = П=1

где Гг - выходной параметр, х,,ху - технологические факторы; Ьь Ь1} - коэффициенты регрессионного уравнения.

Экспериментальные данные обрабатывались на ЭВМ. В результате были получены уравнения регрессии. Анализ каждого технологического фактора на выходные параметры с использованием нелинейной модели затруднен из-за наличия смешанных и квадратичных членов.

Поэтому была построена линейная модель вида:

¥]=^Ьихи+Ьо .

1=1

В результате были получены уравнения регрессии. Влияние каждого фактора определялось по формуле

где ЛУу - изменение у-ого выходного параметра при максимальном изменении /-ого фактора; Лх1 = х1 — х12; х^ х^ - максимальное и минимальное зна-

чение /-ого фактора; Д, - коэффициенты уравнения при /-том факторе у-ого выходного параметра.

В работе [76] рассматривается роль основных действующих сил на траекторию отдельных частиц при их групповой транспортировке.

Значения сил оценивается по критерию Стокса

_ дт с!Е * 36ж2 /г2а2 йу

Расчеты проводились при следующих значениях: а=210~5 м; д^510'1:> Кл; /и=1,72■ 105 кг/(м-с); 11=3'104 В; 1=151(Г2 м; р=1,Г103 кг/м3.

Роль электростатического отталкивания косвенно оценивается по величине

е = Сд2Кспр

^ 18лг£0//аУ0'

где С - поправочный коэффициент Кенингема (=1); Яс - радиус коллектора, 5103 л/; пр - концентрация частиц в факеле, 5108 1/м3\ У0 - средняя скорость в межэлектродном промежутке 1 м/с.

Влияние сил электростатического отталкивания признается несущественным по сравнению с аэродинамическими силами.

Оценка сил Кулоновского происхождения проводилась по критерию:

р =

6л:У0аЯс'

где V- потенциал поля, в котором перемещается частица.

Расчеты показывают, что силы Кулоновского отталкивания оказывают существенное влияние.

Время, необходимое для того, чтобы частица отреагировала на возмущающую кулоновскую силу, рассчитывается по формуле

гр __£о

6тг/1апрд2

Из этой формулы следует, что отклонение частицы от траектории тем больше, чем больше Т и а, что должно привес�