大气常压等离子体弧清洗理论与关键技术研究

论文摘要

作为现代工业生产中的重要环节,清洗技术在各种金属制品表面处理过程中,扮演着极为重要的角色。清洗技术的选择和清洗工艺质量的好坏不仅涉及能源节约、技术安全、环境保护等重大问题,还直接影响到产品的性能和质量。与传统清洗技术和其它非直接接触干法清洗工艺相比,大气常压等离子体弧清洗作为一种新兴清洗技术,在满足金属零件清洗的需要,代表清洗技术高效、无污染、低能耗等发展趋势的同时,又具有自身的特点和优势,越来越受到国内外学者的高度重视。虽然目前已经就等离子体产生方式、气体种类的选择、清洗质量的评价等方面取得了一定成果,然而,由于大气常压等离子体弧清洗是一个多理论、多学科的交叉领域,涉及到复杂的热物理、化学反应作用过程,因而迫切需要对其清洗机理等关键问题进行深入研究。本文针对基体表面污染物种类以及分布方式的不同,分别对斑状颗粒污染物和层状致密污染物清洗时的能量耦合机制进行了研究。在分析颗粒污染物的粘结力、致密污染物的层裂应变基础上,利用传热学理论和有限元法分别建立了大气常压等离子体弧与上述待清洗工件间的三维热力耦合模型,并对界面清洗力和清洗应变等能量耦合作用进行了有限元分析,进而揭示了弧功率、扫描速度、基体厚度、污染物厚度等工艺参量对界面温度、界面清洗力、清洗应变的影响规律,从而为大气常压等离子体弧清洗过程中实验参量的合理选择提供了依据。利用导热微分方程和阿伦尼乌斯定律,针对厚度方向清洗界面移动、计算区域变化、边界条件非线性的难题,本文建立了大气常压等离子体弧清洗反应动力学模型并确定了频率因子、活化能等反应动力学参数,从而揭示了清洗百分比随清洗时间、金属零件表面氛围温度的变化规律,并进行了表面水滴接触角测量、X射线光电子能谱分析等相关实验验证。结果表明,工件表面污染物的清洗百分比随大气常压等离子体弧清洗时间的增大而增大,直至该污染物被彻底清除;此外,清洗对象等离子体弧热流作用侧的表面氛围温度对清洗百分比有着重要影响,清洗百分比随氛围温度的增加而增加。本文针对大气常压等离子体弧的能量分布显著影响清洗质量的特点,以及直接测量难以获得电流密度分布、温度分布等弧特性的问题,在建立流体动力学方程、MaXwell方程的基础上,通过有限元分析的顺序耦合法、物理环境法,研究了等离子体弧特性分布情况并分析了弧电流、气体流量、喷嘴悬距等工艺参量对等离子体弧特性的影响规律。通过建立基于CCD图像采集和等离子体弧光谱诊断技术的实验验证系统,对相同工艺参量作用下的数值仿真结果和光谱诊断结果进行了比较,其结果较好地验证了该方法的有效性。针对气体放电的雪崩效应、自磁压缩导致的等离子体弧能量集中在较小区域内以及热流密度分布存在较大梯度变化的问题,本文在构建基于外加横向交变磁约束的大气常压等离子体弧清洗能量控制装置基础上,相继建立了等离子体弧摆动幅度模型和热流密度分布数学模型;分析了励磁强度、工作电流、气体流量、喷嘴悬距、励磁波形等工艺参量对横向交变磁场作用下的等离子体弧摆动幅度和热流密度分布的影响规律,并进行了相应清洗实验验证。结果表明,横向交变磁场能有效控制等离子体弧的形态和热流密度分布,从而在保证清洗质量的同时,显著提高清洗效率。此外,弧电流和气流量越大,摆动幅度越小、内部梯度和中心处的热流密度越大;增大喷嘴悬距,则摆动幅度增大、而中心处的热流密度和内部热流梯度减小。本文针对大气常压等离子体弧清洗过程中工艺参数众多,不同工艺参数对清洗质量的影响程度不同以及有些参数之间存在交互性、相关性的问题,在大量清洗实验的基础上,借助主成分分析法和最小二乘支持向量机技术,建立了以表面水滴接触角为评价指标的清洗质量预测模型。在此基础上,利用人工鱼群算法对给定范围下的工艺参数组合进行了优化选择,并与正交试验极差分析法获得的较优参数组合进行了比较。结果表明,基于PCA-SVM的清洗质量预测模型的最大相对误差和MAPE误差分别为3.05%和2.605%;将优选后的工艺参数组合进行大气常压等离子体弧清洗实验,则能够明显降低水滴接触角值,即提高清洗质量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 传统清洗技术
• 1.1.2 新型清洗技术
• 1.1.3 等离子体清洗技术
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 表面清洗技术的发展概况
• 1.2.2 等离子体清洗技术的研究现状
• 1.3 研究意义
• 1.4 目前存在的主要问题
• 1.5 研究思路和主要内容
• 2 大气常压等离子体弧清洗的能量耦合机制研究
• 2.1 引言
• 2.2 清洗斑状颗粒污染物的能量耦合作用
• 2.2.1 粘附力计算
• 2.2.2 界面清洗力和界面温度的计算
• 2.2.3 工艺参数对界面清洗力和界面温度的影响
• 2.2.4 实验验证和分析
• 2.3 清洗层状致密污染物的能量耦合作用
• 2.3.1 层裂应变的计算
• 2.3.2 清洗应变和表面温度的计算
• 2.3.3 工艺参数对清洗应变和表面温度的影响
• 2.3.4 实验验证和分析
• 2.4 本章小结
• 3 大气常压等离子体弧清洗的反应动力学研究
• 3.1 引言
• 3.2 等离子体弧的活化作用和能量传递
• 3.2.1 等离子体弧的活化作用
• 3.2.2 等离子体弧的能量传递
• 3.2.3 阿伦尼乌斯定理
• 3.3 反应动力学模型的建立
• 3.3.1 移动热源的处理
• 3.3.2 清洗界面的运动控制方程
• 3.3.3 反应动力学方程
• 3.3.4 反应动力学参数
• 3.4 实例分析和实验验证
• 3.4.1 实例分析
• 3.4.2 实验验证
• 3.5 本章小结
• 4 大气常压等离子体弧清洗的弧特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 大气常压等离子体弧的控制方程
• 4.2.1 基本假设
• 4.2.2 流体动力学方程
• 4.2.3 麦克斯维（Maxwell）方程
• 4.3 大气常压等离子体弧的仿真分析
• 4.3.1 几何模型
• 4.3.2 气体属性
• 4.3.3 网格划分
• 4.3.4 边界条件
• 4.3.5 求解设定
• 4.4 大气常压等离子体弧特性参数分布
• 4.4.1 电流密度与电磁力分布
• 4.4.2 速度分布与温度分布
• 4.5 工艺参数对等离子体弧特性的影响
• 4.5.1 工作电流对弧特性的影响
• 4.5.2 气体流量对弧特性的影响
• 4.5.3 喷嘴悬距对弧特性的影响
• 4.6 实验验证
• 4.6.1 验证方法和实验设备
• 4.6.2 图像处理
• 4.6.3 结果分析
• 4.7 本章小节
• 5 大气常压等离子体弧清洗的能量控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 能量控制方法和原理
• 5.2.1 控制方法
• 5.2.2 基本原理
• 5.3 摆动幅度模型
• 5.4 热流密度分布模型
• 5.4.1 正弦励磁作用下的热流密度分布模型
• 5.4.2 三角励磁作用下的热流密度分布模型
• 5.5 工艺参量对摆动幅度的影响
• 5.5.1 气体流量对摆动幅度的影响
• 5.5.2 工作电流对摆动幅度的影响
• 5.5.3 喷嘴悬距对摆动幅度的影响
• 5.6 工艺参量对热流密度分布的影响
• 5.6.1 气体流量对热流密度的影响
• 5.6.2 工作电流对热流密度的影响
• 5.6.3 喷嘴悬距对热流密度的影响
• 5.6.4 励磁强度对热流密度的影响
• 5.6.5 励磁波形对热流密度的影响
• 5.7 实验验证和分析
• 5.7.1 摆动幅度的验证分析
• 5.7.2 热流密度的验证分析
• 5.8 本章小节
• 6 大气常压等离子体弧清洗质量的预测和工艺参数优化
• 6.1 引言
• 6.2 主成分分析和支持向量机
• 6.2.1 主成分分析
• 6.2.2 支持向量机
• 6.3 大气常压等离子体弧清洗质量的预测建模和分析
• 6.3.1 实验样本的设计
• 6.3.2 预测模型的实施方案
• 6.3.3 预测模型的工作流程
• 6.3.4 清洗质量的预测分析
• 6.4 大气常压等离子体弧清洗的工艺参数优化
• 6.4.1 工艺参数的优化方法
• 6.4.2 工艺参数的优化过程
• 6.4.3 工艺参数的优化结果
• 6.5 本章小结
• 结论和展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介