液膜厚度的影响因素与MATLAB仿真

杨晨霞，王战中，张保真

(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043)

随着科学技术的进步和汽车喷涂业的发展，汽车整体喷涂质量得到迅速发展和提升，喷涂工艺日趋完善。现代化工业生产中，汽车喷涂是一种典型的工业喷涂，已经成为当今适应性最强、用途最广的表面处理技术[1-2]。高速旋杯式静电喷涂工艺由于其自身的优势，被广泛应用于汽车喷涂领域[3]。旋杯内液膜厚度对喷涂技术的发展起着重要的作用。为了有效地提升涂料的雾化效果，保证旋杯内液膜处于理想厚度，对各影响因素与旋杯内液膜厚度的关系进行仿真，并对仿真结果进行分析得到各影响因素的最佳取值范围，在实际喷涂过程中尽量控制各影响因素处于合理的取值范围，从而为选择各项参数值提供理论依据和参数取值指导。

1 影响雾化效果的变量研究历程

天津大学的丁宁对液体射流破碎机理进行了研究[4]。广东工业大学的彭成新在其硕士学位论文中提出静电喷涂过程中输入多变量(如喷涂电压、旋杯转速、喷涂间距等)，且各变量均为非线性变量，则变量间的耦合关系极其复杂。按照遗传算法进行优化后的神经网络系统，在多次调节输入变量，可得到较理想的组合变量，获得较高的喷涂效果[5]。只有充分考虑雾滴空间分布的诸多因素(如：旋转限幅空气、喷涂量、静电高压、旋杯转速等)，才能使喷涂效果更趋近现实状态[6-7]。

2 影响旋杯液膜厚度的影响因素

2.1 旋杯内液膜厚度的理论研究

旋杯内液膜厚度的一般表达式为[8]：

(1)

式中，μ为涂料黏度，kg/(m·s)；Q为喷涂过程中的流量，mL/min；ρ为涂料密度，kg/m3；d为旋杯直径，mm；n为旋杯转速，r/min；θ为旋杯锥角，(°)。

由公式(1)可知，旋杯内液膜厚度与旋杯转速、喷涂流量、旋杯直径、旋杯锥角、涂料密度和涂料黏度因素有关。利用MATLAB软件对以上各因素与液膜厚度之间的关系进行分析。

旋杯内液膜的厚度影响着涂料的雾化情况，间接影响静电涂装效果。实验表明，当旋杯内液膜的厚度在25～30 μm范围时，静电涂装效果最佳。

2.2 旋杯内液膜厚度的实验研究

由于旋杯转速是影响液膜厚度的最主要因素，因此以旋杯转速为自变量，研究旋杯转速对液膜厚度的影响关系。基本参数设置如下：流量为100 mL/min，旋杯直径为55 mm，旋杯锥角为20°，涂料密度为1 200 kg/m3，涂料黏度为0.005 kg/(m·s)。

图1为旋杯转速对液膜厚度的影响关系图。由图1可知，在其他参数保持不变的情况下，旋杯转速与液膜厚度成反比关系。旋杯转速越高，液膜厚度越小。由图像斜率可知，随着旋杯转速的增大，旋杯转速对液膜厚度的影响越小。旋杯转速小于30 000 r/min时，液膜厚度受旋杯转速的影响更大。为了保证涂装效果和旋杯的使用寿命，保持液膜厚度在25～30 μm范围附近，应控制旋杯转速为30 000～45 000 r/min。旋杯转速过低，涂料雾化效果较差；若旋杯长期处于高速运转，将加剧轴承磨损。

图2为流量对液膜厚度的影响关系图。由图2可知，在其他参数保持不变的情况下，流量与液膜厚度成正比关系。流量越大，液膜厚度越大。由图像斜率可知，随着流量的增大，流量对液膜厚度的影响越小。流量小于50 mL/min时，液膜厚度受流量的影响更大。对比三条曲线可知，当流量一定时，旋杯转速越高，液膜厚度越小。为了保证涂装效果，保持液膜厚度在25～30 μm范围附近，应控制流量为50～200 mL/min。

图3为旋杯直径对液膜厚度的影响关系图。由图3可知，在其他参数保持不变的情况下，旋杯直径与液膜厚度成反比关系。旋杯直径越大，液膜厚度越小。由图像斜率可知，随着旋杯直径的增大，旋杯直径对液膜厚度的影响越小。旋杯直径小于40 mm时，液膜厚度受旋杯直径的影响更大。对比三条曲线可知，当旋杯直径一定时，旋杯转速越高，液膜厚度越小。为了保证涂装效果，保持液膜厚度在25～30 μm范围附近，应控制旋杯直径为40～80 mm。

图4为旋杯锥角对液膜厚度的影响关系图。由图4可知，在其他参数保持不变的情况下，旋杯锥角与液膜厚度成反比关系。旋杯锥角越大，液膜厚度越小。由图像斜率可知，随着旋杯锥角的增大，旋杯锥角对液膜厚度的影响越小。旋杯锥角小于40°时，液膜厚度受旋杯锥角的影响更大。对比三条曲线可知，当旋杯锥角一定时，旋杯转速越高，液膜厚度越小。为了保证涂装效果，保持液膜厚度在25～30 μm 范围附近，应控制旋杯锥角为20°～80°。

图5为涂料密度与液膜厚度的影响关系图。由图5可知，在其他参数保持不变的情况下，涂料密度与液膜厚度成反比关系。涂料密度越大，液膜厚度越小。由图像斜率可知，随着涂料密度的增大，涂料密度对液膜厚度的影响越小。涂料密度小于500 kg/m3时，液膜厚度受涂料密度的影响更大。对比三条曲线可知，当涂料密度一定时，旋杯转速越高，液膜厚度越小。为了保证涂装效果，保持液膜厚度在25～30 μm范围附近，应控制涂料密度为800～2 000 kg/m3。

图6为涂料黏度对液膜厚度的影响关系图。由图6可知，在其他参数保持不变的情况下，涂料黏度与液膜厚度成正比关系。涂料黏度越大，液膜厚度越大。由图像斜率可知，随着涂料黏度的增大，涂料黏度对液膜厚度的影响越小。涂料黏度小于0.004 kg/(m·s)时，液膜厚度受涂料黏度的影响更大。对比三条曲线可知，当涂料黏度一定时，旋杯转速越高，液膜厚度越小。为了保证涂装效果，保持液膜厚度在25～30 μm范围附近，应控制涂料黏度为0.003～0.008 kg/(m·s)。

3 结论

1)旋杯内液膜厚度与旋杯转速、流量、旋杯直径、旋杯锥角、涂料密度和涂料黏度六项因素相关。

2)为保证涂装效果，保持液膜厚度在25～30 μm范围附近，应控制旋杯转速为30 000～45 000 r/min，流量为50～200 mL/min，旋杯直径为40～80 mm，旋杯锥角为20°～80°，涂料密度为800～2 000 kg/m3，涂料黏度为0.003～0.008 kg/(m·s)。