林业科学

作者：杨春梅1,刘彤彬1,马亚强1,丁禹程2,王金聪1,胡松3,宋文龙2,*

单位：1. 东北林业大学机电工程学院　哈尔滨 1500402. 东北林业大学计算机与控制工程学院　哈尔滨 1500403. 广东博硕涂装技术有限公司　佛山 520308

关键词：木材喷涂,喷涂均匀性,扩散角度,雾化仿真,响应曲面法,多目标优化

基金：黑龙江省重点研发项目“基于5G被动式绿色建筑门窗材数字协同加工中心关键技术研究”（2022ZX01A17）；佛山市顺德区科技创新项目“基于机器视觉的人工智能喷涂机器人关键技术与核心装备研发”（顺科发[2021]83）。

目的: 探究木材喷涂喷头结构参数对喷口流速v2、漆雾扩散角度γ和漆雾均匀性λ的影响，求解喷头最优结构参数，提高木材喷涂效率和喷涂效果。方法: 基于雾滴碰撞、聚集和积累理论初步探究v2、γ和λ的影响因素，将优化参数设为原始喷头的7项关键内部结构参数，包括内壁倒角β、三段管道内壁长度L1至L3和三段管道内壁直径d1至d3，利用Design Expert 设计7因素3水平3指标的BBD响应曲面试验，探究各结构参数对v2、γ和λ的影响显著性。BBD试验各组结果由3部分仿真获得，采用k-ε模型进行喷头内部流场仿真、KHRT模型进行高压平口雾化仿真。应用Image J测定漆雾扩散角度，通过Python运用“雾滴撒点法”完成对每组雾化仿真结果的均匀性标定，利用多目标优化方法求解喷头最优结构参数，并通过仿真喷涂和实机喷涂验证其喷涂效果。结果: BBD响应曲面试验结果表明，7项关键内部结构参数对指标的影响十分复杂，但3项指标v2、γ和λ回归显著（P≤0.000 1），多目标优化下的理论最优漆雾扩散角度为21.28°、最优漆雾均匀性为3.053；最优喷头的喷涂仿真试验结果表明，优化后喷口流速v2由35.8 m·s?1升至107 m·s?1，漆雾扩散角度γ由16.74°升至21.09°（与理论相差0.883%），漆雾均匀性λ由3.62升至3.03（λ越小代表越均匀，与理论相差0.751%）。在木材喷涂实机试验中，优化前后木材喷涂试样漆厚标准差由21.71 μm降至17.74 μm，单面喷涂时间由6.2 s降至5.5 s，单面喷头移动行程由3 255 mm降至2 887 mm。结论: 基于“雾滴撒点法”的漆雾均匀性评判标准以及基于响应曲面法和多目标的喷头结构参数优化方法可对木材喷涂喷头优化设计提供一定参考，对提高木材喷涂漆面均匀性和木材喷涂效率具有一定效果和帮助。

来源：2024年第6期

《林业科学》期刊编辑部

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