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大功率电焊机电磁暴露安全评估研究

蔺敏  
【摘要】:工业生产制造业中,电焊技术有着重要的意义,焊接设备体积小、效率高,在铁路、航天、海运等机械制造领域有着广泛的应用。但是弧焊焊接设备在工作时通常伴随着强光、有毒气体、烟尘,还有较大的电磁污染。大功率电焊机的电磁辐射主要体现在低频磁场。当焊接电流通过焊接电缆时,周围会产生低频磁场,低频磁场近距离作用于人体,是否会对人体造成危害。在过去的20年中,不断有科研机构针对焊机产生的低频磁场是否会对人体造成健康风险问题进行研究。为解决焊接操作中的电磁暴露问题,计算焊接时空间磁场分布以及人体内部磁场分布情况,评估焊接时焊机周围电磁环境的安全性,量化分析焊接过程中焊接电缆的电磁场在人体内部产生的影响,为焊接操作者提供健康依据,我们主要从以下几部分进行研究论证。首先,论文简要阐述了电焊机的发展历程,介绍弧焊电源的几次重要变革,明确了焊接过程中主要的电磁骚扰源,给仿真实验提供依据。为有效评估大功率电焊机焊接过程中产生的磁场对人体的影响,以ICNIRP导则规定的标准限值,作为评估焊机工作时的电磁环境的评估标准。利用有限元软件ANSYS建立了焊接操作者人体模型,并参考焊接环境建立了仿真环境。其次,在ANSYS软件中建立焊接环境模型,并加入人体模型来仿真焊接时人体内部的磁场分布情况。在焊接过程中,焊接电流根据工件要求产生改变。计算时以直流焊接电缆为激励源,通过施加不同电流载荷计算焊接过程中空间场以及人体内部的磁感应强度分布情况。实验结果表明焊接电缆承载电流和焊接电缆距人体位置的变化,对焊接电缆所产生的磁场在人体内部分布情况产生影响。当焊机的输出电流达到500A,且焊接电缆紧贴人体时,焊接电缆在人体内产生的磁感应强度达到峰值,ANSYS计算结果为63.4μT,占ICNIRP标准的63.4%,小于ICNIRP2010的职业暴露阈值。所以从仿真结果来看,焊接电缆产生的磁场不会对人体产生健康风险。最后,根据仿真环境,对同类型焊机工作时所产生的磁场进行实地测量,测得焊接过程中焊机与焊接电缆的磁感应强度。当焊接电源输出大电流(500A)且焊接电缆非常贴近时,在人体内部产生的磁感应强度达到实验峰值,这与仿真结果的规律相同。将仿真结果与测量结果进行比对分析,得知测量结果与仿真结果的误差在10%以内,证明实验数据是可靠的。得出当焊接电源输出大电流(500A)且焊接电缆非常贴近人体时,在人体内部产生的磁感应强度达到实验峰值,电缆在腰部、手腕等部位产生的最大磁感应强度为ICNIRP标准的63.4%,焊接电缆产生的磁场不会对从业者产生健康风险。当焊接电缆的输出电流减小时,输出电流依次为400A、200A、100A时,产生的磁感应强度分别占ICNIRP标准的50%、21%、11%,逐渐减小;而当焊接电缆与人体的距离增大到0.1m时,这几个值分别变为13%、5%、2.6%。说明在焊接过程中,输出电流的变化对焊接电缆所产生的磁场分布产生影响,磁感应强度与电流大小成正相关;距焊接电缆的距离决定着同一输出电流时,该位置磁感应强度的大小,磁感应强度与距离呈负相关。我们通过对焊接过程的仿真结果与测量结果进行比对,二者的实验结果非常接近,证明仿真实验是一种科学有效的实验方法。


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