陳健 王斌 張佳磊 袁繼威

柔幕式電離氣霧集排罩研發(fā)

陳健 王斌 張佳磊 袁繼威

為了改進(jìn)模具放電加工中電離氣霧直接排放污染環(huán)境的不足，研發(fā)氣霧凈化機(jī)罩。分析電離氣霧的擴(kuò)散機(jī)理，研究電離氣霧收集、凈化、排放全過(guò)程的方法，設(shè)計(jì)可以進(jìn)行柔性調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同擴(kuò)散條件的局部封閉式主軸機(jī)罩裝置。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的機(jī)罩可以有效收集和凈化排出的電離氣霧，改善操作環(huán)境，提高加工過(guò)程的環(huán)保性。

電離氣霧；機(jī)罩；放電加工；擴(kuò)散機(jī)理;柔幕

電火花加工技術(shù)以其獨(dú)特的加工原理（工具和工件間非接觸加工，無(wú)宏觀切削力）和良好、穩(wěn)定的加工性能成為現(xiàn)代模具制造業(yè)重要加工手段之一。其特有的“以柔克剛、緊密微細(xì)、仿形逼真”3大特點(diǎn)，在難加工材料、復(fù)雜型面、精細(xì)表面、低剛度零件和模具等制造領(lǐng)域中占有極其重要的地位，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、儀器儀表、汽車(chē)、地質(zhì)等領(lǐng)域。

在電火花放電過(guò)程中，金屬工件和工具電極局部發(fā)生急劇熔融和氣化，同時(shí)介質(zhì)也迅速氣化分解，所排放的氣體對(duì)人體神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、視力和皮膚組織等都有危害，圖1為未加工時(shí)初始介質(zhì)及主軸附近情況，圖2為加工時(shí)的介質(zhì)及氣霧情況，主軸附近氣霧繚繞。

圖1 初始?xì)忪F介質(zhì)示意圖

圖2 加工狀態(tài)下氣霧介質(zhì)示意圖

因此，針對(duì)目前開(kāi)放式電火花加工過(guò)程中產(chǎn)生大量有害氣體污染環(huán)境的不足，論文研發(fā)基于環(huán)保目的凈化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)固結(jié)主軸的局部封閉式凈化機(jī)罩，進(jìn)行電離氣霧的高效凈化，以降低工人操作環(huán)境的危害性，提高機(jī)床運(yùn)行的安全性和環(huán)保性。

1 氣霧擴(kuò)散機(jī)理與集排原理分析

1.1 氣霧擴(kuò)散機(jī)理分析

放電時(shí)介質(zhì)與工件金屬發(fā)生了一定物理、化學(xué)變化，放電通道周?chē)橘|(zhì)急速氣化熱分解形成氣泡。以煤油作為介質(zhì)為例，氣化時(shí)氧化產(chǎn)物為霧態(tài)C15H32，熱分解產(chǎn)物為：

另外，放電時(shí)工件金屬與周?chē)橘|(zhì)及氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，主要產(chǎn)物為金屬氧化物、氣態(tài)金屬化合物以及硫化氫等。碳化物對(duì)環(huán)境及人體無(wú)顯著傷害，可回收利用。硫化氫氣體對(duì)人體有著致命傷害，國(guó)家相關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其含量有著嚴(yán)格規(guī)定，屬電火花加工形成氣霧中核心有害成分，需要進(jìn)行嚴(yán)格控制。此類(lèi)氣體由于分子量一般比空氣分子量大，俗稱重氣。

電火花加工中所產(chǎn)生的大量氣體，以氣泡形式首先出現(xiàn)于電極與工件空隙的加工液中。氣泡中氣體為加工通道電離、高溫作用下生成氣體的混合體，氣泡內(nèi)外壓力差巨大。初始擴(kuò)展速度可達(dá)75m/s，隨氣泡體積增大，內(nèi)外壓力差減小。壓力差減小至低于大氣壓甚至低壓真空，氣泡破裂，氣霧從加工液中脫離擴(kuò)散至外部加工環(huán)境中。

1.2 氣霧集排原理設(shè)計(jì)

如圖3所示，集排的原理過(guò)程是：電離產(chǎn)生的氣霧通過(guò)收集裝置2在壓縮機(jī)1的作用下，吸入混合器3，再通過(guò)活性炭纖維塔4進(jìn)行凈化，液體部分在介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)5的作用下回到油箱，氣體部分通過(guò)6的采樣器檢測(cè)合格后排出，本文的核心工作是對(duì)收集裝置2展開(kāi)詳細(xì)研發(fā)設(shè)計(jì)。

綜上,宮頸息肉患者臨床治療中,治療方式選擇CO2激光治療方法,可取得顯著治療效果,疼痛程度較低,且復(fù)發(fā)可能性小,應(yīng)在臨床實(shí)踐中將該種方法推廣應(yīng)用。

目前氣霧的凈化方法主要有活性炭纖維吸附法、氧化分解法和生物法。對(duì)電火花加工過(guò)程產(chǎn)生的氣霧這樣的重氣凈化，選用活性炭纖維對(duì)收集氣體中的硫化氫等重氣進(jìn)行吸附凈化。通過(guò)活性炭纖維這樣一種典型的微孔炭，在常溫下即可對(duì)硫化氫等重氣進(jìn)行有效吸附，還可促成有毒氣體發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為無(wú)毒氣體。

圖3 氣霧凈化與集排裝置原理圖

2柔幕式集排機(jī)罩研發(fā)

2.1 柔幕集排罩原理設(shè)計(jì)

局部封閉式凈化機(jī)罩固結(jié)于電火花機(jī)主軸上，實(shí)現(xiàn)氣霧的收集與凈化。設(shè)計(jì)的機(jī)罩通過(guò)虎皮老虎固結(jié)于主軸外套上，不隨主軸上下運(yùn)動(dòng)，保持加工過(guò)程中機(jī)罩與工作介質(zhì)的等距化，對(duì)氣霧進(jìn)行有效收集。對(duì)機(jī)罩中兩路流道位置進(jìn)行科學(xué)化配置，實(shí)現(xiàn)機(jī)罩體積和流道長(zhǎng)度的小型化，其結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)圖4所示。

圖4 柔幕集排罩原理圖

圖5 水幕式環(huán)形油幕

氣霧的擴(kuò)散范圍是隨著加工條件的變化而變化的，因此依據(jù)封閉凈化的要求，設(shè)計(jì)了如圖5所示的水幕式環(huán)形柔性油幕。

封閉區(qū)域的大小可按實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。依據(jù)主軸頭上下沖擊的速度大小以及氣霧擴(kuò)散的范圍，通過(guò)動(dòng)力油泵壓力大小和環(huán)形油幕噴道開(kāi)口度的設(shè)置，形成一個(gè)大小可變的封閉區(qū)域。如圖5所示，按照氣霧擴(kuò)散范圍的大小，形成如圖所示區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3等不同大小的封閉區(qū)域，收集電離氣霧。氣霧凈化原理見(jiàn)圖6所示，電離產(chǎn)生的氣霧在環(huán)形油幕形成封閉區(qū)域內(nèi)，通過(guò)氣霧收集口進(jìn)入凈化道，凈化后排出。

2.2 柔幕集排罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6 氣霧凈化示意圖

圖7 集排機(jī)罩結(jié)構(gòu)圖

裝置由罩內(nèi)套、旋轉(zhuǎn)套、罩外套和密封圈組四個(gè)部分組成。其工作過(guò)程包含柔幕形成和氣霧集排兩個(gè)部分。柔幕的形成方法是：通過(guò)液壓裝置往罩外套的側(cè)孔輸入一定壓力的介質(zhì)液，介質(zhì)液帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)進(jìn)行離心作用，在罩內(nèi)套的阻擋作用下形成封閉的連續(xù)油幕；氣霧集排的方法是：在旋轉(zhuǎn)套的旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，對(duì)封閉區(qū)域形成了負(fù)壓，促使電離產(chǎn)生的氣霧自動(dòng)向內(nèi)套中間中空部分快速凝集，通過(guò)罩內(nèi)套和外接凈化道的吸附，形成干凈的氣體排入空氣。

該裝置在整個(gè)成幕和收集凈化過(guò)程中除了介質(zhì)輸入動(dòng)力外，不需要額外的動(dòng)力，裝置結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)能環(huán)保。

3 仿真與試驗(yàn)

3.1 氣霧擴(kuò)散仿真分析

如圖8所示進(jìn)行了氣霧擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)模擬分析。以煤油為電離介質(zhì)，以銅電極和銅工件為對(duì)象，建立氣泡運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，并利用 fluent軟件構(gòu)建了如圖9所示的仿真模型。模型以上圓直徑25CM、下圓直徑45CM和高度30CM的梯形模擬機(jī)罩，以40安電流，主軸200mm/s速度進(jìn)行抬刀放電加工為工藝條件。

圖10是電離氣霧在大氣中的擴(kuò)散分布，圖11是電離氣在油幕作用下速度分布圖。

圖8 氣泡運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖9 氣泡運(yùn)動(dòng)仿真模型

圖10 氣泡運(yùn)動(dòng)速度分布圖

從圖10仿真圖形中可見(jiàn)，氣泡在靠近液面的地方破裂并向外高速擴(kuò)散，隨著氣霧的逐步擴(kuò)散，運(yùn)動(dòng)速度快速降低，因此可以設(shè)計(jì)較低的機(jī)罩高度，貼近介質(zhì)液面就可以保證電離氣霧的充分收集。從圖11可見(jiàn)，電離氣霧主要沿機(jī)罩邊界快速回轉(zhuǎn)，最高速度出現(xiàn)在機(jī)罩頂端，因此可以在機(jī)罩的頂部設(shè)置排除口，進(jìn)行氣霧凈化處理。

3.2 氣霧擴(kuò)散集排實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證裝置的可行性，按照?qǐng)D7的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)加工了凈化機(jī)罩，并在樣機(jī)上進(jìn)行了不同電流的人工集排實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，雖然電火花機(jī)床在不同電流下產(chǎn)生了煙霧大小不同，但是通過(guò)人工調(diào)節(jié)壓力，改變?nèi)嵝杂湍坏拇笮。軌虺浞值氖占蛢艋婋x氣霧，空中基本沒(méi)有煙霧，表明其裝置集排效果良好。

圖11 氣霧在油幕作用下速度分布

圖12 不同電流氣霧集排圖

4 結(jié)論

針對(duì)電火花加工電離氣霧直接排放大氣，污染環(huán)境損害操作人員的不足，研究了氣霧凈化裝置。通過(guò)可柔性調(diào)節(jié)的環(huán)形液幕，結(jié)合封閉機(jī)罩和介質(zhì)液面，形成大小適宜的局部封閉區(qū)域，收集和凈化電離產(chǎn)生的有害氣霧。研發(fā)的裝置能夠減少污染排放，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)，對(duì)其它帶有氣霧排放的加工方式也具有科學(xué)借鑒意義。

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（責(zé)任編輯：田 犇）

Research and Development of Flexible Centralized Exhaust Hood of Ionization Aerosol

CHEN Jian Wang Bin ZHANG Jia-lei YUAN Ji-wei

TG661

C

1674-2346(2014)01-0091-04

10.3969/j.issn.1674-2346.2014.01.019

2013-12-13

浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院項(xiàng)目 [編號(hào)：2012-2B-009]；卓越技師計(jì)劃項(xiàng)目 [編號(hào)：ZYJS-06]；浙江省教育廳項(xiàng)目 [編號(hào)：y201328515]

陳健，男，浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院（浙江寧波315211）