杜偉濤陳 芳陳 靜

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北 秦皇島 066600；3.四川省南充市開元中心小學(xué)，四川 南充 637894）

臺式數(shù)控火焰等離子切割機(jī)配套除塵設(shè)備的設(shè)計

杜偉濤1陳 芳2陳 靜3

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004；2.河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北 秦皇島 066600；3.四川省南充市開元中心小學(xué)，四川 南充 637894）

對臺式數(shù)控火焰等離子切割機(jī)煙塵的生成機(jī)理、除塵方式、除塵效率以及成本方面進(jìn)行了全面的分析。設(shè)計出一種與等離子切割機(jī)配套的除塵設(shè)備，并介紹了該設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)、部件的選型和設(shè)計。該設(shè)備具有成本低、功耗小及效率高等優(yōu)點(diǎn)。

煙塵生成機(jī)理；等離子切割機(jī)；雙吸式移動除塵；移動卸料門

1 概述

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)控金屬切割機(jī)的應(yīng)用越來越普遍，尤其是等離子切割機(jī)以其成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。而等離子切割機(jī)在工作過程中會產(chǎn)生大量的煙塵，據(jù)統(tǒng)計等離子切割機(jī)一天工作8小時產(chǎn)生的鐵屑可達(dá)30kg（以切割厚10mm的普通碳鋼板為例），而灰塵如果不能得到及時合理地處理，極易使職工患職業(yè)病且不利于產(chǎn)品質(zhì)量的控制。所以需要配套的除塵設(shè)備及時的控制和處理等離子切割機(jī)產(chǎn)生的粉塵，但是由于資金問題，80%以上的中小企業(yè)在使用等離子切割機(jī)時并沒有配置相應(yīng)的除塵設(shè)備，因為目前該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)成本大并且初期投資高，據(jù)統(tǒng)計，目前配套的除塵設(shè)備的均價在11萬左右，以通用重工的臺式數(shù)控火焰等離子切割機(jī)（行程為4m×8m，有效切割長度為2.45m×6m，下述數(shù)據(jù)均根據(jù)此設(shè)備進(jìn)行的設(shè)計）為例，其除塵設(shè)備的價格相當(dāng)于等離子切割機(jī)成本的65.2%。因此，本文對等離子切割機(jī)粉塵產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了深入地分析，并采用化整為零以及線框式的設(shè)計方法，設(shè)計出了一套節(jié)能高效的除塵設(shè)備，不僅強(qiáng)化了除塵效果，還顯著降低了設(shè)備的成本。

圖1 等離子切割機(jī)配套除塵設(shè)備示意圖

2 煙塵的生成機(jī)理

等離子切割機(jī)是利用高溫等離子電弧的熱量使金屬部分或局部熔化或蒸發(fā)，并借助高速等離子切割熔融金屬以形成切口的一種加工工具。因此等離子切割機(jī)在切割鋼板時，被熔化的鐵水在等離子的高速沖擊下會被“吹”到鋼板下方，迅速凝結(jié)變成帶有熱量的粉塵。這些粉塵形成的“煙霧”帶有的熱量高、能量大、活躍性強(qiáng)。對車間環(huán)境的污染十分嚴(yán)重，因此若想保持車間良好的環(huán)境，必須對此類粉塵進(jìn)行合理有效地捕集和處理。

表1 除塵系統(tǒng)管道內(nèi)含塵氣體最低速度 m/s

表2 Y132S1-2風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

3 除塵方式分析

等離子切割機(jī)的除塵方式總體上可分為兩大類：濕法除塵與干法除塵。濕法除塵即借助于水使產(chǎn)生的粉塵凝聚到水中除去粉塵的方法。目前采用的措施為在操作臺下放置一個裝有堿性水的水箱，隨著水面與鋼板之間距離的增大，除塵效果越差，鋼板距水面小于10mm時才可達(dá)到60%的除塵效果。然而堿性水對鋼板、切割機(jī)具有一定的腐蝕性，并且會產(chǎn)生工業(yè)污水。因而，濕法除塵成本低，但效果不理想。

干法除塵又分為頂吸式除塵和側(cè)吸式除塵。頂吸式除塵是在煙氣源頭的上部形成負(fù)壓，從而將煙氣吸走的方法。通常是在煙氣源頭的上部加裝氣體捕集罩，這種方法對于密度比空氣密度小，具有一定熱量的廢氣具有顯著效果。因此，頂吸式除塵適合除去易懸浮、易擴(kuò)散的煙氣，在廚房、烤肉店、火車站、汽車站等場合多數(shù)安裝著此類煙氣捕集裝置。但這種除塵方式不適合用于等離子切割機(jī)的除塵。

側(cè)吸式除塵是在粉塵源頭的兩側(cè)安裝氣體捕集裝置，在粉塵的下部產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)而將粉塵吸入收集裝置的方法。這種除塵方式適合除去動力粘度大、密度比空氣密度大的粉塵。斗式提升機(jī)和等離子切割機(jī)即采用此方法除塵。

本文對側(cè)吸式除塵設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，采用小功率風(fēng)機(jī)和移動式吸風(fēng)口，并對切割平臺進(jìn)行了分塊設(shè)計，提高了氣流的流通量與流通效率，實現(xiàn)了低成本高效率的目的。

4 雙吸式移動除塵設(shè)備設(shè)計

將工作平臺分成4塊，每塊均為650mm（長）×2600mm（寬）×790mm（高）的形式，如圖1所示。分塊會形成較小的風(fēng)域，而較小的風(fēng)域具備風(fēng)速快、負(fù)壓大和壓力集中等優(yōu)點(diǎn)，兩側(cè)的進(jìn)風(fēng)口隨著龍門的移動而移動。單個風(fēng)道室的機(jī)構(gòu)原理圖如圖2所示。此設(shè)計可采用小功率的風(fēng)機(jī)獲得較好的除塵效果。

4.1 設(shè)計參數(shù)

刀頭在切割鋼板時產(chǎn)生的粉塵區(qū)域是有限的，通過現(xiàn)場調(diào)查產(chǎn)生粉塵的區(qū)域為直徑100mm左右的圓形區(qū)域。為了降低能耗的同時還達(dá)到最優(yōu)的除塵效果，只需在此區(qū)域形成具有相應(yīng)流速和流量的氣流，即可有效的除去粉塵。本文設(shè)計的除塵器采用雙吸移動式風(fēng)口進(jìn)行除塵，并將鋼板下面柵板之間的距離調(diào)整為150mm。同時，在柵板下部設(shè)置風(fēng)道平臺，風(fēng)道寬度同樣為150mm。通過模擬計算的結(jié)果可知，只需采用2臺5.5kW的風(fēng)機(jī)，在等離子切割機(jī)產(chǎn)生粉塵區(qū)域的風(fēng)量與風(fēng)速即可達(dá)到95%的除塵效果。

各管道風(fēng)速的設(shè)計參數(shù)以表1為標(biāo)準(zhǔn)。由表1可得，粉塵的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計流速最低為20m/s時，可將所有的粉塵帶入風(fēng)流，而不會使其降落或散開。風(fēng)道的橫截面面積為S=0.491m×0.3m=0.1473m2，移動風(fēng)口的直徑為290mm。當(dāng)采用兩個風(fēng)道同時吸風(fēng)時，可通過公式（1）得出通過風(fēng)道區(qū)域的流量Q為10605.6m3/h，

Q=S×V （1）

式中：

Q為流量，單位為m3/h；

S為風(fēng)道橫截面面積，單位為m2；

V為流速，單位為m2/h。

由于采用雙吸移動式風(fēng)口，因而單側(cè)移動風(fēng)口的流量為總流量的一半，即5300m3/h，通常進(jìn)風(fēng)量會損失10%，則實際進(jìn)入吸風(fēng)口的風(fēng)量為4770m3/h。

4.2 管道設(shè)計

管道的材質(zhì)選用厚1.8mm的無縫鋼管。如選擇鋼板卷制焊接須使焊縫光滑，以消除較大的壓降。為了滿足移動風(fēng)口的運(yùn)動需求，移動風(fēng)口與風(fēng)機(jī)之間的連接選用壓損較小的伸縮式鋁箔軟管。

設(shè)計參數(shù)為：流量為5300m3/h，運(yùn)動粘滯系數(shù)ua取20.45×10-5m2/s，橫截面積S=πR2=0.066m2，風(fēng)道中流速為22m/ s，粉塵密度為ρa(bǔ)取1.8kg/m3，溫度取70℃，則

式中：

Rma——實際單位長度摩擦壓力損失，Pa/m；

Rmo——單位長度摩擦壓力損失，Pa/m；

ρa(bǔ)——實際的空氣密度，kg/m3；

ua——實際的空氣運(yùn)動粘度，m2/s；

則風(fēng)道管壓力的損失為：

PF=l管×Rma=[0.2+（3.5+3）]× 16.1=107.87Pa

鋁箔收縮軟管壓損為20Pa/m，則軟管總壓損為P軟=80Pa

局部壓力損失：在軟管與鋼管連接處、風(fēng)管與除塵器連接處，彎頭采用大于90°的彎頭連接

ρ=1.8kg/m3，ν=20m/s，Z=90Pa

單側(cè)吸風(fēng)需要三個彎頭，因此彎頭的壓力損失共計為270Pa。所以單側(cè)管道總壓損為：

Pd=107.87+80+270=457.87Pa

4.3 除塵器選型

在選用除塵器時以滿足通過設(shè)計需求的風(fēng)量為標(biāo)準(zhǔn)，同時除塵效果達(dá)到85%（符合環(huán)境保護(hù)部門的排放標(biāo)準(zhǔn)）以上為宜，且產(chǎn)生的壓損應(yīng)盡可能地小，因此可選XCX-Φ1200型旋風(fēng)除塵器，帶減阻器時壓損為850Pa，不帶減阻

據(jù)此可選4-72系列風(fēng)機(jī)，其參數(shù)見表2。器時為690Pa，除塵效果為88.5%，總壓損為：

圖2風(fēng)道室機(jī)構(gòu)模型

圖3 移動卸料門機(jī)構(gòu)

5 平臺設(shè)計

采用傳統(tǒng)的設(shè)計成本較高，所以平臺設(shè)計成線框式結(jié)構(gòu)，即在平臺的支柱與邊沿采用強(qiáng)度矩形管作為平臺的主架，在下平臺中部采用較薄的鋼材，以節(jié)約成本。

風(fēng)道室設(shè)計成可拆卸式結(jié)構(gòu)，便于清理平臺和加工制備。該平臺下部為封閉式結(jié)構(gòu)，為了容易取出使不慎落入風(fēng)道室的小件物品，在風(fēng)道室下部設(shè)計一個卸料門裝置，通過卸料門可以方便地將掉入平臺內(nèi)的小件取出。其中卸料門沿豎直方向可實現(xiàn)150mm的升降，下降后可沿平臺下部的導(dǎo)軌拖出。其機(jī)構(gòu)平面圖如圖3所示。

結(jié)語

通過對等離子切割機(jī)操作臺的創(chuàng)新設(shè)計，并采用移動式吸風(fēng)口和側(cè)吸式的除塵方式，提高了氣流流通效率，因此能有效地清除等離子切割機(jī)工作時產(chǎn)生的煙塵，同時該設(shè)計還大大降低了除塵設(shè)備的成本。所以該側(cè)吸式的除塵設(shè)備具有較強(qiáng)的實用性和市場競爭力。

[1]陳卓如，金朝銘，王成敏，等.工程流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1992.

[2]姜鳳有.工業(yè)除塵設(shè)備——設(shè)計、制作、安裝與管理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[3]通用重工等離子切割機(jī)使用與維修手冊[S].上海通用重工集團(tuán)有限公司，2010.

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