高康寧，蔣仲安，陳記合，蘭 桂，林浩宇

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

沖壓車間打磨區(qū)的主要任務(wù)是對(duì)沖壓加工后的鋁車型材、碳鋼車型材等材料進(jìn)行打磨處理，產(chǎn)生的金屬粉塵具有爆炸危險(xiǎn)性[1]。該區(qū)域往往通過窗戶進(jìn)行自然通風(fēng)，并無除塵設(shè)施，因此，打磨作業(yè)過程中產(chǎn)生的金屬粉塵及大量火花給安全生產(chǎn)帶來了極大隱患[2]。此外，工人作業(yè)過程中與塵源距離較近，長(zhǎng)期接觸嚴(yán)重威脅身體健康。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)粉塵分布規(guī)律的研究多集中于礦山井下巷道、采掘工作面等[3-5]場(chǎng)所，對(duì)于工廠車間粉塵分布規(guī)律的研究較少。此外，針對(duì)打磨作業(yè)的工藝特點(diǎn)可知，作業(yè)過程中產(chǎn)生粉塵的地點(diǎn)變化、時(shí)間不連續(xù)的特點(diǎn)，決定了塵源具有移動(dòng)性和陣發(fā)性，因此，對(duì)于除塵技術(shù)而言，采用固定式的密閉罩、頂吸罩等粉塵捕集技術(shù)效果并不理想。因此，本文采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，以某公司沖壓車間打磨區(qū)為例，研究粉塵濃度分布規(guī)律，為采取有效措施控制打磨區(qū)產(chǎn)生的大量粉塵，研發(fā)便攜式除塵技術(shù)與裝備提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)學(xué)模型

經(jīng)分析，打磨作業(yè)產(chǎn)生的粉塵運(yùn)動(dòng)過程主要分2個(gè)階段。第一階段，粉塵粒子從打磨機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的砂輪獲得較大的動(dòng)能，以很高的初速度拋出，受到空氣阻力的作用做減速運(yùn)動(dòng)；第二階段，拋射運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，粉塵粒子主要受到打磨區(qū)風(fēng)流流場(chǎng)作用做擴(kuò)散與沉降運(yùn)動(dòng)。

1.1 粉塵的拋射運(yùn)動(dòng)

粉塵粒子從打磨砂輪以速度ν0拋出，減速到ν時(shí)粒子運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間為：

(1)

式中：ρp為粉塵顆粒的密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3；dp為粉塵顆粒的直徑，m；CD為阻力系數(shù)。

此階段，粉塵粒子運(yùn)動(dòng)的線性距離dx為：

dx=νdt

(2)

其加速度為：

(3)

假設(shè)粉塵粒子從砂輪拋出的速度ν0等于砂輪的線速度，則：

ν0=ωr

(4)

式中：ω為打磨機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s；r為砂輪半徑，m。

粉塵的張弛時(shí)間τ為：

(5)

式中：μg表示空氣的動(dòng)力粘度，Pa·s，其他符號(hào)意義同前。

聯(lián)立(1)～(5)式，解得：

(6)

1.2 粉塵的擴(kuò)散與沉降運(yùn)動(dòng)

粉塵拋射運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，主要受到重力、浮力和空氣阻力的作用，在打磨區(qū)區(qū)內(nèi)做擴(kuò)散與沉降運(yùn)動(dòng)，則建立粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)方程[6-7]為：

(7)

式中：t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；νg為氣體運(yùn)動(dòng)速度，m/s；νp為粉塵顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，m/s，其他符號(hào)意義同前。

粉塵粒子在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過程中，受到阻力大小隨著速度的改變而改變，當(dāng)受力平衡后，粉塵粒子勻速下降，此時(shí)粉塵粒子的速度為最終沉降速度。在式(7)中，令dνp/dt=0[8]，得到最終沉降速度νt，如下：

(8)

取CD=24μg/dpρgνt，則最終沉降速度為：

(9)

式中：g為重力加速度，m/s，其他符號(hào)意義同前。

2 幾何模型與參數(shù)設(shè)置

2.1 幾何模型建立

根據(jù)打磨區(qū)內(nèi)部布局及實(shí)測(cè)的相關(guān)尺寸，建立1∶1三維幾何模型，如圖1所示。備料區(qū)內(nèi)的工件、雜物擺放非常復(fù)雜，建模過程中完全復(fù)制現(xiàn)場(chǎng)情況比較困難，且對(duì)粉塵的擴(kuò)散過程影響不大，因此建模時(shí)不予考慮。打磨區(qū)長(zhǎng)10 m，寬7 m，高3 m，內(nèi)部2個(gè)打磨臺(tái)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)2 m，寬1.5 m，高0.8 m的長(zhǎng)方體；前壁面4扇窗戶的尺寸均為1 m×1 m；2扇門的尺寸均為高2.1 m，寬1.2 m，其中門1為進(jìn)風(fēng)口，門2為出風(fēng)口。使用ICEM劃分Quad Dominant類型網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.24 m。

圖1 打磨區(qū)三維幾何模型Fig.1 3D geometric of the area of polishing

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)打磨區(qū)域的具體情況和相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)兩相流理論，采用非穩(wěn)態(tài)[9]離散相模型(Discrete Phase Mode,DPM)進(jìn)行運(yùn)算，F(xiàn)LUENT參數(shù)設(shè)定[10-12]詳見表1。

表1 計(jì)算模型參數(shù)設(shè)定Table 1 Defining the calculation model parameters

3 數(shù)值模擬分析

3.1 風(fēng)流流場(chǎng)分布及分析

根據(jù)打磨區(qū)的實(shí)際通風(fēng)情況，模擬風(fēng)流流場(chǎng)，模擬結(jié)果詳見圖2。

1)從速度矢量圖2(a)可看出，風(fēng)流自入口進(jìn)入打磨區(qū)，受到打磨臺(tái)和墻壁的阻擋后，方向發(fā)生改變，致使打磨區(qū)內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)形成了射流區(qū)、渦流區(qū)和回流區(qū)。

2)在Z=1.5 m呼吸帶高度處截得速度云圖2(b)，由圖可知，通過門1和左側(cè)窗戶進(jìn)入的風(fēng)流之間相互干擾，在2個(gè)打磨臺(tái)之間形成渦流。同時(shí)，備料區(qū)的風(fēng)量較小，在備料區(qū)內(nèi)形成了一個(gè)無風(fēng)區(qū)域，造成通風(fēng)換氣效率低，非常不利于凈化除塵。

3)分別在Y=1 m，3.5 m，6 m處截得速度云圖2(c)，由圖可知，風(fēng)流自窗戶進(jìn)入打磨區(qū)時(shí)速度最大為0.2 m/s，在流動(dòng)過程中，速度逐步衰減，流動(dòng)到車間后壁面速度減小到0.04 m/s。

4)分別在X=2 m，5 m，8 m處截得速度云圖2(d)，可看出打磨臺(tái)1對(duì)風(fēng)流起到了明顯的阻礙作用，使通過門1進(jìn)入車間的風(fēng)流速度迅速減小，并且改變了原來的方向，流向了車間中央。

打磨區(qū)新鮮風(fēng)流更新周期長(zhǎng)，自然通風(fēng)方式不足以凈化除塵，又因?yàn)榇蚰プ鳂I(yè)的移動(dòng)性使得固定式除塵設(shè)備效果不理想，故建議采用手持打磨工具便攜防塵輔助裝置或可移動(dòng)的便攜式除塵設(shè)備。

圖2 打磨區(qū)風(fēng)流流場(chǎng)Fig.2 The flow chart of the area of polishing

3.2 粉塵質(zhì)量濃度分布及分析

由打磨作業(yè)的工藝特點(diǎn)可知，作業(yè)過程中，工人打磨的位置并不固定，因此塵源的位置也不斷發(fā)生變化。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，塵源的這種位置變化分2種情況：一是在工人工位不變的情況下，打磨型材的某一固定區(qū)域時(shí)，打磨機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的塵源局部范圍內(nèi)的位置變化；二是由于工人工位的變化造成塵源位置發(fā)生大范圍的變化。此外，打磨時(shí)間也具有隨機(jī)性，不能定量化，因此通過計(jì)算機(jī)完全模擬實(shí)際的作業(yè)狀態(tài)比較困難，需要做適當(dāng)簡(jiǎn)化?，F(xiàn)模擬工人先在1號(hào)打磨臺(tái)進(jìn)行局部打磨作業(yè)30 min，中間休息5 min后，到2號(hào)打磨臺(tái)進(jìn)行打磨作業(yè)，打磨時(shí)間同樣為30 min。這個(gè)過程中，粉塵在打磨區(qū)內(nèi)的分布情況以及部分時(shí)間點(diǎn)粉塵濃度分布，如圖3所示。由圖3可知：

1)打磨作業(yè)開始后，粉塵在打磨臺(tái)附近隨著風(fēng)流向周圍擴(kuò)散，大量粉塵由于重力沉降而被地面捕捉，空氣中的粉塵密度不斷下降，使得粉塵呈不連續(xù)的云狀分布。而空氣中難以沉降的呼吸性粉塵在運(yùn)動(dòng)中受空氣浮力及風(fēng)流脈動(dòng)的影響較大，懸浮的粉塵大量以粉塵云的形態(tài)存在。

圖3 打磨區(qū)粉塵濃度分布Fig.3 Dust concentration distribution of the area of polishing

2)t=35 min時(shí)，在1號(hào)打磨臺(tái)產(chǎn)生的粉塵，擴(kuò)散至走廊通道區(qū)域，在此處與2號(hào)打磨臺(tái)產(chǎn)生的粉塵產(chǎn)生疊加。隨著打磨作業(yè)的進(jìn)行，粉塵擴(kuò)散的區(qū)域也在變大，在t=65 min時(shí)，粉塵云覆蓋區(qū)域最大，故在布置打磨臺(tái)時(shí)應(yīng)留有足夠間距，避免相互干擾。

3)從t=1 min至t=65 min，在整個(gè)作業(yè)過程中，粉塵云持續(xù)出現(xiàn)在打磨臺(tái)附近，而在備料區(qū)偶爾出現(xiàn)。以GB 50058-2014[13]中的粉塵爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分條件為依據(jù)，根據(jù)模擬結(jié)果中粉塵云在打磨作業(yè)區(qū)和備料區(qū)出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間，將打磨作業(yè)區(qū)劃分為20區(qū)，備料區(qū)劃分為21區(qū)。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比

4.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及文獻(xiàn)[14-16]中的測(cè)點(diǎn)布置方法，取Z=1.5 m呼吸帶高度斷面與X=1 m，X=2.5 m，Y=3.5 m平面的交線作為測(cè)點(diǎn)線，按照一定間距共布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為：V1(2.5,1,1.5)，V2(1,1,1.5)，V3(1,2.5,1.5)，V4(2.5,2.5,1.5)，V5(2.5,4.5,1.5)，V6(1,4.5,1.5)，V7(1,6,1.5)，V8(2.5,6,1.5)，V9(1,3.5,1.5)，V10(2.5,3.5,1.5)，V11(4,3.5,1.5)，V12(5.5,3.5,1.5)，V13(7,3.5,1.5)，V14(8.5,3.5,1.5)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。圖4為在X=1 m和X=2.5 m測(cè)點(diǎn)線上的粉塵濃度分布圖。由圖4可知：

圖4 X=1 m和X=2.5 m測(cè)點(diǎn)線粉塵濃度分布Fig.4 Dust concentration distribution of X=1 m and X=2.5 m

圖5 粉塵質(zhì)量濃度實(shí)測(cè)值與模擬值Fig.5 Dust mass concentration measured value and simulation value

1)在X=1 m和X=2.5 m 2測(cè)點(diǎn)線上的粉塵分布情況大致相同，打磨臺(tái)是塵源活動(dòng)區(qū)域，其上方呼吸帶粉塵濃度較高，最高達(dá)到9.12 mg/m3，因此，工人在打磨作業(yè)時(shí)應(yīng)佩戴防塵用品；在2打磨臺(tái)之間走廊通道區(qū)域，粉塵濃度急劇下降。

2)X=1 m測(cè)點(diǎn)線距離進(jìn)風(fēng)口門1較近，通風(fēng)狀態(tài)相對(duì)良好，因此在1號(hào)打磨臺(tái)和走廊通道區(qū)域的粉塵濃度相對(duì)于X=2.5 m測(cè)點(diǎn)線低。

4.2 模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

通過對(duì)打磨區(qū)域14個(gè)測(cè)點(diǎn)上粉塵質(zhì)量濃度數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比較，結(jié)果如圖5所示，二者數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)一致，但有所偏差，這主要是由于數(shù)值模擬假設(shè)的打磨作業(yè)過程及周圍環(huán)境比較理想，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)也會(huì)存在一定誤差，這些因素導(dǎo)致的偏差是可接受的，基本能夠反映打磨區(qū)內(nèi)部粉塵分布情況。

5 結(jié)論與建議

1)建立打磨粉塵在拋射、擴(kuò)散及沉降過程中的運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)沖壓車間打磨區(qū)風(fēng)流流場(chǎng)和粉塵濃度分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2)打磨區(qū)內(nèi)部風(fēng)流較為紊亂，打磨臺(tái)周圍存在渦流，備料區(qū)附近形成無風(fēng)區(qū)，不利于凈化除塵，故采用固定式通風(fēng)除塵設(shè)備效果不理想，建議采用手持打磨工具便攜防塵輔助裝置或可移動(dòng)的便攜式除塵設(shè)備。

3)打磨作業(yè)產(chǎn)生的粉塵以粉塵云的形態(tài)進(jìn)行擴(kuò)散，在t=65 min時(shí)，粉塵云覆蓋區(qū)域最大；根據(jù)GB 50058-2014，打磨作業(yè)區(qū)為20區(qū)，備料區(qū)為21區(qū)，這些區(qū)域都要選用符合防爆等級(jí)的粉塵防爆型電氣設(shè)備。

4)在自然通風(fēng)條件下，打磨臺(tái)上方呼吸帶粉塵濃度較高，最高達(dá)到9.12 mg/m3，工人應(yīng)佩戴防塵用品；2打磨臺(tái)之間的走廊通道區(qū)域粉塵濃度較低，最低達(dá)到5.32 mg/m3，考慮到粉塵的疊加效應(yīng)，在布置打磨臺(tái)時(shí)應(yīng)留有足夠間距。

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