滕達

摘要：為了研究采用吸塵口吸塵的氣力吸塵設備的吸塵效率，針對小規(guī)模木工加工空間的集塵設備，通過實驗對該類型的吸塵工況進行了模擬。從各種影響吸塵效率的因素中，選取風機功率和吸塵口的設置兩個主要的因素進行了對比實驗，并進行了理論分析。本文通過實驗及理論分析結果，分析了如何從吸塵的兩個主要因素上提高木工吸塵設備的木粉塵吸收量。

Abstract： In order to study the dust collection efficiency of pneumatic dust suction equipment using vacuum suction， the dust collection equipment for small-scale woodworking processing space was simulated by experiment. Among the various factors affecting the efficiency of vacuuming， two main factors， namely the power of the fan and the setting of the suction port， were selected for comparative experiments and theoretical analysis was carried out. Through experimental and theoretical analysis results， this paper analyzes how to increase the wood dust absorption of woodworking equipment from the two main factors of vacuuming.

關鍵詞：氣力吸塵;木粉塵;實驗模擬;吸塵效率

Key words： pneumatic dust collection;wood dust;experimental simulation;vacuum efficiency

中圖分類號：X502 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）27-0162-03

0 ?引言

在木材的加工過程中，包括木材的刨、銑、打磨等，都會產生大量的木粉塵。木粉塵不僅能夠侵入人體呼吸道引發(fā)炎癥反應，同時木粉塵也是一種致癌物質[1]，吸入大量的木粉塵會對人體健康產生危害。另外，由于木粉塵具有易燃的特性，在加工過程中濃度達到一定程度時，遇到明火極易產生燃燒爆炸，是纖維類粉塵中引起爆炸事故最多的一種可燃粉塵[2]。近些年隨著經濟的發(fā)展，個人的木工坊、工作室等逐漸增多。一些木制品制作的自由從業(yè)人員也越來越多，這些人缺乏規(guī)范的職業(yè)防護能力，缺少專業(yè)的降塵除塵設備，他們長時間處于較高濃度的木粉塵中，比一般人群更易受到木粉塵的侵襲。因此木工加工過程的除塵尤其是未來小空間的除塵措施會變得更加重要。

目前現(xiàn)有的木工除塵設備吸塵口設計大體分為三類：一類是吸塵口與終端的木工加工設備集塵口相連接，集塵口在木工加工設備生產的過程中已經設計好，直接與吸塵口連接即可。第二類是工作區(qū)域的工作臺將集塵口擴大成柵格狀，從側方和下方吸塵，擴大吸塵面積，一般用在木工打磨工作臺上。第三類是吸塵口從吸塵管道引出直接懸置于加工區(qū)域的上方，由于受到工作區(qū)域的限制，一般沒有集塵罩或者集塵罩較小，同時離塵源有一定的距離。由于第三類吸塵口的設計較為靈活，而且占地體積小，設備的安裝經濟有效，在小規(guī)模木工加工空間中適用廣泛，因此，本文主要對第三類吸塵口設計的吸塵設備進行分析研究，通過實驗測試和理論分析，得出提高該種類的設備吸塵效率的有效方法。

1 ?吸塵效率影響因素的分析

影響整體吸塵系統(tǒng)效率的因素較多。主要的因素包括風機功率、管道長度、管道直徑、吸塵口的分布等。其他諸如管道走線的設計、吸塵口的角度等也會不同程度的影響吸塵效率[3]。由于小型木工加工空間的大型設備較少，工作臺位置相對固定，因此管道走線的設計以及管道的長度都相對固定，管道直徑按照經驗選擇，因此在影響因素的分析上都不單獨討論，本文主要從風機功率以及管道口的分布兩個方面進行分析。

2 ?實驗設備及實驗步驟

2.1 實驗設備的準備

本實驗的目的主要是通過改變風機功率以及吸塵口的設置，對比不同工況下的木粉塵量，分析不同因素對于吸塵效率的影響。實驗收集木粉塵采用的方法是稱重法，實驗前要保證實驗設備管道干凈無異物，實驗管道不使用彎頭，管道直徑150mm長度盡量短，否則實驗結束收集木粉塵容易收集不干凈，吸塵口距塵源30cm，每次重新實驗之前都要將管道及濾網清洗干凈。實驗設備選取的是某品牌靜音風機，風機有三檔，高檔參數為風量530m3/h，風壓300Pa，中檔風量410m3/h，風壓240Pa，低檔風量284m3/h，風壓160Pa。塵源選擇打磨過程產生的木粉塵，選擇的打磨設備為砂紙機，使用的砂紙目數為180目，砂紙每次實驗前更換，砂紙機需要對散熱孔及吸塵口進行封閉處理，防止在實驗過程中，砂紙機吸塵口產生的氣流擾亂木粉塵的擴散，對實驗產生影響。由于砂紙機的散熱孔封閉，單次實驗的時間不宜過長，時間取5分鐘整。由于實驗的時間較短，因此實驗材料要選擇質地較軟，易打磨的木材，因此實驗材料選擇松木指接板，尺寸為300mm*300mm，板材周圍加擋板。

2.2 實驗步驟

①打開砂紙機，置于檔位1，將工作的砂紙機放置在實驗板材上，待穩(wěn)定工作20秒后，啟動除塵風機;

②除塵風機工作5分鐘后，依次關閉除塵風機和砂紙機電源，靜置1分鐘;

③收集管道內部以及集塵袋上的木粉塵進行稱重測量，清洗管道內壁以及集塵袋，晾干后準備下次實驗;

④每組工況進行5次實驗測量。

3 ?實驗數據分析及理論研究

3.1 實驗可靠性驗證

首先進行實驗操作的可靠性驗證。以風機低檔功率運行，單吸塵口吸塵，實驗五次取得的數據如表1。

通過表1發(fā)現(xiàn)，5次實驗得出的數據偏差較大，證明實驗的可信度較低。分析整個實驗過程，設備的運行較穩(wěn)定，唯一產生改變的是除塵濾網進行過清洗，因此考慮是由于濾網進行清洗過后，濾網上的過濾孔產生改變導致通透性改變，影響了吸塵的風量。為此每次重新實驗前都使用新的濾網進行實驗。

改變實驗方案后，重新測得以風機低檔功率運行，單吸塵口吸塵工況條件下，數據如表2。

表2數據表明，更改實驗方案后，木粉塵的收集量較穩(wěn)定，偏差小，可靠性較高，因此實驗方案是有效的。

3.2 實驗數據的處理及分析

以單吸塵口運行的工況下，分別以風機的高中低三檔功率進行實驗，得到的實驗數據如表3。

通過表3可以看出在以高功率運行的情況下，吸塵量得到顯著的提升，但是對比風量提升的比例，吸塵量沒有得到同比例的提升，因此吸塵效率反而是降低的。

分別以風機高中低三檔功率運行的條件下，改變吸塵口的數量，由原來的單吸塵口，改為由Y型三通連接的雙吸塵口吸塵，兩吸塵口相隔20cm，進行實驗，得到實驗數據如表4。

通過表4可以看出改用雙吸塵口結構以后，吸塵量得到了顯著的提升。中檔風機功率的情況下，改用雙吸塵口的吸塵量已經超過了高檔情況下單吸塵口的吸塵量。

4 ?實驗的理論分析

對幾組實驗數據進行分析可以看出，實驗數據的偏差較小，說明實驗的有效性及可靠度都較高，實驗數據中的個別數據偏差較大的原因可能是由于濾網的加工質量不盡相同，因此導致個別實驗數據偏差較大，對于偏差較大的數據不納入數據分析，以減小實驗的系統(tǒng)誤差。

根據以上不同的實驗工況，將表3和表4進行數據整理，得出圖1。

通過圖1可以看出，隨著風機風量的提高，風機的吸塵量顯著提高，因為隨著風量的提高，吸塵口附近真空度得以增加，空氣進入管道的流速也會相應增加，會有更多的木粉塵進入管道。從圖1的斜率也可以看出，對比風壓由284m3/h增大至410m3/h的階段和410m3/h增大至530m3/h兩個階段，后一階段的吸塵增加量比前一階段的吸塵增加量要小，也就是說吸塵效率下降了。分析產生的原因，根據流體力學原理[4]，空氣在橫斷面形狀不變的管道內流動時，摩擦阻力按下式計算：

Δpm=λ·（l/4RS）·（ρv2/2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

其中，RS=f/C。 對于圓形的風管，摩擦阻力計算公式可改寫為：

Δpm=λ·（l/D）·（ρv2/2） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由于 Δpm=Rml， 那么圓形風管單位長度的摩擦阻力（比摩阻）為：

RS=（λ/D）·（ρv2/2）（3）

式中：λ為摩擦阻力系數;v為風管內空氣的平均流速，單位m/s;ρ為空氣的密度，單位kg/m3;l為風管長度，單位m;RS為風管的水力半徑，單位m;f為管道中流體部分的橫斷面積，單位m2;C為流體的周長，單位m。從式（3）中可以看出摩擦阻力正比于管道截面的面積和v2。隨著風量的增加，管道流速也相應增加，在管道直徑不變的情況下，摩擦阻力增大，管道的流速增加作用會被減弱，同時由于摩擦阻力的增大，木粉塵會堆積在管壁上，進一步降低吸塵效率。

根據圖1還可以得出在不改變風機功率的情況下，采用雙吸塵口的集塵方式比采用單吸塵口的效率要高。在風量410m3/h的風機功率下，采用雙吸塵口的吸塵量已經超過了風量530m3/h工況下的吸塵量。雙吸塵口效率高與木粉塵的擴散運動有關，木粉塵的產生分兩部分[5]：

①木工加工時刀具擠壓和摩擦木料產生的粉塵，這是木工加工作業(yè)粉塵產生的主要來源;

②刀具在進給過程中高速轉動形成的紊流脈動作用使產生的塵粒、木屑間形成碰撞產生新的木粉塵。

在這兩部分作用共同的結果下，木粉塵由塵源產生處，向四周輻射擴散，且濃度由塵源峰值處向四周是逐漸降低的。

另外，在木工加工的過程中，使用不同功率的加工設備對木料進行加工時，木粉塵的產生量是不同的，功率越大時，產生的木粉塵越多，在粉塵的質量濃度越高，源強對粉塵質量濃度峰值位置無影響[6]。因此，對于同一種加工材料，不同功率的加工條件下，木粉塵的濃度會在距塵源相同的位置產生濃度的峰值，該位置模型可以簡化成是以塵源為中心的某個半球面，將吸塵口設置在此位置時，除塵可以取得較好的效果。但是吸塵口的位置并不能隨意設置，應優(yōu)先考慮加工需求，所以設計的位置應在不影響加工的前提下盡量靠近粉塵濃度峰值處。此外，由于該濃度峰值處近似為一個半球面，單純依靠提高風機功率，吸塵口處的真空度提升是十分有限的，吸塵口并不能吸收更遠處的木粉塵。在這種限制因素下，采用雙吸塵口在不同的位置吸收木粉塵是一種很好的解決方式，能夠更好的提升木粉塵的吸收效率。

5 ?結論

①影響木工氣力吸塵的影響因素相對較多，分析實際的加工情況以后，排除加工條件下無法改變的因素或者較難改變的因素，得到風機的功率和吸塵口的設置這兩個影響因素進行分析。

②對于加工情況的實驗模擬要充分考慮加工的實際情況，盡可能的模擬真實的工況，對于實驗中的一些替代要素要盡可能的排除實驗干擾。

③風機功率對于木工吸塵設備的效率影響是較大的，在一定的區(qū)間范圍內是提升吸塵量直接有效的方式，但是超過該區(qū)間范圍以后并不是一種經濟的方式，因此在實際加工情況中要具體的分析。

④增加吸塵口的數量，合理布設吸塵口的位置可以顯著提升吸塵設備的吸塵效率，但是吸塵口位置的選擇要充分考慮加工的實際情況，不能影響加工的進行和安全生產。

參考文獻：

[1]王本泉.木粉塵木工罹患鼻癌的罪魁禍首[J].Safety and health at work，2001.

[2]賈相成.木材加工車間粉塵擴散的原因及其防治措施[J].木材加工機械，1991（3）：18-21.

[3]郗元，等.反吹式吸嘴流場數值分析及吸塵效率研究[J].西南交通大學學報，2016，02.

[4]錢勝，王孟鴻，何遠營，等.計算流體力學原理及其在復雜空間結構表面風壓數值模擬中的應用：第十三屆全國現(xiàn)代結構工程學術研討會論文集[C].天津：2013.

[5]蔣永清，孫大偉，等.鏤銑作業(yè)木粉塵濃度分布規(guī)律和模擬分析[J].木材加工機械，2017，02.

[6]蔣仲安，高康寧，等.移動式打磨作業(yè)粉塵分布規(guī)律及其影響因素[J].中南大學學報（自然科學版），2019，05.