宋金標(biāo)

(兗礦東華重工有限公司，山東 濟寧 273500)

0 引 言

液壓支架結(jié)構(gòu)件車間主要生產(chǎn)工序為組對和焊接，焊接方式有電弧焊、二氧化碳保護焊和MAG焊接等，焊接過程中產(chǎn)生大量的熱量，并且總是產(chǎn)生能夠懸浮在空氣中的氣態(tài)有害物和非常小的顆粒有害物[1]，這些焊接煙塵粒徑小，煙塵呈碎片狀，粒徑為0.01～10 μm,其中絕大部分煙塵粒徑分布在0.38 μm左右。而這些粒徑的煙塵也是最容易進入工人的呼吸系統(tǒng)，并溶于血液，對作業(yè)人員的健康有著極其嚴(yán)重的傷害。

筆者根據(jù)液壓支架結(jié)構(gòu)件車間組對及焊接工位特點，選擇不同的煙塵收集方式，計算出每套設(shè)備所需風(fēng)壓及風(fēng)量，選擇不同功率的風(fēng)機，通過變頻調(diào)速控制方式實現(xiàn)節(jié)能降耗及環(huán)保要求，解決結(jié)構(gòu)件車間焊接煙塵排放問題，為職工創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，降低車間內(nèi)作業(yè)人員的職業(yè)危害。

1 結(jié)構(gòu)件車間整體情況

結(jié)構(gòu)件車間共有三跨廠房，每跨焊接區(qū)域長120 m，寬24 m，共設(shè)計有 71個焊接工位，其中人工焊接工位 37 個(變位機工位 6個，手工焊接工位27個，手工焊補工位4個)，關(guān)節(jié)機器人焊接工位 4個，連桿機器人焊接工位4個，上述每個工位尺寸約 9 m×7 m；拼裝工位16個，每個工位尺寸8 m×7.5 m；小件組對焊工位10個，每個工位尺寸9 m×4.5 m。車間全年工作300天，按照兩班制生產(chǎn)，每班8 h，每個焊工操作1天產(chǎn)生的煙塵量為60～150 g[2]。設(shè)備使用周邊環(huán)境：環(huán)境溫度 -10～40 ℃，濕度 10%～60%；混凝土(強度等級C30以上)地面200 mm厚，車間照明不低于 150Lx；車間現(xiàn)場無易燃、易爆、腐蝕性氣體及物品，無強電磁輻射源。

2 除塵系統(tǒng)總體設(shè)計要求

除塵裝置煙塵捕捉率大于75%，車間內(nèi)電焊煙塵經(jīng)除塵器過濾后排放氣體顆粒物濃度小于5 mg/m3，總體煙塵濃度小于4 mg/m3，符合DB37/2376-2019《山東省大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，除塵設(shè)備運行噪音小于等于70 dB，符合《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計規(guī)范》要求。

3 煙塵收集方式設(shè)計

由于液壓支架的焊接工件較大，工件搬運時需要使用行車吊運，因此在設(shè)計煙塵收集方式時，需設(shè)計使用不影響行車吊裝工件的煙塵捕捉方式。對于結(jié)構(gòu)件車間的37個人工焊接工位、4個關(guān)節(jié)機器人焊接工位及 10個小件組焊工位，設(shè)計使用旋轉(zhuǎn)懸臂吊掛可來回移動的吸風(fēng)罩捕捉焊接煙塵，吸風(fēng)罩下懸掛焊接專用遮弧簾，避免焊接煙塵逸散。

針對4個連桿機器人焊接工位，由于機器人采用倒掛安裝方式，可上下升降，高度較高，設(shè)計使用可隨機器人來回移動的可滑動吸風(fēng)罩捕捉焊接煙塵，吸風(fēng)罩配置滑動吸風(fēng)道，保證煙塵捕捉的持續(xù)性。

針對16個人工拼裝工位，每個工位一臺焊機，工件也需要吊裝，工位范圍較大，但焊接量較小，為此設(shè)計使用延伸吸氣臂+活動吸氣臂的方式捕捉焊接煙塵，延伸臂末端承重不低于80 kg，可將送絲機懸掛在延伸臂末端，方便現(xiàn)場工人來回移動焊接。

由于拼裝工位和車間立柱之間有寬度為 4.5 m 的安全通道，拼裝工位自身尺寸為8 m×7.5 m，將延伸臂安裝在車間立柱上不能覆蓋拼裝工位全部工作范圍，因此設(shè)計在拼裝工位旁邊做延伸臂安裝立柱，使用長度6 m延伸臂+長度3 m活動吸氣臂捕捉焊接煙塵，以保證能覆蓋整個作業(yè)面。

4 設(shè)計計算

使用吸風(fēng)罩工位風(fēng)量計算：

根據(jù)工件尺寸，每個工位設(shè)計使用一個尺寸為 2.5 m×2 m 的吸風(fēng)罩捕捉焊接煙塵，為提高風(fēng)速及煙塵捕捉效果，罩口下方安裝導(dǎo)流板，實際進風(fēng)面積只有罩口尺寸的1/4，同樣風(fēng)量情況下，進風(fēng)口風(fēng)速提高4倍，煙塵捕捉效果更好，能夠有效減少設(shè)備投入及能耗，達到節(jié)能降耗的目的。

吸風(fēng)罩風(fēng)量計算如下：

罩口面積：2.5 m×2 m=5 m2

安裝導(dǎo)流板后的實際進風(fēng)面積：

5 m2×1/4 =1.25 m2

進風(fēng)口設(shè)計風(fēng)速：1 m/s

回形罩設(shè)計風(fēng)量：

1.25 m2×1 m/s×3 600 s/h = 4 500 m3/h

按照風(fēng)量計算結(jié)果及招標(biāo)文件風(fēng)量要求，每個吸風(fēng)罩的設(shè)計風(fēng)量為 5 000 m3/h。

本項目設(shè)計使用直徑Φ160 mm的活動吸氣臂，吸氣臂長度3 m，每條吸氣臂設(shè)計風(fēng)量為1 000 m3/h。當(dāng)吸氣口吸氣時，在吸氣口附近形成負壓，周圍空氣從四面八方流向吸氣口，形成吸入氣流，實現(xiàn)捕捉含塵空氣的目的。吸塵點風(fēng)速與吸塵點到吸氣口的距離的平方成反比，因此應(yīng)盡量減少焊接點與吸塵口的距離，以提高煙塵捕捉效率。

吸氣臂直徑160 mm，按1 000 m3/h的設(shè)計風(fēng)量計算吸氣口處的風(fēng)速為 15.2 m/s，一倍直徑處的風(fēng)速只有 1.14 m/s，另外對于CO2氣體保護焊，為保證焊接質(zhì)量，焊接區(qū)環(huán)境風(fēng)速必須小于2 m/s，建議污染源到吸氣臂吸氣口的距離在200～300 mm。

同等風(fēng)速范圍情況下，管徑越大，摩擦阻力越小，取平均3 Pa/m計算沿程管道摩擦阻力，此項目設(shè)計方案中，最遠點吸風(fēng)點距離除塵系統(tǒng)的距離為100 m，則直管運行阻力最大為300 Pa。

局部運行阻力計算公式如下：

Z=ξ*ρ*υ2/2[3]

式中：Z為局部阻力,Pa；ξ為局部阻力系數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；υ為空氣流速，m/s。

此次選用1倍直徑的 90°彎頭，查表得出局部阻力系數(shù)ζ=0.23，空氣密度=1.293×(實際壓力/標(biāo)準(zhǔn)物理大氣壓)×(273.15/實際絕對溫度)，絕對溫度=攝氏溫度+273.15，20℃時，空氣密度取1.205 kg/m3。焊接煙塵的濃度單位為5 mg/m3，對于空氣密度 1.205 kg/m3，可忽略不計，因此計算阻力時取空氣密度 1.205 kg/m3。

使用吸塵罩和吸氣臂的彎頭摩擦阻力計算如下：

吸塵罩：

Z=0.23×1.205×11.05×11.05/2 = 16.92 Pa

吸氣臂：

Z=0.23×1.205×8.84×8.84/2 = 10.83 Pa

本次選用擴散式傘形風(fēng)帽，最大煙囪直徑為1 700 mm，排風(fēng)風(fēng)速 9.79 m/s，傘形風(fēng)帽高度0.5 m，查表得出局部阻力系數(shù)ζ=0.8，其局部阻力計算如下：

傘形風(fēng)帽：

Z=0.8×1.205×9.79×9.79/2=46.2 Pa

除塵器的初始運行阻力為450 Pa左右，終阻力為1 200 Pa。

綜合上述各計算結(jié)果，使用吸塵罩和吸氣臂的系統(tǒng)運行阻力分別計算如下：吸塵罩系統(tǒng)：系統(tǒng)運行阻力=罩口設(shè)計余壓+彎頭局部阻力+管道摩擦阻力+除塵器終阻力+傘形風(fēng)帽局部阻力= 300 Pa+16.92 Pa×4+300 Pa+1 200 Pa+ 46.2 Pa = 1 914 Pa

吸氣臂系統(tǒng)：系統(tǒng)運行阻力=吸氣臂阻力+彎頭局部阻力+管道摩擦阻力+除塵器終阻力+傘形風(fēng)帽局部阻力= 1 050 Pa+10.83 Pa×4+300 Pa+1200Pa+46.2Pa=2640Pa

按照上述運行阻力計算，且考慮后期工藝變動帶來的系統(tǒng)調(diào)整，所選用的風(fēng)機需要保證在設(shè)計風(fēng)量的工作點能產(chǎn)生不小于 3 000 Pa 的靜壓。

根據(jù)上述計算結(jié)果，各系統(tǒng)選擇風(fēng)機型號如表1所列。為節(jié)約用電，所有風(fēng)機電機均采用變頻控制，焊接工位焊機與吸風(fēng)罩閥門具有聯(lián)動功能，以達到節(jié)能降耗的目的。

表1 各系統(tǒng)風(fēng)機型號參數(shù)

選用多級過濾除塵器，集阻火過濾器、阻燃型納米纖維濾筒和活性炭纖維過濾器為一體[4]，過濾器濾筒采用Nanofiber濾材，它的基材采用一種非機織結(jié)構(gòu)混紡聚酯粘合技術(shù)制作而成，表面覆納米纖維涂層，適用于過濾極微細粉塵(0.1～0.5 μm)過濾，具有過濾效率高、塵餅剝離效果好、低阻力和過濾風(fēng)量大等特性，且在脈沖的作用下，灰塵顆?？梢员环浅］p松地吹出表面層，保持中間介質(zhì)的潔凈性。

按照以上參數(shù)選擇除塵器及風(fēng)機，安裝管道及煙塵收集裝置后，滿負荷作業(yè)時車間內(nèi)煙塵收集率超過75%，經(jīng)環(huán)保檢測機構(gòu)檢測，排放氣體顆粒物濃度為3.2 mg/m3，總體煙塵濃度2.4 mg/m3；除塵風(fēng)機加裝隔音房后，設(shè)備運行噪音為65dB，滿足DB37/2376-2019《山東省大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》及《工業(yè)企業(yè)噪聲控制設(shè)計規(guī)范》要求。

6 結(jié) 語

筆者針對液壓支架結(jié)構(gòu)件車間不同焊接工位的特點，科學(xué)合理的選擇焊接煙塵收集方式，盡可能提高粉塵捕捉率，配套相應(yīng)的除塵器及風(fēng)機，較好的解決了結(jié)構(gòu)件車間焊接煙塵收集及排放問題，車間內(nèi)作業(yè)環(huán)境明顯改善，為后續(xù)焊接車間建設(shè)積累了寶貴的數(shù)據(jù)及經(jīng)驗。