劉曉剛，孫 紅，吳俊辰，鄭利華

(1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545006； 2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

乳膠醫(yī)用手套是柔軟、彈性大、韌性好的防護(hù)用品[1]。后硫化是乳膠制品生產(chǎn)的重要工序，目的是提高乳膠制品的彈性和韌性[2]。目前國內(nèi)在乳膠制品后硫化過程中大都采用人工打撈。操作者處于高溫高濕的工作環(huán)境，勞動強(qiáng)度大，影響身心健康；工作效率低下，嚴(yán)重影響乳膠手套的生產(chǎn)。尤其是在2020年初新冠疫情之下，醫(yī)用手套作為重要的醫(yī)療物資且為一次性消耗品，全球?qū)︶t(yī)用手套的需求激增，滿足不了市場需求，因此，生產(chǎn)過程的自動化是必然趨勢[3]。

針對目前乳膠手套生產(chǎn)行業(yè)的后硫化生產(chǎn)現(xiàn)狀，筆者主要提出一種方法，在乳膠醫(yī)用手套后硫化工序中使用負(fù)壓抽吸的技術(shù)實(shí)現(xiàn)固液分離目的，從而有效地提高分離醫(yī)用手套的效率，降低工人勞動強(qiáng)度，通過分析影響分離效率的主要因素，為提高固液分離裝置的研發(fā)和生產(chǎn)有針對性的提供指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 應(yīng)用原理

根據(jù)管道中的流量計(jì)算公式，即謝才公式[6]：

(1)

式中:C為管道的謝才系數(shù)為：

(2)

式中:R為管道的水力半徑；A為管道的過流面積；J為水力坡度為：

(3)

式中:ΔP為管道兩端的壓力差；ρ為液體密度；g為加速度；L為管道長度；S為管道的摩阻系數(shù)；S=0.009～0.033。

由式(2)、(3)，采用流體恒定非均勻變流的推導(dǎo)公式為：

(4)

(5)

式中：Z1為上游斷面水位；Z2為下游斷面水位；A1為上游過水?dāng)嗝婷娣e；A2為下游過水?dāng)嗝婷娣e；?為動能修正系數(shù)，計(jì)算時取1；ξ在計(jì)算過程中取0，醫(yī)用手套在管道中運(yùn)動的情況，是恒定非均勻變流的，與該公式原理具有相似性。

1.2 試驗(yàn)樣機(jī)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣機(jī)裝置包括抽吸裝置、負(fù)壓發(fā)生及調(diào)壓裝置(見圖1)。抽吸裝置包括PPR排水管、PVC鋼絲抽料管、固液分離密封腔、抽水泵、水位傳感器(測量范圍：0～1 m；精度：1 mm；介質(zhì)溫度：-20～90 ℃)及后硫化反應(yīng)池；負(fù)壓發(fā)生及調(diào)壓裝置包括真空泵、真空罐、截止閥及智能數(shù)字壓力表(量程-0.1～0 MPa,準(zhǔn)確度等級0.5級)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖1.真空罐 2.真空泵 3.截止閥A 4.水位傳感器 5.截止閥B 6.智能數(shù)字壓力表 7.固液分離密封腔 8.PPR水管 9.抽水泵 10.PVC鋼絲抽料管 11.后硫化反應(yīng)池

1.2.1 抽水泵選定

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的抽水泵選擇噴射自吸泵。噴射自吸泵的流量由系統(tǒng)設(shè)計(jì)最小抽水流量確定，該抽水泵的進(jìn)出口的材料是不銹鋼的，耐腐蝕性能好，其計(jì)算公式為(6)[7]:

(6)

式中：Qdp為抽水泵設(shè)計(jì)流量，m3/h；Qmin為抽水管道最小設(shè)計(jì)流量，m3/s；Vmin為抽水管道最小設(shè)計(jì)流速，m/s；d為抽水管道管徑，m；β為安全系數(shù)，取1.5。

此實(shí)驗(yàn)中抽水管道管徑為30 mm，抽水管道最小設(shè)計(jì)流速為2 m/s，抽水泵設(shè)計(jì)流量為7.63 m3/h,按此標(biāo)準(zhǔn)選出型號為25WBZ6-18的抽水泵，該抽水泵流量為8 m3/h，功率750 W，揚(yáng)程19m,口徑DN25*25 cm。

1.2.2 固液分離密封腔體積

此實(shí)驗(yàn)中選用的抽水泵流量Qdp為8 m3/h，抽水泵設(shè)計(jì)排水時間最大為5 min，固液分離密封腔體積公式:

Qdp=Vdp×t

(7)

式中：Qdp為抽水泵設(shè)計(jì)流量，m3/h；Vdp為固液分離密封腔設(shè)計(jì)體積，m3；t為排水時間，h。

此實(shí)驗(yàn)中選用的抽水泵流量為8 m3/h，抽水泵設(shè)計(jì)排水時間最大為3 min，該固液分離密封腔的設(shè)計(jì)體積為0.4 m3，由于固液分離密封腔內(nèi)是負(fù)壓環(huán)境，在工作時負(fù)壓較大，對其內(nèi)壁會產(chǎn)生較大應(yīng)力，所以將其設(shè)計(jì)正方形的形狀，即固液分離密封腔的體積為0.343 m3，是長寬高均為0.7 m的正方形密封腔體，如圖2所示。

另外，實(shí)驗(yàn)中選用的固液分離密封腔的材料是有機(jī)玻璃(PmmA板)，其主要成分是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成，具有高度透明性、耐候及耐酸堿性強(qiáng)、可塑性強(qiáng)、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、環(huán)?？苫厥沼譄o毒無害的性能，主要應(yīng)用于建筑、廣告、交通、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、照明等行業(yè)中。

1.2.3 PVC鋼絲抽料管

此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的抽料管采用的是PVC鋼絲抽料管，如圖3所示，PVC鋼絲抽料管內(nèi)外管壁均勻光滑、耐壓、耐腐蝕、耐酸堿、可曲撓性較好、耐負(fù)壓能力強(qiáng)，在真空狀態(tài)下保持原形等優(yōu)點(diǎn)。PVC鋼絲抽料管的尺寸由提取物大小、提取物密度、管的曲撓性確定，其管道管徑分別設(shè)置為φ80 mm、φ100 mm、φ130 mm、φ150 mm、φ180 mm。

圖2 固液分離密封腔模型 圖3 PVC鋼絲抽料管

1.2.4 真空泵選定

此實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)真空度范圍在-1.0～-22.0 kPa,屬于低真空范圍，并且被抽氣體中含有水汽雜質(zhì)，選用旋片式真空泵，真空泵抽氣量由公式(8)計(jì)算[8]：

(8)

式中：S為真空泵抽氣速率，L/s；V為真空室容積，L；t為達(dá)到要求真空度所需時間，s；P1為初始真空度；P2為要求真空度。

此實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定最大真空度為-21.0 kPa,最小真空度為-10.0 kPa,經(jīng)計(jì)算，真空泵抽氣速率約為5.94 L/s,按此標(biāo)準(zhǔn)選出型號為vp1500的兩個真空泵，如圖4所示，該泵抽氣速率6 L/s，功率1 500 W。安裝尺寸為32×17×32 cm；質(zhì)量20.5 kg。

圖4 真空泵的選定

1.3 腔體的進(jìn)料孔尺寸計(jì)算

固液分離封閉腔體尺寸為700×700×700 mm的正方體，一面有直徑為φ200 mm的孔，板材厚度30 mm，以φ200 mm孔的對立面為固定面，對該腔體進(jìn)行ANSYS仿真分析。其中，施加載荷為3 N/cm2的均布載荷施加到每個面上，均受壓力。該腔體應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖如圖6所示。從圖5可以看出，固液分離封閉腔最大應(yīng)力在最大面積薄板的邊緣處，存在于有孔一面，最大應(yīng)力6.1473 MPa；從圖5可以看出，固液分離封閉腔的最大位移存在于有孔一面，位移量從有孔中心往四面逐漸減小，最大位移為0.313 49 mm。

表1為密封腔體屬性及力學(xué)特性參數(shù)。

表1 密封腔體的屬性及力學(xué)特性

圖5 固液分離密封腔云圖

取最大液體沖擊壓力為6 MPa，qW=6 MPa，qC=hρC(h為有機(jī)玻璃的厚度30 mm，ρC為有機(jī)玻璃的重量密度11.61 kN/m3)計(jì)算，γW為1.4，γC為1.2，ψW為腔體裝配載荷系數(shù)1，得到公式q0[9]：

q0=ψWγWqW+γCqC=8.4 MPa

(9)

實(shí)際情況固液分離腔體四周都有加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的重量為腔體重量的20%，所以腔體裝配載荷，q=(1+20%)q0=10.08 MPa在腔體裝配載荷作用下的最大應(yīng)力σ由式(10)計(jì)算[9]:

(10)

式中：ψ1為彎矩系數(shù)0.395，η為0.9，l為短邊長度0.7 m，經(jīng)過計(jì)算得到的最大應(yīng)力σ為117.01 MPa，大于有機(jī)玻璃的抗彎強(qiáng)度130 MPa，因此φ200 mm的進(jìn)料孔強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，由于套筒厚度為10 mm，所以經(jīng)過重新計(jì)算直徑為φ180 mm的進(jìn)料管滿足設(shè)計(jì)要求。在多次實(shí)驗(yàn)中為了保證該裝置的安全性和可靠性，得出進(jìn)料孔的尺寸應(yīng)不大于直徑φ200 mm，選取直徑φ180 mm的進(jìn)料管。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)料口結(jié)構(gòu)

由圖6可以看出，對于不同管徑的無漏斗抽料管而言，負(fù)壓值與手套密度α在負(fù)壓范圍內(nèi)是基本呈正比關(guān)系，在負(fù)壓值范圍內(nèi)，隨著抽料管管徑增加，手套密度α也隨之增加，即該實(shí)驗(yàn)過程流量、流速減小。當(dāng)最低管徑為φ50 mm的負(fù)壓值達(dá)到-21 kPa的極限情況下，其手套密度為1.07個/dm3；當(dāng)最高管徑為φ180 mm的負(fù)壓值達(dá)到-21 kPa的極限情況下，其手套密度為5.99個/dm3。

圖6 無漏斗抽料管負(fù)壓值與手套密度的關(guān)系

由圖7可以看出，對于不同管徑的有漏斗抽料管，負(fù)壓值與手套密度在負(fù)壓范圍內(nèi)是基本保持線性關(guān)系，這六種管徑的數(shù)據(jù)差別比較大。在負(fù)壓值一定情況下，管徑越大抽料管抽吸的手套密度越高，流量減小。手套密度0～3個/dm3范圍內(nèi)，帶漏斗的φ100 mm、φ120 mm、φ150 mm、φ180 mm抽料管數(shù)據(jù)相差不大，基本保持一致；手套密度3～6個/dm3范圍內(nèi)，四種管徑的抽料管抽吸手套破封所需的最大負(fù)壓有明顯變化，流量增大。

圖7 有漏斗抽料管負(fù)壓值與手套密度的關(guān)系

這可能是與抽料管口的漏斗開口大小有關(guān)系，這四種管徑所使用的漏斗開口大小一致，因此，當(dāng)手套密度對管徑影響較小時，未發(fā)生“堵塞”現(xiàn)象，漏斗開口大小對抽吸手套密度影響較大；隨著手套密度增加漸漸發(fā)生“堵塞”現(xiàn)象，漏斗的開口大小對抽吸手套效率影響較小，管徑大小對抽吸手套破封所需的最大負(fù)壓影響較大。

由圖8 可以看出，當(dāng)達(dá)到極限負(fù)壓值情況下，有漏斗的抽料管比無漏斗的抽料管抽吸的手套密度高。直徑φ50 mm，有漏斗抽料管抽吸的手套密度為1.50個/dm3，無漏斗抽料管抽吸的手套密度為1.07個/dm3，有漏斗比無漏斗的抽料管效率高28.7%，直徑φ180 mm，有漏斗抽料管抽吸的手套密度為6.84個/dm3，無漏斗抽料管抽吸的手套密度為5.99個/dm3，有漏斗比無漏斗的抽料管效率高12.4%，得出有漏斗的抽料管比無漏斗的抽料管工作效率高，流量大。

圖8 有無漏斗抽料管管徑與手套密度的比較

2.2 進(jìn)料口漏斗傾角

選用抽料管D=150 mm，漏斗開口為300 mm，高度為230 mm。流體流經(jīng)漏斗，流股同時發(fā)生收縮，形成縮脈在漏斗中，若漏斗總高度不變，只改變傾角則開口大小隨之改變，受加工工藝要求，漏斗傾角不能小于20°，所以設(shè)置傾角為20°～60°。改變傾角計(jì)算液體流量，液體流量曲線與漏斗傾角關(guān)系如圖9所示。

圖9 流量與傾角的關(guān)系

體積流量在抽料管管徑、漏斗開口直徑和漏斗傾斜角取值合適時, 可得到穩(wěn)定的體積流量;當(dāng)抽料管管徑和漏斗總高度保持不變, 漏斗傾斜角遞增變化時, 體積流量隨傾斜角度增大而減小, 這表明漏斗中液體在負(fù)壓作用下抽入抽料管中, 當(dāng)漏斗傾角增大時, 一方面液體在漏斗里的自重增大，使流速減慢；另一方面在漏斗傾斜角增大，漏斗的開口直徑減小，所以液體中的醫(yī)用手套聚集在漏斗周圍的減少，總流速減緩[10]。用ANSYS方法擬合的液體流量與漏斗傾角關(guān)系，流量與傾角關(guān)系式為:

Q=-0.087θ3+1.891θ2+84.324

(11)

2.3 氣泡對段塞管道

為使管道內(nèi)流體流動，猶如人體的血液通過心臟加壓一樣，需要利用空氣泵產(chǎn)生的負(fù)壓作為推動力持續(xù)工作。研究過程中發(fā)現(xiàn)在液體中的醫(yī)用手套密度過大時，管道會發(fā)生堵塞現(xiàn)現(xiàn)象，這種堵塞的特點(diǎn)是液體中的物料卡在管道中某一段，壓力泵持續(xù)工作減壓，需要更大的負(fù)壓推動力，所以會導(dǎo)致管道壓力波動劇烈，管道出口物料與液體瞬時流量變化較大，從而使固液分離裝置和泵承受間歇性的應(yīng)力沖擊波動，對分離醫(yī)用手套作業(yè)造成了極大的干擾和危害。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)通過間隙控制氣泡數(shù)量，間隙加壓，管道內(nèi)的壓力在上下浮動，激發(fā)管道系統(tǒng)發(fā)生振動[11]。設(shè)定長為3 m，直徑0.15 m的水平管道，左側(cè)為流入口，右側(cè)為流出口，同時左側(cè)有1個進(jìn)氣口，直徑為5 mm。設(shè)管道內(nèi)均勻定量給空氣速度，觀察智能數(shù)字壓力表上的負(fù)壓值和液體的總流量變化。

最大負(fù)壓值和空氣速度關(guān)系如圖10所示，從圖可看出，空氣速度遞增時, 最大負(fù)壓值隨之減小。當(dāng)空氣速度為0 m/s時，表示沒有在管道中通入空氣，此時管道堵塞時顯示的最大負(fù)壓值為19.80 kPa，用最小二乘法擬合的空氣速度與最大負(fù)壓值關(guān)系，空氣速度與最大負(fù)壓值關(guān)系式為:

y=-0.141x3+1.549x2-6.493x+19.642

(12)

式中：x為空氣速度；y為最大負(fù)壓值。

圖10 最大負(fù)壓值與空氣速度的關(guān)系

液體總流量曲線與空氣速度關(guān)系如圖11所示，從圖可看出，空氣速度遞增變化時, 液體總流量先是隨之增大但變化速率在逐步變小，空氣速度在3 m/s，液體總流量達(dá)到峰值79.23 cm3/s后迅速減小，因?yàn)闅怏w剛剛注入時，管道內(nèi)漸漸堵塞，氣體加入使得堵塞迅速降下去，流量增大，負(fù)壓值隨之降低；到一定時刻氣體速度大小增加，液體總流量到達(dá)峰值保持再繼續(xù)增加氣體，那么固液分離系統(tǒng)的整體負(fù)壓會降低，雖然管道中堵塞現(xiàn)象大大好轉(zhuǎn)，但是系統(tǒng)的推動力不足，所以液體總流量減小。綜上可見給段塞的管道加入少許氣體，空氣速度為3 m/s使得整體分離效率最大。用最小二乘法擬合的空氣速度與液體總流量關(guān)系，x為空氣速度，y為液體總流量，空氣速度與液體總流量關(guān)系式為：

圖11 液體總流量與空氣速度的關(guān)系

y=-8.545x2+47.169x+8.067

(13)

2.4 管徑與壓差的數(shù)值關(guān)系

不同的管徑分離手套的流量不同，智能數(shù)字壓力表上的負(fù)壓值隨管徑的變化有明顯的變化，為了能夠表現(xiàn)管徑與壓差之間的關(guān)系，設(shè)定在手套密度α為1.50個/dm3一定情況下，使用有漏斗結(jié)構(gòu)的進(jìn)料口進(jìn)行數(shù)值對比，每種管徑在同等情況下進(jìn)行10組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去掉最大值和最小值，用剩下8組數(shù)據(jù)的平均值，與其他不同管徑實(shí)驗(yàn)下的最大負(fù)壓值進(jìn)行對比。

圖12 負(fù)壓值與抽料管管徑的關(guān)系

擬合的趨勢線如圖12，由圖可知，有漏斗的進(jìn)料口結(jié)構(gòu)工作，其中管徑與破封負(fù)壓值呈遞減關(guān)系，主要原因是：隨著抽料管管徑增加，管徑大的抽料管推動力能夠推動手套在管中的運(yùn)動，醫(yī)用手套在管中發(fā)生堵塞情況好轉(zhuǎn)，手套在管中運(yùn)動所需的破封負(fù)壓值隨之減小。當(dāng)抽料管管徑為φ50 mm的情況下，其手套破封負(fù)壓值為-20.70 kPa；當(dāng)抽料管管徑為φ180 mm的情況下，其手套破封負(fù)壓值為-7.60 kPa，手套在抽料管中堵塞情況較流暢，因此需要較小的負(fù)壓推動力即可。對趨勢線進(jìn)行曲線擬合，用x表示管徑，y1表示最大負(fù)壓值，可得到回歸函數(shù)如下：

y1=0.857x2-8.414x+27.9

(14)

2.5 管徑與手套密度的數(shù)值關(guān)系

后硫化池中放入醫(yī)用手套進(jìn)行后硫化處理的實(shí)驗(yàn)過程中，隨著放入手套數(shù)量的增加，管中發(fā)生堵塞現(xiàn)象越嚴(yán)重，智能數(shù)字壓力表上的負(fù)壓值越大，為了能表現(xiàn)管徑與手套密度的關(guān)系，設(shè)定負(fù)壓值-18 ka的情況下，使用有漏斗結(jié)構(gòu)的進(jìn)料口進(jìn)行數(shù)值對比，每種管徑在同等情況下進(jìn)行10組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)去掉最大值和最小值，取剩下8組數(shù)據(jù)的平均值，與其他不同管徑實(shí)驗(yàn)下的手套密度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。擬合的趨勢線如圖13。

圖13 手套密度與抽料管管徑的關(guān)系

由圖可知，有漏斗的進(jìn)料口結(jié)構(gòu)工作，其中管徑與手套密度值呈遞增關(guān)系，當(dāng)抽料管管徑為φ50 mm的情況下，其手套密度為1.02個/dm3，抽料管能抽吸的最大手套密度數(shù)值較小；當(dāng)抽料管管徑為φ180 mm的情況下，其手套密度為6.05個/dm3，抽料管中能抽吸的最大手套密度數(shù)值大。對趨勢線進(jìn)行曲線擬合，用x表示管徑，y2表示手套密度值，可得到回歸函數(shù)如下：

y2=0.036x4-0.425x3+1.589x2-1.167x+0.972

(15)

將上述回歸方程式(14)、(15)代入公式(4)中：

(16)

式中：x∈[0.05,0.18]；g為9.8 m/s2；S為0.02；L為3 m；ΔP為負(fù)壓推動力，即y1；ρ為液體粘度，即y2。從公式(16)中無法清晰看出管徑x與流量Q的關(guān)系，現(xiàn)用matlab軟件將公式的數(shù)值關(guān)系表達(dá)出來，如圖14所示。

圖14 流量與抽料管管徑的數(shù)值擬合曲線

由圖14中可清晰看出，隨著管徑的增大，流量逐漸增大，由對腔體進(jìn)行仿真分析可知，進(jìn)料口的孔徑選擇φ180 mm符合設(shè)計(jì)要求。當(dāng)管徑取φ180 mm時，流量Q達(dá)到最大值，為7.444 m3/h，因此在保證固液分離裝置的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的情況下，選擇管徑為φ180 mm的抽料管，實(shí)現(xiàn)了最大流量輸出。

3 結(jié) 論

(1) 通過對醫(yī)用手套自動化實(shí)現(xiàn)程度分析和醫(yī)用手套的物理特性提出一種利用負(fù)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)固液分離方法，設(shè)計(jì)出分離醫(yī)用手套的分離裝置，減輕人工勞動強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本。

(2) 通過樣機(jī)試驗(yàn)，分析影響流量主要因素，得到該分離裝置的最佳工作參數(shù)，綜合改善裝置的進(jìn)料管尺寸、進(jìn)料口結(jié)構(gòu)、加入空氣速度等多項(xiàng)指標(biāo)，使得流量明顯增大。

(3) 通過實(shí)際分離醫(yī)用手套的系統(tǒng)試驗(yàn)，驗(yàn)證利用負(fù)壓作為推動力的分離裝置有效提高生產(chǎn)效率的目的，同時為乳膠制品的后硫化工藝上提供了一種新型的解決方法。