木工氣力吸塵效率影響因素的實(shí)驗(yàn)與理論分析

滕達(dá)

摘要：為了研究采用吸塵口吸塵的氣力吸塵設(shè)備的吸塵效率，針對(duì)小規(guī)模木工加工空間的集塵設(shè)備，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該類(lèi)型的吸塵工況進(jìn)行了模擬。從各種影響吸塵效率的因素中，選取風(fēng)機(jī)功率和吸塵口的設(shè)置兩個(gè)主要的因素進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了理論分析。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)及理論分析結(jié)果，分析了如何從吸塵的兩個(gè)主要因素上提高木工吸塵設(shè)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(guān)鍵詞：氣力吸塵;木粉塵;實(shí)驗(yàn)?zāi)M;吸塵效率

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

中圖分類(lèi)號(hào)：X502 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）27-0162-03

0 ?引言

在木材的加工過(guò)程中，包括木材的刨、銑、打磨等，都會(huì)產(chǎn)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(yīng)，同時(shí)木粉塵也是一種致癌物質(zhì)[1]，吸入大量的木粉塵會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。另外，由于木粉塵具有易燃的特性，在加工過(guò)程中濃度達(dá)到一定程度時(shí)，遇到明火極易產(chǎn)生燃燒爆炸，是纖維類(lèi)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展，個(gè)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(lái)越多，這些人缺乏規(guī)范的職業(yè)防護(hù)能力，缺少專(zhuān)業(yè)的降塵除塵設(shè)備，他們長(zhǎng)時(shí)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(guò)程的除塵尤其是未來(lái)小空間的除塵措施會(huì)變得更加重要。

目前現(xiàn)有的木工除塵設(shè)備吸塵口設(shè)計(jì)大體分為三類(lèi)：一類(lèi)是吸塵口與終端的木工加工設(shè)備集塵口相連接，集塵口在木工加工設(shè)備生產(chǎn)的過(guò)程中已經(jīng)設(shè)計(jì)好，直接與吸塵口連接即可。第二類(lèi)是工作區(qū)域的工作臺(tái)將集塵口擴(kuò)大成柵格狀，從側(cè)方和下方吸塵，擴(kuò)大吸塵面積，一般用在木工打磨工作臺(tái)上。第三類(lèi)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(méi)有集塵罩或者集塵罩較小，同時(shí)離塵源有一定的距離。由于第三類(lèi)吸塵口的設(shè)計(jì)較為靈活，而且占地體積小，設(shè)備的安裝經(jīng)濟(jì)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(duì)第三類(lèi)吸塵口設(shè)計(jì)的吸塵設(shè)備進(jìn)行分析研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析，得出提高該種類(lèi)的設(shè)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(fēng)機(jī)功率、管道長(zhǎng)度、管道直徑、吸塵口的分布等。其他諸如管道走線的設(shè)計(jì)、吸塵口的角度等也會(huì)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(shè)備較少，工作臺(tái)位置相對(duì)固定，因此管道走線的設(shè)計(jì)以及管道的長(zhǎng)度都相對(duì)固定，管道直徑按照經(jīng)驗(yàn)選擇，因此在影響因素的分析上都不單獨(dú)討論，本文主要從風(fēng)機(jī)功率以及管道口的分布兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

2 ?實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)的目的主要是通過(guò)改變風(fēng)機(jī)功率以及吸塵口的設(shè)置，對(duì)比不同工況下的木粉塵量，分析不同因素對(duì)于吸塵效率的影響。實(shí)驗(yàn)收集木粉塵采用的方法是稱(chēng)重法，實(shí)驗(yàn)前要保證實(shí)驗(yàn)設(shè)備管道干凈無(wú)異物，實(shí)驗(yàn)管道不使用彎頭，管道直徑150mm長(zhǎng)度盡量短，否則實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)之前都要將管道及濾網(wǎng)清洗干凈。實(shí)驗(yàn)設(shè)備選取的是某品牌靜音風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)有三檔，高檔參數(shù)為風(fēng)量530m3/h，風(fēng)壓300Pa，中檔風(fēng)量410m3/h，風(fēng)壓240Pa，低檔風(fēng)量284m3/h，風(fēng)壓160Pa。塵源選擇打磨過(guò)程產(chǎn)生的木粉塵，選擇的打磨設(shè)備為砂紙機(jī)，使用的砂紙目數(shù)為180目，砂紙每次實(shí)驗(yàn)前更換，砂紙機(jī)需要對(duì)散熱孔及吸塵口進(jìn)行封閉處理，防止在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，砂紙機(jī)吸塵口產(chǎn)生的氣流擾亂木粉塵的擴(kuò)散，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。由于砂紙機(jī)的散熱孔封閉，單次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，時(shí)間取5分鐘整。由于實(shí)驗(yàn)的時(shí)間較短，因此實(shí)驗(yàn)材料要選擇質(zhì)地較軟，易打磨的木材，因此實(shí)驗(yàn)材料選擇松木指接板，尺寸為300mm*300mm，板材周?chē)訐醢濉?/p>

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

①打開(kāi)砂紙機(jī)，置于檔位1，將工作的砂紙機(jī)放置在實(shí)驗(yàn)板材上，待穩(wěn)定工作20秒后，啟動(dòng)除塵風(fēng)機(jī);

②除塵風(fēng)機(jī)工作5分鐘后，依次關(guān)閉除塵風(fēng)機(jī)和砂紙機(jī)電源，靜置1分鐘;

③收集管道內(nèi)部以及集塵袋上的木粉塵進(jìn)行稱(chēng)重測(cè)量，清洗管道內(nèi)壁以及集塵袋，晾干后準(zhǔn)備下次實(shí)驗(yàn);

④每組工況進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

3 ?實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及理論研究

3.1 實(shí)驗(yàn)可靠性驗(yàn)證

首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的可靠性驗(yàn)證。以風(fēng)機(jī)低檔功率運(yùn)行，單吸塵口吸塵，實(shí)驗(yàn)五次取得的數(shù)據(jù)如表1。

通過(guò)表1發(fā)現(xiàn)，5次實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)偏差較大，證明實(shí)驗(yàn)的可信度較低。分析整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，設(shè)備的運(yùn)行較穩(wěn)定，唯一產(chǎn)生改變的是除塵濾網(wǎng)進(jìn)行過(guò)清洗，因此考慮是由于濾網(wǎng)進(jìn)行清洗過(guò)后，濾網(wǎng)上的過(guò)濾孔產(chǎn)生改變導(dǎo)致通透性改變，影響了吸塵的風(fēng)量。為此每次重新實(shí)驗(yàn)前都使用新的濾網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

改變實(shí)驗(yàn)方案后，重新測(cè)得以風(fēng)機(jī)低檔功率運(yùn)行，單吸塵口吸塵工況條件下，數(shù)據(jù)如表2。

表2數(shù)據(jù)表明，更改實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案是有效的。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及分析

以單吸塵口運(yùn)行的工況下，分別以風(fēng)機(jī)的高中低三檔功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

通過(guò)表3可以看出在以高功率運(yùn)行的情況下，吸塵量得到顯著的提升，但是對(duì)比風(fēng)量提升的比例，吸塵量沒(méi)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(fēng)機(jī)高中低三檔功率運(yùn)行的條件下，改變吸塵口的數(shù)量，由原來(lái)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。

通過(guò)表4可以看出改用雙吸塵口結(jié)構(gòu)以后，吸塵量得到了顯著的提升。中檔風(fēng)機(jī)功率的情況下，改用雙吸塵口的吸塵量已經(jīng)超過(guò)了高檔情況下單吸塵口的吸塵量。

4 ?實(shí)驗(yàn)的理論分析

對(duì)幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差較小，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)的有效性及可靠度都較高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的個(gè)別數(shù)據(jù)偏差較大的原因可能是由于濾網(wǎng)的加工質(zhì)量不盡相同，因此導(dǎo)致個(gè)別實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大，對(duì)于偏差較大的數(shù)據(jù)不納入數(shù)據(jù)分析，以減小實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。

根據(jù)以上不同的實(shí)驗(yàn)工況，將表3和表4進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，得出圖1。

通過(guò)圖1可以看出，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的提高，風(fēng)機(jī)的吸塵量顯著提高，因?yàn)殡S著風(fēng)量的提高，吸塵口附近真空度得以增加，空氣進(jìn)入管道的流速也會(huì)相應(yīng)增加，會(huì)有更多的木粉塵進(jìn)入管道。從圖1的斜率也可以看出，對(duì)比風(fēng)壓由284m3/h增大至410m3/h的階段和410m3/h增大至530m3/h兩個(gè)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(shuō)吸塵效率下降了。分析產(chǎn)生的原因，根據(jù)流體力學(xué)原理[4]，空氣在橫斷面形狀不變的管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，摩擦阻力按下式計(jì)算：

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

其中，RS=f/C。 對(duì)于圓形的風(fēng)管，摩擦阻力計(jì)算公式可改寫(xiě)為：

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

由于 Δpm=Rml， 那么圓形風(fēng)管單位長(zhǎng)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(shù);v為風(fēng)管內(nèi)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(fēng)管長(zhǎng)度，單位m;RS為風(fēng)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(zhǎng)，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(fēng)量的增加，管道流速也相應(yīng)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(huì)被減弱，同時(shí)由于摩擦阻力的增大，木粉塵會(huì)堆積在管壁上，進(jìn)一步降低吸塵效率。

根據(jù)圖1還可以得出在不改變風(fēng)機(jī)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(fēng)量410m3/h的風(fēng)機(jī)功率下，采用雙吸塵口的吸塵量已經(jīng)超過(guò)了風(fēng)量530m3/h工況下的吸塵量。雙吸塵口效率高與木粉塵的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)有關(guān)，木粉塵的產(chǎn)生分兩部分[5]：

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

②刀具在進(jìn)給過(guò)程中高速轉(zhuǎn)動(dòng)形成的紊流脈動(dòng)作用使產(chǎn)生的塵粒、木屑間形成碰撞產(chǎn)生新的木粉塵。

在這兩部分作用共同的結(jié)果下，木粉塵由塵源產(chǎn)生處，向四周輻射擴(kuò)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(guò)程中，使用不同功率的加工設(shè)備對(duì)木料進(jìn)行加工時(shí)，木粉塵的產(chǎn)生量是不同的，功率越大時(shí)，產(chǎn)生的木粉塵越多，在粉塵的質(zhì)量濃度越高，源強(qiáng)對(duì)粉塵質(zhì)量濃度峰值位置無(wú)影響[6]。因此，對(duì)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(huì)在距塵源相同的位置產(chǎn)生濃度的峰值，該位置模型可以簡(jiǎn)化成是以塵源為中心的某個(gè)半球面，將吸塵口設(shè)置在此位置時(shí)，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(shè)置，應(yīng)優(yōu)先考慮加工需求，所以設(shè)計(jì)的位置應(yīng)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(gè)半球面，單純依靠提高風(fēng)機(jī)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(yuǎn)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(jié)論

①影響木工氣力吸塵的影響因素相對(duì)較多，分析實(shí)際的加工情況以后，排除加工條件下無(wú)法改變的因素或者較難改變的因素，得到風(fēng)機(jī)的功率和吸塵口的設(shè)置這兩個(gè)影響因素進(jìn)行分析。

②對(duì)于加工情況的實(shí)驗(yàn)?zāi)M要充分考慮加工的實(shí)際情況，盡可能的模擬真實(shí)的工況，對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的一些替代要素要盡可能的排除實(shí)驗(yàn)干擾。

③風(fēng)機(jī)功率對(duì)于木工吸塵設(shè)備的效率影響是較大的，在一定的區(qū)間范圍內(nèi)是提升吸塵量直接有效的方式，但是超過(guò)該區(qū)間范圍以后并不是一種經(jīng)濟(jì)的方式，因此在實(shí)際加工情況中要具體的分析。

④增加吸塵口的數(shù)量，合理布設(shè)吸塵口的位置可以顯著提升吸塵設(shè)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(shí)際情況，不能影響加工的進(jìn)行和安全生產(chǎn)。

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