打磨作業(yè)過程金屬粉塵擴(kuò)散特性及集塵罩除塵效果

張國梁，蔣仲安，陳記合，陳建武,2，楊斌,2，趙東巍

(1. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京，100083；2. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京，100029；3. 中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春，130062)

切削打磨是工業(yè)生產(chǎn)中常見的作業(yè)方式。砂輪切削產(chǎn)生的粉塵擴(kuò)散到空間中，除了影響生產(chǎn)效率和設(shè)備的使用壽命，還存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，人體長時(shí)間接觸會(huì)導(dǎo)致塵肺病[1?2]，AL BADRI 等[3]證明在生活環(huán)境中，接觸各種硅塵和纖維物質(zhì)是誘發(fā)復(fù)合型塵肺病的重要原因。因此，需研究打磨產(chǎn)生的粉塵顆粒的微觀特征和擴(kuò)散規(guī)律。

材料物性和打磨工具是影響砂輪切削粉塵形貌特征的主要因素，手持砂輪打磨產(chǎn)生的金屬粉塵以粗顆粒為主。其中，空氣中的浮游顆粒與沉降顆粒雖然粒徑存在差別，但形貌特征基本一致[4?5]。國外學(xué)者對切削過程的粉塵產(chǎn)生和擴(kuò)散研究主要集中在金屬粒子的爆炸性，DANZI等[6]分析了43 種金屬加工工藝的粉塵樣品，討論粉塵產(chǎn)生工藝對其爆炸威力和點(diǎn)火靈敏度的影響。VIGNES等[7]分析微米級到納米級的金屬顆粒的爆炸過程，得到顆粒粒徑減小，爆炸性不一定增強(qiáng)的結(jié)論。

打磨過程產(chǎn)生的顆粒會(huì)在空間擾動(dòng)氣流、砂輪旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)氣流和粒子自身無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的作用下向四周擴(kuò)散?，F(xiàn)階段對于顆粒流在空間的擴(kuò)散研究主要是基于高斯模型分析氣?固?液之間的耦合關(guān)系[8?9]。ZHAO等[10?11]分析室內(nèi)顆粒物沉降的影響因素，并研究了歐拉法和拉格朗日法模擬結(jié)果的可靠性；蔣仲安等[12?13]在高斯擴(kuò)散模型基礎(chǔ)上，建立了移動(dòng)式打磨作業(yè)粉塵分布數(shù)學(xué)模型，利用Python 設(shè)計(jì)了基于該模型的可視化仿真程序；李明等[14?15]利用費(fèi)克擴(kuò)散定律，建立了瞬時(shí)點(diǎn)塵源在不同流體下的擴(kuò)散模型，并采用Matlab 對其進(jìn)行可視化處理。隨著流體研究技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)值仿真也被大量應(yīng)用于研究微細(xì)顆粒物運(yùn)動(dòng)。陳紹杰等[16?18]通過數(shù)值模擬的方法，研究了巷道鉆孔、隧道掘進(jìn)等作業(yè)的粉塵質(zhì)量濃度分布規(guī)律。對于打磨過程的粉塵控制，常見的除塵措施主要為安裝固定通風(fēng)打磨臺(tái)和配置集塵罩[19]。林浩宇等[20]分析固定打磨臺(tái)粉塵濃度與風(fēng)量分配關(guān)系，優(yōu)化了組合式打磨臺(tái)通風(fēng)除塵系統(tǒng)參數(shù)。雖然固定打磨臺(tái)可有效控制粉塵擴(kuò)散，但其移動(dòng)不便捷，且對尺寸較大的工件不適用。而角磨機(jī)集塵罩的使用限制相對較少，因此，對其研究也在逐漸增多[21?22]。

目前，對隧道和礦井等場所的粉塵產(chǎn)生和擴(kuò)散研究較多，對工業(yè)生產(chǎn)中打磨作業(yè)產(chǎn)生的粉塵形態(tài)和擴(kuò)散特征研究較少，本文作者利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，分析切削粉塵顆粒的形貌特征和粒徑分布，確定不同條件下顆粒的擴(kuò)散情況，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的集塵罩的降塵效果。

1 打磨作業(yè)粉塵擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)

1.1 切削粉塵粒徑與形貌特征分析

工業(yè)生產(chǎn)中，為了使工件表面光滑、平整，會(huì)進(jìn)行拋光打磨作業(yè)。但使用砂輪打磨工件過程中，會(huì)產(chǎn)生大量微細(xì)顆粒物，影響作業(yè)人員健康。針對長春某軌道列車廂體打磨車間長期存在的粉塵污染問題，進(jìn)行打磨實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)采用的打磨材料為車間的生產(chǎn)工件(碳鋼)，打磨工具為SJ125B 型氣動(dòng)角向磨光機(jī)，工作氣壓為0.5～0.6 MPa，空載轉(zhuǎn)速為11 000～12 000 r/min，砂輪磨片直徑D為125 mm。采用CCZ(20)-A 型粉塵采樣儀收集打磨作業(yè)點(diǎn)位置空氣中的粉塵顆粒，其中濾膜材料為丙綸，直徑為40 mm，采樣時(shí)間為20 min。采樣后利用LS-POP(9)型激光粒度分析儀對樣本中顆粒進(jìn)行粒度分析，得到的顆粒粒徑分布如圖1所示。由圖1可見：打磨產(chǎn)生的顆粒最小粒徑為0.1 μm，最大粒徑為656.0 μm，顆粒累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，50%和90%時(shí)的粒徑分別為46.6，117.2和210.1 μm。

通過最小二乘法分析和顯著性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，打磨作業(yè)產(chǎn)生的粉塵符合羅辛?拉姆勒分布，其中，分布指數(shù)n=2.06，特征粒徑de=140 μm，篩下累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)G(dp)表達(dá)式為G(dp)= 100- 100exp{ -[dp/(95.8× 10-6)]2.06}

為了從微觀層面分析打磨作業(yè)產(chǎn)生的粉塵顆粒的形貌特征，采用ZEISS 掃描電鏡LEO1450 對收集的粉塵顆粒進(jìn)行表面掃描，其中測試電壓為20.0 kV。在不同放大倍數(shù)下，觀察到的顆粒物形狀和表面特征如圖2所示。由圖2可見：打磨產(chǎn)生的微細(xì)顆粒物形態(tài)差異性較大，以條狀、球狀和塊狀顆粒為主；大部分顆粒的粒徑都處于10～100 μm之間，與激光粒度分析儀測定的結(jié)果相同。當(dāng)放大倍數(shù)為480倍時(shí)，從圖2(b)可以清晰觀察到在條狀顆粒物中夾雜著規(guī)則的球形顆粒；繼續(xù)放大后，顆粒物表面出現(xiàn)大量毛刺，并不光滑，特別是條狀顆粒物。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，條狀和塊狀顆粒物主要是由于磨削過程磨料切削產(chǎn)生；而球狀顆粒物是由于切削過程中產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致顆粒物熔融形成。

圖2 切削粉塵顆粒SEM圖Fig.2 SEM images of cutting dust particles

1.2 切削粉塵顆粒擴(kuò)散及濃度分布

調(diào)研打磨車間的現(xiàn)場情況，測定打磨點(diǎn)周圍和人體呼吸帶位置的粉塵質(zhì)量濃度。在沒有排塵系統(tǒng)時(shí)，測得打磨點(diǎn)高度粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到20.09 mg/m3，人體呼吸帶位置粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到6.60 mg/m3。為進(jìn)一步分析切削粉塵的擴(kuò)散情況，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域布置18 臺(tái)CCZ(20)-A 型粉塵采樣儀，測定打磨點(diǎn)高度Y=0 m 平面(距地面0.8 m)的粉塵質(zhì)量濃度。其中，測點(diǎn)布置如圖3(a)所示，打磨點(diǎn)位于原點(diǎn)(0，0，0)位置。多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間打磨作業(yè)，空間粉塵分布極不穩(wěn)定，因此，每次打磨時(shí)間持續(xù)40 min。對打磨前后工件的質(zhì)量變化進(jìn)行測定，得到打磨過程平均粉塵產(chǎn)生量ΔM約為6.1 mg/s。用采樣儀測定最后20 min的平均粉塵質(zhì)量濃度，并采用Matlab 對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維三次插值處理，得到打磨點(diǎn)高度粉塵質(zhì)量濃度分布的三維等值線圖如圖3(b)所示。由圖3(b)可見：

圖3 Y=0 m平面粉塵濃度分布三維圖Fig.3 Three-dimensional graph of distribution of dust concentration on Y=0 m plane

1)在打磨點(diǎn)平面，產(chǎn)生的粉塵顆粒向四周擴(kuò)散。粉塵主要聚集在距作業(yè)點(diǎn)1.2 m的半圓形區(qū)域內(nèi)，打磨點(diǎn)位置粉塵質(zhì)量濃度最高，向外逐漸降低，呈“山峰”形。越靠近打磨點(diǎn)位置，粉塵擴(kuò)散越均勻，越符合高斯擴(kuò)散模型；繼續(xù)向四周擴(kuò)散，粉塵質(zhì)量濃度下降幅度逐漸變緩。

2)由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的粉塵顆粒具有一定初速度，顆粒主要向打磨點(diǎn)正前方擴(kuò)散，在兩側(cè)底角粉塵質(zhì)量濃度較低。GBZ 2.1?2019[23]規(guī)定長時(shí)間作業(yè)粉塵的接觸限值為8 mg/m3，在測定范圍內(nèi)，大部分區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度高于規(guī)定值，在點(diǎn)(0，0，0)位置，粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)20.9 mg/m3，在底角位置粉塵質(zhì)量濃度為3～6 mg/m3。

由此可見，作業(yè)過程中產(chǎn)生的微細(xì)顆粒會(huì)嚴(yán)重污染作業(yè)場所，影響人員健康安全，需采取一定的防護(hù)措施。

2 幾何模型的建立與求解

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

為進(jìn)一步研究打磨作業(yè)過程粉塵的擴(kuò)散，根據(jù)打磨車間現(xiàn)場情況和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立三維幾何模型。綜合考慮計(jì)算機(jī)性能和模擬精度等因素，對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化處理。

采用SolidWorks 按1:1 建立打磨實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D4 所示。砂輪直徑為125 mm。為防止打磨產(chǎn)生的火花灼傷作業(yè)人員，在砂輪上安裝防護(hù)罩，與水平面呈45°夾角；并將設(shè)計(jì)的集塵罩安裝于角磨機(jī)上。將建好的模型導(dǎo)入Workbench 中，采用Design Modeler 進(jìn)行Boolean 運(yùn)算，并劃分網(wǎng)格，結(jié)果如圖5所示。

圖4 打磨實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾肍ig.4 Layout of grinding experiment model

圖5 模型網(wǎng)格劃分圖Fig.5 Model meshing diagram

2.2 計(jì)算模型的參數(shù)設(shè)定

查閱相關(guān)打磨作業(yè)顆粒物形態(tài)及擴(kuò)散特性的資料，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果和Fluent中湍流與離散相模型的設(shè)定要求，設(shè)置模擬的邊界條件和求解參數(shù)，得出在不同條件下顆粒物的運(yùn)動(dòng)情況。其中，求解器選擇壓力基，湍流模型為Realizablek?ε雙方程模型，求解方法為Coupled，離散格式為二階迎風(fēng)。采用CFD-post 和Origin 對模擬結(jié)果進(jìn)行處理與分析，得到打磨點(diǎn)位置的流場分布，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和粉塵質(zhì)量濃度空間分布。具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 計(jì)算模型參數(shù)設(shè)定Table 1 Calculate model parameter setting

3 打磨作業(yè)數(shù)值模擬

3.1 砂輪旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)氣流場分析

角磨機(jī)砂輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)帶動(dòng)周圍空氣流動(dòng)。設(shè)定砂輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，對砂輪周圍的誘導(dǎo)氣流場進(jìn)行模擬研究，得到其周圍流線軌跡如圖6所示。由圖6可見：砂輪的高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致周圍壓力場變化，產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流會(huì)沿著砂輪外側(cè)切線方向流出，形成旋轉(zhuǎn)氣流場。當(dāng)不安裝防護(hù)罩時(shí)，由于砂輪旋轉(zhuǎn)，周圍黏性流體在剪切力的作用下，沿砂輪表面與砂輪呈相同的流動(dòng)趨勢，近壁面風(fēng)速與砂輪旋轉(zhuǎn)速度相同。安裝防護(hù)罩后會(huì)對周圍流線分布產(chǎn)生一定影響，流線擴(kuò)散范圍變窄，且防護(hù)罩與砂輪之間的細(xì)縫會(huì)形成高速射流，沿砂輪邊緣流出。

圖6 砂輪旋轉(zhuǎn)流線圖Fig.6 Grinding wheel rotation streamline diagram

進(jìn)一步分析砂輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流場，在砂輪中心線下方建立line，分析距砂輪下表面不同位置處的風(fēng)速。距砂輪下表面1.0，1.5，2.0 和3.0 cm 位置的風(fēng)速和砂輪切面速度云圖如圖7 所示。由圖7可見：

圖7 距砂輪不同距離處風(fēng)速變化Fig.7 Wind speed at different distances from grinding wheel

1)距砂輪下表面越近，風(fēng)速越大。在距砂輪下表面1.0 cm 位置，風(fēng)速和砂輪旋轉(zhuǎn)線速度基本一致；但隨著距砂輪下表面距離增大，風(fēng)速極速下降。在距砂輪下表面3.0 cm 位置處，風(fēng)速基本趨于零。

2)砂輪中心兩側(cè)風(fēng)速呈對稱分布，越靠近邊緣風(fēng)速越大，但在砂輪邊緣外側(cè)位置速度會(huì)快速降低。由于防護(hù)罩的存在，且砂輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，流體從防護(hù)罩左側(cè)流出，右側(cè)流入，導(dǎo)致砂輪左前方和右后方的氣流擾動(dòng)區(qū)增大。

3.2 打磨過程不同粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)情況

顆粒在流場中擴(kuò)散會(huì)受到流體運(yùn)動(dòng)的影響。在砂輪旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)氣流場模擬的基礎(chǔ)上，分析切削粉塵的擴(kuò)散情況。采用離散相模型，在砂輪與工件接觸位置設(shè)置噴射源。根據(jù)測定的切削粉塵粒度分布，設(shè)置顆粒粒徑為R-R 分布，其中de為140 μm，n為2.06。模擬得到不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖8所示。由圖8可知：

圖8 打磨過程不同粒徑的粒子擴(kuò)散Fig.8 Diffusion of particles of different sizes during grinding

1)砂輪旋轉(zhuǎn)切削剛體工件產(chǎn)生粉塵顆粒。根據(jù)能量守恒和動(dòng)量定理，切削產(chǎn)生的顆粒初速度與對應(yīng)位置砂輪旋轉(zhuǎn)的線速度相同，越靠近砂輪邊緣，顆粒的初始速度越大。

2)距砂輪中心同一距離的位置產(chǎn)生的顆粒粒徑越大，空氣阻力對其運(yùn)動(dòng)影響越小，顆粒運(yùn)動(dòng)速度衰減越慢；而粒徑較小的顆粒，在空氣阻力的作用下，運(yùn)動(dòng)速度快速降低，特別是粒徑小于30 μm的顆粒。不同粒徑顆粒運(yùn)動(dòng)速度變化導(dǎo)致顆粒擴(kuò)散范圍差異性較大，粒徑越大，擴(kuò)散距離越遠(yuǎn)，而小顆粒主要集中在打磨臺(tái)附近。

3)切削產(chǎn)生的大量顆粒會(huì)沿砂輪切線方向噴出，但在砂輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)氣流場的作用下，顆粒運(yùn)動(dòng)方向會(huì)向右傾斜。大顆粒受旋轉(zhuǎn)氣流場的影響小，傾斜角度較?。欢叫∮?0 μm的顆粒在空氣阻力和流場的作用下，擴(kuò)散方向變化較大，會(huì)向右傾斜約30°。

因此，粒徑小于30 μm的顆粒，其擴(kuò)散受流場影響較大。分析粒徑為1～30 μm的粉塵和呼吸性粉塵的擴(kuò)散軌跡，如圖9所示。由于角磨機(jī)作業(yè)時(shí)與水平面呈45°夾角，磨削產(chǎn)生的顆粒會(huì)向前呈拋物狀擴(kuò)散。粒子不僅向角磨機(jī)正前方運(yùn)動(dòng)，而且在旋轉(zhuǎn)氣流場的作用下，還會(huì)向角磨機(jī)四周擴(kuò)散。當(dāng)粒徑小于30 μm時(shí)，不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡區(qū)分度較小，顆粒集中在打磨臺(tái)附近。

圖9 1～30 μm粉塵以及呼吸性粉塵的擴(kuò)散特征Fig.9 Diffusion characteristics of 1?30 μm dust and breathing dust

3.3 砂輪不同轉(zhuǎn)速下顆粒質(zhì)量濃度分布

高速旋轉(zhuǎn)的砂輪與工件接觸后，切削產(chǎn)生的粉塵在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，模擬得到打磨40 min 時(shí)的粉塵空間質(zhì)量濃度分布如圖10所示。由圖10可見：粉塵主要集中于作業(yè)區(qū)位置，打磨臺(tái)周圍粉塵質(zhì)量濃度最高，四周粉塵質(zhì)量濃度逐漸降低?？臻g內(nèi)大部分區(qū)域的粉塵質(zhì)量濃度都超過了規(guī)程規(guī)定的工作場所粉塵容許質(zhì)量濃度。作業(yè)區(qū)位置最大質(zhì)量濃度在40 mg/m3以上，其他位置質(zhì)量濃度均在5～20 mg/m3之間。數(shù)值模擬結(jié)果與打磨實(shí)驗(yàn)測定的粉塵質(zhì)量質(zhì)量濃度雖然數(shù)值上存在一定差異，但分布規(guī)律一致，因此模擬結(jié)果可用于指導(dǎo)進(jìn)一步的研究工作。存在誤差的主要原因是實(shí)際打磨過程角磨機(jī)不能保持完全靜止，存在一定幅度運(yùn)動(dòng)；且砂輪打磨過程轉(zhuǎn)速會(huì)有一定幅度下降以及測定過程存在誤差。

圖10 40 min時(shí)空間粉塵質(zhì)量濃度分布Fig.10 Spatial dust mass concentration distribution diagram at 40 min

氣動(dòng)角磨機(jī)高速旋轉(zhuǎn)是由空壓機(jī)帶動(dòng)，但空壓機(jī)實(shí)際工作中提供的壓力并不恒定?？諌簷C(jī)壓力越大，砂輪旋轉(zhuǎn)速度越快；且砂輪與工件接觸后轉(zhuǎn)速會(huì)下降，按壓力越大，砂輪與工件之間的摩擦力越大，砂輪轉(zhuǎn)速越低。因此，為研究砂輪轉(zhuǎn)速對切削粉塵擴(kuò)散的影響，設(shè)定轉(zhuǎn)速分別為3 000，6 000，9 000 和12 000 r/min，模擬粉塵在空間的擴(kuò)散情況。不同轉(zhuǎn)速下，打磨點(diǎn)高度(Y=0 m 平面)粉塵質(zhì)量濃度分布的等值線圖如圖11 所示。從圖11可見：

圖11 40 min時(shí)打磨點(diǎn)平面不同轉(zhuǎn)速的粉塵質(zhì)量濃度等值線圖Fig.11 Contour maps of dust mass concentration at different speeds on grinding point plane at 40 min

1)大顆粒(粒徑超過30 μm)運(yùn)動(dòng)范圍主要由初始速度決定，而小顆粒(粒徑小于30 μm)運(yùn)動(dòng)主要受砂輪旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)氣流影響。因此，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)速下降后，砂輪磨削工件賦予粉塵擴(kuò)散的初動(dòng)能降低，導(dǎo)致大顆粒擴(kuò)散距離變短，擴(kuò)散范圍變小；同時(shí)旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)氣流場的范圍變小后，小顆粒的擴(kuò)散范圍也縮小。

2)隨著砂輪轉(zhuǎn)速增加，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誘導(dǎo)氣流場增強(qiáng)，小顆粒在打磨點(diǎn)位置的擴(kuò)散趨勢和方向性更加明顯；打磨點(diǎn)位置高質(zhì)量濃度區(qū)存在偏移，會(huì)繞砂輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，高質(zhì)量濃度區(qū)主要位于砂輪左側(cè)，但當(dāng)轉(zhuǎn)速增大為12 000 r/min 時(shí)，高質(zhì)量濃度區(qū)會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到砂輪右前方。

3) 不同轉(zhuǎn)速下，粉塵的擴(kuò)散范圍存在差異。當(dāng)轉(zhuǎn)速從3 000 r/min 增加到12 000 r/min 時(shí)，顆粒初動(dòng)能增加，擴(kuò)散距離變遠(yuǎn)，向周圍擴(kuò)散的量增多，空間粉塵質(zhì)量濃度升高。

4 角磨機(jī)集塵罩集塵效果

4.1 角磨機(jī)集塵罩設(shè)計(jì)及應(yīng)用效果

打磨過程會(huì)產(chǎn)生大量金屬粉塵，導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境中粉塵質(zhì)量濃度遠(yuǎn)超人體容許限值，特別是人員工作位置。目前打磨過程粉塵的控制方法主要有2種，即安裝固定通風(fēng)打磨臺(tái)和配置角磨機(jī)集塵罩。固定打磨臺(tái)是將粉塵控制在打磨臺(tái)附近，再通過排風(fēng)面將粉塵帶走；而集塵罩是安裝于角磨機(jī)上，通過高速風(fēng)流將打磨產(chǎn)生的粉塵吸入到吸塵器中。由于固定打磨臺(tái)對于某些尺寸較大的工件，安放不便捷，所以，研究集塵罩在打磨作業(yè)中有重要意義。

目前常見的集塵罩形式如圖12(a)所示，其吸風(fēng)口位于罩體右側(cè)，通過在集塵罩右側(cè)形成負(fù)壓收集產(chǎn)生的顆粒。本文設(shè)計(jì)的集塵罩結(jié)構(gòu)如圖12(b)所示，其罩體上方設(shè)計(jì)有空腔，吸塵器通過空腔下部的孔板將產(chǎn)生的粉塵吸入到吸塵器中。集塵罩下部安裝有毛刷，阻擋粉塵的擴(kuò)散。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的集塵罩能在上部腔體內(nèi)形成負(fù)壓，且在砂輪邊緣的控制風(fēng)速更大，其集塵效果更好。

為分析該集塵罩的降塵效果，模擬安裝集塵罩后的粉塵擴(kuò)散過程，其中吸塵器風(fēng)量為90 m3/h，砂輪轉(zhuǎn)速為12 000 r/min。得到砂輪附近流線和打磨40 min 時(shí)的粉塵質(zhì)量濃度分布如圖12 所示。由圖12 可見：在集塵罩作用下，砂輪周圍旋轉(zhuǎn)氣流場改變，周圍空氣在負(fù)壓作用下通過小孔流向集塵罩上部腔體。由于腔體內(nèi)壓力不同，越靠近集塵罩出口位置風(fēng)速越大，顆粒的收集效率也更高。安裝集塵罩后，工作環(huán)境整體降塵效果明顯。粉塵主要聚集于角磨機(jī)周圍，與不安裝集塵罩相比(圖10)，粉塵質(zhì)量濃度大幅下降，且粉塵質(zhì)量濃度大于8 mg/m3的區(qū)域主要集中角磨機(jī)附近，其他位置都能達(dá)到規(guī)程要求。

圖12 安裝集塵罩后40 min時(shí)空間粉塵濃度分布Fig.12 Spatial dust mass concentration distribution diagram at 40 min after installing dust hood

為分析安裝集塵罩后不同粒徑顆粒的擴(kuò)散軌跡，驗(yàn)證集塵罩的降塵效果，觀察0～450 μm和0～30 μm 粒徑粉塵的擴(kuò)散情況，結(jié)果如圖13 所示。由圖13可見：

圖13 安裝集塵罩后的粒子擴(kuò)散軌跡Fig.13 Particle diffusion trajectory after installation of dust hood

1)打磨產(chǎn)生的粉塵顆粒在集塵罩作用下，擴(kuò)散軌跡發(fā)生明顯改變。由于毛刷的阻擋，顆粒會(huì)在集塵罩內(nèi)進(jìn)行多次反彈。小顆粒被風(fēng)流吸入到集塵罩內(nèi)，大顆粒一部分被吸入到集塵罩內(nèi)排出，一部分逃逸出集塵罩，向角磨機(jī)四周擴(kuò)散，且顆粒越大擴(kuò)散范圍越遠(yuǎn)。

2)顆粒粒徑越小，初動(dòng)能越低，風(fēng)流對其擴(kuò)散軌跡影響越大。集塵罩對小顆粒的收集效率明顯高于對大顆粒的收集效率，粒徑小于30 μm的顆粒(特別是呼吸性粉塵)會(huì)全部被吸入到集塵罩內(nèi)排出，大幅度降低了切削粉塵對人體的傷害。

4.2 不同風(fēng)量下的降塵效果

與集塵罩相連的吸塵器的風(fēng)量是影響集塵效果的關(guān)鍵因素之一。在吸塵器上安裝變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為90，110，130和150 m3/h，固定砂輪轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，模擬40 min后粉塵的擴(kuò)散情況。不同風(fēng)量下，打磨點(diǎn)平面(Y=0 m)粉塵質(zhì)量濃度分布的等值線圖、集塵罩吸入顆粒的粒徑分布和質(zhì)量流率如圖14所示。由圖14可見：

圖14 打磨點(diǎn)平面粉塵質(zhì)量濃度等值線圖與集塵罩吸入顆粒的粒徑分布Fig.14 Contour maps of dust mass concentration on grinding point plane and particle size distribution inhaled by dust hood

1) 安裝集塵罩后，粉塵擴(kuò)散范圍大幅縮小，同時(shí)質(zhì)量濃度下降2～3 個(gè)數(shù)量級，在距打磨點(diǎn)0.5 m 以外的區(qū)域降塵效率可達(dá)99%。隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量增大，粉塵擴(kuò)散范圍的變化幅度較小，但其高質(zhì)量濃度區(qū)大幅縮減，降塵效果明顯。

2)吸入集塵罩的顆粒質(zhì)量流率為2～4 mg/s，其中顆粒粒徑以0～200 μm 為主。隨著風(fēng)量增加，質(zhì)量流率會(huì)上升一定幅度，同時(shí)吸入的顆粒粒徑發(fā)生變化，大顆粒逐漸增多。

為分析集塵罩降塵特性，研究風(fēng)量在70～190 m3/h條件下，吸入的顆粒質(zhì)量流率和不同粒徑占比，結(jié)果如圖15所示。從圖15可見：吸入顆粒的粒徑以小于200 μm 的顆粒為主，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在95%以上，所以集塵罩降塵主要針對粒徑小于200 μm 的顆粒；隨著風(fēng)量增加，吸入的顆粒質(zhì)量流率從2.13 mg/s 增加到3.42 mg/s，占總產(chǎn)塵量的36%～57%；但小于100，150 和200 μm 的顆粒比例卻在逐漸下降，且下降幅度依次變緩，說明吸入的大顆粒逐漸增加。

圖15 集塵罩出口粉塵質(zhì)量流率以及不同粒徑所占百分比Fig.15 Mass flow rate of dust at outlet of dust hood and percentage of different particle sizes

4.3 集塵罩降塵效果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性，對設(shè)計(jì)的集塵罩進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。采用3D 打印技術(shù)打印集塵罩模型，如圖16(a)所示，并在集塵罩底部預(yù)設(shè)卡槽安裝毛刷。從圖16(b)可以看到：打磨產(chǎn)生的顆粒一部分被吸入到集塵罩內(nèi)，一部分從毛刷縫隙逃逸出集塵罩，并以一定角度向前擴(kuò)散，其中逃逸的顆粒以粒徑小于200 μm 的顆粒為主，與模擬結(jié)果相同。

對打磨點(diǎn)平面(Y=0 m)的粉塵質(zhì)量濃度進(jìn)行再次測定，其中實(shí)驗(yàn)布置如圖16(c)所示，測點(diǎn)位置與圖3 中相同，結(jié)果如圖17 所示。由圖17 可見：粉塵高質(zhì)量濃度區(qū)集中在打磨點(diǎn)附近，四周粉塵質(zhì)量濃度快速下降。距打磨點(diǎn)1 m以外區(qū)域，粉塵質(zhì)量濃度基本為0 mg/m3。與不安裝集塵罩相比，粉塵擴(kuò)散范圍縮小，只有打磨點(diǎn)附近有粉塵聚集。同時(shí)，整體粉塵質(zhì)量濃度下降顯著，最大質(zhì)量濃度從20.9 mg/m3下降到7.1 mg/m3，與模擬結(jié)果基本吻合。

圖16 打磨實(shí)驗(yàn)布置及集塵罩模型Fig.16 Grinding experiment layout and dust hood model

圖17 Y=0 m平面粉塵質(zhì)量濃度分布三維圖Fig.17 Three-dimensional graph of distribution of dust mass concentration on Y=0 m plane

5 結(jié)論

1)切削打磨過程產(chǎn)生的微細(xì)顆粒物的形態(tài)及粒徑差異性較大，以條狀、球狀和塊狀顆粒為主；且粒徑分布較廣，符合羅辛?拉姆勒分布，分布指數(shù)為2.06，特征粒徑為140 μm。粉塵在空間的擴(kuò)散滿足多元高斯分布，在打磨點(diǎn)附近粉塵質(zhì)量濃度最高。

2) 砂輪高速旋轉(zhuǎn)會(huì)在周圍形成旋轉(zhuǎn)氣流場，其近壁面速度分布與砂輪旋轉(zhuǎn)線速度一致。切削產(chǎn)生的大部分顆粒會(huì)沿砂輪切線方向噴出，其中大顆粒受旋轉(zhuǎn)氣流場影響較小，會(huì)沿初始拋出角度向前運(yùn)動(dòng)；但粒徑小于30 μm的顆粒在空氣阻力和流場的作用下，擴(kuò)散方向會(huì)向右傾斜。

3)切削打磨過程產(chǎn)生的粉塵主要集中在打磨臺(tái)附近。隨著砂輪轉(zhuǎn)速增大，誘導(dǎo)氣流場增強(qiáng)，顆粒初始動(dòng)能增大，導(dǎo)致顆粒運(yùn)動(dòng)距離和擴(kuò)散范圍變大；同時(shí)，顆粒在打磨點(diǎn)位置的擴(kuò)散趨勢和方向性更加明顯。隨著轉(zhuǎn)速增加，粉塵高質(zhì)量濃度區(qū)由砂輪左側(cè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到砂輪右前方。

4)安裝集塵罩后，降塵效果明顯，粉塵質(zhì)量濃度下降2～3個(gè)數(shù)量級。除角磨機(jī)附近區(qū)域，其他位置粉塵質(zhì)量濃度都符合規(guī)定。粉塵擴(kuò)散范圍大幅縮小，在距打磨點(diǎn)0.5 m以外的區(qū)域降塵效率可達(dá)99%。

5) 吸入集塵罩的顆粒質(zhì)量流率為2～4 mg/s，占總產(chǎn)塵量的36%～57%；其中顆粒粒徑以0～200 μm為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在95%以上。吸塵罩風(fēng)量增加后，質(zhì)量流率會(huì)上升一定幅度，同時(shí)，吸入的顆粒中大顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增多。