小型挖掘機除塵系統(tǒng)的設(shè)計

滕　增，陳靖芯，朱玲琳，曾慶璽，武宜梁（揚州大學　機械工程學院，江蘇　揚州　225009）

小型挖掘機除塵系統(tǒng)的設(shè)計

滕增，陳靖芯，朱玲琳，曾慶璽，武宜梁
（揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225009）

通過確定除塵系統(tǒng)的要求和概念系統(tǒng)的方案，制做了一個帶有液壓破碎錘的工作原型機。在嚴格測試程序下，分別對使用45°和60°噴嘴的系統(tǒng)與傳統(tǒng)的除塵系統(tǒng)進行比較，以確定其效率和效益。

除塵；霧化；環(huán)境效益

0　引言

建筑拆遷產(chǎn)生的粉塵嚴重污染環(huán)境，特別是分布在空氣中的粉塵顆粒對人體的健康有一定的影響。粉塵是由直徑范圍從2.5～10μm的顆粒組成的顆粒物，揚塵就是這些顆粒物中最危害人體健康的一種［1］。

工程機械中凈化空氣和提取粉塵顆粒的傳統(tǒng)方法主要是通過過濾器去除顆粒混合物，然后使用濕的藥物禁止粉塵顆粒在空氣中傳播，從而使得空氣可再循環(huán)利用［2］。但濕式除塵措施也使得粉塵和水之間產(chǎn)生泥漿，影響環(huán)境，可能會阻塞下水道或者導致行人滑倒［3］。為此，作者設(shè)計了挖掘機除塵系統(tǒng)，既能減少粉塵的釋放，也能降低環(huán)境污染。

1　系統(tǒng)概念設(shè)計

為保證其工作效率，減少水資源的浪費和降低由于粉塵和水之間產(chǎn)生的泥漿而污染環(huán)境，本文設(shè)計的挖掘機除塵系統(tǒng)必須滿足以下要求：①除塵的連續(xù)性；②結(jié)構(gòu)緊湊；③使用壽命長，經(jīng)久耐用。

前期嘗試在挖掘機上安裝液壓馬達來驅(qū)動高壓水泵，然而這些水泵非常昂貴并且需要挖掘機的運轉(zhuǎn)來提供動力。針對這些原因，本文提出了一種使用水和空氣雙重霧化的除塵系統(tǒng)，如圖1所示。新系統(tǒng)采用12V低壓水泵以及為其專門設(shè)計的噴嘴，噴嘴與空氣壓縮機的氣口相通。

圖1　除塵系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of dust removal system

2　概念原型設(shè)計

原型設(shè)計分為四個主要部分：①儲水箱；②水泵；③壓縮機；④噴嘴。原型設(shè)計的要求之一是把儲水箱放置在挖掘機頂部。因此，應設(shè)計出能夠承載儲水箱、壓縮機及水泵的支架。儲水箱設(shè)計應滿足兩個方面的要求：一是盡可能減少挖掘機重新注水所需要停工時間；二是挖掘機必須每小時停機來潤滑破碎機，便于利用此停機時間來補充儲水箱。

使用噴嘴初次測試后，估計用水量180L/h。為此，構(gòu)造一個容量為200L的儲水箱原型。由于額外的質(zhì)量添加到了挖掘機的頂部，因此所設(shè)計的儲水箱的大小和形狀應與駕駛室相同，如圖2所示。與儲水箱相比，壓縮機和水泵被認為是輕量部分，所以它們被安裝在駕駛室的后面。因?qū)⑺械慕M件都安裝在一個框架內(nèi)并固定，在拆遷過程中足以承受沖撞的影響。

圖2　樣機設(shè)計圖Fig.2 Prototype design

3　霧化的解決方案和噴嘴設(shè)計

為了保證使用小霧滴對粉塵的有效抑制，該設(shè)計采用霧化技術(shù)。霧化是通過一個小噴嘴得到，并且噴霧實效取決于許多變量：①滴落分布；②滴落速度；③噴霧模式和噴霧壓力。

噴嘴一般是影響噴霧器噴霧效果的決定性因素。全錐形噴嘴產(chǎn)生環(huán)形噴霧并能提供高的噴射速度。空心錐噴嘴一般產(chǎn)生環(huán)形霧，其更適合廣泛分布的灰塵。平噴噴嘴更容易產(chǎn)生控制的噴霧模式，可以準確確定粉塵的來源［4］。霧化噴嘴往往非常復雜，較為昂貴。使用聲波技術(shù)或靜電補充來控制霧化噴嘴時，需要非常高的水壓，如果噴嘴損壞或被堵塞可能導致一系列問題［4］。此外，該系統(tǒng)必須是緊湊，相對簡單的，以便利于維護。

因此，噴嘴設(shè)計為一個低壓空心錐噴頭，使用低至70～140kPa的壓縮空氣來推動液體進行霧化。這意味著，一個小型壓縮機就可以推動液體，低壓力、低流量的水泵可以減小除塵系統(tǒng)的整體尺寸。通過設(shè)計兩款不同的噴嘴用以分析確定其中一個相對于另一個的效率。這兩款噴嘴設(shè)計有唯一差別：每個噴嘴的噴氣孔傾斜角度不同，傾斜角分別為45°和60°。

4　儲水箱固有頻率分析

在框架上進行CAE模擬振動分析。在這種情況下，對框架約束條件的分析相對簡單：沒有外力施加于框架之上，它僅僅是一個固有頻率的考察。四個定位點被用作固定約束，重力為第二種約束。振動分析的結(jié)果表明，頻率在1.52Hz，60.69Hz，64.58Hz及85.68Hz可能引起框架發(fā)生共振。液壓破碎機的最大頻率為22Hz，因此這些頻率不能引起框架共振。

5　案例研究

分析顆粒物的常規(guī)方法是重量法：利用泵抽取空氣進入收集裝置，來測量粉塵重量。此法適用于空氣中粉塵監(jiān)測，以便得出粉塵總量。由于這個原因，該測試選用技術(shù)已成熟的DustMate測試儀用于案例研究。

DustMate測試儀可用來測量 “可吸入的”和“可呼吸的”顆粒物。可吸入性粉塵可定義為一部分進入人體且附著在呼吸道系統(tǒng)上的粉塵粒子。呼吸性粉塵是指能夠吸入并沉積在人體肺泡區(qū)的那部分粉塵粒子。在此定義下，使用DustMate測試儀對可吸入和可呼吸粒子的濃度數(shù)據(jù)進行多次采樣，該測試提供了比一般采集法更準確的測試結(jié)果。

測試過程中操作員被要求使用破碎機敲打混凝土以產(chǎn)生盡可能多的粉塵。每個測試的過程如下：

首先，測試實驗背景的粉塵濃度，確認空氣中的粉塵濃度可以忽略計；其次，對塵埃進行細致的分析測試，確定不使用抑塵方法時產(chǎn)生的粉塵顆粒濃度。此外，每個噴嘴測試22L/h和44L/h兩個流量；最后，使用流量為1300L/h來浸濕混凝土進行測試，為當前的除塵技術(shù)提供對比數(shù)據(jù)。將每次測試的直接和間接數(shù)據(jù)記錄下來，作為原始的分析數(shù)據(jù)。使用DustMate測試儀來確定在拆遷過程中產(chǎn)生的 “可吸入”和 “可呼吸”的塵埃粒子的濃度，并記錄結(jié)果。圖3和表1給出了可吸入粉塵和呼吸性粉塵的數(shù)據(jù)累積頻率圖。

表1　可吸入和呼吸性粉塵粒子數(shù)據(jù)μg/m3Tab.1 Inhalable and respirable dust particle data

（續(xù)表1）

圖3　可吸入粉塵和呼吸性粉塵數(shù)據(jù)累積頻率圖Fig.3 Inhalable dust and respirable dust data cumulative Frequency graph

采用簡單的方法剔除數(shù)據(jù)內(nèi)的無效數(shù)據(jù)，因為這些數(shù)據(jù)的有效性是至關(guān)重要的，它們能反應測試設(shè)備在除塵過程中的波動現(xiàn)象。為此，通過繪制累積頻率圖來顯示可能出現(xiàn)高濃度塵埃粒子的地方，以表明每一個測試的總體趨勢，從而確定每個除塵措施的實效性。由于累積頻率圖顯示的是前點數(shù)據(jù)加后點數(shù)據(jù)的總和，所以圖中最后數(shù)值最低的和斜率最小的部分是最有效的數(shù)據(jù)。

6　結(jié)論

上述測試是在合適的條件、適當?shù)膲毫熬_的數(shù)字控制下進行。測試表明，樣機除塵系統(tǒng)抑制粉塵粒子擴散能力非常有效。45°噴嘴抑制粉塵顆粒的能力比傳統(tǒng)的除塵系統(tǒng)更有效。在兩次 44L/h流量的測試中，45°和60°噴嘴有著明顯的區(qū)別。45°噴嘴在抑制突然釋放的粉塵方面遠比60°噴嘴要好。測試現(xiàn)場的情況反應了用水量和泥漿的產(chǎn)生量。由于采用霧化技術(shù)，使用較少的水足以抑制粉塵，泥漿的產(chǎn)生量大大減少，從而有助于環(huán)保和節(jié)約成本。

［1］肖振雷.靜電除塵器對微細粉塵收集方法的實驗研究［D］.河北：河北大學，2012，59.

［2］高永全，譚德慶，唐毅青.易耗部件兼容的耐用品壟斷租賃廠商策略研究［J］.西南交通大學學報（社會科學版），2013，4.

［3］閤松柏.滴狀冷凝初始液滴形成機理的研究［D］.遼寧：大連理工大學，2007，62.

［4］阿不都可力木·阿不都拉，付長兵.袋式除塵器故障分析［J］.機械工程與自動化，2013，6.

［5］郭永獻.噴霧液膜流動理論及電子器件噴霧冷卻實驗研究［D］.陜西：西安電子科技大學，2009，176.

Design of Small Excavator Dedusting System

TENG Zeng，CHEN Jing-Xin，ZHU Ling-Lin，ZENG Qing-Xi，WU Yi-Liang
（College of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225009，China）

By determining the dust removal system requirements and the concept of system，making a small excavator hydraulic breaking hammer working prototype.In the rigorous testing procedures，dust removal system of systems using 45°and 60°nozzle in comparison with the traditional，to determine their efficiency and benefit.

dust；atomization；environmental benefits

TB47

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.012

1002-6673（2015）05-030-03

2015-05-11

項目來源：國家科技部火炬計劃資助項目（2012GH530716）；揚州大學大學生科技創(chuàng)新基金資助項目（X2014346）

滕增（1989-），男，江蘇徐州人，在讀研究生。主要研究方向：車輛及零部件數(shù)字化設(shè)計與制造。