沖壓車間打磨區粉塵分布規律數值模擬與實測*

高康寧，蔣仲安，陳記合，蘭 桂，林浩宇

(北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

0 引言

沖壓車間打磨區的主要任務是對沖壓加工后的鋁車型材、碳鋼車型材等材料進行打磨處理，產生的金屬粉塵具有爆炸危險性[1]。該區域往往通過窗戶進行自然通風，并無除塵設施，因此，打磨作業過程中產生的金屬粉塵及大量火花給安全生產帶來了極大隱患[2]。此外，工人作業過程中與塵源距離較近，長期接觸嚴重威脅身體健康。

目前，國內外對粉塵分布規律的研究多集中于礦山井下巷道、采掘工作面等[3-5]場所，對于工廠車間粉塵分布規律的研究較少。此外，針對打磨作業的工藝特點可知，作業過程中產生粉塵的地點變化、時間不連續的特點，決定了塵源具有移動性和陣發性，因此，對于除塵技術而言，采用固定式的密閉罩、頂吸罩等粉塵捕集技術效果并不理想。因此，本文采用理論分析、數值模擬和現場實測相結合的方法，以某公司沖壓車間打磨區為例，研究粉塵濃度分布規律，為采取有效措施控制打磨區產生的大量粉塵，研發便攜式除塵技術與裝備提供理論指導。

1 數學模型

經分析，打磨作業產生的粉塵運動過程主要分2個階段。第一階段，粉塵粒子從打磨機高速轉動的砂輪獲得較大的動能，以很高的初速度拋出，受到空氣阻力的作用做減速運動；第二階段，拋射運動結束后，粉塵粒子主要受到打磨區風流流場作用做擴散與沉降運動。

1.1 粉塵的拋射運動

粉塵粒子從打磨砂輪以速度ν0拋出，減速到ν時粒子運動所需時間為：

(1)

式中：ρp為粉塵顆粒的密度，kg/m3；ρg為氣體密度，kg/m3；dp為粉塵顆粒的直徑，m；CD為阻力系數。

此階段，粉塵粒子運動的線性距離dx為：

dx=νdt

(2)

其加速度為：

(3)

假設粉塵粒子從砂輪拋出的速度ν0等于砂輪的線速度，則：

ν0=ωr

(4)

式中：ω為打磨機轉速，r/s；r為砂輪半徑，m。

粉塵的張弛時間τ為：

(5)

式中：μg表示空氣的動力粘度，Pa·s，其他符號意義同前。

聯立(1)～(5)式，解得：

(6)

1.2 粉塵的擴散與沉降運動

粉塵拋射運動結束后，主要受到重力、浮力和空氣阻力的作用，在打磨區區內做擴散與沉降運動，則建立粉塵顆粒的運動方程[6-7]為：

(7)

式中：t為運動時間，s；νg為氣體運動速度，m/s；νp為粉塵顆粒的運動速度，m/s，其他符號意義同前。

粉塵粒子在擴散運動過程中，受到阻力大小隨著速度的改變而改變，當受力平衡后，粉塵粒子勻速下降，此時粉塵粒子的速度為最終沉降速度。在式(7)中，令dνp/dt=0[8]，得到最終沉降速度νt，如下：

(8)

取CD=24μg/dpρgνt，則最終沉降速度為：

(9)

式中：g為重力加速度，m/s，其他符號意義同前。

2 幾何模型與參數設置

2.1 幾何模型建立

根據打磨區內部布局及實測的相關尺寸，建立1∶1三維幾何模型，如圖1所示。備料區內的工件、雜物擺放非常復雜，建模過程中完全復制現場情況比較困難，且對粉塵的擴散過程影響不大，因此建模時不予考慮。打磨區長10 m，寬7 m，高3 m，內部2個打磨臺簡化為長2 m，寬1.5 m，高0.8 m的長方體；前壁面4扇窗戶的尺寸均為1 m×1 m；2扇門的尺寸均為高2.1 m，寬1.2 m，其中門1為進風口，門2為出風口。使用ICEM劃分Quad Dominant類型網格，網格尺寸為0.24 m。

圖1 打磨區三維幾何模型Fig.1 3D geometric of the area of polishing

2.2 參數設置

根據打磨區域的具體情況和相關實測數據，結合計算流體力學兩相流理論，采用非穩態[9]離散相模型(Discrete Phase Mode,DPM)進行運算，FLUENT參數設定[10-12]詳見表1。

表1 計算模型參數設定Table 1 Defining the calculation model parameters

3 數值模擬分析

3.1 風流流場分布及分析

根據打磨區的實際通風情況，模擬風流流場，模擬結果詳見圖2。

1)從速度矢量圖2(a)可看出，風流自入口進入打磨區，受到打磨臺和墻壁的阻擋后，方向發生改變，致使打磨區內的風場形成了射流區、渦流區和回流區。

2)在Z=1.5 m呼吸帶高度處截得速度云圖2(b)，由圖可知，通過門1和左側窗戶進入的風流之間相互干擾，在2個打磨臺之間形成渦流。同時，備料區的風量較小，在備料區內形成了一個無風區域，造成通風換氣效率低，非常不利于凈化除塵。

3)分別在Y=1 m，3.5 m，6 m處截得速度云圖2(c)，由圖可知，風流自窗戶進入打磨區時速度最大為0.2 m/s，在流動過程中，速度逐步衰減，流動到車間后壁面速度減小到0.04 m/s。

4)分別在X=2 m，5 m，8 m處截得速度云圖2(d)，可看出打磨臺1對風流起到了明顯的阻礙作用，使通過門1進入車間的風流速度迅速減小，并且改變了原來的方向，流向了車間中央。

打磨區新鮮風流更新周期長，自然通風方式不足以凈化除塵，又因為打磨作業的移動性使得固定式除塵設備效果不理想，故建議采用手持打磨工具便攜防塵輔助裝置或可移動的便攜式除塵設備。

圖2 打磨區風流流場Fig.2 The flow chart of the area of polishing

3.2 粉塵質量濃度分布及分析

由打磨作業的工藝特點可知，作業過程中，工人打磨的位置并不固定，因此塵源的位置也不斷發生變化。經分析發現，塵源的這種位置變化分2種情況：一是在工人工位不變的情況下，打磨型材的某一固定區域時，打磨機往復運動產生的塵源局部范圍內的位置變化；二是由于工人工位的變化造成塵源位置發生大范圍的變化。此外，打磨時間也具有隨機性，不能定量化，因此通過計算機完全模擬實際的作業狀態比較困難，需要做適當簡化。現模擬工人先在1號打磨臺進行局部打磨作業30 min，中間休息5 min后，到2號打磨臺進行打磨作業，打磨時間同樣為30 min。這個過程中，粉塵在打磨區內的分布情況以及部分時間點粉塵濃度分布，如圖3所示。由圖3可知：

1)打磨作業開始后，粉塵在打磨臺附近隨著風流向周圍擴散，大量粉塵由于重力沉降而被地面捕捉，空氣中的粉塵密度不斷下降，使得粉塵呈不連續的云狀分布。而空氣中難以沉降的呼吸性粉塵在運動中受空氣浮力及風流脈動的影響較大，懸浮的粉塵大量以粉塵云的形態存在。

圖3 打磨區粉塵濃度分布Fig.3 Dust concentration distribution of the area of polishing

2)t=35 min時，在1號打磨臺產生的粉塵，擴散至走廊通道區域，在此處與2號打磨臺產生的粉塵產生疊加。隨著打磨作業的進行，粉塵擴散的區域也在變大，在t=65 min時，粉塵云覆蓋區域最大，故在布置打磨臺時應留有足夠間距，避免相互干擾。

3)從t=1 min至t=65 min，在整個作業過程中，粉塵云持續出現在打磨臺附近，而在備料區偶爾出現。以GB 50058-2014[13]中的粉塵爆炸危險區域劃分條件為依據，根據模擬結果中粉塵云在打磨作業區和備料區出現的頻繁程度和持續時間，將打磨作業區劃分為20區，備料區劃分為21區。

4 實測數據與模擬結果對比

4.1 現場實驗

根據相關標準及文獻[14-16]中的測點布置方法，取Z=1.5 m呼吸帶高度斷面與X=1 m，X=2.5 m，Y=3.5 m平面的交線作為測點線，按照一定間距共布置14個測點，各測點坐標為：V1(2.5,1,1.5)，V2(1,1,1.5)，V3(1,2.5,1.5)，V4(2.5,2.5,1.5)，V5(2.5,4.5,1.5)，V6(1,4.5,1.5)，V7(1,6,1.5)，V8(2.5,6,1.5)，V9(1,3.5,1.5)，V10(2.5,3.5,1.5)，V11(4,3.5,1.5)，V12(5.5,3.5,1.5)，V13(7,3.5,1.5)，V14(8.5,3.5,1.5)，測點布置如圖1所示。圖4為在X=1 m和X=2.5 m測點線上的粉塵濃度分布圖。由圖4可知：

圖4 X=1 m和X=2.5 m測點線粉塵濃度分布Fig.4 Dust concentration distribution of X=1 m and X=2.5 m

圖5 粉塵質量濃度實測值與模擬值Fig.5 Dust mass concentration measured value and simulation value

1)在X=1 m和X=2.5 m 2測點線上的粉塵分布情況大致相同，打磨臺是塵源活動區域，其上方呼吸帶粉塵濃度較高，最高達到9.12 mg/m3，因此，工人在打磨作業時應佩戴防塵用品；在2打磨臺之間走廊通道區域，粉塵濃度急劇下降。

2)X=1 m測點線距離進風口門1較近，通風狀態相對良好，因此在1號打磨臺和走廊通道區域的粉塵濃度相對于X=2.5 m測點線低。

4.2 模擬結果與現場實驗對比

通過對打磨區域14個測點上粉塵質量濃度數值模擬和實測數據相比較，結果如圖5所示，二者數據分布趨勢一致，但有所偏差，這主要是由于數值模擬假設的打磨作業過程及周圍環境比較理想，同時現場測定數據也會存在一定誤差，這些因素導致的偏差是可接受的，基本能夠反映打磨區內部粉塵分布情況。

5 結論與建議

1)建立打磨粉塵在拋射、擴散及沉降過程中的運動模型，對沖壓車間打磨區風流流場和粉塵濃度分布進行數值模擬，并將模擬結果與現場實測數據進行對比分析。

2)打磨區內部風流較為紊亂，打磨臺周圍存在渦流，備料區附近形成無風區，不利于凈化除塵，故采用固定式通風除塵設備效果不理想，建議采用手持打磨工具便攜防塵輔助裝置或可移動的便攜式除塵設備。

3)打磨作業產生的粉塵以粉塵云的形態進行擴散，在t=65 min時，粉塵云覆蓋區域最大；根據GB 50058-2014，打磨作業區為20區，備料區為21區，這些區域都要選用符合防爆等級的粉塵防爆型電氣設備。

4)在自然通風條件下，打磨臺上方呼吸帶粉塵濃度較高，最高達到9.12 mg/m3，工人應佩戴防塵用品；2打磨臺之間的走廊通道區域粉塵濃度較低，最低達到5.32 mg/m3，考慮到粉塵的疊加效應，在布置打磨臺時應留有足夠間距。

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