液壓支架結構件車間焊煙除塵系統的設計與應用*

宋金標

(兗礦東華重工有限公司，山東 濟寧 273500)

0 引 言

液壓支架結構件車間主要生產工序為組對和焊接，焊接方式有電弧焊、二氧化碳保護焊和MAG焊接等，焊接過程中產生大量的熱量，并且總是產生能夠懸浮在空氣中的氣態有害物和非常小的顆粒有害物[1]，這些焊接煙塵粒徑小，煙塵呈碎片狀，粒徑為0.01～10 μm,其中絕大部分煙塵粒徑分布在0.38 μm左右。而這些粒徑的煙塵也是最容易進入工人的呼吸系統，并溶于血液，對作業人員的健康有著極其嚴重的傷害。

筆者根據液壓支架結構件車間組對及焊接工位特點，選擇不同的煙塵收集方式，計算出每套設備所需風壓及風量，選擇不同功率的風機，通過變頻調速控制方式實現節能降耗及環保要求，解決結構件車間焊接煙塵排放問題，為職工創造良好的工作環境，降低車間內作業人員的職業危害。

1 結構件車間整體情況

結構件車間共有三跨廠房，每跨焊接區域長120 m，寬24 m，共設計有 71個焊接工位，其中人工焊接工位 37 個(變位機工位 6個，手工焊接工位27個，手工焊補工位4個)，關節機器人焊接工位 4個，連桿機器人焊接工位4個，上述每個工位尺寸約 9 m×7 m；拼裝工位16個，每個工位尺寸8 m×7.5 m；小件組對焊工位10個，每個工位尺寸9 m×4.5 m。車間全年工作300天，按照兩班制生產，每班8 h，每個焊工操作1天產生的煙塵量為60～150 g[2]。設備使用周邊環境：環境溫度 -10～40 ℃，濕度 10%～60%；混凝土(強度等級C30以上)地面200 mm厚，車間照明不低于 150Lx；車間現場無易燃、易爆、腐蝕性氣體及物品，無強電磁輻射源。

2 除塵系統總體設計要求

除塵裝置煙塵捕捉率大于75%，車間內電焊煙塵經除塵器過濾后排放氣體顆粒物濃度小于5 mg/m3，總體煙塵濃度小于4 mg/m3，符合DB37/2376-2019《山東省大氣污染物排放標準》要求，除塵設備運行噪音小于等于70 dB，符合《工業企業噪聲控制設計規范》要求。

3 煙塵收集方式設計

由于液壓支架的焊接工件較大，工件搬運時需要使用行車吊運，因此在設計煙塵收集方式時，需設計使用不影響行車吊裝工件的煙塵捕捉方式。對于結構件車間的37個人工焊接工位、4個關節機器人焊接工位及 10個小件組焊工位，設計使用旋轉懸臂吊掛可來回移動的吸風罩捕捉焊接煙塵，吸風罩下懸掛焊接專用遮弧簾，避免焊接煙塵逸散。

針對4個連桿機器人焊接工位，由于機器人采用倒掛安裝方式，可上下升降，高度較高，設計使用可隨機器人來回移動的可滑動吸風罩捕捉焊接煙塵，吸風罩配置滑動吸風道，保證煙塵捕捉的持續性。

針對16個人工拼裝工位，每個工位一臺焊機，工件也需要吊裝，工位范圍較大，但焊接量較小，為此設計使用延伸吸氣臂+活動吸氣臂的方式捕捉焊接煙塵，延伸臂末端承重不低于80 kg，可將送絲機懸掛在延伸臂末端，方便現場工人來回移動焊接。

由于拼裝工位和車間立柱之間有寬度為 4.5 m 的安全通道，拼裝工位自身尺寸為8 m×7.5 m，將延伸臂安裝在車間立柱上不能覆蓋拼裝工位全部工作范圍，因此設計在拼裝工位旁邊做延伸臂安裝立柱，使用長度6 m延伸臂+長度3 m活動吸氣臂捕捉焊接煙塵，以保證能覆蓋整個作業面。

4 設計計算

使用吸風罩工位風量計算：

根據工件尺寸，每個工位設計使用一個尺寸為 2.5 m×2 m 的吸風罩捕捉焊接煙塵，為提高風速及煙塵捕捉效果，罩口下方安裝導流板，實際進風面積只有罩口尺寸的1/4，同樣風量情況下，進風口風速提高4倍，煙塵捕捉效果更好，能夠有效減少設備投入及能耗，達到節能降耗的目的。

吸風罩風量計算如下：

罩口面積：2.5 m×2 m=5 m2

安裝導流板后的實際進風面積：

5 m2×1/4 =1.25 m2

進風口設計風速：1 m/s

回形罩設計風量：

1.25 m2×1 m/s×3 600 s/h = 4 500 m3/h

按照風量計算結果及招標文件風量要求，每個吸風罩的設計風量為 5 000 m3/h。

本項目設計使用直徑Φ160 mm的活動吸氣臂，吸氣臂長度3 m，每條吸氣臂設計風量為1 000 m3/h。當吸氣口吸氣時，在吸氣口附近形成負壓，周圍空氣從四面八方流向吸氣口，形成吸入氣流，實現捕捉含塵空氣的目的。吸塵點風速與吸塵點到吸氣口的距離的平方成反比，因此應盡量減少焊接點與吸塵口的距離，以提高煙塵捕捉效率。

吸氣臂直徑160 mm，按1 000 m3/h的設計風量計算吸氣口處的風速為 15.2 m/s，一倍直徑處的風速只有 1.14 m/s，另外對于CO2氣體保護焊，為保證焊接質量，焊接區環境風速必須小于2 m/s，建議污染源到吸氣臂吸氣口的距離在200～300 mm。

同等風速范圍情況下，管徑越大，摩擦阻力越小，取平均3 Pa/m計算沿程管道摩擦阻力，此項目設計方案中，最遠點吸風點距離除塵系統的距離為100 m，則直管運行阻力最大為300 Pa。

局部運行阻力計算公式如下：

Z=ξ*ρ*υ2/2[3]

式中：Z為局部阻力,Pa；ξ為局部阻力系數；ρ為空氣密度，kg/m3；υ為空氣流速，m/s。

此次選用1倍直徑的 90°彎頭，查表得出局部阻力系數ζ=0.23，空氣密度=1.293×(實際壓力/標準物理大氣壓)×(273.15/實際絕對溫度)，絕對溫度=攝氏溫度+273.15，20℃時，空氣密度取1.205 kg/m3。焊接煙塵的濃度單位為5 mg/m3，對于空氣密度 1.205 kg/m3，可忽略不計，因此計算阻力時取空氣密度 1.205 kg/m3。

使用吸塵罩和吸氣臂的彎頭摩擦阻力計算如下：

吸塵罩：

Z=0.23×1.205×11.05×11.05/2 = 16.92 Pa

吸氣臂：

Z=0.23×1.205×8.84×8.84/2 = 10.83 Pa

本次選用擴散式傘形風帽，最大煙囪直徑為1 700 mm，排風風速 9.79 m/s，傘形風帽高度0.5 m，查表得出局部阻力系數ζ=0.8，其局部阻力計算如下：

傘形風帽：

Z=0.8×1.205×9.79×9.79/2=46.2 Pa

除塵器的初始運行阻力為450 Pa左右，終阻力為1 200 Pa。

綜合上述各計算結果，使用吸塵罩和吸氣臂的系統運行阻力分別計算如下：吸塵罩系統：系統運行阻力=罩口設計余壓+彎頭局部阻力+管道摩擦阻力+除塵器終阻力+傘形風帽局部阻力= 300 Pa+16.92 Pa×4+300 Pa+1 200 Pa+ 46.2 Pa = 1 914 Pa

吸氣臂系統：系統運行阻力=吸氣臂阻力+彎頭局部阻力+管道摩擦阻力+除塵器終阻力+傘形風帽局部阻力= 1 050 Pa+10.83 Pa×4+300 Pa+1200Pa+46.2Pa=2640Pa

按照上述運行阻力計算，且考慮后期工藝變動帶來的系統調整，所選用的風機需要保證在設計風量的工作點能產生不小于 3 000 Pa 的靜壓。

根據上述計算結果，各系統選擇風機型號如表1所列。為節約用電，所有風機電機均采用變頻控制，焊接工位焊機與吸風罩閥門具有聯動功能，以達到節能降耗的目的。

表1 各系統風機型號參數

選用多級過濾除塵器，集阻火過濾器、阻燃型納米纖維濾筒和活性炭纖維過濾器為一體[4]，過濾器濾筒采用Nanofiber濾材，它的基材采用一種非機織結構混紡聚酯粘合技術制作而成，表面覆納米纖維涂層，適用于過濾極微細粉塵(0.1～0.5 μm)過濾，具有過濾效率高、塵餅剝離效果好、低阻力和過濾風量大等特性，且在脈沖的作用下，灰塵顆粒可以被非常輕松地吹出表面層，保持中間介質的潔凈性。

按照以上參數選擇除塵器及風機，安裝管道及煙塵收集裝置后，滿負荷作業時車間內煙塵收集率超過75%，經環保檢測機構檢測，排放氣體顆粒物濃度為3.2 mg/m3，總體煙塵濃度2.4 mg/m3；除塵風機加裝隔音房后，設備運行噪音為65dB，滿足DB37/2376-2019《山東省大氣污染物排放標準》及《工業企業噪聲控制設計規范》要求。

6 結 語

筆者針對液壓支架結構件車間不同焊接工位的特點，科學合理的選擇焊接煙塵收集方式，盡可能提高粉塵捕捉率，配套相應的除塵器及風機，較好的解決了結構件車間焊接煙塵收集及排放問題，車間內作業環境明顯改善，為后續焊接車間建設積累了寶貴的數據及經驗。