玻璃清洗機風刀布局及風刀截面的分析研究

陳承新，周 輝，王開西，張一琦，于 宇，彭 正

(蚌埠凱盛工程技術有限公司，蚌埠 233010)

玻璃基板在經過清洗機清洗后需要進行表面和斷面的干燥，常用的干燥方式有海綿輥擠壓干燥和強冷、熱風吹干干燥。采用海綿輥擠壓干燥對基板斷面的干燥效果較差，同時需要定期更換海綿輥，否則容易二次污染玻璃。采用風刀吹干是通過高壓風來吹除清洗玻璃過程中附在玻璃表面的水分，以保證清洗后的玻璃潔凈、干燥、無雜質、無水跡，因此風刀功能的優劣直接影響清洗機效果[1]。采用強風吹干的方式進行干燥，整個吹干過程中前斷面、側斷面、玻璃上下大面最容易吹干，而玻璃尾部斷面由于一直有水被吹到尾部斷面，是吹干工序中最難吹干的地方。

風刀切水的原理就是用高速的刀狀氣流使得玻璃表面的水分、粒子等沿著氣流方向滾動離開玻璃表面。高壓強風進入風刀后，通過1～2 mm的風嘴間隙吹出，從而形成一個高速的氣流薄片，該薄片氣幕形成一面薄薄的高強度、大氣流的沖擊氣幕，氣幕強度均勻，同時此薄片還將引流周圍數倍的環境空氣。玻璃在高壓風刀吹干過程可以分為以下幾個階段。

1)除水層階段，該階段主要是采用成對的風刀吹除玻璃表面形成的有厚度的水層，將玻璃表面大部分的水吹趕到玻璃尾部，并從玻璃側面和尾部流走。

2)除水膜階段，當玻璃上下表面大量的水層被吹走后，會留下一層薄薄的水膜附在玻璃上下表面上，該過程采用成對風刀將玻璃表面上附有的水膜進行吹干蒸發。

3)除尾部斷面階段，該階段前玻璃表面基本已經沒有水層和水膜，只有基板尾部斷面上存有水跡,該斷面水跡主要由大面上的水層和水膜重復流入尾部斷面產生的，該階段主要采用成對風刀對基板尾部斷面進行干燥。

1 風刀種類和特征

風刀在設計時刀口要盡可能地沿著風吹的方形延伸一段距離，這樣空氣就會作為一個整體以直線方式噴出來，氣流會更加容易控制，該種設計同時也會提高空氣在風刀腔內壁的夾帶，這樣風刀基于柯恩達效應和空氣夾帶就能提供穩定的、持續的、大量的空氣。加長后的刀口利用柯恩達效應，引導空氣附在刀口的表面，這樣風的整體性一直持續到氣流下游，并創造了周圍空氣夾帶，最終提高了風的利用率。

一般除水層階段、除水膜階段風刀主要是急速去水，對風刀風速、壓力要求較高，此階段的風刀截面應該采用曲線形狀，可以減少渦流產生，同時理論上為了使風刀效果更好，應該采用截面由進風端向末端逐漸縮小的形式，不但能夠提高縱向速度，還能增加末端的風速，但這樣會增加制造的難度和成本，實際制造時常采用等截面風刀[2]。除尾部斷面階段，因為此時玻璃大面上已無水跡，只有尾部斷面上有水跡，對風刀的風速、壓力要求不高，反而需要大流量風來烘干，此階段的風刀在考慮制造難度上，可以考慮采用矩形風刀。

風刀按照結構方式可分為：直風刀、斜風刀、合風刀。直風刀和斜風刀對風壓、風速要求較高，采用曲線尖嘴風刀截面。合風刀對風壓、風速要求不高，常采用矩形結構，并安裝有引風板。

1.1 直風刀

直風刀是指風刀中心線平行于輥子中心線，風刀氣流從平行于玻璃前端斷面開始切水，到玻璃的尾部斷面結束。直風刀主要用于切除玻璃表面大部分的水層，也可以用于清洗單元之間的隔離。

1.2 斜風刀

斜風刀是指風刀中心線與輥子中心線成一定角度，風刀將傳輸輥子分為兩部分，氣流是從玻璃的一個角開始切水，到玻璃的另一個角結束。斜風刀主要用于切除玻璃表面和斷面上的水，一般斜風刀的擺放角度越大對斷面吹干的效果也越好，但是角度越大不僅會增加設備長度，也會對玻璃基板產生較大側向力，玻璃容易跑偏。如圖1所示為常用直、斜風刀截面。

1.3 合風刀

合風刀是方形風刀，風刀切口與輥子中心線成一定的角度，且采用多道平行切口方式。合風刀平行于輥面放置，常用于最后一組熱風干燥風刀，用于干燥玻璃尾部斷面的水分。如圖2所示為合風刀結構。

2 風刀的布局

一般的工業風刀除水參數根據除水模式的不同對應不同的出口風速和風刀間隙，具體參照表1。

表1 工業風刀除水參數

根據風刀除水階段以及工業風刀除水參數分析可知：在玻璃進行除水時，首先要要對玻璃進行急速去水，利用高壓風刀形成的高壓力、高速度的風幕快速吹除玻璃上大量的水層，因此第一組風刀采用直風刀，直風刀刀口間隙取1～1.5 mm，風刀刀嘴距離玻璃上下表面的距離為3～5 mm，刀口前傾斜角度為15°～30°左右，能夠有效地利用直風刀的強風幕將玻璃上的水層急速地趕到玻璃的尾端斷面。

其次，直風刀后面需要設置斜風刀，斜風刀可以快速去除玻璃表面和斷面上的水跡，特別對尾部斷面也有較好的去除效果，能夠給后面的合風刀減輕壓力，斜風刀的數量由玻璃傳輸的速度決定，斜風刀刀口間隙取1～1.5 mm，風刀刀嘴距離玻璃上下表面的距離為3～5 mm，刀口前傾斜角度為5°～10°左右，斜風刀擺放角度為15°～25°，能夠有效地利用斜風刀的切水作用實現沿對角線漸進的除水，斜風刀不僅能夠對玻璃表面進行除水也能夠對玻璃斷面有好的除水效果[3]。

最后，斜風刀后面應布置一組合風刀，合風刀常配合電加熱采用熱風烘干，該風刀主要用于去除玻璃尾部斷面殘留的少量水跡，合風刀刀口間隙取1.5～2 mm，風刀刀嘴距離玻璃上下表面的距離通常為5～6 mm，能夠有效地對尾部斷面進行干燥。如圖3所示為風刀的布置形式。

3 風刀的仿真

經過前面分析可知，急速去水階段是玻璃吹干的關鍵，該階段不僅能夠快速地剝離玻璃上的水層和水膜，還能夠為后面合風刀的尾部斷面去水減輕壓力，因此急速去水階段直風刀和斜風刀截面形狀優劣直接影響吹干效果。

該文通過Solidworks中的FloXpress模塊進行流體仿真，驗證風刀出口風速并與理論計算風速對比，最終得出風刀的截面引流效果[4]。

已知：風刀刀口有效長度1 450 mm，刀口間隙取1.3 mm，根據實際使用風機，單個風刀進風流量為815 m3/h。則理論風速:V=Q/A=815/3 600/1.45×0.001 3=120 m/s。

將同樣的風刀參數和流量添加到FloXpress模塊中，經過仿真得出風刀的空氣速度場如圖4所示。

通過FloXpress仿真可知：風刀在刀嘴處氣流速度最大，最大風速為123.586 m/s，與理論計算結果基本一致，說明此風刀截面對風的引流效果較好，該速度值滿足急速去水的速度要求。因此，該風刀截面對玻璃表面的水層和水膜以及尾部斷面有較好的效果，同時結合合風刀對尾部斷面熱風烘干效果，能夠實現玻璃表面和斷面的快速干燥。

4 實驗測試

為了進一步驗證仿真結果的正確，進行了實驗，測試清洗機干燥效果。在測試時采用最高速度18 m/min進行測試。如圖5所示為設備測試現場圖，圖6為風刀吹干效果圖。

由測試結果可知，采用該種風刀布置結構，對玻璃的表面和斷面的干燥效果均較好，能夠快速實現干燥。

5 結 語

伴隨著玻璃產業的發展以及國家的政策扶持，玻璃清洗機作為玻璃生產線重要的工藝設備之一，向著高潔凈度、高干燥度發展。該文從玻璃除水理論分析了玻璃除水的過程，并根據除水過程及除水模式進行風刀的截面設計及風刀布置，并通過FloXpress對重要風刀截面進行了仿真，理論上驗證了風刀急速去水的效果，得出采用該截面和布局的風刀對玻璃表面和斷面具有較好的干燥效果。