臺式數控火焰等離子切割機配套除塵設備的設計

杜偉濤陳 芳陳 靜

（1.中南林業科技大學機電工程學院，湖南 長沙 410004；2.河北科技師范學院機電工程學院，河北 秦皇島 066600；3.四川省南充市開元中心小學，四川 南充 637894）

臺式數控火焰等離子切割機配套除塵設備的設計

杜偉濤1陳 芳2陳 靜3

（1.中南林業科技大學機電工程學院，湖南 長沙 410004；2.河北科技師范學院機電工程學院，河北 秦皇島 066600；3.四川省南充市開元中心小學，四川 南充 637894）

對臺式數控火焰等離子切割機煙塵的生成機理、除塵方式、除塵效率以及成本方面進行了全面的分析。設計出一種與等離子切割機配套的除塵設備，并介紹了該設備的總體結構、部件的選型和設計。該設備具有成本低、功耗小及效率高等優點。

煙塵生成機理；等離子切割機；雙吸式移動除塵；移動卸料門

1 概述

隨著社會經濟的發展，數控金屬切割機的應用越來越普遍，尤其是等離子切割機以其成本低、效率高等優點而被廣泛采用。而等離子切割機在工作過程中會產生大量的煙塵，據統計等離子切割機一天工作8小時產生的鐵屑可達30kg（以切割厚10mm的普通碳鋼板為例），而灰塵如果不能得到及時合理地處理，極易使職工患職業病且不利于產品質量的控制。所以需要配套的除塵設備及時的控制和處理等離子切割機產生的粉塵，但是由于資金問題，80%以上的中小企業在使用等離子切割機時并沒有配置相應的除塵設備，因為目前該設備運轉成本大并且初期投資高，據統計，目前配套的除塵設備的均價在11萬左右，以通用重工的臺式數控火焰等離子切割機（行程為4m×8m，有效切割長度為2.45m×6m，下述數據均根據此設備進行的設計）為例，其除塵設備的價格相當于等離子切割機成本的65.2%。因此，本文對等離子切割機粉塵產生的機理進行了深入地分析，并采用化整為零以及線框式的設計方法，設計出了一套節能高效的除塵設備，不僅強化了除塵效果，還顯著降低了設備的成本。

圖1 等離子切割機配套除塵設備示意圖

2 煙塵的生成機理

等離子切割機是利用高溫等離子電弧的熱量使金屬部分或局部熔化或蒸發，并借助高速等離子切割熔融金屬以形成切口的一種加工工具。因此等離子切割機在切割鋼板時，被熔化的鐵水在等離子的高速沖擊下會被“吹”到鋼板下方，迅速凝結變成帶有熱量的粉塵。這些粉塵形成的“煙霧”帶有的熱量高、能量大、活躍性強。對車間環境的污染十分嚴重，因此若想保持車間良好的環境，必須對此類粉塵進行合理有效地捕集和處理。

表1 除塵系統管道內含塵氣體最低速度 m/s

表2 Y132S1-2風機主要參數

3 除塵方式分析

等離子切割機的除塵方式總體上可分為兩大類：濕法除塵與干法除塵。濕法除塵即借助于水使產生的粉塵凝聚到水中除去粉塵的方法。目前采用的措施為在操作臺下放置一個裝有堿性水的水箱，隨著水面與鋼板之間距離的增大，除塵效果越差，鋼板距水面小于10mm時才可達到60%的除塵效果。然而堿性水對鋼板、切割機具有一定的腐蝕性，并且會產生工業污水。因而，濕法除塵成本低，但效果不理想。

干法除塵又分為頂吸式除塵和側吸式除塵。頂吸式除塵是在煙氣源頭的上部形成負壓，從而將煙氣吸走的方法。通常是在煙氣源頭的上部加裝氣體捕集罩，這種方法對于密度比空氣密度小，具有一定熱量的廢氣具有顯著效果。因此，頂吸式除塵適合除去易懸浮、易擴散的煙氣，在廚房、烤肉店、火車站、汽車站等場合多數安裝著此類煙氣捕集裝置。但這種除塵方式不適合用于等離子切割機的除塵。

側吸式除塵是在粉塵源頭的兩側安裝氣體捕集裝置，在粉塵的下部產生負壓，進而將粉塵吸入收集裝置的方法。這種除塵方式適合除去動力粘度大、密度比空氣密度大的粉塵。斗式提升機和等離子切割機即采用此方法除塵。

本文對側吸式除塵設備進行了優化設計，采用小功率風機和移動式吸風口，并對切割平臺進行了分塊設計，提高了氣流的流通量與流通效率，實現了低成本高效率的目的。

4 雙吸式移動除塵設備設計

將工作平臺分成4塊，每塊均為650mm（長）×2600mm（寬）×790mm（高）的形式，如圖1所示。分塊會形成較小的風域，而較小的風域具備風速快、負壓大和壓力集中等優點，兩側的進風口隨著龍門的移動而移動。單個風道室的機構原理圖如圖2所示。此設計可采用小功率的風機獲得較好的除塵效果。

4.1 設計參數

刀頭在切割鋼板時產生的粉塵區域是有限的，通過現場調查產生粉塵的區域為直徑100mm左右的圓形區域。為了降低能耗的同時還達到最優的除塵效果，只需在此區域形成具有相應流速和流量的氣流，即可有效的除去粉塵。本文設計的除塵器采用雙吸移動式風口進行除塵，并將鋼板下面柵板之間的距離調整為150mm。同時，在柵板下部設置風道平臺，風道寬度同樣為150mm。通過模擬計算的結果可知，只需采用2臺5.5kW的風機，在等離子切割機產生粉塵區域的風量與風速即可達到95%的除塵效果。

各管道風速的設計參數以表1為標準。由表1可得，粉塵的進風口設計流速最低為20m/s時，可將所有的粉塵帶入風流，而不會使其降落或散開。風道的橫截面面積為S=0.491m×0.3m=0.1473m2，移動風口的直徑為290mm。當采用兩個風道同時吸風時，可通過公式（1）得出通過風道區域的流量Q為10605.6m3/h，

Q=S×V （1）

式中：

Q為流量，單位為m3/h；

S為風道橫截面面積，單位為m2；

V為流速，單位為m2/h。

由于采用雙吸移動式風口，因而單側移動風口的流量為總流量的一半，即5300m3/h，通常進風量會損失10%，則實際進入吸風口的風量為4770m3/h。

4.2 管道設計

管道的材質選用厚1.8mm的無縫鋼管。如選擇鋼板卷制焊接須使焊縫光滑，以消除較大的壓降。為了滿足移動風口的運動需求，移動風口與風機之間的連接選用壓損較小的伸縮式鋁箔軟管。

設計參數為：流量為5300m3/h，運動粘滯系數ua取20.45×10-5m2/s，橫截面積S=πR2=0.066m2，風道中流速為22m/ s，粉塵密度為ρa取1.8kg/m3，溫度取70℃，則

式中：

Rma——實際單位長度摩擦壓力損失，Pa/m；

Rmo——單位長度摩擦壓力損失，Pa/m；

ρa——實際的空氣密度，kg/m3；

ua——實際的空氣運動粘度，m2/s；

則風道管壓力的損失為：

PF=l管×Rma=[0.2+（3.5+3）]× 16.1=107.87Pa

鋁箔收縮軟管壓損為20Pa/m，則軟管總壓損為P軟=80Pa

局部壓力損失：在軟管與鋼管連接處、風管與除塵器連接處，彎頭采用大于90°的彎頭連接

ρ=1.8kg/m3，ν=20m/s，Z=90Pa

單側吸風需要三個彎頭，因此彎頭的壓力損失共計為270Pa。所以單側管道總壓損為：

Pd=107.87+80+270=457.87Pa

4.3 除塵器選型

在選用除塵器時以滿足通過設計需求的風量為標準，同時除塵效果達到85%（符合環境保護部門的排放標準）以上為宜，且產生的壓損應盡可能地小，因此可選XCX-Φ1200型旋風除塵器，帶減阻器時壓損為850Pa，不帶減阻

據此可選4-72系列風機，其參數見表2。器時為690Pa，除塵效果為88.5%，總壓損為：

圖2風道室機構模型

圖3 移動卸料門機構

5 平臺設計

采用傳統的設計成本較高，所以平臺設計成線框式結構，即在平臺的支柱與邊沿采用強度矩形管作為平臺的主架，在下平臺中部采用較薄的鋼材，以節約成本。

風道室設計成可拆卸式結構，便于清理平臺和加工制備。該平臺下部為封閉式結構，為了容易取出使不慎落入風道室的小件物品，在風道室下部設計一個卸料門裝置，通過卸料門可以方便地將掉入平臺內的小件取出。其中卸料門沿豎直方向可實現150mm的升降，下降后可沿平臺下部的導軌拖出。其機構平面圖如圖3所示。

結語

通過對等離子切割機操作臺的創新設計，并采用移動式吸風口和側吸式的除塵方式，提高了氣流流通效率，因此能有效地清除等離子切割機工作時產生的煙塵，同時該設計還大大降低了除塵設備的成本。所以該側吸式的除塵設備具有較強的實用性和市場競爭力。

[1]陳卓如，金朝銘，王成敏，等.工程流體力學[M].北京：高等教育出版社，1992.

[2]姜鳳有.工業除塵設備——設計、制作、安裝與管理[M].北京：冶金工業出版社，2006.

[3]通用重工等離子切割機使用與維修手冊[S].上海通用重工集團有限公司，2010.

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