等離子坡口切割除塵系統的設計與應用

馬玉保，馬慶國

(三一建筑機器人(西安)研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

目前等離子坡口切割工作站被廣泛應用于工程機械、海洋工程、重工行業、煤礦機械等。等離子切割過程中會產出大量濃厚的煙塵，如果直接排放不僅會對環境造成嚴重污染，更會對設備操作人員的身體造成嚴重危害，因此市場迫切需要一款能自動完成等離子坡口切割煙塵收集的除塵系統。

目前國內外的坡口切割工作站主要做了坡口切割工藝、坡口切割技術、坡口切割數控系統等的研究，文獻[1]、[2]中提到的數控等離子切割機除塵系統，是為了解決下料機床的除塵問題，并為涉及坡口切割除塵系統；文獻[3]、[4]中提到的坡口設備，是解決異形工件坡口切割的問題；文獻[5]提到的機器人離線編程，是為了減少人工編程；文獻[6]中提到的吊耳坡口切割工藝與坡口切割專機，是為了解決坡口切割質量和工作效率的問題；文獻[7]中提到的弧壓高度控制器可提升坡口切割質量；文獻[8]中的視覺伺服坡口機器人控制系統實現了直線坡口切割的誤差補償，以上研究只解決了坡口切割工藝、質量和效率問題，沒有深入對坡口工作站除塵系統進行研究。

針對目前坡口切割工作站存在的除塵困難的問題，結合坡口切割工藝，設計了一款中小件(工件長≤2 000 mm，寬≤1 000 mm)等離子坡口切割除塵系統，并對其進行仿真和實驗，測試最大煙塵量下的除塵效果。

1 等離子坡口切割除塵系統設計

等離子坡口切割除塵系統主要有工作臺、除塵主機兩大部分組成。工作臺設計是否合理直接關系除塵風量能否最大化利用，是除塵系統中關鍵的一環。除塵主機是除塵系統中不可缺少的一部分，不同使用場合需要提供不同風量配置，風量選擇過小，無法達到除塵效果，風量選擇過大，會造成嚴重的資源浪費。

1.1 工作臺設計

等離子坡口工作臺(如圖1)主要有支撐組件、風道、廢料斗組成，其中支撐組件布置在工作臺中間區域，用于工件擺放；除塵風道布置在支撐平臺兩側，用于煙塵吸取；廢料斗用于切割廢渣的收集。

圖1 等離子坡口工作臺

圖2為工作臺尺寸示意圖，為滿足所有中小工件的擺放，工作臺擺放區域至少需要2 000 mm×1 000 mm。等離子坡口切割時切割溫度極高，為避免切割時工作臺發生變形損壞，工作臺四周預留100 mm安全距離。最終確定工作臺正面區域為2 200 mm×1 100 mm。

圖2 工作臺尺寸示意圖

風道(如圖3)是工作臺設計中的最關鍵的部分，由箱體和引流板組成。箱體上設置有上風口和下風口，上風口主要用于切割時煙塵的吸收；下風口主要用于料框內殘留煙塵的吸收。引流板是調整各個風口風量、風速的裝置，通過調整其可控制各個風口風量、風速，確保各風口風量均勻。

1.2 除塵主機風量計算

除塵主機風量(Q)[9]是指除塵主機每小時吸收的空氣體積，計算主機風量的關鍵是確定x和vx，如圖4所示。x為控制點至風口的距離。控制點是指有污染源至風口最遠的點，vx為控制點風速，即保證煙塵能全部吸入風口內，在控制點上必須具有的吸入速度。根據文獻[9]中不同污染物下控制點的控制風速vx見表1所列，等離子坡口切割時產生的煙塵屬于較低的速度發散至尚屬平靜的空氣中，因此最小控制風速vx選擇0.5～1 m/s。

圖3 工作臺風道示意圖

圖4 控制點與控制風速

表1 控制點的控制風速vx /(m/s)

工作臺擺放物料的區域面積S=2.64 m2,根據風量計算公式(1)，可知，除塵主機風量Q選擇在4 752～9 504 CMH之間。

Q=vx×S×3 600

(1)

2 等離子坡口切割除塵系統仿真

如圖1，運用Cero Parametric進行三維建模，并利用Flow Analysis模塊進行流體仿真[10]，計算出不同風量下工件擺放區域的風速分布圖(見圖5所示) 。

圖5 不同風量下的風速分布圖

通過風速分布圖可知，工作臺內部風速和風量分布均勻，工作臺結構設計合理；工件擺放區域的中心位置風量相對較弱。經計算得出不同風量下工件擺放區域的中心位置的風速圖(見圖6所示)，通過中心點風速圖可知，8 000CMH及以上風量可滿足最小控制風速在0.5～1 m/s之間。

圖6 不同風量下的風速分布圖

3 等離子坡口切割除塵系統實驗

根據以上理論計算分別對8 000CMH、9 000CMH、10 000CMH風量下進行除塵效果測試(見圖7所示)，實驗結果可知: 9 000CMH及以上風量可滿足等離子坡口切割除塵系統要求，切割時煙塵基本不會發生外泄現象; 除塵主機選用9 000CMH風量時，最小控制風速0.67 m/s。

圖7 不同風量下的風速分布圖

4 結 論

設計出一種等離子坡口切割除塵系統，并利用Cero Parametric軟件中的Flow Analysis模塊對除塵系統進行了仿真，最后通過實驗驗證了除塵系統的除塵效果，實現了等離子坡口切割的煙塵收集。得到以下主要結論：

(1) 使用引流板對風道內風量合理分布，可以提升了風量利用率。

(2) 等離子切割煙塵的最小控制風速為0.67 m/s。

(3) 9 000CMH風量的除塵主機可以實現等離子坡口切割的收集。