機械加工車間環境影響分析及粉塵特性研究

殷李靖

摘 要：當前，綠色制造作為一種面向可持續發展和循環經濟戰略的新型制造模式已引起國內外研究院所和先進企業的廣泛重視。綠色制造以減少資源消耗、降低環境影響為主要目標，是人類社會可持續發展戰略在現代制造業中的體現。其中，機械加工是一種典型的制造方式，機械加工系統通過機械加工過程將原材料或半成品轉化為形狀、尺寸、精度合格的成品或零部件的同時，消耗了大量的能量、物料資源，并產生了大量的粉塵、噪聲、油霧、固體廢棄物等污染排放，直接影響機械加工車間的環境，帶來職業健康與安全問題。

關鍵詞：綠色制造；環境影響

回顧人類發展史，特別是近代工業革命后，人類改造自然界的能力和手段不斷增強，生產力發生飛躍，締造出繽紛的世界，物質得到極大豐富，但工業化生產以消耗非再生資源、過度消耗再生資源和破壞生態環境作為代價，造成不可逆的生態破壞和環境污染，到 20 世紀 80 年代后期，環境問題已由局部性、區域性發展成為全球性的生態危機且持續惡化，成為危及人類生存的最大隱患。

一、機械加工車間的系統構成

機械加工車間由若干機械加工系統和輔助機械加工系統組成，其中，機械加工系統是機械加工車間的構成主體。機械加工系統是由機床、夾具、刀具、工件、訂單、任務、圖紙、工藝等組成的一種復雜系統，其中，機床（包括普通機床和數控機床）是機械加工系統的主要組成部分。另外，機床本身又可看成是一個系統，并包括電動機拖動系統、機床機械傳動系統及控制系統等子系統，其中，電動機拖動系統和機床機械傳動系統合稱為機床傳動系統。根據機床傳動系統的功能的不同，又分為機床主傳動系統和進給傳動系統。有時，根據研究的問題需要，機械加工系統又包括操作人員和加工工藝等。輔助加工系統包括照明、空調、壓縮機、物流系統等，其中物流系統包括叉車、桁車等。

二、機械加工車間環境影響屬性分析

工件原材料是指加工后構成產品主要實體的物料。原材料消耗包括三個方面：有效消耗、工藝性損耗、非工藝性損耗（非工藝性損耗通常是人為因素造成，在此不考慮）。有效消耗是指構成產品或零件凈重部分的材料消耗，主要是由產品或零件本身的結構和尺寸等設計因素影響；工藝性損耗是指產品或零件在加工過程中，為改變它們的形狀、尺寸和性能而產生的難以避免的損耗，如機械加工中的鐵屑、鍛造中的飛邊等，主要是由工藝規劃中的工藝方法所決定。

機床是機械加工系統產生的噪聲的主體。機床噪聲主要源于電機、運動部件的間隙、旋轉運動部件的動不平衡、以及零部件的松動、刀具和工件之間的摩擦振動等。隨著機床功率的加大和轉速的提高，機床的噪聲問題就更加突出。機床結構引起的機械噪聲是機床噪聲的主要成份，如變速箱中的齒輪在嚙合運轉中不斷產生齒面摩擦和沖擊，產生的噪聲；軸的不平衡或剛性不足也會引起噪聲。此外，機床的液壓傳動系統產生的流體噪聲、電機噪聲等也是機床噪聲的一部分。

機械加工粉塵主要的、直接的來源是切削加工過程中刀具與工件相互作用下工件材料釋放的粉塵，其次刀具的磨損崩裂也產生一部分粉塵顆粒的產生切屑成形模式密切相關。由于脆性材料切削加工與韌性材料有很大的區別： 韌性材料是通過塑性變形獲得帶狀或節狀切削來實現材料去除；而脆性材料是通過脆性斷裂來實現，它們產生切屑的機理大相徑庭，粉塵顆粒產生的機理也有所不同。

三、機械加工車間粉塵問題的提出

粉塵對人體的危害，根據其理化性質、進入人體的量的不同，可引起不同的病變。研究表明，長期接觸機械加工粉塵的工人，易發生支氣管哮喘、氣管和支氣管炎、急慢性肺炎、肺水腫、肺氣腫、肺肉芽腫病變、慢性非特異性肺病、肺纖維化和肺癌等病變。有些機械加工產生的金屬粉塵以中毒作用為主，如加工材料是含鉛、銅、鋅錳等的合金時產生的粉塵，這類粉塵被吸入后可在支氣管壁上溶解而被吸收，由血液帶到全身各部位，引起全身性中毒；鉛塵浸入皮膚，會出現一些小紅點，稱為“鉛疹”等。粉塵的毒性與其化學組成自身密切相關，最為典型的就是鈹及其化合物。鈹及其化合物零件大量應用于航空、儀表等領域，但鈹的機械加工粉塵易引起鈹中毒。同鈹合金機械加工相關的工人比其他制造加工有更高的致病率。對于毒性小的粉塵顆粒來說，小體積顆粒的相對表面積大，具有較強吸附能力，可以吸附空氣中的氣態或細小液體顆粒，粉塵顆粒表面吸附的各種物質可能增強其毒性作用。因此通常認為粉塵顆粒粒徑是影響顆粒毒性作用的最顯著因素，顆粒的化學成分是第二顯著因素。

四、機械加工系統粉塵排放特性

市場需求的多樣性、生產方式的多樣性、以及生產產品的多樣性使得機械加工車間生產過程具有復雜性和變化性。粉塵排放過程同機械加工過程密切相關，機械加工過程的特點導致了粉塵排放的不確定和動態性。一方面，機械加工產品實際生產過程中，往往有很多不確定因素，如設備的更新淘汰，設備的維護及其不可預見的設備故障；客戶訂單變化、訂單的加急與取消，品種的更新以及特殊工藝要求；臨時工藝更改；臨時的加工約束：不合格產品的返工；臨時設備瓶頸等方面，這些不確定事件會對生產狀態造成很大的影響，也會增加生產過程的復雜性。概括地就最簡單的情況而言，產生粉塵的加工設備開始何時運轉或者何時停止運行是不確定的，那么相應的何時產生粉塵、何時停止產生粉塵是不確定的。因此，機械加工狀態的不確定性的特點導致粉塵排放過程的不確定性。

另一方面，機械加工塵源排放的動態性與機械加工過程的動態性密切相關。機械加工車間內承擔的機械加工任務主要是以原料去除為主的機械加工，加工工藝種類多，如：車、銑、刨、磨等，承擔不同工藝的設備種類繁多；生產方式以訂單生產為主，產品結構復雜，產品材料多樣。而不同加工工藝或工件材料產生的粉塵粒徑分布特點、排放強度等可能相差甚遠，忽略加工工藝和工件材料為主要因素的粉塵排放的差異性，必然造成全局描述與實際情況相差過大，若完全按照實際情況進行描述又過于繁雜。因此把機械加工粉塵排放情況依據加工工藝和工件材料進行恰當的分類、合并、簡化以及歸納、描述是解決問題的出路。

五、結語

機械加工車間量大面廣，減少機械加工過程和機械加工車間的環境影響是綠色制造的重要組成部分。因此，針對機械加工車間環境影響的研究具有重要的現實意義。研究機械加工車間環境影響及其特性分析是一項系統工程，需要綜合運用多領域、多學科的理論、知識和技術，這將是一項需要不斷深入研究和拓展功能的系統性工作。

參考文獻：

[1] 王永靖. 汽車制造企業綠色制造模式及關鍵支持系統研究[D]. 重慶大學博士論文，2008.

[2] 曹華軍. 面向綠色制造的工藝規劃技術研究[D]. 重慶大學博士論文，2004.