机械加工车间环境影响分析及粉尘特性研究

殷李靖

摘 要：当前，绿色制造作为一种面向可持续发展和循环经济战略的新型制造模式已引起国内外研究院所和先进企业的广泛重视。绿色制造以减少资源消耗、降低环境影响为主要目标，是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。其中，机械加工是一种典型的制造方式，机械加工系统通过机械加工过程将原材料或半成品转化为形状、尺寸、精度合格的成品或零部件的同时，消耗了大量的能量、物料资源，并产生了大量的粉尘、噪声、油雾、固体废弃物等污染排放，直接影响机械加工车间的环境，带来职业健康与安全问题。

关键词：绿色制造；环境影响

回顾人类发展史，特别是近代工业革命后，人类改造自然界的能力和手段不断增强，生产力发生飞跃，缔造出缤纷的世界，物质得到极大丰富，但工业化生产以消耗非再生资源、过度消耗再生资源和破坏生态环境作为代价，造成不可逆的生态破坏和环境污染，到 20 世纪 80 年代后期，环境问题已由局部性、区域性发展成为全球性的生态危机且持续恶化，成为危及人类生存的最大隐患。

一、机械加工车间的系统构成

机械加工车间由若干机械加工系统和辅助机械加工系统组成，其中，机械加工系统是机械加工车间的构成主体。机械加工系统是由机床、夹具、刀具、工件、订单、任务、图纸、工艺等组成的一种复杂系统，其中，机床（包括普通机床和数控机床）是机械加工系统的主要组成部分。另外，机床本身又可看成是一个系统，并包括电动机拖动系统、机床机械传动系统及控制系统等子系统，其中，电动机拖动系统和机床机械传动系统合称为机床传动系统。根据机床传动系统的功能的不同，又分为机床主传动系统和进给传动系统。有时，根据研究的问题需要，机械加工系统又包括操作人员和加工工艺等。辅助加工系统包括照明、空调、压缩机、物流系统等，其中物流系统包括叉车、桁车等。

二、机械加工车间环境影响属性分析

工件原材料是指加工后构成产品主要实体的物料。原材料消耗包括三个方面：有效消耗、工艺性损耗、非工艺性损耗（非工艺性损耗通常是人为因素造成，在此不考虑）。有效消耗是指构成产品或零件净重部分的材料消耗，主要是由产品或零件本身的结构和尺寸等设计因素影响；工艺性损耗是指产品或零件在加工过程中，为改变它们的形状、尺寸和性能而产生的难以避免的损耗，如机械加工中的铁屑、锻造中的飞边等，主要是由工艺规划中的工艺方法所决定。

机床是机械加工系统产生的噪声的主体。机床噪声主要源于电机、运动部件的间隙、旋转运动部件的动不平衡、以及零部件的松动、刀具和工件之间的摩擦振动等。随着机床功率的加大和转速的提高，机床的噪声问题就更加突出。机床结构引起的机械噪声是机床噪声的主要成份，如变速箱中的齿轮在啮合运转中不断产生齿面摩擦和冲击，产生的噪声；轴的不平衡或刚性不足也会引起噪声。此外，机床的液压传动系统产生的流体噪声、电机噪声等也是机床噪声的一部分。

机械加工粉尘主要的、直接的来源是切削加工过程中刀具与工件相互作用下工件材料释放的粉尘，其次刀具的磨损崩裂也产生一部分粉尘颗粒的产生切屑成形模式密切相关。由于脆性材料切削加工与韧性材料有很大的区别： 韧性材料是通过塑性变形获得带状或节状切削来实现材料去除；而脆性材料是通过脆性断裂来实现，它们产生切屑的机理大相径庭，粉尘颗粒产生的机理也有所不同。

三、机械加工车间粉尘问题的提出

粉尘对人体的危害，根据其理化性质、进入人体的量的不同，可引起不同的病变。研究表明，长期接触机械加工粉尘的工人，易发生支气管哮喘、气管和支气管炎、急慢性肺炎、肺水肿、肺气肿、肺肉芽肿病变、慢性非特异性肺病、肺纤维化和肺癌等病变。有些机械加工产生的金属粉尘以中毒作用为主，如加工材料是含铅、铜、锌锰等的合金时产生的粉尘，这类粉尘被吸入后可在支气管壁上溶解而被吸收，由血液带到全身各部位，引起全身性中毒；铅尘浸入皮肤，会出现一些小红点，称为“铅疹”等。粉尘的毒性与其化学组成自身密切相关，最为典型的就是铍及其化合物。铍及其化合物零件大量应用于航空、仪表等领域，但铍的机械加工粉尘易引起铍中毒。同铍合金机械加工相关的工人比其他制造加工有更高的致病率。对于毒性小的粉尘颗粒来说，小体积颗粒的相对表面积大，具有较强吸附能力，可以吸附空气中的气态或细小液体颗粒，粉尘颗粒表面吸附的各种物质可能增强其毒性作用。因此通常认为粉尘颗粒粒径是影响颗粒毒性作用的最显著因素，颗粒的化学成分是第二显著因素。

四、机械加工系统粉尘排放特性

市场需求的多样性、生产方式的多样性、以及生产产品的多样性使得机械加工车间生产过程具有复杂性和变化性。粉尘排放过程同机械加工过程密切相关，机械加工过程的特点导致了粉尘排放的不确定和动态性。一方面，机械加工产品实际生产过程中，往往有很多不确定因素，如设备的更新淘汰，设备的维护及其不可预见的设备故障；客户订单变化、订单的加急与取消，品种的更新以及特殊工艺要求；临时工艺更改；临时的加工约束：不合格产品的返工；临时设备瓶颈等方面，这些不确定事件会对生产状态造成很大的影响，也会增加生产过程的复杂性。概括地就最简单的情况而言，产生粉尘的加工设备开始何时运转或者何时停止运行是不确定的，那么相应的何时产生粉尘、何时停止产生粉尘是不确定的。因此，机械加工状态的不确定性的特点导致粉尘排放过程的不确定性。

另一方面，机械加工尘源排放的动态性与机械加工过程的动态性密切相关。機械加工车间内承担的机械加工任务主要是以原料去除为主的机械加工，加工工艺种类多，如：车、铣、刨、磨等，承担不同工艺的设备种类繁多；生产方式以订单生产为主，产品结构复杂，产品材料多样。而不同加工工艺或工件材料产生的粉尘粒径分布特点、排放强度等可能相差甚远，忽略加工工艺和工件材料为主要因素的粉尘排放的差异性，必然造成全局描述与实际情况相差过大，若完全按照实际情况进行描述又过于繁杂。因此把机械加工粉尘排放情况依据加工工艺和工件材料进行恰当的分类、合并、简化以及归纳、描述是解决问题的出路。

五、结语

机械加工车间量大面广，减少机械加工过程和机械加工车间的环境影响是绿色制造的重要组成部分。因此，针对机械加工车间环境影响的研究具有重要的现实意义。研究机械加工车间环境影响及其特性分析是一项系统工程，需要综合运用多领域、多学科的理论、知识和技术，这将是一项需要不断深入研究和拓展功能的系统性工作。

参考文献：

[1] 王永靖. 汽车制造企业绿色制造模式及关键支持系统研究[D]. 重庆大学博士论文，2008.

[2] 曹华军. 面向绿色制造的工艺规划技术研究[D]. 重庆大学博士论文，2004.