小型挖掘机除尘系统的设计

滕　增，陈靖芯，朱玲琳，曾庆玺，武宜梁（扬州大学　机械工程学院，江苏　扬州　225009）

小型挖掘机除尘系统的设计

滕增，陈靖芯，朱玲琳，曾庆玺，武宜梁
（扬州大学机械工程学院，江苏扬州225009）

通过确定除尘系统的要求和概念系统的方案，制做了一个带有液压破碎锤的工作原型机。在严格测试程序下，分别对使用45°和60°喷嘴的系统与传统的除尘系统进行比较，以确定其效率和效益。

除尘；雾化；环境效益

0　引言

建筑拆迁产生的粉尘严重污染环境，特别是分布在空气中的粉尘颗粒对人体的健康有一定的影响。粉尘是由直径范围从2.5～10μm的颗粒组成的颗粒物，扬尘就是这些颗粒物中最危害人体健康的一种［1］。

工程机械中净化空气和提取粉尘颗粒的传统方法主要是通过过滤器去除颗粒混合物，然后使用湿的药物禁止粉尘颗粒在空气中传播，从而使得空气可再循环利用［2］。但湿式除尘措施也使得粉尘和水之间产生泥浆，影响环境，可能会阻塞下水道或者导致行人滑倒［3］。为此，作者设计了挖掘机除尘系统，既能减少粉尘的释放，也能降低环境污染。

1　系统概念设计

为保证其工作效率，减少水资源的浪费和降低由于粉尘和水之间产生的泥浆而污染环境，本文设计的挖掘机除尘系统必须满足以下要求：①除尘的连续性；②结构紧凑；③使用寿命长，经久耐用。

前期尝试在挖掘机上安装液压马达来驱动高压水泵，然而这些水泵非常昂贵并且需要挖掘机的运转来提供动力。针对这些原因，本文提出了一种使用水和空气双重雾化的除尘系统，如图1所示。新系统采用12V低压水泵以及为其专门设计的喷嘴，喷嘴与空气压缩机的气口相通。

图1　除尘系统原理图Fig.1 Schematic diagram of dust removal system

2　概念原型设计

原型设计分为四个主要部分：①储水箱；②水泵；③压缩机；④喷嘴。原型设计的要求之一是把储水箱放置在挖掘机顶部。因此，应设计出能够承载储水箱、压缩机及水泵的支架。储水箱设计应满足两个方面的要求：一是尽可能减少挖掘机重新注水所需要停工时间；二是挖掘机必须每小时停机来润滑破碎机，便于利用此停机时间来补充储水箱。

使用喷嘴初次测试后，估计用水量180L/h。为此，构造一个容量为200L的储水箱原型。由于额外的质量添加到了挖掘机的顶部，因此所设计的储水箱的大小和形状应与驾驶室相同，如图2所示。与储水箱相比，压缩机和水泵被认为是轻量部分，所以它们被安装在驾驶室的后面。因将所有的组件都安装在一个框架内并固定，在拆迁过程中足以承受冲撞的影响。

图2　样机设计图Fig.2 Prototype design

3　雾化的解决方案和喷嘴设计

为了保证使用小雾滴对粉尘的有效抑制，该设计采用雾化技术。雾化是通过一个小喷嘴得到，并且喷雾实效取决于许多变量：①滴落分布；②滴落速度；③喷雾模式和喷雾压力。

喷嘴一般是影响喷雾器喷雾效果的决定性因素。全锥形喷嘴产生环形喷雾并能提供高的喷射速度。空心锥喷嘴一般产生环形雾，其更适合广泛分布的灰尘。平喷喷嘴更容易产生控制的喷雾模式，可以准确确定粉尘的来源［4］。雾化喷嘴往往非常复杂，较为昂贵。使用声波技术或静电补充来控制雾化喷嘴时，需要非常高的水压，如果喷嘴损坏或被堵塞可能导致一系列问题［4］。此外，该系统必须是紧凑，相对简单的，以便利于维护。

因此，喷嘴设计为一个低压空心锥喷头，使用低至70～140kPa的压缩空气来推动液体进行雾化。这意味着，一个小型压缩机就可以推动液体，低压力、低流量的水泵可以减小除尘系统的整体尺寸。通过设计两款不同的喷嘴用以分析确定其中一个相对于另一个的效率。这两款喷嘴设计有唯一差别：每个喷嘴的喷气孔倾斜角度不同，倾斜角分别为45°和60°。

4　储水箱固有频率分析

在框架上进行CAE模拟振动分析。在这种情况下，对框架约束条件的分析相对简单：没有外力施加于框架之上，它仅仅是一个固有频率的考察。四个定位点被用作固定约束，重力为第二种约束。振动分析的结果表明，频率在1.52Hz，60.69Hz，64.58Hz及85.68Hz可能引起框架发生共振。液压破碎机的最大频率为22Hz，因此这些频率不能引起框架共振。

5　案例研究

分析颗粒物的常规方法是重量法：利用泵抽取空气进入收集装置，来测量粉尘重量。此法适用于空气中粉尘监测，以便得出粉尘总量。由于这个原因，该测试选用技术已成熟的DustMate测试仪用于案例研究。

DustMate测试仪可用来测量 “可吸入的”和“可呼吸的”颗粒物。可吸入性粉尘可定义为一部分进入人体且附着在呼吸道系统上的粉尘粒子。呼吸性粉尘是指能够吸入并沉积在人体肺泡区的那部分粉尘粒子。在此定义下，使用DustMate测试仪对可吸入和可呼吸粒子的浓度数据进行多次采样，该测试提供了比一般采集法更准确的测试结果。

测试过程中操作员被要求使用破碎机敲打混凝土以产生尽可能多的粉尘。每个测试的过程如下：

首先，测试实验背景的粉尘浓度，确认空气中的粉尘浓度可以忽略计；其次，对尘埃进行细致的分析测试，确定不使用抑尘方法时产生的粉尘颗粒浓度。此外，每个喷嘴测试22L/h和44L/h两个流量；最后，使用流量为1300L/h来浸湿混凝土进行测试，为当前的除尘技术提供对比数据。将每次测试的直接和间接数据记录下来，作为原始的分析数据。使用DustMate测试仪来确定在拆迁过程中产生的 “可吸入”和 “可呼吸”的尘埃粒子的浓度，并记录结果。图3和表1给出了可吸入粉尘和呼吸性粉尘的数据累积频率图。

表1　可吸入和呼吸性粉尘粒子数据μg/m3Tab.1 Inhalable and respirable dust particle data

（续表1）

图3　可吸入粉尘和呼吸性粉尘数据累积频率图Fig.3 Inhalable dust and respirable dust data cumulative Frequency graph

采用简单的方法剔除数据内的无效数据，因为这些数据的有效性是至关重要的，它们能反应测试设备在除尘过程中的波动现象。为此，通过绘制累积频率图来显示可能出现高浓度尘埃粒子的地方，以表明每一个测试的总体趋势，从而确定每个除尘措施的实效性。由于累积频率图显示的是前点数据加后点数据的总和，所以图中最后数值最低的和斜率最小的部分是最有效的数据。

6　结论

上述测试是在合适的条件、适当的压力及精确的数字控制下进行。测试表明，样机除尘系统抑制粉尘粒子扩散能力非常有效。45°喷嘴抑制粉尘颗粒的能力比传统的除尘系统更有效。在两次 44L/h流量的测试中，45°和60°喷嘴有着明显的区别。45°喷嘴在抑制突然释放的粉尘方面远比60°喷嘴要好。测试现场的情况反应了用水量和泥浆的产生量。由于采用雾化技术，使用较少的水足以抑制粉尘，泥浆的产生量大大减少，从而有助于环保和节约成本。

［1］肖振雷.静电除尘器对微细粉尘收集方法的实验研究［D］.河北：河北大学，2012，59.

［2］高永全，谭德庆，唐毅青.易耗部件兼容的耐用品垄断租赁厂商策略研究［J］.西南交通大学学报（社会科学版），2013，4.

［3］閤松柏.滴状冷凝初始液滴形成机理的研究［D］.辽宁：大连理工大学，2007，62.

［4］阿不都可力木·阿不都拉，付长兵.袋式除尘器故障分析［J］.机械工程与自动化，2013，6.

［5］郭永献.喷雾液膜流动理论及电子器件喷雾冷却实验研究［D］.陕西：西安电子科技大学，2009，176.

Design of Small Excavator Dedusting System

TENG Zeng，CHEN Jing-Xin，ZHU Ling-Lin，ZENG Qing-Xi，WU Yi-Liang
（College of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225009，China）

By determining the dust removal system requirements and the concept of system，making a small excavator hydraulic breaking hammer working prototype.In the rigorous testing procedures，dust removal system of systems using 45°and 60°nozzle in comparison with the traditional，to determine their efficiency and benefit.

dust；atomization；environmental benefits

TB47

Adoi：10.3969/j.issn.1002-6673.2015.05.012

1002-6673（2015）05-030-03

2015-05-11

项目来源：国家科技部火炬计划资助项目（2012GH530716）；扬州大学大学生科技创新基金资助项目（X2014346）

滕增（1989-），男，江苏徐州人，在读研究生。主要研究方向：车辆及零部件数字化设计与制造。