液压支架结构件车间焊烟除尘系统的设计与应用*

宋金标

(兖矿东华重工有限公司，山东 济宁 273500)

0 引 言

液压支架结构件车间主要生产工序为组对和焊接，焊接方式有电弧焊、二氧化碳保护焊和MAG焊接等，焊接过程中产生大量的热量，并且总是产生能够悬浮在空气中的气态有害物和非常小的颗粒有害物[1]，这些焊接烟尘粒径小，烟尘呈碎片状，粒径为0.01～10 μm,其中绝大部分烟尘粒径分布在0.38 μm左右。而这些粒径的烟尘也是最容易进入工人的呼吸系统，并溶于血液，对作业人员的健康有着极其严重的伤害。

笔者根据液压支架结构件车间组对及焊接工位特点，选择不同的烟尘收集方式，计算出每套设备所需风压及风量，选择不同功率的风机，通过变频调速控制方式实现节能降耗及环保要求，解决结构件车间焊接烟尘排放问题，为职工创造良好的工作环境，降低车间内作业人员的职业危害。

1 结构件车间整体情况

结构件车间共有三跨厂房，每跨焊接区域长120 m，宽24 m，共设计有 71个焊接工位，其中人工焊接工位 37 个(变位机工位 6个，手工焊接工位27个，手工焊补工位4个)，关节机器人焊接工位 4个，连杆机器人焊接工位4个，上述每个工位尺寸约 9 m×7 m；拼装工位16个，每个工位尺寸8 m×7.5 m；小件组对焊工位10个，每个工位尺寸9 m×4.5 m。车间全年工作300天，按照两班制生产，每班8 h，每个焊工操作1天产生的烟尘量为60～150 g[2]。设备使用周边环境：环境温度 -10～40 ℃，湿度 10%～60%；混凝土(强度等级C30以上)地面200 mm厚，车间照明不低于 150Lx；车间现场无易燃、易爆、腐蚀性气体及物品，无强电磁辐射源。

2 除尘系统总体设计要求

除尘装置烟尘捕捉率大于75%，车间内电焊烟尘经除尘器过滤后排放气体颗粒物浓度小于5 mg/m3，总体烟尘浓度小于4 mg/m3，符合DB37/2376-2019《山东省大气污染物排放标准》要求，除尘设备运行噪音小于等于70 dB，符合《工业企业噪声控制设计规范》要求。

3 烟尘收集方式设计

由于液压支架的焊接工件较大，工件搬运时需要使用行车吊运，因此在设计烟尘收集方式时，需设计使用不影响行车吊装工件的烟尘捕捉方式。对于结构件车间的37个人工焊接工位、4个关节机器人焊接工位及 10个小件组焊工位，设计使用旋转悬臂吊挂可来回移动的吸风罩捕捉焊接烟尘，吸风罩下悬挂焊接专用遮弧帘，避免焊接烟尘逸散。

针对4个连杆机器人焊接工位，由于机器人采用倒挂安装方式，可上下升降，高度较高，设计使用可随机器人来回移动的可滑动吸风罩捕捉焊接烟尘，吸风罩配置滑动吸风道，保证烟尘捕捉的持续性。

针对16个人工拼装工位，每个工位一台焊机，工件也需要吊装，工位范围较大，但焊接量较小，为此设计使用延伸吸气臂+活动吸气臂的方式捕捉焊接烟尘，延伸臂末端承重不低于80 kg，可将送丝机悬挂在延伸臂末端，方便现场工人来回移动焊接。

由于拼装工位和车间立柱之间有宽度为 4.5 m 的安全通道，拼装工位自身尺寸为8 m×7.5 m，将延伸臂安装在车间立柱上不能覆盖拼装工位全部工作范围，因此设计在拼装工位旁边做延伸臂安装立柱，使用长度6 m延伸臂+长度3 m活动吸气臂捕捉焊接烟尘，以保证能覆盖整个作业面。

4 设计计算

使用吸风罩工位风量计算：

根据工件尺寸，每个工位设计使用一个尺寸为 2.5 m×2 m 的吸风罩捕捉焊接烟尘，为提高风速及烟尘捕捉效果，罩口下方安装导流板，实际进风面积只有罩口尺寸的1/4，同样风量情况下，进风口风速提高4倍，烟尘捕捉效果更好，能够有效减少设备投入及能耗，达到节能降耗的目的。

吸风罩风量计算如下：

罩口面积：2.5 m×2 m=5 m2

安装导流板后的实际进风面积：

5 m2×1/4 =1.25 m2

进风口设计风速：1 m/s

回形罩设计风量：

1.25 m2×1 m/s×3 600 s/h = 4 500 m3/h

按照风量计算结果及招标文件风量要求，每个吸风罩的设计风量为 5 000 m3/h。

本项目设计使用直径Φ160 mm的活动吸气臂，吸气臂长度3 m，每条吸气臂设计风量为1 000 m3/h。当吸气口吸气时，在吸气口附近形成负压，周围空气从四面八方流向吸气口，形成吸入气流，实现捕捉含尘空气的目的。吸尘点风速与吸尘点到吸气口的距离的平方成反比，因此应尽量减少焊接点与吸尘口的距离，以提高烟尘捕捉效率。

吸气臂直径160 mm，按1 000 m3/h的设计风量计算吸气口处的风速为 15.2 m/s，一倍直径处的风速只有 1.14 m/s，另外对于CO2气体保护焊，为保证焊接质量，焊接区环境风速必须小于2 m/s，建议污染源到吸气臂吸气口的距离在200～300 mm。

同等风速范围情况下，管径越大，摩擦阻力越小，取平均3 Pa/m计算沿程管道摩擦阻力，此项目设计方案中，最远点吸风点距离除尘系统的距离为100 m，则直管运行阻力最大为300 Pa。

局部运行阻力计算公式如下：

Z=ξ*ρ*υ2/2[3]

式中：Z为局部阻力,Pa；ξ为局部阻力系数；ρ为空气密度，kg/m3；υ为空气流速，m/s。

此次选用1倍直径的 90°弯头，查表得出局部阻力系数ζ=0.23，空气密度=1.293×(实际压力/标准物理大气压)×(273.15/实际绝对温度)，绝对温度=摄氏温度+273.15，20℃时，空气密度取1.205 kg/m3。焊接烟尘的浓度单位为5 mg/m3，对于空气密度 1.205 kg/m3，可忽略不计，因此计算阻力时取空气密度 1.205 kg/m3。

使用吸尘罩和吸气臂的弯头摩擦阻力计算如下：

吸尘罩：

Z=0.23×1.205×11.05×11.05/2 = 16.92 Pa

吸气臂：

Z=0.23×1.205×8.84×8.84/2 = 10.83 Pa

本次选用扩散式伞形风帽，最大烟囱直径为1 700 mm，排风风速 9.79 m/s，伞形风帽高度0.5 m，查表得出局部阻力系数ζ=0.8，其局部阻力计算如下：

伞形风帽：

Z=0.8×1.205×9.79×9.79/2=46.2 Pa

除尘器的初始运行阻力为450 Pa左右，终阻力为1 200 Pa。

综合上述各计算结果，使用吸尘罩和吸气臂的系统运行阻力分别计算如下：吸尘罩系统：系统运行阻力=罩口设计余压+弯头局部阻力+管道摩擦阻力+除尘器终阻力+伞形风帽局部阻力= 300 Pa+16.92 Pa×4+300 Pa+1 200 Pa+ 46.2 Pa = 1 914 Pa

吸气臂系统：系统运行阻力=吸气臂阻力+弯头局部阻力+管道摩擦阻力+除尘器终阻力+伞形风帽局部阻力= 1 050 Pa+10.83 Pa×4+300 Pa+1200Pa+46.2Pa=2640Pa

按照上述运行阻力计算，且考虑后期工艺变动带来的系统调整，所选用的风机需要保证在设计风量的工作点能产生不小于 3 000 Pa 的静压。

根据上述计算结果，各系统选择风机型号如表1所列。为节约用电，所有风机电机均采用变频控制，焊接工位焊机与吸风罩阀门具有联动功能，以达到节能降耗的目的。

表1 各系统风机型号参数

选用多级过滤除尘器，集阻火过滤器、阻燃型纳米纤维滤筒和活性炭纤维过滤器为一体[4]，过滤器滤筒采用Nanofiber滤材，它的基材采用一种非机织结构混纺聚酯粘合技术制作而成，表面覆纳米纤维涂层，适用于过滤极微细粉尘(0.1～0.5 μm)过滤，具有过滤效率高、尘饼剥离效果好、低阻力和过滤风量大等特性，且在脉冲的作用下，灰尘颗粒可以被非常轻松地吹出表面层，保持中间介质的洁净性。

按照以上参数选择除尘器及风机，安装管道及烟尘收集装置后，满负荷作业时车间内烟尘收集率超过75%，经环保检测机构检测，排放气体颗粒物浓度为3.2 mg/m3，总体烟尘浓度2.4 mg/m3；除尘风机加装隔音房后，设备运行噪音为65dB，满足DB37/2376-2019《山东省大气污染物排放标准》及《工业企业噪声控制设计规范》要求。

6 结 语

笔者针对液压支架结构件车间不同焊接工位的特点，科学合理的选择焊接烟尘收集方式，尽可能提高粉尘捕捉率，配套相应的除尘器及风机，较好的解决了结构件车间焊接烟尘收集及排放问题，车间内作业环境明显改善，为后续焊接车间建设积累了宝贵的数据及经验。