玻璃清洗机风刀布局及风刀截面的分析研究

陈承新，周 辉，王开西，张一琦，于 宇，彭 正

(蚌埠凯盛工程技术有限公司，蚌埠 233010)

玻璃基板在经过清洗机清洗后需要进行表面和断面的干燥，常用的干燥方式有海绵辊挤压干燥和强冷、热风吹干干燥。采用海绵辊挤压干燥对基板断面的干燥效果较差，同时需要定期更换海绵辊，否则容易二次污染玻璃。采用风刀吹干是通过高压风来吹除清洗玻璃过程中附在玻璃表面的水分，以保证清洗后的玻璃洁净、干燥、无杂质、无水迹，因此风刀功能的优劣直接影响清洗机效果[1]。采用强风吹干的方式进行干燥，整个吹干过程中前断面、侧断面、玻璃上下大面最容易吹干，而玻璃尾部断面由于一直有水被吹到尾部断面，是吹干工序中最难吹干的地方。

风刀切水的原理就是用高速的刀状气流使得玻璃表面的水分、粒子等沿着气流方向滚动离开玻璃表面。高压强风进入风刀后，通过1～2 mm的风嘴间隙吹出，从而形成一个高速的气流薄片，该薄片气幕形成一面薄薄的高强度、大气流的冲击气幕，气幕强度均匀，同时此薄片还将引流周围数倍的环境空气。玻璃在高压风刀吹干过程可以分为以下几个阶段。

1)除水层阶段，该阶段主要是采用成对的风刀吹除玻璃表面形成的有厚度的水层，将玻璃表面大部分的水吹赶到玻璃尾部，并从玻璃侧面和尾部流走。

2)除水膜阶段，当玻璃上下表面大量的水层被吹走后，会留下一层薄薄的水膜附在玻璃上下表面上，该过程采用成对风刀将玻璃表面上附有的水膜进行吹干蒸发。

3)除尾部断面阶段，该阶段前玻璃表面基本已经没有水层和水膜，只有基板尾部断面上存有水迹,该断面水迹主要由大面上的水层和水膜重复流入尾部断面产生的，该阶段主要采用成对风刀对基板尾部断面进行干燥。

1 风刀种类和特征

风刀在设计时刀口要尽可能地沿着风吹的方形延伸一段距离，这样空气就会作为一个整体以直线方式喷出来，气流会更加容易控制，该种设计同时也会提高空气在风刀腔内壁的夹带，这样风刀基于柯恩达效应和空气夹带就能提供稳定的、持续的、大量的空气。加长后的刀口利用柯恩达效应，引导空气附在刀口的表面，这样风的整体性一直持续到气流下游，并创造了周围空气夹带，最终提高了风的利用率。

一般除水层阶段、除水膜阶段风刀主要是急速去水，对风刀风速、压力要求较高，此阶段的风刀截面应该采用曲线形状，可以减少涡流产生，同时理论上为了使风刀效果更好，应该采用截面由进风端向末端逐渐缩小的形式，不但能够提高纵向速度，还能增加末端的风速，但这样会增加制造的难度和成本，实际制造时常采用等截面风刀[2]。除尾部断面阶段，因为此时玻璃大面上已无水迹，只有尾部断面上有水迹，对风刀的风速、压力要求不高，反而需要大流量风来烘干，此阶段的风刀在考虑制造难度上，可以考虑采用矩形风刀。

风刀按照结构方式可分为：直风刀、斜风刀、合风刀。直风刀和斜风刀对风压、风速要求较高，采用曲线尖嘴风刀截面。合风刀对风压、风速要求不高，常采用矩形结构，并安装有引风板。

1.1 直风刀

直风刀是指风刀中心线平行于辊子中心线，风刀气流从平行于玻璃前端断面开始切水，到玻璃的尾部断面结束。直风刀主要用于切除玻璃表面大部分的水层，也可以用于清洗单元之间的隔离。

1.2 斜风刀

斜风刀是指风刀中心线与辊子中心线成一定角度，风刀将传输辊子分为两部分，气流是从玻璃的一个角开始切水，到玻璃的另一个角结束。斜风刀主要用于切除玻璃表面和断面上的水，一般斜风刀的摆放角度越大对断面吹干的效果也越好，但是角度越大不仅会增加设备长度，也会对玻璃基板产生较大侧向力，玻璃容易跑偏。如图1所示为常用直、斜风刀截面。

1.3 合风刀

合风刀是方形风刀，风刀切口与辊子中心线成一定的角度，且采用多道平行切口方式。合风刀平行于辊面放置，常用于最后一组热风干燥风刀，用于干燥玻璃尾部断面的水分。如图2所示为合风刀结构。

2 风刀的布局

一般的工业风刀除水参数根据除水模式的不同对应不同的出口风速和风刀间隙，具体参照表1。

表1 工业风刀除水参数

根据风刀除水阶段以及工业风刀除水参数分析可知：在玻璃进行除水时，首先要要对玻璃进行急速去水，利用高压风刀形成的高压力、高速度的风幕快速吹除玻璃上大量的水层，因此第一组风刀采用直风刀，直风刀刀口间隙取1～1.5 mm，风刀刀嘴距离玻璃上下表面的距离为3～5 mm，刀口前倾斜角度为15°～30°左右，能够有效地利用直风刀的强风幕将玻璃上的水层急速地赶到玻璃的尾端断面。

其次，直风刀后面需要设置斜风刀，斜风刀可以快速去除玻璃表面和断面上的水迹，特别对尾部断面也有较好的去除效果，能够给后面的合风刀减轻压力，斜风刀的数量由玻璃传输的速度决定，斜风刀刀口间隙取1～1.5 mm，风刀刀嘴距离玻璃上下表面的距离为3～5 mm，刀口前倾斜角度为5°～10°左右，斜风刀摆放角度为15°～25°，能够有效地利用斜风刀的切水作用实现沿对角线渐进的除水，斜风刀不仅能够对玻璃表面进行除水也能够对玻璃断面有好的除水效果[3]。

最后，斜风刀后面应布置一组合风刀，合风刀常配合电加热采用热风烘干，该风刀主要用于去除玻璃尾部断面残留的少量水迹，合风刀刀口间隙取1.5～2 mm，风刀刀嘴距离玻璃上下表面的距离通常为5～6 mm，能够有效地对尾部断面进行干燥。如图3所示为风刀的布置形式。

3 风刀的仿真

经过前面分析可知，急速去水阶段是玻璃吹干的关键，该阶段不仅能够快速地剥离玻璃上的水层和水膜，还能够为后面合风刀的尾部断面去水减轻压力，因此急速去水阶段直风刀和斜风刀截面形状优劣直接影响吹干效果。

该文通过Solidworks中的FloXpress模块进行流体仿真，验证风刀出口风速并与理论计算风速对比，最终得出风刀的截面引流效果[4]。

已知：风刀刀口有效长度1 450 mm，刀口间隙取1.3 mm，根据实际使用风机，单个风刀进风流量为815 m3/h。则理论风速:V=Q/A=815/3 600/1.45×0.001 3=120 m/s。

将同样的风刀参数和流量添加到FloXpress模块中，经过仿真得出风刀的空气速度场如图4所示。

通过FloXpress仿真可知：风刀在刀嘴处气流速度最大，最大风速为123.586 m/s，与理论计算结果基本一致，说明此风刀截面对风的引流效果较好，该速度值满足急速去水的速度要求。因此，该风刀截面对玻璃表面的水层和水膜以及尾部断面有较好的效果，同时结合合风刀对尾部断面热风烘干效果，能够实现玻璃表面和断面的快速干燥。

4 实验测试

为了进一步验证仿真结果的正确，进行了实验，测试清洗机干燥效果。在测试时采用最高速度18 m/min进行测试。如图5所示为设备测试现场图，图6为风刀吹干效果图。

由测试结果可知，采用该种风刀布置结构，对玻璃的表面和断面的干燥效果均较好，能够快速实现干燥。

5 结 语

伴随着玻璃产业的发展以及国家的政策扶持，玻璃清洗机作为玻璃生产线重要的工艺设备之一，向着高洁净度、高干燥度发展。该文从玻璃除水理论分析了玻璃除水的过程，并根据除水过程及除水模式进行风刀的截面设计及风刀布置，并通过FloXpress对重要风刀截面进行了仿真，理论上验证了风刀急速去水的效果，得出采用该截面和布局的风刀对玻璃表面和断面具有较好的干燥效果。