Experimental and Theoretical Analysis on Influencing Factors of Pneumatic Dust
Collection Efficiency of Woodworking
滕达 TENG Da
（哈尔滨工业大学（威海），船舶与海洋工程学院，威海 264209）
（School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Harbin Institute of Technology at Weihai，Weihai 264209，China）
摘要：为了研究采用吸尘口吸尘的气力吸尘设备的吸尘效率，针对小规模木工加工空间的集尘设备，通过实验对该类型的吸尘工况进行了模拟。从各种影响吸尘效率的因素中，选取风机功率和吸尘口的设置两个主要的因素进行了对比实验，并进行了理论分析。本文通过实验及理论分析结果，分析了如何从吸尘的两个主要因素上提高木工吸尘设备的木粉尘吸收量。
Abstract: In order to study the dust collection efficiency of pneumatic dust suction equipment using vacuum suction, the dust collection equipment for small-scale woodworking processing space was simulated by experiment. Among the various factors affecting the efficiency of vacuuming, two main factors, namely the power of the fan and the setting of the suction port, were selected for comparative experiments and theoretical analysis was carried out. Through experimental and theoretical analysis results, this paper analyzes how to increase the wood dust absorption of woodworking equipment from the two main factors of vacuuming.
关键词：气力吸尘；木粉尘；实验模拟；吸尘效率
Key words: pneumatic dust collection；wood dust；experimental simulation；vacuum efficiency
中图分类号：X502 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）27-0162-03
0 引言
在木材的加工过程中，包括木材的刨、铣、打磨等，都会产生大量的木粉尘。木粉尘不仅能够侵入人体呼吸道引发炎症反应，同时木粉尘也是一种致癌物质[1]，吸入大量的木粉尘会对人体健康产生危害。另外，由于木粉尘具有易燃的特性，在加工过程中浓度达到一定程度时，遇到明火极易产生燃烧爆炸，是纤维类粉尘中引起爆炸事故最多的一种可燃粉尘[2]。近些年随着经济的发展，个人的木工坊、工作室等逐渐增多。一些木制品制作的自由从业人员也越来越多，这些人缺乏规范的职业防护能力，缺少专业的降尘除尘设备，他们长时间处于较高浓度的木粉尘中，比一般人群更易受到木粉尘的侵袭。因此木工加工过程的除尘尤其是未来小空间的除尘措施会变得更加重要。
目前现有的木工除尘设备吸尘口设计大体分为三类：一类是吸尘口与终端的木工加工设备集尘口相连接，集尘口在木工加工设备生产的过程中已经设计好，直接与吸尘口连接即可。第二类是工作区域的工作台将集尘口扩大成栅格状，从侧方和下方吸尘，扩大吸尘面积，一般用在木工打磨工作台上。第三类是吸尘口从吸尘管道引出直接悬置于加工区域的上方，由于受到工作区域的限制，一般没有集尘罩或者集尘罩较小，同时离尘源有一定的距离。由于第三类吸尘口的设计较为灵活，而且占地体积小，设备的安装经济有效，在小规模木工加工空间中适用广泛，因此，本文主要对第三类吸尘口设计的吸尘设备进行分析研究，通过实验测试和理论分析，得出提高该种类的设备吸尘效率的有效方法。
1 吸尘效率影响因素的分析
影响整体吸尘系统效率的因素较多。主要的因素包括风机功率、管道长度、管道直径、吸尘口的分布等。其他诸如管道走线的设计、吸尘口的角度等也会不同程度的影响吸尘效率[3]。由于小型木工加工空间的大型设备较少，工作台位置相对固定，因此管道走线的设计以及管道的长度都相对固定，管道直径按照经验选择，因此在影响因素的分析上都不单独讨论，本文主要从风机功率以及管道口的分布两个方面进行分析。
2 实验设备及实验步骤
2.1 实验设备的准备
本实验的目的主要是通过改变风机功率以及吸尘口的设置，对比不同工况下的木粉尘量，分析不同因素对于吸尘效率的影响。实验收集木粉尘采用的方法是称重法，实验前要保证实验设备管道干净无异物，实验管道不使用弯头，管道直径150mm长度尽量短，否则实验结束收集木粉尘容易收集不干净，吸尘口距尘源30cm，每次重新实验之前都要将管道及滤网清洗干净。实验设备选取的是某品牌静音风机，风机有三档，高档参数为风量530m3/h，风压300Pa，中档风量410m3/h，风压240Pa，低档风量284m3/h，风压160Pa。尘源选择打磨过程产生的木粉尘，选择的打磨设备为砂纸机，使用的砂纸目数为180目，砂纸每次实验前更换，砂纸机需要对散热孔及吸尘口进行封闭处理，防止在实验过程中，砂纸机吸尘口产生的气流扰乱木粉尘的扩散，对实验产生影响。由于砂纸机的散热孔封闭，单次实验的时间不宜过长，时间取5分钟整。由于实验的时间较短，因此实验材料要选择质地较软，易打磨的木材，因此实验材料选择松木指接板，尺寸为300mm*300mm，板材周围加挡板。
2.2 实验步骤
①打开砂纸机，置于档位1，将工作的砂纸机放置在实验板材上，待稳定工作20秒后，启动除尘风机；
②除尘风机工作5分钟后，依次关闭除尘风机和砂纸机电源，静置1分钟；
③收集管道内部以及集尘袋上的木粉尘进行称重测量，清洗管道内壁以及集尘袋，晾干后准备下次实验；
④每组工况进行5次实验测量。
3 实验数据分析及理论研究
3.1 实验可靠性验证
首先进行实验操作的可靠性验证。以风机低档功率运行，单吸尘口吸尘，实验五次取得的数据如表1。
通过表1发现，5次实验得出的数据偏差较大，证明实验的可信度较低。分析整个实验过程，设备的运行较稳定，唯一产生改变的是除尘滤网进行过清洗，因此考虑是由于滤网进行清洗过后，滤网上的过滤孔产生改变导致通透性改变，影响了吸尘的风量。为此每次重新实验前都使用新的滤网进行实验。
改变实验方案后，重新测得以风机低档功率运行，单吸尘口吸尘工况条件下，数据如表2。
表2数据表明，更改实验方案后，木粉尘的收集量较稳定，偏差小，可靠性较高，因此实验方案是有效的。
3.2 实验数据的处理及分析
以单吸尘口运行的工况下，分别以风机的高中低三档功率进行实验，得到的实验数据如表3。
通过表3可以看出在以高功率运行的情况下，吸尘量得到显著的提升，但是对比风量提升的比例，吸尘量没有得到同比例的提升，因此吸尘效率反而是降低的。
分别以风机高中低三档功率运行的条件下，改变吸尘口的数量，由原来的单吸尘口，改为由Y型三通连接的双吸尘口吸尘，两吸尘口相隔20cm，进行实验，得到实验数据如表4。
通过表4可以看出改用双吸尘口结构以后，吸尘量得到了显著的提升。中档风机功率的情况下，改用双吸尘口的吸尘量已经超过了高档情况下单吸尘口的吸尘量。
4 实验的理论分析
对几组实验数据进行分析可以看出，实验数据的偏差较小，说明实验的有效性及可靠度都较高，实验数据中的个别数据偏差较大的原因可能是由于滤网的加工质量不尽相同，因此导致个别实验数据偏差较大，对于偏差较大的数据不纳入数据分析，以减小实验的系统误差。
根据以上不同的实验工况，将表3和表4进行数据整理，得出图1。
通过图1可以看出，随着风机风量的提高，风机的吸尘量显著提高，因为随着风量的提高，吸尘口附近真空度得以增加，空气进入管道的流速也会相应增加，会有更多的木粉尘进入管道。从图1的斜率也可以看出，对比风压由284m3/h增大至410m3/h的阶段和410m3/h增大至530m3/h两个阶段，后一阶段的吸尘增加量比前一阶段的吸尘增加量要小，也就是说吸尘效率下降了。分析产生的原因，根据流体力学原理[4]，空气在横断面形状不变的管道内流动时，摩擦阻力按下式计算：
Δpm=λ·（l/4RS）·（ρv2/2） （1）
其中，RS=f/C。 对于圆形的风管，摩擦阻力计算公式可改写为：
Δpm=λ·（l/D）·（ρv2/2） （2）
由于 Δpm=Rml， 那么圆形风管单位长度的摩擦阻力（比摩阻）为：
RS=（λ/D）·（ρv2/2）（3）
式中：λ为摩擦阻力系数；v为风管内空气的平均流速，单位m/s；ρ为空气的密度，单位kg/m3；l为风管长度，单位m；RS为风管的水力半径，单位m；f为管道中流体部分的横断面积，单位m2；C为流体的周长，单位m。从式（3）中可以看出摩擦阻力正比于管道截面的面积和v2。随着风量的增加，管道流速也相应增加，在管道直径不变的情况下，摩擦阻力增大，管道的流速增加作用会被减弱，同时由于摩擦阻力的增大，木粉尘会堆积在管壁上，进一步降低吸尘效率。
根据图1还可以得出在不改变风机功率的情况下，采用双吸尘口的集尘方式比采用单吸尘口的效率要高。在风量410m3/h的风机功率下，采用双吸尘口的吸尘量已经超过了风量530m3/h工况下的吸尘量。双吸尘口效率高与木粉尘的扩散运动有关，木粉尘的产生分两部分[5]：
①木工加工时刀具挤压和摩擦木料产生的粉尘，这是木工加工作业粉尘产生的主要来源；
②刀具在进给过程中高速转动形成的紊流脉动作用使产生的尘粒、木屑间形成碰撞产生新的木粉尘。
在这两部分作用共同的结果下，木粉尘由尘源产生处，向四周辐射扩散，且浓度由尘源峰值处向四周是逐渐降低的。
另外，在木工加工的过程中，使用不同功率的加工设备对木料进行加工时，木粉尘的产生量是不同的，功率越大时，产生的木粉尘越多，在粉尘的质量浓度越高，源强对粉尘质量浓度峰值位置无影响[6]。因此，对于同一种加工材料，不同功率的加工条件下，木粉尘的浓度会在距尘源相同的位置产生浓度的峰值，该位置模型可以简化成是以尘源为中心的某个半球面，将吸尘口设置在此位置时，除尘可以取得较好的效果。但是吸尘口的位置并不能随意设置，应优先考虑加工需求，所以设计的位置应在不影响加工的前提下尽量靠近粉尘浓度峰值处。此外，由于该浓度峰值处近似为一个半球面，单纯依靠提高风机功率，吸尘口处的真空度提升是十分有限的，吸尘口并不能吸收更远处的木粉尘。在这种限制因素下，采用双吸尘口在不同的位置吸收木粉尘是一种很好的解决方式，能够更好的提升木粉尘的吸收效率。
5 结论
①影响木工气力吸尘的影响因素相对较多，分析实际的加工情况以后，排除加工条件下无法改变的因素或者较难改变的因素，得到风机的功率和吸尘口的设置这两个影响因素进行分析。
②对于加工情况的实验模拟要充分考虑加工的实际情况，尽可能的模拟真实的工况，对于实验中的一些替代要素要尽可能的排除实验干扰。
③风机功率对于木工吸尘设备的效率影响是较大的，在一定的区间范围内是提升吸尘量直接有效的方式，但是超过该区间范围以后并不是一种经济的方式，因此在实际加工情况中要具体的分析。
④增加吸尘口的数量，合理布设吸尘口的位置可以显著提升吸尘设备的吸尘效率，但是吸尘口位置的选择要充分考虑加工的实际情况，不能影响加工的进行和安全生产。
参考文献：
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[4]钱胜，王孟鸿，何远营，等.计算流体力学原理及其在复杂空间结构表面风压数值模拟中的应用：第十三届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C].天津：2013.
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