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摘要:为改善喷砂作业环境, 降低室内外空气污染, 设计研制了一套自动喷砂配套装备, 提高了工作稳定性, 降低了工人的劳动强度.本文先介绍了砂尘回收系统的整体方案, 针对其回收动力系统进行了设计研制, 包括真空源、电动机和消声器的设计与选型, 还设计了动力系统的减震底座.经试用, 本动力系统能够为整个砂尘回收系统提供良好的真空环境, 保证了喷砂系统的高效运行.

  在传统的人工喷砂作业过程中产生的粉尘很大, 质量浓度甚至能达到1 000 mg/m3以上, 而且粉尘颗粒分散度很大.一般而言, 对人体危害最大的是10μm以下, 尤其是0.5~5μm的微细粉尘, 这些粉尘在空气中具有一定的独立飞散的能力, 能通过人体呼吸道深入到人体肺部较深的位置, 并且大部分都停留在人体内, 严重时导致尘肺.为改善作业环境, 满足环保要求, 急需在喷砂过程中回收砂砾, 尤其将微细粉尘捕捉收集起来控制其不致飞散, 不仅能够使工作环境更清洁, 还能够节约喷砂成本, 是海管类喷砂作业的一大发展方向, 并且已经取得了研究成果, 研制出了喷砂清理设备[1,2,3,4], 本文作为文献[4的后续章节, 将重点阐述该系统中的回收动力系统的设计方法与研制.

1、砂尘回收系统整体方案:

  因需要处理粉尘浓度较大, 本系统除尘装置的配置将采用二级除尘设计[5], 以提升排除空气的清洁度.

  第一级的清理设备为除尘器, 除尘器将砂尘分离器分离出来粉尘颗粒进行一次处理, 可分离出较大颗粒, 提高粉尘处理效率.该级处理效率将达到85%.

  第二级的清理设备为滤尘器, 滤尘器将上一级未能处理完的剩余灰尘通过管道风压吹到滤筒中, 滤筒上存在很多细小的齿牙.齿牙可以吸附通过的大量灰尘, 达到清理目的.余下的过滤完的干净空气将通过风机与消声器排放到大气中.经过此环节的处理之后将得到复合排放标准的气体.但是经过一段时间的处理之后, 齿牙中会聚集大量的灰尘, 大量的灰尘会严重影响除尘效率.所以在经过一段时间的工作过后应对滤筒进行除尘处理.对滤筒除尘时, 风机工作将风流导入滤筒中使附着在齿牙上的灰尘脱落, 落到除灰槽中.至此, 全部除尘过程结束.

  如图1所示为循环喷砂系统中砂尘回收系统的整体方案。粉尘净化路线:管道表面→喷枪→容积式分离器 (回收室) →旋风除尘器→滤筒除尘器→消音器→干净空气。

图1 砂尘回收及净化系统整体方案Fig.1 The scheme of the sand-recycle system

图1 砂尘回收及净化系统整体方案Fig.1 The scheme of the sand-recycle system

1.砂尘分离器;2.旋风除尘器;3.滤筒除尘器;4.真空泵;5.空气消音器

2、回收动力系统的设计:

  回收动力系统是循环真空喷砂系统中十分重要的部分, 其设计的合理性直接关系到磨料回收的效果[6]宝岛彩票官网.本动力系统的原理如图2所示, 主要由电动机、真空源、消声器及安全装置组成.

图2 回收动力系统原理Fig.2 The principle of the power system

图2 回收动力系统原理Fig.2 The principle of the power system

宝岛彩票官网   整个滤尘以及除尘系统的风源都由真空源 (风机) 提供, 风机的主要参数一般由风量与风压两个参数确定.风量的计算公式为:

计算公式

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  式中:Q为风机所需风量 (m3/h) ;K为风管和除尘器的漏风系数, 取1。15;Q1为系统风量 (m3/h) 。

  本系统中最大风量为2 608 m3/h, 可以算出风机所需风量即Q=3 000 m3/h。

  风压的计算公式:

计算公式

 

  式中:P为风机风压大小 (Pa) ;ΔP1为除尘器阻力 (Pa) ;ΔP2为滤尘器阻力 (Pa) ;K1为风机风压附加系数, 取1.08.

  除尘器阻力主要由自身结构和滤料产生, 取ΔP1=800 Pa, 依据同种类型的滤筒除尘器的值取ΔP2=1 000 Pa, 经计算得P=1 944 Pa.

  考虑到前面的除尘等设备都需要负压来进行工作, 所以本计算只是除尘部分需要的最小负压.

2.1、真空源选型:

  循环式真空喷砂系统使用负压系统进行砂粒的回收工作, 系统所需负压由真空源提供, 常用的真空源种类有高压离心风机、罗茨风机、真空泵和气动真空发生器等[7].用于金属砂粒回收的压力必须达到30~60 kPa, 且应具有足够的空气流量.常见的高压离心风机, 压力较高, 但空气流量较低, 回收能力较弱, 适于磨料的短距离回收或小密度、小颗粒喷砂介质的回收, 如塑料砂粒和植物型砂粒等.罗茨风机能够提供所需的较高压力, 但工作噪声较大.真空泵虽可以达到较高压力, 但常用的真空泵流量都比较小, 不适用于大量砂粒的回收.气动真空发生器, 气体流量很小, 也不适用砂粒的回收.

  本次设计的最大工作负压为55 kPa, 气体流量为50 m3/min, 砂粒的运输距离大于15 m.常见真空源难以同时满足以上要求, 经过考察选择了韩国KFM公司的逆流冷却式罗茨真空泵, 型号为ST250SVBF, 其性能参数如表1.

表1 所选罗茨风机的性能参数Tab.1 The characteristics of the chosen rootsblower

表1 所选罗茨风机的性能参数Tab.1 The characteristics of the chosen rootsblower

  罗茨真空风机的主要优点为节能环保、精密度较高、使用寿命长、构造紧凑、体积较小、适合移动工作.其工作原理如图3所示, 在机壳内设有两个三叶转子, 在机壳内部三叶转子与机壳保持着微小的旋转间隙, 由于两个三叶转子互为反方向旋转, 使机壳与转子所包围着的气体由吸入的一侧输入到排出的一侧, 三叶转子每转一圈将有六次气体排出.

  转子采用的是三叶型转子, 并且是容易加工的同心圈结构, 其优点体现在:95%以上的优越的体积效率和较高的机械效率, 有效的减少了能量损失;比起第一代二叶转子真空泵, 明显减少了噪音、脉动、震动、压力偏压, 并且提高了性能稳定指数。

图3 三叶罗茨风机的工作原理Fig.3 The principle of the 3 fans-roots blower

图3 三叶罗茨风机的工作原理Fig.3 The principle of the 3 fans-roots blower

2.2、电机选型:

  电动机的选择应综合考虑各种因素, 一般可参照下列几点:

1) 根据机械的负载性质和生产工艺对电动机起动、制动、反转、调速等要求, 选择电动机的类型。

2) 根据负载转矩、转速变化范围和起动频繁程度等要求, 综合考虑电机的温升限度、过载能力和起动转矩, 选择电动机的功率及确定电动机冷却通风方式。选择电动机的功率时, 一般应留有余量, 其负载率可在0。8~0。9范围内选取。

3) 根据使用场所的环境条件, 如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体含量等, 确定必要的防护形式, 选择电动机的结构型式.

4) 考虑用户的电网电压情况以及对功率因素等性能指标的要求, 确定电动机的电压等级和电动机的类型.

5) 根据生产机械的最高转速、电力传动调速系统的过渡以及机械减速机构的复杂程度, 对电动机的性能要求, 选择电动机额定转速。

除上述各因素外, 还需要综合考虑电动机运行的可靠性, 备品备件的通用性、安装维修的难易程度、以及产品价格、运行费用和维修费用等各项经济指标, 达到安全运行和节约能源的目的.

电动机的设计要求:

a) 电机的工作环境:设备在铺管船作业线室内使用, 高盐雾、高湿度、尘土、金属粉尘等污染物较多, 环境温度-20℃~+50℃;

b) 输入电源:三相, 380VAC±10%、50 Hz;

c) 负载功率61.3 kW, 可无极调速.

所需电机功率:

计算公式

 

综合考虑选择由山东开元电机宝岛彩票官网生产的YVP系列变频调速电动机, 型号YVP280S-4/75KW, 性能参数如表2.

表2 电机性能参数Tab.2 The characteristics of the motor

表2 电机性能参数Tab.2 The characteristics of the motor

该变频电机具有以下特点:

1) 效率高、节能显著;

2) 调速平滑, 能在10~50 Hz范围内无级调速, 具有宽范围恒转矩与功率调速特性, 无转矩脉动;

3) 低频起动时力矩参负载冲击小;

4) 起动电流小, 不用附加起动设备;

5) 体积小、重量轻、安装尺寸和Y系列相同;

宝岛彩票官网 6) 在风罩内装有轴流风机, 在各种转速下, 均有良好的冷却效果;

7) 应用范围广, 在50 Hz以下可作恒转矩运行, 在50 Hz以上可作恒功率运行;

8) 较电磁调速电机结构简单, 使用可靠, 维修方便。

2.3、消声器选型:

  罗茨真空泵在开机运行时, 会发出刺耳噪声, 影响周围的工作环境.噪声按频率可分为:低频噪声 (<400 Hz) 、中频噪声 (400~1 000 Hz) 以及高频噪声 (>1 000 Hz) [8].常见消声器原理及特性如表3所示.

表3 消声器原理及特性Tab.3 The characteristics of muffler 

表3 消声器原理及特性Tab.3 The characteristics of muffler

  罗茨风机的缺点为噪声明显, 如不加以对其噪声进行控制, 其噪声可达10~130 dB.本次设计使用的罗茨风机有几个部位产生噪声[9]:1) 进出气口产生的空气动力性噪声;2) 电机自身、电机与机壳、轴与轴承之间在工作过程中因小幅度的相对运动产生的机械噪声;3) 其他基础振动.

  噪声的种类分为机械噪声与气动噪声, 机械噪声的解决办法一般为提高轴承等零部件位置之间的运转精度, 及时更换损坏的轴承, 添加润滑油, 紧固连接螺栓, 以及增加对设备的维修保养次数等方法.

  对于气动噪声采取的方法为加装消声器, 消声器的结构如图4所示.

图4 消声器的结构Fig.4 Structure of muffler

图4 消声器的结构Fig。4 Structure of muffler

 

消声器的主要计算数据为消声器的长度与横截面积.首先要计算阻力损失, 阻力损失的计算公式为:

计算公式

 

式中:Δp为阻力损失 (Pa) ;ξ为阻力损失系数 (1.0) ;ρ为气体密度 (kg/m3) ;v为气流平均速度 (m/s) .

工程中消声器的阻力损失一般为98~200 Pa, 这里我们选择100 Pa, 并将选好的阻力损失值即100 Pa设为参数Δpn.计算出气流的平均速度v=12.44 m/s.

消声器有效消声横截面积计算公式:

计算公式

 

设S1为按照消声器的半径计算出的总横截面积, 一般S1=S0/k, k值一般为0.40~0.44之间, 本设计取平均值0.42.

S1的计算公式为:

计算公式

 

宝岛彩票官网 将以上式 (4) 式 (5) 联立求出计算消声器直径D的公式为:

计算公式

 

式中Q为风机风量, m3/s。

计算出消声器的直径D=700 mm.

消声器长度的计算L公式:

计算公式

 

式中:ΔL为需要减少的噪声量;ΔL0为每米减少的噪声量.

取平均值ΔL为17.5 dB/m, ΔL0对于本设备取120 d B, 计算出消声器长度为L=1 010 mm.

3、结构减震性设计:

  为提高本系统的稳定性, 重点需要对于系统中的动力设备进行减震处理, 及对所设计的回收动力系统加装减震底座等措施, 减震措施可以延长设备使用寿命, 维持长久的平稳运行.为了达到减震的目的可以选择安装减震器, 减震器的材料应具有弹性柔软、可承受较大载荷、不因外界温湿度的变化影响自身性能, 并且易于安装调换, 减震器材的分类见表4.

表4 减震器材分类Tab.4 The classification of shock absorber

表4 减震器材分类Tab.4 The classification of shock absorber

  风机的减震一般选用的种类为阻尼弹簧复合减震器[10,11], 该类减震效果好, 适合大风量的风机, 因此选用该种器材作为本结构最终的减震器, 实际外形如图5所示, 整机装配如图6所示.

图5 减震器外形结构Fig.5 The structure of the absorber

图5 减震器外形结构Fig.5 The structure of the absorber

 

图6 整机装配结构Fig.6 The assemble of the complete power system

图6 整机装配结构Fig.6 The assemble of the complete power system

4、结论:

  本文对循环喷砂系统中的回收动力系统进行了设计, 实现了以下设计目标:

1) 给整套除尘系统提供了足够的负压需求, 使循环喷砂过程稳定运行, 保证了自动喷砂处理的效率。

2) 选用了合理的消声器, 使风机的输出噪声得到了明显降低, 满足了作业环境的环保要求。

3) 采用了阻尼弹簧复合减震器结构, 使整个动力系统结构的震动情况明显改善, 保证了系统的稳定性和使用寿命.


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