李啟東 王 非，2 黃 晨 姚鐘瑾 薛文彬

(1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院 上海 200093;2.同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 上海 200092;3.上海理工大學(xué)公共實驗中心 上海 200093)

機械加工過程中廣泛使用金屬切削液，其作用主要有：對切削刀具進行潤滑，對切削過程中產(chǎn)生的高溫進行冷卻，沖洗切削產(chǎn)生的金屬碎屑[1]。金屬切削液主要分為礦物油、乳化液、合成油和半合成油等[2]。金屬切削液在使用過程中會產(chǎn)生大量油霧顆粒，油霧的形成機制主要有3種[3]：(1)金屬切削液經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的刀具或工件時，會被離心力作用霧化成細小的油霧顆粒；(2)金屬切削液與刀具的相對速度較大，因撞擊產(chǎn)生了細小的油霧顆粒；(3)加工產(chǎn)生的熱量使金屬切削液蒸發(fā)成蒸汽，然后與空氣中的水蒸汽、粉塵、VOC等共同冷凝形成油霧顆粒。

油霧顆?？梢酝ㄟ^空氣擴散，現(xiàn)場操作人員吸入油霧顆?？赡軙?dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病和肺癌的產(chǎn)生，接觸油霧顆?？赡軙?dǎo)致皮膚病的產(chǎn)生[4-5]。2001年美國政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家會議(ACGIH)提出了礦物油霧暴露的限值(TLV)為0.2 mg/m3；職業(yè)安全與健康研究所(NIOSH)[6]的允許濃度為0.5 mg/m3(PC-TWA時間加權(quán)平均值)。而我國目前還沒有針對室內(nèi)工業(yè)油霧顆粒濃度的標準。然而，暴露在濃度低于0.2 mg/m3的油霧顆粒下時，工人發(fā)生哮喘、慢性支氣管炎、慢性鼻炎和眼睛刺激的概率仍然較高[7]。因此控制機械加工車間中的油霧顆粒濃度十分重要，而獲得油霧顆粒的散發(fā)率及粒徑分布是這項工作的重要基礎(chǔ)。

DASCH等[11-13]研究了金屬切削液的黏度、種類、稀釋比、揮發(fā)性、流體流速和刀具類型、刀具直徑、刀具轉(zhuǎn)速以及切削和進給深度等的影響，指出金屬切削液產(chǎn)生油霧顆粒的因素中，從大到小的影響順序是刀具轉(zhuǎn)速、切削液特性(黏度、類型、稀釋比、揮發(fā)性和流體速度)和切削條件。

CHEN等[3,14]、王非等人[15]、MICHALEK等[16]采用數(shù)學(xué)模型的方法對離心力機制作用下的油霧顆粒散發(fā)進行了研究，表明基于模型的研究可以預(yù)測離心力機制下的油霧顆粒的粒徑分布和粒徑大小。

綜上所述，現(xiàn)有的研究可分為3類。(1)對加工中有大量油霧顆粒物的工廠進行現(xiàn)場實測研究。但該研究結(jié)果并不能直接得到油霧顆粒源散發(fā)的強度。(2)影響油霧顆粒形成的因素研究，該類研究是在實驗室進行的，重點是比較影響油霧顆粒形成的不同因素。這些研究只測了油霧顆粒的濃度，仍然無法得到油霧顆粒的散發(fā)率。(3)油霧顆粒形成的數(shù)學(xué)模型研究?；谀Ｐ偷难芯恐饕性陔x心力機制的作用上，用來預(yù)測油霧顆粒的粒徑分布和粒徑大小及油霧顆粒的散發(fā)率。雖然建立數(shù)學(xué)模型的方法能夠得到油霧顆粒的散發(fā)率，但建立數(shù)學(xué)模型的方法主要是研究中值粒徑為100 μm左右的顆粒，對于可吸入粒徑段精度不夠。

油霧顆粒散發(fā)率和粒徑分布是預(yù)測工廠空氣質(zhì)量的重要參數(shù)。然而，很少有研究機械加工過程中油霧顆粒總散發(fā)率和各粒徑散發(fā)率的相關(guān)報道。因此，本文作者通過對2種不同物性的礦物油切削液在不同切削轉(zhuǎn)速下的散發(fā)特性實驗，得到了各個顆粒的散發(fā)率及粒徑分布，為機械加工廠房的油霧顆粒濃度控制提供理論依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料和裝置

選取2種不同物性的礦物潤滑油作為切削液，使用加工中常用的冷卻模式。由于冷卻模式下，離心力作用是油霧顆粒產(chǎn)生的最主要機制[17-19]，因此在實驗過程中沒有進行實際的金屬切削。

為了獲得機床運轉(zhuǎn)時各個粒徑油霧顆粒的散發(fā)率，采用質(zhì)量平衡的實驗原理進行散發(fā)率的測量。實驗裝置如圖1所示。

圖1 環(huán)境艙測試原理

切削數(shù)控機床(2033VMC)被置于環(huán)境艙中，數(shù)控機床運行時向環(huán)境倉中散發(fā)由切削液霧化形成的油霧顆粒。環(huán)境艙外部連接一套由風(fēng)機和高效過濾器組成的空氣凈化裝置，該裝置由風(fēng)管連接至環(huán)境艙，風(fēng)管安裝孔板式風(fēng)量儀(DG-700)，用于測量潔凈空氣的輸入量。排風(fēng)由縫隙排出環(huán)境艙，形成環(huán)境艙對外的正壓，這樣避免了環(huán)境艙外部的顆粒由縫隙滲入，影響實驗結(jié)果。環(huán)境艙內(nèi)不同位置安裝多個攪拌風(fēng)扇，使油霧顆粒與空氣完全混合。使用氣溶膠檢測儀(Grimm 1.108)測試環(huán)境艙內(nèi)各個粒徑油霧顆粒濃度?，F(xiàn)場實測照片如圖 2所示。

圖2 現(xiàn)場實測圖

根據(jù)質(zhì)量平衡的原理，可以根據(jù)氣溶膠測試儀(Grimm 1.108)測得的各個粒徑的油霧顆粒濃度，結(jié)合潔凈空氣的輸入量來計算機床運行產(chǎn)生的各個粒徑的氣溶膠的散發(fā)率。

1.2 實驗步驟

實驗步驟：開啟風(fēng)機至最大風(fēng)量(2 800 m3/h)，以快速降低房間顆粒物濃度。實時監(jiān)測氣溶膠測試儀顯示的氣溶膠濃度，直至環(huán)境艙內(nèi)顆粒物濃度不再降低，維持30 min，記錄此時艙內(nèi)各個粒徑的顆粒物濃度，作為本底環(huán)境濃度Cia；調(diào)節(jié)風(fēng)量控制器，以保證室內(nèi)對室外形成不小于3 Pa的正壓，記錄此時的風(fēng)量q(實驗中此時送風(fēng)量為1 620 m3/h)；運行機床，開始散發(fā)油霧顆粒，監(jiān)測氣溶膠測試儀顯示的油霧顆粒濃度，直至環(huán)境艙內(nèi)顆粒物濃度穩(wěn)定后，記錄各粒徑的顆粒物濃度Ci。10 min后停止機床進行下一個工況測試。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)質(zhì)量平衡原理，油霧顆粒散發(fā)率可以根據(jù)送風(fēng)量、本底濃度、穩(wěn)定濃度計算得到。計算公式為

Ei=(Ci-Cia)×q

(1)

式中：Ei為機床散發(fā)的第i種粒徑的顆粒物質(zhì)量(mg/h)；Ci為第i種粒徑的穩(wěn)定濃度(mg/m3);Cia為第i種粒徑的本底濃度(mg/m3);q為送風(fēng)量(m3/h)。

按式(2)(3)計算油霧顆粒的質(zhì)量平均直徑(DMM)和索特平均直徑(DSM)。

質(zhì)量平均粒徑DMM：

(2)

索特平均直徑DSM：

(3)

式中：Di為第i個粒徑;ni為第i個粒徑下的顆粒物個數(shù)。

索特平均直徑(DSM)是在霧化中常用性能評價指標，它的意義是與實際的顆粒具有相同表面積的球體的直徑。

1.4 金屬切削液物性參數(shù)

機械加工中使用的金屬切削液種類較多，其中礦物油的使用較為廣泛，文中實驗選取了2種不同物性的礦物油進行實驗，分別編號為EO1、EO2。

文中采用ISO 3675[20]方法、ASTM D2983[21]方法測試2種礦物油切削液的密度和運動黏度。測試結(jié)果如表1所示。

表1 2種加工液物性參數(shù)

1.5 實驗工況

根據(jù)WANG等[17]的研究，在機械過程中，不同刀具直徑和轉(zhuǎn)速對油霧顆粒的散發(fā)率和散發(fā)特性影響較大。因此，文中實驗采用的刀具直徑為25 mm，并選取機械加工中較為常用轉(zhuǎn)速區(qū)間1 000～5 000 r/min，對應(yīng)的刀具表面線速度為1.31～6.54 m/s。在切削液EO1、EO2流量為400 mL/h的條件下，分別進行1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 r/min 5種轉(zhuǎn)速下的切削實驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 散發(fā)率

實驗得到的2種金屬切削液在主軸轉(zhuǎn)速為1 000～5 000 r/min時的油霧顆粒總散發(fā)率如圖 3所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下2種切削液的總散發(fā)率

由圖3可知，EO1切削液的油霧顆?？偵l(fā)率在6.53～684.07 mg/h之間，EO2切削液的油霧顆粒總散發(fā)率在14.85～620.96 mg/h之間；隨主軸轉(zhuǎn)速升高，油霧散發(fā)率增加，主軸轉(zhuǎn)速越高，油霧散發(fā)率越高。原因是主軸轉(zhuǎn)速越高，刀具表面具有更高的線速度，導(dǎo)致刀具邊緣的離心力增加，切削液更易被通過離心作用形成油霧顆粒，致使散發(fā)率增大。

2種切削液在不同轉(zhuǎn)速下的各粒徑的散發(fā)率大小如圖4所示。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下2種切削液各粒徑的散發(fā)率

由圖4可知，主軸轉(zhuǎn)速越高，各粒徑的散發(fā)率越大。EO1切削液加工時產(chǎn)生的油霧顆粒的粒徑分布在0.265～22.5 μm之間，其中12.5 μm的油霧顆粒散發(fā)率最大。主軸轉(zhuǎn)速在1 000～5 000 r/min之間時，12.5 μm的油霧顆粒散發(fā)率范圍為2.60～226.27 mg/h。EO2切削液加工時產(chǎn)生的油霧顆粒粒徑分布在0.265～22.5 μm之間，其中6.25 μm的油霧顆粒散發(fā)率最大。主軸轉(zhuǎn)速在1 000～5 000 r/min之間時，6.25 μm的油霧顆粒散發(fā)率范圍為4.93～202.76 mg/h。

2.2 粒徑分布

2種切削液在1 000～5 000 r/min主軸轉(zhuǎn)速下各粒徑的占比如圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下2種切削液各粒徑的占比

從圖5可以看出，在不同主軸轉(zhuǎn)速下，各粒徑占比非常接近?？梢姼髁秸急扰c主軸轉(zhuǎn)速相關(guān)性不大。

對于不同種類的切削液，油霧顆粒的粒徑分布有較大區(qū)別，其中EO1切削液在0.265～3.5 μm之間的油霧顆粒占比接近于0，最大散發(fā)率占比對應(yīng)的油霧顆粒粒徑段為8.75～12.5 μm，為33.08%；EO2切削液在0.265～1.8 μm之間的油霧顆粒占比接近于0，最大散發(fā)率占比對應(yīng)的油霧顆粒粒徑段為4.5～6.25 μm，為32.65%?？梢?，當(dāng)切削液黏度越大時，通過離心作用產(chǎn)生的油霧顆粒粒徑越大。

圖6顯示了2種切削液的總散發(fā)率與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

從圖6可以看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，總散發(fā)率也增加。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速從1 000 r/min增加到5 000 r/min時，EO1切削液總散發(fā)率從6.53 mg/h增加到684.07 mg/h，EO2切削液散發(fā)率從14.85 mg/h增加到620.96 mg/h。分別通過最小二乘法進行了線性擬合和二次多項式擬合，結(jié)果顯示二次多項式相關(guān)系數(shù)大于0.99，剩余標準差遠小于線性方程。因此，文中采用二次多項式擬合，得到散發(fā)率與主軸轉(zhuǎn)速呈二次函數(shù)關(guān)系，擬合曲線如圖6所示。并對擬合函數(shù)進行了誤差分析，得出剩余標準差分別為29.51和11.77。具體的關(guān)系式及相關(guān)系數(shù)詳見表3。

圖6 總散發(fā)率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

表3 總散發(fā)率與轉(zhuǎn)速關(guān)系式

2.3 平均粒徑

使用公式(2)、公式(3)，可以計算出DMM和DSM。2種切削液的DMM和DSM隨主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖7和圖8所示。

圖7 DMM與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系

圖8 DSM與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系

如圖7、8所示，在主軸轉(zhuǎn)速1 000～5 000 r/min下，EO1切削液的DMM在3.81～4.24 μm之間，DSM在7.35～10.12 μm之間；EO2切削液的DMM在2.78～4.09之間，DSM在5.28～6.19 μm之間。可見，不同轉(zhuǎn)速下種切削液的DMM和DSM的波動較小，并沒有隨著轉(zhuǎn)速的升高單調(diào)的上升或者下降。從粒徑分布圖5來看，轉(zhuǎn)速對油霧顆粒粒徑分布的影響較小，因此從理論上分析DMM和DSM也不會隨主軸轉(zhuǎn)速產(chǎn)生很大的變化，圖7和圖8也同樣說明了這一點。

表4顯示了2種切削液顆粒散發(fā)的平均DMM和DSM。

表4 平均粒徑數(shù)值

從表4可知，不同的切削液產(chǎn)生的油霧顆粒的DMM和DSM也不相同。EO1切削液的DMM為3.88 μm。大于EO2切削液的3.54 μm。EO1切削液的DSM為7.56 μm，大于EO2切削液的5.86 μm。綜上所述，黏度較高的液體會形成較大的霧滴，主要是因為黏度較高的液體分子之間的作用力較大，霧化時更容易形成較大的油霧顆粒。

3 結(jié)論

(1)刀具直徑為25 mm，刀具表面的線速度為1.31～6.54 m/s時，使用運動黏度為112.6 mm2/s的礦物油切削液加工時其油霧顆粒散發(fā)率在6.53～684.07 mg/h之間；使用運動黏度為33.7 mm2/s的礦物油切削液加工時其油霧顆粒散發(fā)率在14.85～620.96 mg/h之間。黏度越大的切削液在機械加工時其油霧顆?？偵l(fā)率越大。

(2)機械加工過程中，產(chǎn)生的油霧顆粒主要分布在0.265～22.5 μm之間。其中黏度為112.6 mm2/s的礦物油切削液的12.5 μm油霧顆粒散發(fā)率最大，運動黏度為33.7 mm2/s的礦物油切削液的6.25 μm油霧顆粒散發(fā)率最大?？梢?，黏度越大的切削液產(chǎn)生的油霧顆粒粒徑也越大，并且DMM和DSM的值也越大。

(3)主軸轉(zhuǎn)速在1 000～5 000 r/min之間變化時，油霧顆粒的粒徑分布、各粒徑占比、DMM和DSM無明顯變化。

(4)由離心作用產(chǎn)生的油霧顆?？偵l(fā)率與主軸轉(zhuǎn)速呈二次方關(guān)系；主軸轉(zhuǎn)速越大各個粒徑的油霧顆粒散發(fā)率越大。