1梅 林 2黄进
1.重庆市安全生产科学研究院，重庆400000；2.重庆科技学院 安全工程学院，重庆 400000
摘要：在木材加工行业中，木粉尘是一种主要的污染源，不仅会使机械设备的损耗加快、影响电器设备的正常使用，还会对木材加工行业的作业人员造成极大的危害。为了探究木制家具厂切割作业车间粉尘浓度分布规律，保障切割作业人员的职业健康，以重庆市某木制家具厂切割作业车间为实例，数值模拟与现场检测实验为研究手段，研究切割作业车间粉尘浓度分布规律，为降低切割作业车间木质粉尘浓度，保障切割作业人员职业健康提供一定的理论支撑。研究结果表明:在设置总排风量为1800m3/h、距离墙面1m、距离切割作业平台0.5m、尺寸为40cm×30cm的矩形局部排风罩后，切割作业人员呼吸带粉尘浓度已降至0.55mg/m3，符合职业卫生标准。
关键词：木制家具厂；粉尘；分布规律；职业危害
0 引 言
在木材加工行业中，木粉尘是一种主要的污染源，在木材进行切割、镂铣、砂光、齐边等过程中都会产生大量的不同粒径的木质粉尘，木质粉尘不仅会使机械设备的损耗加快、影响电器设备的正常使用，还会对木材加工行业的作业人员造成极大的危害，引起过敏性肺炎等呼吸系统疾病。在切割作业中，切割刀具利用切割机床施加的机械力对木料进行切割，在该过程中，切割刀具挤压和摩擦木料会产生大量粉尘。由于切割刀具的高速转动，使得木料破碎产生木屑和粉尘，同时，被高速转动的切割刀具带出的木屑和粉尘在空气中发生多次碰撞，产生更细的粉尘颗粒。
1 数学模型
1.1 粉尘运动
在切割作业中，粉尘颗粒由于切割刀具的高速转动，根据切割刀具的直径和刀具的转速不同会具有不同数值的初始动能，从切割点向空气流场中进行溅射，经过一定时间的扩散与沉降，使粉尘在空气流场中具有一定的浓度分布，粉尘颗粒在空气流场中所受到的力有：
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2 几何模型及参数设置
2.1 几何模型与网格划分
本文以重庆市某木制家具厂切割作业车间为实例，为降低切割作业车间木质粉尘浓度，运用ICEM软件建立切割作业车间几何模型并进行合理的网格划分，然后将已网格划分的模型导入Fluent软件中，通过设置相关参数，利用该软件模拟不同的通风方式对木质粉尘浓度分布的影响情况，根据模拟的结果对切割作业车间的通风情况进行适当调整，从而找出最合理最适合该企业的通风方式，为降低切割作业车间木质粉尘浓度，保障切割作业人员职业健康提出合理的控制措施和通风措施提供一定的理论支撑。
经现场实际测量该切割作业车间为长30米，宽18米，高9.8米的长方体，门距离一侧墙距离5m，门高3m、门宽5m。工作平台位于门对面墙壁2m处，高1m；通风位置位于墙体上方，风口大小为2m×2m。由于实际切割作业车间材料摆放复杂且不影响模拟计算，故在构建切割作业车间模型时不予考虑。切割作业车间简化模型如下图所示。并对该切割作业车间模型进行合理的网格划分。
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图1 切割作业车间几何模型
2.2 边界条件
为了降低模型的复杂程度，假设车间内气体成分为纯空气，模拟对象只考虑粉尘颗粒，无热传导现象，计算域内无热源，四面墙体均为光滑平面固壁。具体边界条件参数如下表所示。
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3.2 粉尘质量浓度分布及分析
粉尘颗粒在被高速旋转的切割刀具抛出时具有一定的初始速度，在空气流场中做抛射运动，由于重力的作用和空间气流的带动下，使粉尘颗粒在空气流场中有一定的浓度分布，随着时间的变化，粉尘的浓度分布也会有所不同。粉尘颗粒在空气流场中经过抛射、扩散、沉降后，沿着切割平台在切割平台周围聚集。成年人的平均身高一般为1.6-1.8米，则作业时作业人员的呼吸平面约在1.5米处，而粉尘的扩散范围已经蔓延至人体高度，与空气混合后覆盖了切割作业人员的整个呼吸带，切割作业人员呼吸带平面粉尘浓度分布情况如下图所示。从切割作业车间粉尘颗粒的整体扩散情况可以得出，切割作业过程中，粉尘的散会使切割作业人员持续不断的接触和吸入带有粉尘颗粒的混合气体，严重危害切割作业人员的职业健康。
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通过实验室分析计算，得出切割作业车间粉尘浓度的实际数据为2.91mg/m3、2.85mg/m3、2.69mg/m3、2.60mg/m3、2.82mg/m3、2.75mg/m3、3.07mg/m3、3.23mg/m3、3.13mg/m3。
模拟结果选取与切割作业车间现场检测相对应的9个样本点，模拟粉尘质量分数分别为2.80e+00、3.00e+00、2.70e+00、2.80e+00、2.90e+00、3.00e+00、2.90e+00、3.10e+00、2.90e+00，相对应的浓度为2.8mg/m3、3.0mg/m3、2.7mg/m3、2.8mg/m3、2.9mg/m3、3.0mg/m3、2.9mg/m3、3.1mg/m3、2.9mg/m3。具体与实际检测的情况对比如下图所示。
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图6 数值模拟结果与实际值对比
由上图所示，数值模拟结果与现场检测的结果还存在一定的差异，出现这种差异的原因可能是：
（1）由于长时间作业，导致新产生的粉尘颗粒会影响前面产生粉尘的运动状态，导致粉尘颗粒的实际沉降速度偏慢，不能完全沉降下去，因而导致模拟结果较实际偏大；
（2）模拟条件是自然通风速度为1m/s，且恒定不变，而实际的生产和测量过程中，自然风速很难维持在一个固定的值，这会对模拟结果产生一定的影响；
（3）实际切割作业车间中，由于材料的摆放非常复杂且没有规律，会影响风流流场的实际情况，导致模拟结果和检测结果存在偏差。
（4）由于在模拟的过程中，对切割作业流程做了一定的简化和假设以便于加快计算，忽略了一些因素的影响，网格的数量和质量也决定了模拟的准确度。
5 切割作业除尘工况数值模拟
通过切割作业车间内木质粉尘浓度的数值模拟与职业卫生检测，可知该切割作业车间内木质粉尘浓度已超过职业卫生标准GBZ-2.1《工作场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》中所规定的限值，职业危害风险较高，为降低切割作业人员面临的职业危害风险，需要对该车间内通风系统进行改造并提出合理的控尘措施。为达到降低该切割作业车间内木质粉尘浓度的目的，将针对其通风系统进行模拟分析，研究不同的通风口位置和通风口尺寸对该切割作业车间内整体粉尘浓度和切割作业人员呼吸带粉尘浓度的影响，为该企业对切割作业车间通风系统的改造提供一定的理论支撑。
经职业卫生现场检测，该切割作业车间并未设置机械通风系统，而自然通风系统由于进风口过高，通风口设置不合理等原因，导致切割作业车间内风速过慢且对尘源位置作用太小，车间内产生的粉尘产生积聚，不能及时排到室外，无法达到降低切割作业车间木质粉尘浓度的要求。本着改造成本最小的原则，对该切割作业车间通风系统提出三种改造方案进行数值模拟。由于该切割作业车间木质粉尘浓度较高，所以将进风口风速预设为4m/s，排风罩大小设置为30cm×40cm，排风罩与切割作业平台的水平距离为50cm。由于木质粉尘的密度大于空气密度的，为了达到更好的通风效果，故将较低位置局部排风口设为压力出口。
分别在切割作业平台左侧、后方、右侧设置一个局部排风罩，距离墙面1m，距离切割作业平台0.5m，尺寸为40cm×30cm的矩形，排风速度为4m/s。其余切割作业平台局部排风罩设置位置相同。
图7 尘源左侧设置排风口后，切割作业人员呼吸带平面（Z=1.5m）粉尘浓度分布情况
图8 尘源后方设置排风口后，切割作业人员呼吸带平面（Z=1.5m）粉尘浓度分布情况
图9 尘源右侧设置排风口后，切割作业人员呼吸带平面（Z=1.5m）粉尘浓度分布情况
由图中可以看出，在尘源左侧、后方、右侧设置局部排风口后，切割人员呼吸带粉尘浓度大大降低，原因可能是因为在设置局部排风口后，粉尘在做抛射运动时受到局部排风的影响，使得抛射运动的时间减短，切割作业人员呼吸带粉尘浓度分布主要取决于粉尘的扩散与沉降运动，在设置局部排风口后，切割作业人员呼吸带粉尘浓度已降至3mg/m3以下，符合职业卫生标准。
6 结论
1)在木制家具厂切割作业过程中，由于切割据的持续工作，导致空间内粉尘浓度会逐渐增大，为控制粉尘的浓度在职业卫生标准范围内，应设置相应的局部排风系统。
2)以切割作业人员呼吸带平面粉尘浓度为标准，建立了三种局部排风系统改造方案，得出在尘源后方设立局部排风罩时，除尘效果最好。
参 考 文 献
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