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摘要 机械加压污泥脱水机的研究 摘要 机械加压污泥脱水机是一种新型高效污泥脱水机械，主要应用于城市 污泥脱水。它具有结构合理、处理效率高、节约能源、占地面积较小、符 合环保要求等优点，可以根据污泥处理量的不同，合理模块化配置过滤单 元。除用于市政污泥脱水外，还可以用于造纸、印染等工业的污泥脱水。 通过与现有的压滤机械做的对比研究，本论文提出了一种机械加压污 泥脱水机的设计方案，设计包括了脱水单元组件的结构设计和压力驱动设 备。对脱水单元组件的设计包括：脱水支撑孔板和刚性孔板筋板、过滤筛 网、过滤液收集腔、外部支撑钢架、填料密封、刮刀、油缸法兰支撑连接 结构。压力驱动设备的设计主要是对油缸的计算和选型。 基于a n s y s 有限元软件，本论文对设计污泥脱水单元进行了辅助设 计，对重要承载部件作了有限元分析，并依据相关标准对承载部件的强度 和刚度进行了校核。其中，论文对脱水支撑孔板、孔板支撑筋板、过滤液 收集腔、外部支撑钢架、油缸法兰支撑连接结构进行了静力分析，还利用 有限元软件对脱水支撑孔板和外部支撑钢架作了结构优化设计，得到了优 化方案。 关键词：机械加压污泥脱水机，脱水支撑孔板! ，钢架结构，壳单元s h e l l 6 3 ， 有限元法，静力分析，优化设计 a b s t r a c t i n v e s t i g a t es t u d yo nm e c h a n i c a l p r e s s u r i z a t i o nd e w a t e r e q e u i p m e n t a b s t r a c t m e c h a n i c a lp r e s s u r es l u d g ed e w a t e r i n gm a c h i n ei san e wt y p eo fh i g h l y e f f i c i e n t s l u d g ed e w a t e r i n gm a c h i n e ，w h i c hi sm a i n l yu s e di nm u n i c i p a l s e w a g es l u d g ed e w a t e r i n g t h i sm a c h i n eh a si t so w na d v a n t a g e s ，s u c ha s t i g h t e ns t r u c t u r e ，h i g he f f i c i e n c y , l e s se n e r g yc o n s u m i n g ，s m a l ls p a c e o c c u p a n c y , m o r ef r i e n d l yt ot h ee n v i r o n m e n t b e s i d e s ，a c c o r d i n gt ot h e a m o u n to fp r o d u c ts c a l e ，t h i sm a c h i n ec a l lb ea s s e m b l e db yr a t i o n a la l l o c a t i o n m o d u l a rf i l t e ru n i t s e x c e p tf o rm u n i c i p a ls l u d g ed e w a t e r i n g ，b u ta l s oc a nb e u s e df o rp a p e r m a k i n g ，p r i n t i n ga n dd y e i n ga n do t h e ri n d u s t r i a l s l u d g e d e w a t e r i n g t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v es t u d yw o r ka m o n g t h ee x i s t i n gf i l t e rm a c h i n e s ， t h i sp a p e rp r e s e n t st h en e wd e s i g no ft h em e c h n i c a lc o m p r e s s i o n s l u d g e d e w a t e r i n gm a c h i n e ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h ed e w a t e r i n gu n i t c o m p o n e n t sa n dt h es t r e s sd r i v e sd e s i g n t h ed e s i g nf o rd e w a t e r i n gu n i t c o m p o n e t si n c l u d i n ga sf o l l o w s ：d e w a t e r i n gs u p p o r td i s k ，r i g i db r a c i n gp l a t e ， s c r e e n ，f i l t e rl i q u i dc o l l e c t i o nt a n k ，s t e e lf r a m e ，s e a l s ，s c r p e r s ，h y d r a u l i cr a m ， h y d r a u l i cr a mf l a n g es u p p o r tc o n n e c t i o ns t r u c t u r e t h es t r e s sd r i v e sd e s i g n i i i 北京化工人学硕j ：学位论文 m a i n l ya r ec a l c u l a t i n ga n dc h o o s i n gt h ec o r r e c th y d r a u l i cc y l i n d e re q u i p m e n t b a s e do nt h ea n s y s ，t h i sp a p e rd i dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ns o m e i m p o r t a n tc o m p a r t m e n t so ft h em e c h a n i c a lc o m p r e s s i o ns l u d g ed e w a t e r i n g m a c h i n e ，t ov a l i d a t e w h e t h e rt h e s t r e n g t h a n ds t i f f n e s so fa l lt h e s e c o m p a r t m e n t sa r es a t i s f yt h en e e dw h e nt h ef i l t e ri sr u n n i n ga c c o r d i n gt ot h e r e l e v a n ts t a n d a r d s t h ec o m p o n e n t so fs t a t i ca n a l y s i si n c l u d ed e w a t e r i n g s u p p o r td i s k ，r i g i db r a c i n gp l a t e ，f i l t e rl i q u i dc o l l e c t i o nt a n k ，s t e e lf l a m e ， h y d r a u l i c r a m f l a n g es u p p o r t c o n n e c t i o ns t r u c t u r e s t r u c t u r e d e s i g n o p t i m i z a t i o no fd e w a t e r i n gs u p p o r td i s ka n ds t e e lf r a m ea r ea l s op r e s e n t e di n t h i sp a p e r k e yw o r d s ：m e c h a n i c a lp r e s s u r es l u d g ed e w a t e r i n gm a c h i n e ，d e w a t e r p l a t e s ，s t e e lf r a m es t r u c t u r e ，s h e l l 6 3 ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t a t i ca n a l y s i s ， d e s i g no p t i m i z a t i o n i v 符号说明 q ，s 1 仉，s 2 吧，s 3 0 5 ，仃。，c r o 碍o n 0 仁 o l ，s i n t c r ，s e q v g s 【仃】 符号说明 第一主应力，m p a 第二主应力，m p a 第三主应力，m p a 正应力，m p a 切应力，m p a 应力强度，m p a 等效应力，m p a 屈服应力，m p a 许用应力，m p a 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期：型! ：丛。碰 日期：金里 竺：圭堑 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景 第一章绪论 伴随着人类文明和科技的进步，水资源的合理循环利用已经越来越得到了人们的 广泛认可。除了大力倡导节约用水之外，对生活用水的循环再利用也是近年来日益突 出的问题。特别是在发达的城市，大量的工业以及生活废水的排放已经远远超过了我 们所处环境的自我处理能力，造成了严重的水资源浪费，环境污染问题的日趋严重， 世界各个国家污水处理行业也得到不断发展。以以色列为例，以色列是个典型的沙漠 国家，每年可利用的水资源量为1 8 亿立方米，人均少于3 0 0 立方米，在2 0 0 5 年，大 约4 5 的水被用于城市( 主要是居民消费) ，5 0 用于农业。由于自然水资源的稀缺， 在采取了许多积极的保护措旌之后，以色列把非传统水资源开发作为一个重要任务， 并努力在废水的复用方面做出努力。以色列有大约4 亿立方米的城市废水，这形成了 最大的潜在水资源。现在，大量的废水在经过各种处理之后，用来进行农业灌溉，其 余的废水由于缺乏处理和复用设备而排放到河道和海中。在1 9 9 9 年底，估计3 亿立 方米( 2 5 ) 的灌溉用水来自废水回用，估计到2 0 2 0 年这个数字会增加到6 亿立方 米。我国也是一个水资源稀缺的国家，随着水资源短缺以及水资源遭到污染的问题日 益显著，我国的废水回收处理问题正受到越来越多的关注。截至2 0 0 6 年，我国的污 水处理率已经达到了5 6 。从2 0 0 1 年至2 0 0 7 年，七年间，我国城市污水处理量由最 初仅有的1 2 0 亿吨增加到2 2 7 亿吨，平均年复合增长率约为1 1 2 1 ，于此同时，城市 污水处理率也由原来的3 6 4 3 提高到6 2 8 。尽管如此，我国污水处理行业仍然存在 许多问题，呈现出处理成本较高，处理率低，能源消耗大，污泥处理不完全等特点。 就污水处理率而言，欧美发达国家都在8 0 以上，美国、荷兰等国的污水处理率甚至 都超过9 0 。根据国家环保总局“十一五”规划的污水处理目标，到2 0 1 0 年，中国 的污水处理率要达到7 0 ，依此计算，中国的污水处理率每年都要提高3 6 个百分点。 污水处理业备受关注，需要在管网建设、污水处理厂建设、污水处理设施采购等方面 做大量投入。据国家建设部估计，“十一五 期间，在污水处理方面的投资将达到3 0 0 0 亿元【。 污水的有效处理和回收利用可以减少水资源的浪费并可改善人类的生活环境，而 污水处理后所残剩的污泥如何处理和合理利用，一直为世界各国所研究。2 0 1 0 年初的 两会上，辽宁省陈福生委员提出，“近年来，辽宁省污水处理厂建设很快，2 0 0 8 年全 省共建成4 8 座污水处理厂，2 0 0 9 年又一次性建设了9 9 座污水处理厂。但是，随之而 北京化，t 人学硕士学位论文 来污水处理后的污泥也在急剧增加，这些污泥中含有大量的致病菌，直接给水质、土 壤及大气带来污染。建议，政府加强监管，监督污水处理企业采用先进的脱泥设备和 技术，完善污泥脱水系统，建设污泥堆放晾晒场地。同时，政府还应组织专题研究， 找出适合我省“建得起、用得起、用得好”的污泥处理方法”。 污泥是由水和污水处理过程所产生的固体沉淀物质。其中，市政污泥，也叫排水 水泥，主要指来自污水厂的污泥，这是数量最大的一类污泥。此外，自来水厂的污泥 也来自市政设施，可以归入这一类。管网污泥，来自排水收集系统的污泥。河湖淤泥， 来自江河、湖泊的淤泥。工业污泥，来自各种工业生产所产生的固体与水、油、化学 污染、有机质的混合物。在非特指环境下，污泥一般指市政排水污泥污泥是经各级 污水处理后产生的固形物，是污水处理厂不可避免的副产品【z j - 【4 j 。 污泥问题日益显得突出的原因在于早期建设的一批污水处理厂在长期摸索和试 验后，仍然没有找到好的处置方案，而用于堆放、弃置、填埋的资源越来越少，各地 环保部门的监管力度加强，而我国的污水处理正在以前所未有的速度发展和扩大，污 泥的处置成为一个棘手的问题。按照我国的城市人口基数，既便只有1 亿人口的污水 被处理，每天也将产生5 2 0 0 0 吨含固率2 0 的污泥泥饼，这部分泥饼如果按照最高2 米来堆放，每年需要6 0 0 0 个国际标准足球场。对于城市来说，周边土地资源已经难 以满足需要，因此污泥的合理处置必须进行p j 【”。 污泥是一种污染治理工艺的副产物，这种副产物富含微生物、病原体、病毒等， 具有较强的污染性质。污泥如果处置不当，其污染传播的途径是很广泛的。首先，污 泥的含水率极高，除了一部分自然蒸发到空气中外，大部分将渗入地表土层，并在雨 水等的冲刷下进入地表水系统或影响地下水，污泥中的污染物将沿着这两种途径进行 传播。其次，没有进行卫生化的污泥进入农田以至菜地，可能直接威胁人类的食物链。 第三：污泥散发恶臭，可能影响相当大的一片周边环境。排放的气体是污染严重的温 室气体。此外，污泥的数量庞大，储运这些污泥需要较大的空间和很多的工具，这些 空间和工具都可能被污染，要做到与其它接触食物链的世界有效“隔绝”有一定难度瞵j 。 目前污泥的危害还鲜为人知，常常被非法取用，造成土地的重金属积累超标、土 地板结，人类居住环境和食物被无意中污染和破坏。欧共体将污水厂和自来水厂污泥 划为“特殊垃圾”( 不是“危险垃圾”) ，必须具有资格的企业按照规定的程序进行妥善处 理，不得弃置。污泥处理的一项重大任务就是减少污泥体积，即降低污泥的含水率。 通常来说，含水率 8 5 ，污泥呈流状；含水率6 5 0 0 , , 8 5 ，污泥呈塑态；含水率 q 2 ： ( 6 ) 螺栓的直径( c m ) ： a o = 2 1 根据规格，选择螺栓直径为2 2 m m ； ( 7 ) 填料压盖的厚度( e r a ) ： 万= o 7 5 a o = 0 7 5 x 2 2 = 1 6 5 圆整取压盖的厚度为1 7 m m ： 密封歪羞尺寸 不蓉毙键 图2 1 0 上端过滤组件与过滤腔之间的密封结构形式 f i g2 - 1 0s t r u c t u r eo f s e a l 密封的形式如图2 1 0 所示。 3 1 跞厩 北京化t 大学硕士学位论文 上端端滤液收集腔的基本尺寸为1 7 9 0 7 3 0 3 0 8 r a m 。整个滤液收集腔和油缸采 用螺纹连接，为了减小应力集中，在收集腔的背部焊接了四组筋板，筋板的初始设计 厚度为l o m m 。 过滤腔由于要承受较大的载荷，对强度和刚度的要求较高，而且污泥滤液的存在 一定的腐蚀性，所以选取0 c r l 烈订4 m 0 2 n 钢。 2 2 5 污泥挤压腔 污泥挤压腔近似为筒式容器，如图2 1 1 所示，挤压腔为静止部件，污泥的脱水过 程就在挤压腔中完成。污泥经由污泥输送泵被分配到图示中污泥进口，污泥进口有两 个，相对于轴线对称分布。 | 、 | 、 | i 侉 f 图2 1 1 挤压腔结构图 f i g2 - 1 1s t r u c t u r eo fc o m p r e s s i o nt a n k 污泥挤压腔的外形为近似矩形，周边四个角采用圆弧过渡。污泥挤压腔的基本尺 寸为1 8 4 0 x 7 2 0 x 6 1 0 m m ，由于在压榨过程中，腔壁受到的压力最大仅为0 6 m p a ，并不 太大，初始设计挤压腔的壁厚为1 5 m m 。污泥进口管道的外径为7 6 m m ，参考 h g 2 0 5 9 2 2 0 6 3 5 9 7 钢制管法兰的标准，选取其连接法兰型号为：h g 2 0 5 9 2 法兰 s 0 6 5 1 0r fq 2 3 5 a t 4 2 1 。在挤压腔筒体侧壁上开设有两个进料口，可以加快污泥的进 料速度，进料口采用对称分布，利用污泥的流动性，可以使污泥更加均匀地分布在污 3 2 第二章机械加压污泥脱水机结构设计 泥挤压腔当中。 通过污泥挤压腔上焊接的支耳，挤压腔固定在支撑钢架的中部。 由于挤压腔要承受因污泥受挤压带来的压力，而且考虑到滤液的腐蚀作用，挤压 腔的材质选用0 c r l 7 n i l 4 m 0 2 n 钢。 当污泥压榨完成后，上下两组过滤组件均向下运动，并分开一定的距离，方便卸 料。刮刀的作用就是通过油缸的驱动，沿着过滤压板的长度方向往复移动，除去两块 滤网上方的滤饼。 如图2 1 2 所示刮刀呈楔形结构，方便除去滤饼。刮刀的宽度大致与过滤网的宽度 一致。滤网采用的是楔形筛条的结构形式，刮刀的上下两个平面安装有弹性金属丝， 方便清除筛网间隙中的污泥颗粒。刮刀上还设置有通气口，油压站工作时会产生大量 的余热，可以利用气体带走液压站产生的热量，这一部分热量被输送至刮刀上的气体 排出口，高温高速气体作用在滤饼的表面，可对滤饼进行一定的热干化，降低滤饼的 含湿量。 淆块冬导轨约配合 彳甄广 图2 1 2 刮刀结构图 f i g2 - 1 2 c t l l 陀o fs c r a p e r 由于刮刀的作用行程较长，刮刀工作过程需要进行定位。刮刀的定位主要是通过 3 3 北京化- t 大学硕士学位论文 下方设计安装的两个滑块和下端滤液收集腔上的导轨的配合实现，两侧的过滤挡板也 限定了刮刀的位移，如图2 1 2 局部示意图所示。 刮刀在整个卸料的过程中的受力不大，但是存在一定程度的磨损。刮刀可考虑选 用耐磨的不锈钢材料，如如0 c r l 9 n i 9 钢。 2 2 7 外部支撑钢架 外部支撑钢架是整个过污泥脱水机的外部骨架，所有的过滤组件都是安装在钢架 上的。除了承受过滤组件的重力之外，钢架还要承受污泥脱水机工作时所带来较大的 反作用力。安装好的钢架结构成正方体结构，方便污泥脱水设备的吊装和过滤设备的 模块化组装。图2 1 3 所示为外部支撑钢架的结构示意图。 本课题设计的污泥加压脱水机的脱水驱动压力较大，油缸的工作压力也较大，这 就对钢架的强度和刚度提出了较高的要求。为了减轻设备的重量和提高设备的强度和 刚度，本次设计采用钢架作为设备的外部支撑件，并采用方形空心型钢作为钢架的组 成材料。采用钢结构的优点在于：1 钢架结构自重较轻；2 钢架结构工作的可靠性高； 3 方形空心型钢钢的抗震性、抗冲击性好；4 钢结构可以比较准确快速地装配；5 钢架 结构可以提供较大的内部空间。 冈纠 n 商j 忒沣r 叫奇泸叫亩 【 一 一 j 一 一 i 一 1四 l l i f 1巾 图2 1 3 外部支撑钢架结构图 f i g2 1 3s 仃u c t u r eo fs t e e lf l a m e 钢架的外部尺寸大致为：4 6 5 0 x 1 4 2 0 x 3 5 0 0 m m ，对于组成钢架的型钢按尺寸分为 两类，一类是立柱，其初选尺寸为l l o 9 m m ，二类是横梁斜支撑梁，其初选尺寸为 第二章机械加压污泥脱水机结构设计 8 0 8 m m ，规格参照g b t 3 0 9 4 1 9 8 2 冷技无缝异型钢管【4 3 1 。钢架与钢架的连接方式有 三种，分别是焊接连接、螺栓连接和铆钉铆接。本次设计中，由于钢架的承载载荷较 大，钢架之间连接处包覆了角件，角件的是一个四面体结构，表面开有与钢结构外部 尺寸相符的正方形孔，钢梁完全穿过或有一部分进入角件，在角件与钢梁接触的地方 施以焊接，这样做的目的是为了增加钢梁连接处的强度。另外，如图2 1 3 所示，在钢 架结构不连续处还焊接有腹板和加强筋板，可以减小应力集中对钢架强度和刚度的影 响。 钢架型钢选用的材料为q 3 4 5 d ，这种材料强度较高，可以满足过滤机工作的需 要。 2 2 8 油缸法兰连接支撑板 整个过滤设备都是固定在钢架上的，油缸选用的连接形式是法兰连接，法兰的安 装位置在油缸的中部。法兰连接板是脱水过滤设备中比较简单的设备之一，如图2 1 4 所示，其主要作用就是将油缸连接并固定在钢架上，法兰连接板与钢架采用焊接连接 形式，焊接轮廓如图所示。法兰连接板上的螺栓孔数的为1 0 个，孔径为9 5 m m ，与油 缸上的法兰孔相对应，油缸法兰和钢架上的法兰连接板通过螺栓连接，法兰连接板的 设计厚度与油缸法兰接近，为3 8 m m 。 图2 1 4 刚性法兰连接支撑板结构图 f i g2 - 1 4s t r u c t u r eo ff l a n g ec o n n e c t i o np l a t e 法兰连接板的外形是一正方形结构，尺寸为5 0 0 5 0 0 m m ，法兰连接板中间开有 通孔便于油缸主体安装，通孔的直径为2 8 0 m m 。 北京化工大学硕士学位论文 由于法兰连接板除了要保持良好的承载能力之外，还应保持良好的刚度，刚性法 兰连接板也采用不锈钢材料制造，选用材料为0 c r l 9 n i 9 钢。 2 3 加压系统的设计选型 机械加压污泥脱水机是一种依靠液压缸加压作用进行固液分离的一种污泥处理 机械。其工作速度平缓，工作输出应力较大，因此需要根据实际合理的设计、选择油 缸加压设备。本节介绍要求工况下油压缸的选型，包括上下过滤组件驱动油缸以及刮 刀驱动油缸的选型。 2 3 1 工况及技术参数 参考文献中提到的污泥脱水的压力取值范围，本次设计将污泥的分离压力的取值 范围规定在0 5 m p a 左右。按照一台污泥处理站是由六组过滤单元组成的规格，根据 产量得到单个过滤腔的大小，也能计算出过滤面积的大小。如前文所述，过滤实际面 积为滤网的实际面积。根据换算，加压油缸的负载为： f = p s = 0 5x1 0 6 0 9 8 6 = 4 9 3 0 0 0 n 2 3 2 液压缸简介 液压缸是可以将液压能转变为机械能的、做直线往复运动或摆动运动的液压执行 元件。与其他加压结构相比，它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，系统 可以除去减速装置，并且没有传动间隙，运动比较平稳，因此在各种机械的液压系统 中得到很好并且广泛地应用。 缸有多种形式，本次设计采用的油缸为单杆双作用缸，双作用缸在两个方向上的 运动都由液体或气体的推动来实现，采用液压作为传动。双作用单杆活塞缸只有一端 伸出活塞杆。单杆活塞缸由于其两腔的有效面积不相等。其中在无杆腔输入液体或气 体时，活塞的运动速度m 和最分别为： 口40 驴玄2 - - 寺r e = ( p 1 4 一p 2 a 2 ) r 。, = 【；d 2p 1 4 ( 0 2 _ - d 2 ) p 2 】刀册 = 【三d 2 ( p l p 2 ) + 三哟：玩 在有杆腔输入液体或气体时，活塞的运动速度v 和f 分别为： 第二章机械加压污泥脱水机结构设计 屹2 玄2 丽f - 1 而 互= ( a 4 一p 2 4 ) = t 4 ( z ) 2 一d 2 ) p l - - 三d 2 p 2 】 = 呼d 2 ( 旷p 2 ) 一号d 2 p t 其中，g 一缸的输入流量；4 一有杆腔的活塞有效作用面积；一缸的容积效 率；d 一活塞直径( 即缸简直径) ；d 一活塞杆直径；p 。一缸的进口压力；见一缸的 出口压力；4 一无杆腔的活塞有效作用面积；一缸的机械效率； 由公式可以看出，当向缸两腔分别提供液体或气体，且压力和流量都保持稳定的 时候，活塞在两个方向上的推力的大小和速度都是不一样的。 活塞缸的安装形式有：座式，工作时耳座要承受力矩，缸的输出力越大，耳座承 受的力矩也越大；法兰式，法兰的安装位置有前法兰式，中部法兰式和尾部法兰式； 尾部耳环式，缸可以绕着耳环摆动，活塞杆的挠曲大；头部轴销式，缸可绕轴销摆动， 活塞杆的挠曲小【4 4 1 。本次设计采用的是法兰式的安装结构。 2 3 3 液压缸的选型 本次设计的污泥脱水设备，每单台设备需要三台驱动油缸，分别是竖直方向上相 对运动的驱动过滤组件的两台加压油缸和刮刀驱动油缸。为了方便，我们暂且将上端 油缸称为a 类油缸，下端油缸称为b 类油缸，刮刀油缸称为c 类油缸。由于a ，b 类 油缸是在竖直方向上相对运动的油缸，污泥脱水机在工作时，两个油缸的作用力应该 相互平衡，应保持a 类油缸和b 类油缸的工作压力一致。 根据污泥处理的实际情况，对于a 类和b 类油缸，本次设计选用的是双作用单 杆活塞液压缸作为污泥加压的驱动装置，这种型式的油缸工作时输出作用力较大，且 油杆的作用距离较长。根据油缸的负载情况，依照机械设计手册第4 卷中的介绍， 选取h s g 型工程用液压缸，这类液压缸主要用于各种工程机械、起重机械及矿山机 械等液压传动。根据h s g 系列中对油缸的介绍，选取型号为h s g 0 1 2 0 0 d e 的油 缸，其缸径为2 0 0 m m ，活塞杆直径为1 0 0 m m ，输出推力为5 0 2 6 6 0 n ，拉力为3 5 0 6 6 0 n 。 本次设计的油缸与外部支撑钢架的连接是采用法兰连接型式，法兰位置在油缸的 中部，活塞杆端为外螺纹连接。如图2 1 4 所示为油缸结构的安装尺寸示意图。根据型 号的说明，缸径2 0 0 m m 的h s g 型油缸的主要尺寸表2 1 所示： 3 7 n 自* t 大学颤 半位论史 3 n-l 图2 1 5h s g 系列油缸设计结构捌 f i 9 2 - 1 5 t h e d e i g ns n m f h s gs e r i h y d r a u l i cc y l i n d e r 刮刀驱动油缸的运动方向是沿着过滤孔板的长度方向行进的与竖直方向垂直。 其工作的主要作用就是推动刮刀清除滤网表面的滤饼，工况对油缸的工作输出应力的 要求不高但是刮刀驱动油缸工作时需要较大的行程。本次设计选用的是w 7 0 1 4 0 系 列四拉杆油缸，这个系列的油缸比同等的压力等级的液压缸体积要小，可以节省油缸 的安装空问，减小设备自重。图2 1 6 为刮刀油缸的安装示意图。缸径为1 0 0 m m ，杆 径为4 8 m m 。油缸工作压力为7 m p a ，满足刮刀的工作需要。 刮刀驱动油缸与外部支撑钢架的连接是采用轴向高脚架连接型式，通过螺栓与钢 架连接。脚架安装在油缸的两端，活塞杆端为外螺纹连接，活塞杆的行程为2 0 0 0 m m 。 根据型号的标准，其主要尺寸如表2 - 2 所示： 第二章机械加胝污泥脱水机结构设计 图2 1 6w 7 0 1 4 0 系列四拉杆油缸设计结构图 f i g2 1 6t h ed e s i g ns t r u c t u r e o f w 7 0 15 0s e r i e sh y d r a u l i cc y l i n d e r 表2 - 2 刮刀驱动油缸( c 类) 的设计数据( 表格内数据单位为m m ) t a b l e2 - 2d e s i g nd a t ao fcs t y l eh y d r a u l i cc y l i n d e r 表2 - 2 刮刀驱动油缸( c 类) 的设计数据( 续表) t a b l e2 - 2d e s i g nd a t ao fcs t y l eh y d r a u l i cc y l i n d e r 2 3 4 液压缸的工作流程 本章的前面部分已经叙述了污泥脱水设备的工作过程，脱水过程主要是由加压油 缸和刮刀油缸来完成的，液压系统的原理图如图2 - 1 7 所示。 3 9 北京化工大学颈：仁学位论文 匿力袋女溘压系笺孽虐楚 j 一黼：2 - t t l l ；5 一辛凌p i l ：4 _ 缄重， 糠：5 一t 懿胡：6 - 张m ：7 一尊胡：8 9 1 0 一u t m j i ：1 2 一摹鸯髓冀 1 1 1 孓 5 一齄： 4 - 1 湘；1 6 一蓬始：s t l ，2 ，3 ，4 ，5 6 一绣联 图2 1 7 油缸工作原理图 f i g2 - 1 7p r i n c i p a ld i a g r a mo f h y d r a u l i cc y l i n d e r 油缸工作的梯形图如图2 1 8 所示。 、一帅厅、 二u 一5 1 5 s t l 删髓行 上- k 上行 图2 1 8 油缸工作梯形图 f i g2 1 8l a d d e rd i a g r a mo f h y d r a u l i cc y l i n d e r 如图2 1 8 所示，s t l 至s t 6 为行程开关，主要通过控制油缸油路控制油杆的进 第二章机械加压污泥脱水机结构设计 给方向进给的方向和距离，其电磁铁y a 动作顺序表如下： 表2 - 3 电磁阀动作顺序表 t a b l e2 - 3o r d e rf o mo fs o l e n o i dv a l v e 电磁铁y a 状态继电器 动作名称 k m 状态信号来源 123 4 56 k m 下油缸上行 + 按下启动按钮s b l 进料 + 压下行程开关s t 2 上油缸下行 + 时间继电器t 0 加压保压 + 压力继电器k p 上下缸同下 + 时间继电器t l 上油缸上行 + 压下行程开关s t l 刮刀左行 + 压下行程开关s t 4 刮刀右行 + 压下行程开关s t 5 上油缸复位 + 压下行程开关s t 6 注：+ 得电一失电 t 0 和t 1 为时间继电器，t o 主要是用于控制污泥料浆进入污泥挤压腔的时间以及 通过污泥泵初次加压的时间，其值为1 5 秒，t 1 主要是用于控制上油缸向下运动并进 行加压的时间，其值为2 0 秒。 系统工作时，大流量液压泵和小流量液压泵同时供油，液压缸迅速移动，当加压 时，系统压力升高到卸荷阀设定值时，大流量液压泵开始卸荷，此时系统进入保压， 只需小流量液压泵提供较小的流量即可了。上油缸采用单向顺序阀组成平衡回路，产 生一定背压，使得运动平稳。刮刀油缸采用调速阀可以使刮刀在不同的速度下工作， 满足不同的需求。 2 4 本章小结 本章主要介绍了机械污泥加压脱水设备的总体设计方案和工作方式，并较为详细 地介绍了过滤组件和加压系统两个重要的组成部分。 本章对污泥脱水单元的介绍主要包括了脱水单元的外部结构和材料选型等，其中 包括了上下脱水支撑孔板、过滤楔形筛网、上下过滤腔、上过滤腔与污泥挤压腔之间 的填料密封、污泥挤压腔、刮刀、外部支撑钢架、油缸法兰连接板等；对加压系统的 设计主要包括选择满足污泥脱水工作压力的油缸以及刮刀的驱动油缸，设计制定油缸 的连接方式和尺寸规格。 机械加压污泥脱水设备不仅结构较为紧凑，还可以根据产量组合拼装，处理量可 4 l 北京化工大学硕士学位论文 调，合理利用液压站废热使污泥滤饼的含湿量更低。 4 2 第三章莺要部件的有限冗分析与优化没计 第三章脱水设备主要组件的有限元分析与优化设计 3 1 基本力学概念 3 。1 1 应力矢量 弹性体在外部载荷的作用下，其体内任意一点的应力状态可以有6 个分量来表述， 分别是正应力o - ，盯仃以及切应力盯一o - ， 图3 1 所示为弹性体单元的应= o - 力状态矢量图。如果单元中某一截面的外法线的方向是沿着坐标轴的正方向，则这个 截面上的应力分量就是以坐标轴的正方向为正，沿坐标轴负方向为负；与之相反，如 果这个截面上的外法线方向是沿着坐标轴的负方向，则这个截面上的应力分量就是沿 着坐标轴的负方向取正，沿坐标轴的正方向取负值。图中所示应力分量均为正值。 3 1 2 组合应力 z y 图3 。l 单元体的应力状态矢量图 f i g3 - 1s t r e s ss t a t ev e c t o ro fd e m e n t 在固体力学问题中，经常会遇到组合应力的概念，包括主应力( q ，o - 2 ，o - 3 ) 、 等效应力吒、应力强度q 。 卜一o - o i i o - +c r y o - o l = 0 ( 3 - 1 ) 1 c r z t r 0 i 通过求解方程( 3 1 ) 可以得到o - 0 的三个解，我们通常命名第一主应力为q ，第 4 3 北京化工大学硕j ：学位论文 二主应力为0 2 ，第三主应力为吒。其中，0 - ，是最大的正值解，表示受拉状态，而吧 则是最小负值解，表示受压状态。 其中，等效应力叽也被称作y o nm i s e s 应力，其表述为公式( 3 2 ) 所述： 吒= 三 ( q q ) 2 + ( 吒一g ) 2 + ( 巳一q ) 2 ( 3 - 2 ) 另外，0 - e 也可以由公式( 3 3 ) 计算得到： 吒= 圭 ( 吒一q ) 2 + ( q 一吒) 2 + ( 吒一q ) 2 + 6 ( 2 + 2 + 2 ) ( 3 3 ) 应力强度q 是表示吼一0 2 ，0 2 0 3 ，0 3 - 0 1 这三个量中绝对值最大的一个，其 表述为( 3 4 ) 所述，即： q = 删( | q 一吒f 吒一吒f | q q i ) ( 3 - 4 ) 在a n s y s 软件中，系统用s 1 ，s 2 ，s 3 表示三个主应力q ，仃2 ，0 - 3 ，用s e q v 来表示等效应力吒，用s i n t 表示应力强度q 4 4 1 。 3 1 3 强度理论依据 强度失效的主要形式有两种，一种为屈服，一种为断裂。相应的强度理论也可以 分为两类： ( 1 ) 运用最大拉应力理论和最大伸长线应变理论，用以解释断裂失效； ( 2 ) 运用最大切应力理论和畸变能密度变理论，解释屈服失效； 对于工程实际中常出现的脆性材料，如玻璃，石材等，通常是以断裂的形式失效 的，我们通常采用最大拉应力理论或者最大伸长线应变理论进行分析；类如碳钢、铝 等良好的塑性材料，通常是屈服的形式失效，我们通常采用最大切应力或者畸变能密 度理论进行分析； 由第二章的介绍可以看出，本课题中所设计到的材料多为不锈钢，本论文将采用 畸变能密度理论即第四强度理论对机械加压污泥脱水设备的重要零部件进行校核。另 外，因为钢架的建模方式和其它部件有所不同，钢架的厚度相对于钢架的外形尺寸较 小，分析时将钢架做是薄壳类型结构进行分析。参考分析设计的准则，钢架在分析时 是采用最大剪切力理论进行分析的，本文将在钢架的应力分析一节中进行详细介绍。 第四强度理论的屈服准则可表示为f 4 5 j ： ( 3 5 ) 式中，吒为材料的屈服应力，0 - , 除以安全系数n 得到许用应力【盯】，于是，按第 第= 章重要韶件的有限元分析j 优化世* 四强度理论得到的强度条件是： j ； ( q 一吗) 2 + ( 吒一吒) 2 + ( 吒一q ) 2 s 【。 ( 3 - 6 ) 从以上两个式子可以看到，( 3 - 6 ) 式不等号左边部分与( 3 - 5 ) 式巾等效应力的表 达式是完全一致的。在a n s y s 有限元分析后处理时，读取s e q v 的最大值对结构进 行强度校核。h 要结构的s e q v 最大值不超过材料许用应力，就可以认为从强度上考 虑，结构是安全的。 3 2 a 类过滤支撑孔板和筋板的有限元分析 过滤支撑孔板是过滤组件中的重要元件，对过滤网起着支撑的作用。油缸的作用 特点是输出作用力较大，虽然油缸的作用力的是一个增加的过程，但作用速度平缓。 当作用力达到最大时，油缸的作用将持续一段时间，可以认为这段稳定的压榨过程中， 过滤孔板的受静载荷作用，对过滤支撑 l 板做静力分析。 图3 - 2 a 类脱水支撑孔扳三维模型 f 蜒3 - z t h e m o d e lo f d e w a t e r i n gs u p p o r t p l a t e ( a ) 如前章所述，过滤支撑孔板分为a 类和b 类，两类孔板的基本结构尺寸、开孔 数和开孔位置方向都保持一致。由于结构上的不同，两类孔板的支撑筋板的安装位置 和数目也略有不同。两类孔板的受力工况都大致一致，a 类孔板和b 类孔板相比要少 一根横向筋扳，安装位置也不同。本文主要介绍a 类孔板的有限元分析，并介绍 a n s y s 软件在设计中的辅助作用。 匕京化【太学l 学位论文 过滤支撑孔板是一个对称的形如矩形的平板结构，由于污泥是流态化的，压榨过 程中，我们可以认为，过滤孔板表面承受的均布载荷。孔板的基本尺寸为1 7 4 5 6 2 5 m m ，边角圆弧过渡，板厚初始设计为1 5 m m 。孔板的背部焊接有支摊筋板，辞块 筋扳的厚度为1 2 1 r a n 。 ( 1 ) 有限元模型 过滤支撑孔板从外形上来说足一个比较规则的平扳，板上的开孔也是旱一定的规 律的分布。根据设计尺寸，在a n s y s 中建立完整的孔板模型，如图3 2 所示。为了 更好地计算，将过滤支撑孔板的重要尺寸数据参数化，主要包括筋板厚度和孔扳厚度。 根据网孔的分布规律，利用循环完成平板上孔模型的建立。时孔板进行分析之前，采 用软件中的8 节点实体s o l i d 4 5 单元，运用六面体规则单元对孔板进行网格划分。划 分结果如图3 - 3 所示，图3 - 4 所示为网格的局部示意图，网格划分时应保持筋板和孔 板之连接处的网格协调。 ( 2 ) 载荷与边界条件 a 类脱水支撑孔板是由不锈钢制成的多孔平板结构，孔板由筋板支撑。孔扳承受 挤压腔中物料的正压力，正压力均匀分布。本次分析主要是分析孔板在油缸作用力最 大的时候过滤孔板的受力情况。当油缸作用力最大时，经过换算后，圆整取较大值， 分析中按照o6 m p a 进行分析。由于筋板是焊接在过滤腔底部的，所以在筋板的底面 加全约束。孔板的边缘和过滤腔通过螺栓连接，可以将过滤腔和过滤孔板的连接处视 为剐性结构在过滤孔板的外边缘环处旆加竖直方向上的约束。 - 麟 图 a 类脱水孔板有限元模型 f i g3 - 3 f i n i t ee l e m e n t m o d e lo f d e w a t e f i n g p l a t e ( 3 ) 结果与讨论 图3 一a 粪脱承孔板网格局部示意图 f i 9 3 - 4 l o c a l f i n i t e e l e m e n t m o d e l 第! 章重要部件的肯m ，c 分析与优化设计 图3 - 7 局部第一主应力云图图3 - 8 局部第三主瘟力云图 f i 9 3 - 7 l o c a ls 1c o n t o u rf i g 8 l o c a ls 3 i a 盯 为了更好地说明3 _ 6 中孔板和筋板连接处出现的应力集中，我们从a n s y s 软件 的后处理中读取了s 1 和s 3 的应力结果。图3 7 为孔板等效应力出现最大值区域的第 一主应力云图，这个区域的方向是面向均布载荷的。从图中可以看到，迎向污泥一侧 的脱水孔板的表面处于受拉状态，第一主应力的最大值s 1 - = 4 95 m p a 。图3 - 8 所示为等 效应力出现最大值区域的第三主应力云图，这个区域的方向是筋扳和孔板连接的一 侧，从图中可以看到背向污泥一侧的和筋板连接区域附近的孔板表面处于受压的状 北京化1 学碰学位论i 态，第三卜应力的最大值为s 3 6 92 m p a 。 图3 - 9 脱水支撑孔板z 向位移云圈 f i 9 3 - 9 z - d i s p l a c e m e n tc o n t o u r o f d e w a t e r i n g p l a t e 图3 - 9 所示为脱水支撑孔板的在z 方向的位移分布云图，图中所示面为孔板与污 泥接触面。从图3 - 9 中可以看出，由于筋板和过滤腔的支撑作用整个过滤支撑孔扳 呈现较好的刚度。 由于中间x 方向上的两块筋扳的距离相对较小，两块筋板间的位移量并不大，最 大的位移变形出现在筋板和过滤腔边缘之间的区域，最大的z 方向位移为00 7 8 2 m m 。 根据图中最大位移出现的位置可以说明筋板和孔板的连接区域一侧受压应力，另一侧 受到拉应力的作