（化工过程机械专业论文）新型加压转鼓过滤机的设计与研究.pdf

摘要 新型加压转鼓过滤机的设计与研究 摘要 新型加压转鼓过滤机是一种高效的固液分离装置，可以全自动连续操 作运行，整体密闭，工作环境卫生、安全，可以用来过滤易挥发和有毒的 物料。它主要用在清洁卫生的制药、食品行业，以及操作条件苛刻的化工 行业。它自身具备的精密操作系统，使它可以用来过滤p t a 、合成蛋白、 合成及半合成抗生素、酞菁颜料、甲基纤维、石蜡，三聚氰胺脂等诸多产 口 口口。 本文根据过滤机在带压状态的一个操作周期内连续完成过滤、洗涤、 干燥、卸料等工序的设计思想，提出自己的机械设计方案，设计出符合要 求的新型加压转鼓过滤机。参照其它形式过滤机的结构特点，对重要的非 标零部件，进行创新设计。同时，利用有限元分析软件( a n s y s ) 对各种 载荷工况作用下的加压转鼓过滤机内转鼓和外鼓进行强度和刚度的校核， 并对内转鼓进行了疲劳分析。 本文设计的新型加压转鼓过滤机在国内目前还没有发现有关设计、分 析的文献，相比其它形式的过滤分离设备，新型加压转鼓过滤机具有处理 量大，物料适应性广，工艺设备简单，运行费用低，设备购置及检修费用 便宜等优点，因此可以考虑大面积推广，为我国的过滤事业做出一定的贡 献。 关键词：加压转鼓过滤机，结构设计，有限元法，强度和刚度分析 a b s t r a c t d e s i g na n dr e s e a r c ho fn e wr o t a r yp r e s s u r e f il r r e r a b s t r a c t t h en e wr o t a r yp r e s s u r ef i l t e ri si d e a lf i l t r a t i o ne q u i p m e n tf o rs o l i d l i q u i d s e p a r a t i o n ，i tc a nr u na u t o m a t i c a l l ya n dc o n t i n u o u s l y , i ti so v e r a l lc l o s e d ，c l e a n a n ds a f e ，s oi tc a nf i l t e rv o l a t i l ea n dh a z a r d o u sp r o d u c t s t h ef i l t e ri sm a i n l y u s e di nt h ef i e l do fp h a r m a c ya n df o o di n d u s t r yw h i c hr e q u i r ep r o d u c t sc l e a n a n dh e a l t h ys t r i c t l ya n di ti sa l s ou s e di nt h ef i e l do fc h e m i c a li n d u s t r yw h o s e o p e r a t i n gr e q u i r e m e n ti sh a r s h t h ef i l t e rc a nf i l t e rp t a ，p r o t e i ns y n t h e s i s ， s y n t h e s i sa n ds e m i s y n t h e t i ca n t i b i o t i c s ，p h t h a l o c y a n i n e ，m e t h y l c e l l u l o s e ， p a r a f f i n ，m e l a m i n ea n ds oo ni nt h eh e l po f i t sa c c u r a t eo p e r a t i n gs y s t e m i no r d e rt o d e s i g n t h en e wr o t a r y p r e s s u r e f i l t e r m e e t i n gs p e c i f i e d r e q u i r e m e n t s ，t h ea u t h o rp r o p o s e sh i sm e c h a n i c a ld e s i g np r o g r a mi nt h i s a r t i c l ea c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt h e o r yt h a ts u s p e n s i o nf i l t r a t i o n ，c a k ew a s h i n g ， c a k ed r y i n g ，c a k ed i s c h a r g e ，f i l t e rc l e a n i n gc a nb ea c c o m p l i s h e di no n e p r o c e s so nas i n g l ef i l t e ru n d e rp r e s s u r e ，t h ea u t h o ra l s op r o p o s e sh i so w n i n n o v a t i v ed e s i g n sf o rs o m ei m p o r t a n tp a r t su n d e rt h ei n s p i r a t i o no fs t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fo t h e rf i l t r a t i o ne q u i p m e n t s t h i sa r t i c l ec h e c k st h es t r e n g t h a n ds t i f f n e s so fi n s i d ed r u ma n do u t s i d ed r u mo ft h en e w r o t a r yp r o c e s sf i l t e r u n d e rv a r i o u sl o a d i n gc o n d i t i o n sw i t ht h eu s eo fa n s y sw h i c hi sf a m o u s i i i a b s t r a c t f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，w h i c hi sa l s ou s e dt om a k eaf a t i g u ea n a l y s i s f o ri n s i d ed r u mt oc h e c ki fl i f eo ft h ef i l t e rm e e t sl i f ee q u i p m e n t t h en e wr o t a r yp r e s s u r ef i l t e ri st h ef i r s tf i l t r a t i o ne q u i p m e n tu n d e rt h e s i m i l a rd e s i g nm e t h o d ，i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl a r g ec a p a c i t y , a d a p t a b i l i t yf o raw i d er a n g eo fm a t e r i a l s ，s i m p l ea n c i l l a r ye q u i p m e n t ，l o w o p e r a t i o nc o s t ，l o we q u i p m e n ta c q u i s i t i o na n dm a i n t e n a n c ec o s ta n ds oo n ，s o w ec a np o p u l a r i z et h i sn e wm a c h i n et or e p l a c eo t h e rk i n d so ff i l t r a t i o n e q u i p m e n t si nm a n y a r e a st oc o n t r i b u t et oo u rc o u n t r y sf i l t r a t i o nb u s i n e s s k e y w o r d s ：r o t a r yp r e s s u r ef i l t e r , s t r u c t u r ed e s i g n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， s t r e n g t ha n ds t i f f n e s sa n a l y s i s i v 符号说明 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 许用疲劳应力，m p a 屈服应力，m p a 许用应力，m p a 挤压应力，m p a 许用挤压应力，m p a 减速比 弯矩，n - m 功率，k w 剪力，n 工作转速，r m i n 安全系数 扭矩，n ：m 抗弯截面系数，m 3 龇驼bnm划叫g吲咋m；m p q r s t w 印印即一椰删k 。 r ， 仃 矽 仃 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，均己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。 1 作者签名：乏阻一日期：三盟咱i 臼出 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，在上一年解密后适用本授 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。 一，l 作者签名： 盈蕴鱼：日期：z 鱼竺孚图丕叠 导师签名：塑垒亟 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 公元前，我国首创真丝网过滤巾药，并发明滤干造纸法，十二世纪，我困首创用 布袋过滤豆浆，用离心力分离蜂蜜，但由于历史的种种原因，我国目前过滤与分离技 术以及过滤与分离机械落后于国外，随着伞球能源、环保行业的迅猛发展，食品、制 药、生物化工、冶金等行业对产品高纯净、高品位的需求使过滤与分离机械越来越受 到各国的重视，过滤与分离机械进入了高速发展的轨道，高新技术产品不断问世，广 泛通用于各行业对固体、液体、气体单相或多相混合物的纯净化分离与分级。这就对 我国的过滤分离技术与过滤分离机械的发展与应用提出了新的要求。跚 随着工业发展，工业界对如何节省能源、如何有效利用资源、如何加强环境保护 的认识越来越深刻，过滤分离设备制造的规模也越来越大，更多更新的处理技术和方 法被开发研制出来，并且在不断的改造改进中。从总体情况来看，过滤与分离机械正 朝着如下的几个趋势发展：1 大型化，高参数，单机能力增强；2 节能型复合型；3 增加过滤分离的推动力；4 机械化、自动化、智能化；5 采用新型过滤介质。喳1 加压转鼓过滤机是一种采用压力密闭设计的连续式操作滤机，它的所有工序都在 一个全密闭和操作自动化的过滤机中完成口1 。它可以完美地应用于过滤挥发品、危险 产品以及无菌工艺嗍。作为一种高效的过滤机，加压转鼓过滤机的生产能力可以达到 1 0 0t h ，最高工作压力可以达到6b a r 1 。这种过滤机容易清洗，外壳可以很容易的打 开，从而可以很容易的接触到机器内部构造，清除可能发生的交叉污染n 叼。这种型式 的过滤机，可以过滤易挥发性混合物和较高温的料浆，并对真空过滤机所不能适应的 泥浆以及容易析出晶体的料浆等进行分离；亦可充氮气保护用于过滤容易氧化性滤饼 的场合；亦可用于对粘度较高的料浆进行过滤，在机内可用高温气体吹干滤饼；由于 洗液浸透在滤饼上，用少量洗液就能达到较好的洗涤效果口刳。 1 2 加压转鼓过滤机的现状及发展前景 1 2 1 几种新型加压滤机 本课题就过滤原理的动力上来看，是一种利用压缩空气作为过滤脱水动力的加压 第章绪论 滤机，下面较为详细的介绍几种新型加压滤机，它们是本课题开发研究参考的主要机 型。以这些国内外较为新型的加压滤机为参考对象，参阅它们使用的新型零部件以及 设计思想，可为课题研制新型加压转鼓过滤机提供重要的参考。目前，国内外较为先 进的新型加压滤机主要有以下几种。 ( 1 ) 图1 所示是国内研发的主要用于精矿浮选和精煤脱水的盘式连续式加压滤机n 。 这种过滤机的结构简图如图1 所示。 图1 用于浮选精矿和精煤脱水的盘式连续式压滤机 f i g1c o n t i n u o u sd i s cp r e s sf i l t e rf o rf l o a t i n gc o n c e n t r a t i o nm i n ea n dd e w a t e r i n gc l e a nc o a l 图中所示各零件分别为：1 主传动装置；2 功i 压容器；3 给料装置；4 一搅拌装置； 5 主轴装置；6 过滤圆盘；7 - 压气系统；8 矿浆；9 分配头；1 0 螺旋输送器；1 1 滤饼； 1 2 排矿装置；1 3 液压系统；1 4 控制系统。这种连续式压滤机具有单位处理能力大、 产品水分低、能耗小、自动化水平高等优点，基本上实现了机电一体化。这种设备全 封闭式结构、所占空间小，不需很大的基础，不仅适用于黑色和有色金属中细而粘的 浮选精矿、小于0 5 m m 的浮选精煤和细粒煤脱水，而且也适用于化工、轻工和环保等 工业部门的脱水和固液分离作业。目前我国有几家单位分别相继研制开发出了这种类 型的过滤机并申请了专利，应用于生产的这种过滤机为生产单位取得了良好的经济效 益。 ( 2 ) 德国b h s 公司生产的加压转鼓过滤机蚴。 德国b h s 公司是世界上知名的过滤设备制造商，生产的产品中就有几币l - 类型的 加压转鼓过滤机。公司在美国和德国对其生产的加压转鼓滤机申请了专利，其最新型 号的加压转鼓滤机应用于化工、制药等领域，可处理的物料包括高黏度的燃料和颜料、 西药和中药的半成品和制成品，塑料制品、农药、食品、化纤、无机和有机化工制品。 目前，国内也有使用b h s 加压转鼓过滤机的厂家以及单位，使用领域集中在p t a 生 2 第一章绪论 产领域上。 专利u s2 0 0 5 0 0 5 1 4 7 3a 1 详细介绍了b h s 公司的一种加压转鼓过滤机，结构简 图如图2 所示。 图2 德国b h s 公司生产的加压转鼓过滤机 f i g2b h s - r o t a r yp i - e s s u l ef i l t e r 从专利中的叙述来看，b h s 公司生产的加压转鼓过滤机右边有大齿轮，带动内部 转鼓转动，分配头在过滤机的左端，内外转鼓之间的空间为功能操作区，内转鼓连续 转动，一个周期内能够依次完成过滤、洗涤、干燥、卸料等操作。内转鼓里面有管系 连接功能操作区和分配头，透过滤网的滤液、洗涤液、干燥废气进入管系流入分配头， 分配头的结构也类似于内外转鼓的耦合结构，这些流体进入到分配头的不同腔室，分 配头分离排出滤液。因为工作原理上的相似性，这种加压转鼓滤机为课题设计研发新 型加压转鼓过滤机提供了重要的参考。 国内的文献中也多次提到同类型的这种加压转鼓过滤机，也叙述了它的诸多优 点，但只是简单的介绍它的一些零部件，并猜测其内部结构，个别文献给出了自己的 想象图。该机型的缺点是结构精度要求偏高，加工复杂，若腔内密封材质不可靠，则 将不能充分发挥有效作用，同时该机的密封材质不适用于过滤有机溶剂的料浆。这种 过滤机有滤饼含液率较低，过滤能力较大的特点。从专利上来看，这种过滤机的基本 结构与本课题设计研发的新型加压转鼓过滤机有诸多相似之处。 ( 3 ) 新型过滤再悬浮固体的过滤机1 。 专利u s2 0 0 8 0 0 6 1 0 1 1a 1 给出了一种新型过滤再悬浮固体的过滤机，如图3 所示。 从图中可以看出，这种过滤机内外鼓间的功能操作空间在周向上被分成了五个区，料 3 第牵绪论 液加压过滤后，进入洗涤、干燥、卸料段，一次洗涤室之后，额外加了一个二扶沈涤 的泵室，坩j 二把第一次洗涤液体回收用于第二珏= 洗涤。h 体的州向分| 羁形式见图3 所 爪 图3 再悬浮固体过滤帆 f i 9 3 f i l t e r w i t hr e s u s p e n s l o n o f s o l i d s 这种在周向分隔密闭撵作宅问的方法为课题设计研发新型加压转鼓过滤机提供 了一定的参考。 综上所述，结合这些世界e 技术先进以及设计思想领先的加压滤机参考这些机 型的优点以及其使用的先进零部件，加紧研制拥有自主知识产权的新型加压转鼓过滤 机，是为找国的过滤与分离事业做出贡献的一项重要事业。 22 几种常见的过滤分离机械 圉4g 型转鼓真空过滤帆 f i 9 4 g - d r a m v a l u t a f i l t e r 圈5 g d 型转蓝真空过滤机 f i gs g d d r u m u m f i l t e r 第章绪论 簿蔻 罔6 卧式刮刀卸料离心机图7 卧式螺旋卸料过滤离心机 f i g6 h o r i z o n t a ls c r a p e r c 耐缸g cf 1 9 7 h o r i z o n l a ls c r o l l d i s c h a r g es 廿e e nc m t r i f u g e 图4 - - 7 是化工、制药行业常见的几种过滤分离机械，近年来，随着技术的不断提 高和改进，这些传统的过滤分离机械也在不断改进结构和加装新式零部件，例如，变 频器的使用多种滤饼厚度撵测器的使用，密闭或防墚电气系统的使用，以及具备的 运转平稳，维修方便的优点等等。论文中设计的新型加压转鼓过滤机吸收这些过滤分 离机械新机型的优点，结合加压转鼓过滤机自身的工作原理对其进行改进和创新，设 汁出新型加压转鼓过滤机，使其在化工、制药、食品等行业的应用上具备一定的竞争 力。 2 3 加压转鼓过滤机与传统过滤分离机械的比较 结合12 1 介绍的几种较为新型的加压转鼓过滤机咀及概括课题设计的新型加压 转鼓过滤机，与几种传统的过滤分离设备相比较，可以看出设计的新型加压转鼓过滤 机存在如下的优势： 1 与传统的真空转鼓过滤机比较，加压转鼓过滤机有如下优势”： ( 1 ) 处理量大。相同的过滤面积，加压转鼓过滤机的处理量是真空转鼓过滤机的4 倍 乃至更多。 ( 2 ) 低能耗。由于无需真空系统，加压转鼓过滤机的能耗比舞空转鼓过滤机要低很多。 ( 3 ) 占地面积小。由于无需庞大的真空系统，加压转鼓过滤机的占地面积比真空转鼓 过滤机要小很多节约了空间成本。 ( 4 ) 维修成本低。加压转鼓过滤机的滤网更换可以在每个独立的过滤单元内进行，无 须整体更换滤布。而真空转鼓过滤机的滤布必须整体更换。 2 与翻袋式离心机相比较，加压转鼓过滤机在许多方面也占有优势，表1 是应用于 医药的b h s 型号加压转鼓过滤机与翻袋式离心机的花费对比“盯。 5 第一章绪论 表1 用于医药行业的b h s 加压转鼓过滤机与翻袋式离心机效率花费对比 t a b l eic o s tc o m p a r i s o no fb h sr o t a r yp r e s s u r ef i l t e rw i t hi n v e r t e db a gc e n t r i f u g eu s e di nt h ef i e l do f p h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y 翻袋式离心机b h s 公司k 6 药用加压转鼓过 滤机 产品散装药散装药 每年生产的产品吨 1 0 0 01 0 0 0 需要的机器数目2 8 0 0 m m l 需要的过滤面积m 21 81 0 8 电机功率 h p 6 0 ( 每郎) 1 0 旋转速度r p m1 6 0 0 0 3 溶剂消耗 4 4 的i p a 第一次清 相对g a t y r 2 51 7 洗效率 8 8 的i p a 第二次清 相对g a l y r 5 o3 6 洗效率 预期的设备花费 用于溶剂刚收的蒸 相对$ y r 1 4 41 馏花费 动力操作花费 相对$ y r 1 2 l 氮气干燥花费 相对$ y r l6 维护费用 高一般 安装，操作花费 相对$ y r 4 6 l 从表中可以清楚地看到，生产同样数量的产品，加压转鼓过滤机具有占地面积少， 熔剂消耗少，维护安装费用低，节省电能的优点。当然也存在干燥气消耗大的缺点， 但综合来看，加压转鼓过滤机优势明显。也可以预计论文设计的新型加压转鼓过滤机 与k 6 药用加压转鼓过滤机类似的型号一样会取得不俗的成绩。 3 与刮刀卸料离心机的比较1 。 对离心机来说，离心机必须在高速旋转下完成生产分离，所以为保证它的安全性， 联锁很多，机械结构及油系统极为复杂，并且附属设备也多。而对于压滤机而言，结 构简单，转速低，不需要复杂的油系统，开停车方便。又因为不需要真空系统以及相 关的静设备，节约了空间，能够更好地在有限的空间内安装布置设备。同时省去了多 套的控制系统，降低了控制的复杂性，使整个操作变得安全可靠。例如，在6 0 万吨p t a 的生产中，所需要的离心机主电机功率5 0 0k w 左右，而压滤机的电机功率6 0k w 左 右，仅电费一项，每年工作8 0 0 0h 可节约电费6 5 0 万人民币左右。对于6 0 吨年的 p t a 工程，配置2 台7 膨2 的压滤机就可以满足日常的生产需求。2 台a 型压滤机 一次性投资，4 0 0 万欧元；2 台b 型压滤机，2 3 0 万欧元，再加卸压装置费2 2 5 万欧 6 第一章绪论 元，需2 5 2 5 万欧元。因此加压转鼓过滤机代替离心机及旋转真空过滤机是完全可行的， 可以有效地节约成本，减低生产风险，降低运行费用，保证生产的连续性。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题对过滤机械的发展历程及现状做了较全面的调研，较充分的分析了已经出 现的几种新型加压过滤机的设计特点，结合这些新机型的优点，提出了一种全新的加 压转鼓过滤机的设计方案。本课题不仅对新型加压转鼓过滤机的结构进行了详细的设 计，还利用通用有限元软件a n s y s w o r k b e n c h 对过滤机的一些重要部件进行了有限 元分析。在目前没有成熟的过滤机的设计理论的背景下，这些研究工作为新型加压转 鼓过滤机结构设计的可靠性提供了有力的依据。 本论文的具体内容包括如下几个方面： 1 新型加压转鼓过滤机的结构设计。总的来说，包括内转鼓以及外鼓的设计、分 配头的设计以及动密封结构的设计等。本论文将详细描述这些重要零部件的具体设计 内容，并对其具体的功能进行较为详细的介绍。 2 传动系统设计。提出新型加压转鼓过滤机的一种变频调速传动系统组成方案， 给出了电动机、减速器等零部件的具体型号。 3 新型加压转鼓过滤机重要零部件的有限元分析。主要是内转鼓及外鼓的有限元 分析，内转鼓的疲劳分析。通过有限元分析，校核过滤机的强度以及过滤机的使用寿 命。 1 4 本课题的研究方法 1 4 1 有限元法简介 有限元法是当今工程分析中应用最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效 性，受到工程技术界的高度重视。在工程或物理问题的数学模型( 基本变量、基本方 程、求解域和边界条件等) 确定以后，有限元法作为对其进行分析的数值计算方法有 如下几点要点：1 将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域( 单元) ，并 通过它们边界上的结点相互联结成组合体；2 用每个单元内所假设的近似函数来分片 的表示全求解域内待求的未知场变量；3 通过和原问题数学模型( 基本方程、边界条 件) 等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量( 场函数的结点值) 的代数 方程组或常微分方程组。 从有限元法的上述要点，可以理解有限元法具有如下的几点特性：1 对复杂几何 构形的适应性；2 对于各种物理问题的可应用性；3 建立于严格理论基础上的可靠性； 7 第一章绪论 4 适合计算机实现的高效性。 有限元法是通过计算机实现的，从2 0 世纪7 0 年代开始，基于有限元法在结构线 性分析方面已经被工程界广泛采用，一批大型通用商业软件( 如n a s t r a n ，a n s y s ， m a r c ，a b a q u s ，s a p 等) 公开发行并得到应用。这些软件包含众多的单元类型、 材料模型及分析功能，并具有网格自动划分、结果分析和显示等前后处理功能。进几 十年来，大型通用有限元计算软件的功能有线性扩展到非线性，有结构扩展到非结构 ( 流体、热、电磁) ，由分析计算扩展到优化设计、完整性评估，并引入基于计 算机技术发展的面向对象技术、并行计算技术和可视化技术等。现在大型通用软件已 为工程技术界广泛应用h 叫铊1 。 1 4 2a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是一个功能强大而灵活的大型通用有限元分析软件。它融结构、热、 流体、电磁、声学于一体，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械工 程、土木工程等行业及科学研究。a n s y s 提供的分析类型包括：结构静力分析、结 构动力分析、结构屈曲分析、热力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析、流 体动力分析。另外，a n s y s 还可应用于求解多物理场耦合的问题以及基于有限元分 析的优化设计问题。 一个典型的a n s y s 有限元分析过程包含以下三个主要步骤：l 建立有限元模型 ( 前处理) ：创建或读入有限元模型；定义材料属性； 划分网格。2 施加载荷、 求解：施加载荷并设定约束条件；0 求解。3 查看结果( 后处理) 。a n s y s 可用两 种方式进行有限元分析，即图形交互用户界面方式与命令流方式。命令流方式的特点 是可以实现整个分析过程的一次性完成、工作效率高，对于相似问题的分析，只要对 程序进行少量的修改即可重新使用。现在a n s y s 还包括了一个新的模块，即 w o 劬e l l c h 模块，在功能上与经典界面相似，但划分网格时可以不需要指定单元类型， 加载方式也变得简单，最重要的是在建模阶段可以参数化操作，对于复杂的且经常需 要修改的机械三维模型的设计与分析有着重要的实用价值，保证了工作的连贯性以及 简易操作性。w o r k b e n c h 正逐渐成为a n s y s 软件的应用方向，逐渐成为流体计算， 结构分析的主要载体。 本课题主要应用a n s y s w o r k b e n e h1 2 0 对新型加压转鼓过滤机的重要部件内转 鼓以及外鼓进行静力分析以及疲劳分析呻h 例。 8 第一章绪论 1 5 本课题研究的意义 本课题研究的意义可以概括为以下三点： l 收集整理国内外关于加压转鼓过滤机的现状和相关法规、标准，回顾加压转鼓 过滤机的发展历程，明确研发并推广新型加压转鼓过滤机的必要性和可行性。 2 详细设计一种伞新的、结构更为紧凑合理、处理能力更大、能耗更低、制造安 装成本更低的新型加压转鼓过滤机。 3 对新型加压转鼓过滤机的重要零部件进行有限元分析，为本课题结构设计方案 的可靠性提供依据，同时也对新型加压转鼓过滤机的进一步研究与改进提供一定的参 考价值。 9 第二章新犁j j l j 压转鼓过滤机t 要结构设计 第二章新型加压转鼓过滤机主要结构设计 2 1 新型加压转鼓过滤机总体结构设计及工作原理介绍 2 1 1 新型加压转鼓过滤机概述 本课题的开发、研究工作是在查阅了大量关于加压转鼓过滤机以及具有类似结构 过滤机的文献资料基础上做出的。本课题在结构设计部分，主要结合新型加压转鼓过 滤机的工作原理来设计过滤机的结构，保证在完成过滤机功能的同时，力求节省材料， 节约动力。 图2 1 、图2 2 所示即为作者设计的新型加压转鼓过滤机。图2 1 给出了新型加压 转鼓过滤机的整体布局，图中各件号表示的主要部件依次是，1 减速器；2 联轴器； 3 传动轴；4 - 分配头；5 深沟球轴承；6 端盖；7 _ 夕 、鼓主体；8 密封隔块盖板：9 一密封 隔块；1 0 一滤网；1 1 内转鼓；1 2 。排液管；1 3 填料密封；1 4 轴承盖；1 5 一油封；1 6 圆柱 滚子轴承；1 7 - 夕p 鼓支座；1 8 过滤机支撑底板。从图2 1 可以看出，分配头4 在内转 鼓1 1 与联轴器2 中间，过滤机总体结构比较简单，安排比较合理。图2 2 更清楚的给 出了内转鼓和外鼓、密封隔块、刮刀卸料装置等主要部件的位置关系，图中各件号表 示的主要部件分别是，1 9 一管法兰；2 0 - 侧支；2 1 刮刀卸料装置：2 2 卸料箱；2 3 滤网 冲洗系统。 第二章新型加压转鼓过滤机主要结构设计 图2 - 1 新型加压转鼓过滤机主剖视图 f i g2 - 1m a i nc u t a w a yv i e wo f n e wr o t a r yp r e s s u r ef i l t e r 图2 - 2 新型加压转鼓过滤机侧剖视图 f i g2 - 2l a t e r a lc u t a w a yv i e wo fn e wr o t a r yp r e s s u r ef i l t e r 由图2 1 ，2 2 可以看出，新型加压转鼓过滤机主要有内转鼓、外鼓、分配头、传 动系统、密封装置、卸料装置、支座系统等几大部分组成。图2 1 中，减速器l 、联 轴器2 通过传动轴带动内转鼓1 1 转动，内转鼓由轴承5 和1 6 支撑，轴承又放在了端 盖6 内，全部重量最后都由外鼓支座1 8 承受。 整台过滤机与物料接触的主要结构部分都由耐腐蚀的不锈钢材料制成，例如，可 以选用0 6 c r l 7 n i l 2 m 0 2 以及0 2 2 c r l 7 n i l 2 m 0 2 等不锈钢材料；对于支座、端盖等不与 物料接触的部位，可以选择价格便宜的碳钢材料。 2 1 2 密封腔室的设计及工作原理介绍 图2 3 为设计的内转鼓与外鼓形成的密封腔室放大图，图中各件号表示的装置依 次是：1 内转鼓；2 内转鼓棱柱；3 过滤插件；4 夕f 、转鼓棱柱形式1 ；5 - 夕f 、转鼓棱柱形 式2 ；6 一排液管；7 - 夕 转鼓填料盖板；8 密封填料板；9 密封绳；1 0 - 密封隔块；1 1 一进 料管；1 2 进料腔室密封块；1 3 侧支位置处外壳；1 4 侧支；1 1 密封腔室：1 2 过滤单元 室。 从图2 3 中可以看到，内转鼓1 与外转鼓耦合配置，形成功能操作区，若干过滤 单元室i i 沉浸在其中。图中所示是设计的过滤机其中一个密闭腔室，设计的过滤机共 1 2 第二章新型加雎转鼓过滤机丰要结构设计 有四个这样的密闭腔室，每一个密封腔室之间都由密封隔块1 0 分隔，都有进料管1 l 与之连通，腔室结构基本相同。 图2 - 3 密封腔室放大图 f i g2 - 3e n l a r g e m e n to fs e a l e dc h a m b e r 图2 - 4 工艺流程图 f i g2 - 4c h a r to f p r o c e s s 图2 - 4 标明了过滤机的四个密封腔室，并标明了每个密封腔室的排液管与分配头 密封腔室的一一对应关系。图2 4 中表示的密封腔室分别是：1 1 过滤腔室；1 1 1 分配 第二章新型加压转鼓过滤机主要结构设计 头过滤液排出腔室；1 2 洗涤腔室：1 1 2 分配头洗涤液排出腔室；1 3 干燥腔室；1 1 3 分配 头干燥气吹入腔室；1 4 刮刀卸料腔室；1 1 4 反吹气进入腔室；1 5 滤网冲洗腔室。 现在结合图2 3 和2 。4 简要的介绍一下过滤机的工作流程。加压的悬浊液通过进 料管1 1 进入到过滤腔室1 1 ，在沉浸于其中的过滤单元室i i 中进行以压差为推动力的 过滤，滤饼在过滤插件3 表面积存，滤液穿透滤网通过排液管6 经分配头中的滤液腔 室1 1 1 排出：过滤后存有滤饼的过滤单元室随着内转鼓1 的顺时针旋转循序进入到滤 饼洗涤密封腔室1 2 用洗涤液进行滤饼洗涤，洗涤液单相置换滤饼巾的滤液，洗涤后的 洗涤液通过排液管经分配头中的洗涤液腔室1 1 2 排出；装有已洗净滤饼的过滤单元室 随着内转鼓的旋转再循序进入到滤饼干燥密封腔室1 3 用热风穿过滤饼的方式进行滤 饼干燥，穿过滤饼的热湿气体通过排气管经分配头中的干燥气腔室1 1 3 排出；装有已 干燥滤饼的过滤单元室随着内转鼓的旋转再循序进入到滤饼卸出密封腔室1 4 通过反 吹或刮刀装置将干燥滤饼卸至料斗内，这次反吹气是由分配头的干燥气吹入腔室1 1 4 进入到过滤机内部的；卸完干燥滤饼的空的过滤单元室随着内转鼓的旋转再循序进入 到滤网冲洗密封腔室1 5 用冲洗液冲去堵塞在滤网孔隙中的残留滤饼渣，冲洗液回收当 作洗涤阶段的洗涤液；冲洗干净的过滤单元室随着内转鼓的旋转再次进入过滤密封腔 室1 1 ，就开始了它们的下一次料液过滤、滤饼洗涤、滤饼干燥、滤饼卸出和滤网冲洗 的循环。总之，就整台过滤机而言，过滤机在连续工作，并且是在其不同功能的密封 腔室中进行的不同工作；而就随内转鼓转动的每个过滤单元室而言，则是周期性地顺 序进入不同的功能密封腔室完成不同的功能。 结合上面介绍的过滤机工作原理，下面各节将对过滤机各个主要组成部分的结构 设计和它们能够实现的功能进行详细的介绍。 2 2 内转鼓设计 2 2 1 内转鼓总体结构设计 内转鼓是过滤机的重要组成部分，也是过滤机的主要运动部件。在结构上，内转 鼓两端由固定在外鼓两端端盖中心的轴承支承，左端与传动轴连接，接受扭矩，整个 内转鼓在外鼓内旋转，转速保持在0 1 r m i n 1 r m i n 之间；在功能上，内转鼓外侧部分 被轴向棱柱与环向隔环分隔成若干个过滤单元室，物料的过滤以及滤饼的洗涤、干燥 均在过滤单元室内完成。过滤时，滤网上方形成滤饼，滤液则通过滤网，进入连通单 元室与分配头的排液管，从分配头处排出过滤机。为适应不同过滤物料的性质，滤网 可以更换，并且滤饼厚度也可在一定范围内调节。 图2 5 是设计的内转鼓组件图，图中各件号表示的主要零件依次是：1 传动轴： 2 内转鼓连接段；3 填料箱底环；4 环向隔环；5 排液管；6 - 内转鼓中间段；7 内转鼓 1 4 第一# m i k 转# 过弛机 婴结构浊 右轴承支承段。去掉传动轴1 的内转鼓三维模型如图2 - 6 所示。图2 - 6 也是用于后面 有限元分析的内转鼓模型，在建模时，省略了内部排液管系的布篮对忽略了小的圆 角和倒角。内转鼓主要尺寸如下：内转鼓直径l m ，总长2 7 1 0 r a m ；填料箱环形底珂t3 直径1 1 8 0 r a m ：每个单元室轴向长度3 0 0 r a m 深5 0 r a t a ，兆有4 x 1 8 个：内转敛连接 段2 和7 轴承支承段，外苴径是5 0 0 r a m ，过滤机左右小直轻段与叶1 m 火直径段的连接 采用了镂卒锥段，手孔共计8 个，上作人员可以通过手孔查看与操作过滤目【内部排液 管系的连接情况，锥段模型可以参看图2 7 。 圈2 - 5 内转鼓组什圈 f i 9 2 * 5 a s s e m b l y o f i m i d e d r u m 图2 6 内转鼓模型 f i 9 2 - 6 m o d e l o f i n s i d e d r a m k 第二章新型加瞌转鼓过滤机主要结构设计 篷圻w 多 烬 办勺 ) 丫 哆夕 图2 - 7 内转鼓锥形连接段 f i g2 - 7c o n i cc o n n e c t i o ns e c t i o no fi n s i d ed r u m 2 2 2 过滤单元室设计 图2 - 8 过滤单元室结构图 f i g2 - 8s t r u c t u r eo ff i l t r a t i o ne l e m e n t 图2 8 是设计的过滤单元室结构简图，图中各件号表示的零件依次为：1 1 一轴向 棱柱；1 2 一过滤插件；1 3 一内转鼓：l - 4 一排液管；1 5 一垫片。 在结构上，过滤单元室由轴向棱柱1 1 及环向隔环4 ( 见图2 5 ) 分隔而成，整个 过滤机共有4 x 1 8 个过滤单元室，单元室底部放置过滤插件1 2 ，1 2 底部有垫片1 5 ， 通过调整垫片厚度以及拧紧螺钉的拧入深度可以调节滤饼的厚度，随着物料的改变可 以更换相应精度的过滤插件。设计的新型加压转鼓过滤机的滤饼厚度可以在6 , - , 2 0 m m 之间调节。 在功能上，过滤单元室是过滤机的重要功能实现部分，过滤、洗涤、干燥均在过 1 6 第二章新犁j j 【j 压转鼓过滤机主要结构设计 滤单元室内完成。过滤时，滤网上方积存滤饼，滤液穿过过滤插件进入1 - 4 排液管； 洗涤或者干燥时，洗涤液、干燥气穿透滤饼，单相置换残存的料液。进入排液管的滤 液、洗涤液、干燥气最后均进入分配头被分离排出。滤网的可更换以及滤饼厚度的可 调节性极大地提高了新型加压转鼓过滤机的使用范围，使它可以应用在众多需要过滤 分离的行业上。 2 2 3 过滤插件设计 图2 - 9 所示即为设计的过滤插件，图中各件号表示的零件依次为1 骨架；2 滤网； 3 多孔介质。1 、2 、3 真空烧结在一起构成一个整体，使用时，用螺钉把整体拧紧在 内转鼓过滤单元室底部。过滤时，在压力作用下，滤液进入过滤插件，在滤网2 上被 分离，滤液沿着3 的孔道流出过滤插件，流进排液管，滤饼在2 表面积累，随着滤饼 厚度的增加，过滤逐渐由滤网过滤转向滤饼过滤。一般要求过滤介质具有一定的性能 以保证有较高的过滤速度，较低的滤液浊度以及较少的损耗；同时过滤介质要有较好 的再生能力和较长的使用寿命。设计的过滤插件就能满足这些要求。 滤网2 为不锈钢烧结滤网，材料为0 2 2 c r l 烈i 1 2 m 0 2 ，过滤精度在1 微米以上。 结构上，滤网使用的是五层标准结构，这种结构是将五层不锈钢丝网按顺序叠放在一 起，经过真空烧结而成的。五层结构一般分为保护层、过滤控制层、分散层、支撑骨 架层、骨架层。图2 1 0 即为这种标准滤网，图2 - 1 1 为标准烧结网的结构。这种滤网 具有如下几个优点： ( 1 ) 具有极高的机械强度和耐压强度，加工、焊接与组装性能良好，使用方便。 ( 2 ) 过滤层在第二层，使其得到了很好的保护和分流，过滤精度均可达到均匀一致的 过滤性能，保证其具有高稳定性。 ( 3 ) 选用0 2 2 c r l 7 n i l 2 m 0 2 材质，耐腐蚀性好，耐热性好，可用于_ 2 0 0 - c - - 4 8 0 。c 的温 度及酸碱环境的过滤。 ( 4 ) 极佳的逆流清洗效果的表层过滤结构，逆流清洗效果佳，可反复使用，寿命长。 1 7 *n “n l 牡必u 北nk 4 ”脚& * 当 抽览皇蔓芏芟娶妻盥 自 0 图2 - 9 过滤插件 f i g2 - 9 f i l t r a l i o np l u s 圈2 1 0 血崖标准烧结州 f i g2 - 1 0 f i v e l a v m s n d a r ds i n i c r e d m e s h r ” 坚! l 一：、| ，：。“- - 、爿 一置- 、 。、一 一、， 、，、 旦生l 2 。，一川一 u y io 甜、o ) t uv u 臼讳冉r - i 监l 驴z 霉皋$ 铽妙秘通z 舔$ 客海； 业l 苏靛氛驴套遘翻藤釜连衫 豳2 1 l 层标准烧结叫结构 f i 9 2 - 1 1s t m e t u mo f f i v e l a y e l ss t a n d a r ds i n l c , n x l m e s h 224 支承轴承选型及校核 根据设训的新型加压转鼓过滤机的结构特点设计巾采用的轴承组合形式为：左 端为深沟球轴承右端为单列圆柱滚了轴承。这种轴承组合形式的特点是：左端为固 定支点右端为浮动支点，结构简单，拧紧轴承盖日t 轴承不会被压紧。这种组合结构 用以承受径向力和不大的轴向力。结合内转鼓的外径尺寸，我们暂选深沟球轴承以及 圆柱滚r 轴承的型号分别为6 0 5 0 0 ，n u l 0 5 0 0 。下面对其计算校棱。 过滤机内转鼓的设计转速在0l r m i n - ir r a i n 之问，支捧内转鼓的轴承转述也报 低，对于转速极低的轴承，它的失效形式是如果滚动接触i 斫l 的接触应力过大，将 产生永久性的过大的凹坑，即材料表面发生了小允许的永久变形这时应按轴承的静 强度米选择轴承的尺寸。 由过滤机的使州情况即2 4 h 连续工作，找w 顺先确定个适当的轴承使用寿命 1 8 第二章新型加压转鼓过滤机主要结构设计 这里取为4 5 0 0 0 h 。对于低速旋转或缓慢摆动的轴承，应分别计算额定动载荷和额定静 载荷，取其中较大者选择轴承。 ( 1 ) 额定静载荷计算 计算时使用公式c o s op o 呦x = ，p o r = o 6 e + n 5 只 瑚。= j 。昂p o ，,