新型加压转鼓过滤机主要结构设计

1、新型加压转鼓过滤机主要结构设计本课題的开发、研究丁作是在査阅了大量关于加压转鼓过滤机以及具有类似结构 过滤机的文献険料基础上做出的。本课題在结构设计部分卞嗨结合新型加压转戟过 滤机的王作原理来设计过滤机的结构，保证在完成过滤机功能的冋时力求节省材料, 节釣动力*图ffl2-2所示即为作若役计的新型加压转鼓过滤机图2【给出了新型加压 转鼓过滤机的整体布局，图中各件号表示的上要部件依次是，1减速器；2联轴? 3.传动轴；4分配头；头裸沟球轴瓶t匸端盖；7外鼓主休：乩密封隔块盖板；9-密封 隔块;Q滤网；小内转鼓；仏排液管；13母料密封;】皿承恚15油封；皿圆柱 滚了轴承；17外蝕支座；I&过滤机支

2、挣底板。从图21可以看出分配头4在内转 鼓门与联轴器2中（聃过滤机总体结构比较简单，安排比较合理.图2-2更借楚的给 出了内转豉和外筱、密封隔块、刮刀卸料装盍等主热部件的位養关系.图中各件号表 示的主要部杵分别是，9管法兰；20-MJt；刮刀卸料装置；2卸料辄23-滤两冲洗系统。图21新型加压转鼓过波机主剖视图Fig 2-1 Main cutaway view of new rotary pressure filter图22新型加压转鼓过滤机侧剖视图Fig 22 Lateral cutaway view of new rotary pressure filter由图21, 2-2 nl以看出，

3、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、支座系统等儿大部分组成。图21中，减速器1、联 轴器2通过传动轴带动内转鼓11转动，内转鼓由轴承5利16支撑，轴承又放在了端 盖6内，全部靈盘最后都由外鼓支座18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06Crl7Nil2Mo2以及022Crl7Nii2Mo2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23为设计的内转鼓与外鼓形成的密封腔室放大图，图中#件号表示的装置依 次是：1内转鼓；2内转鼓棱柱

4、；3过滤插件；4外转鼓棱柱形式1； 5外转鼓棱柱形 式2： 6排液管；7外转鼓填料盖板；8密封填料板；9密封绳；密封隔块；11 进 料管；12-进料腔室密封块；13侧支位置处外壳；14侧支；II密封腔室；12过滤单元 室.从图23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II沉浸在其中.图中所示足设计的过滤机其中一个密闭腔室，设计的过滤机共冇四个这样的密闭腔室，每个密封腔室之间都由密封隔块10分隔，都有进料管11 与之连通，腔室结构基本相同。图23密封腔室放大图 Fig 2-3 Enlargement of sealed chamber图2丄工艺流程图 Fig 2-

5、4 Chart of process图24标明了过濾机的四个密封腔室，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中农示的密封腔室分别是:H-过滤腔室:III-分配 头过滤液排出腔室；12 洗涤腔室；112 分配头洗涤液推岀腔室：13 干燥腔室；113 分配 头干燥气吹入腔室：J4刮刀卸料腔宣：1【4反吹代进入腔室；15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11进入到过滤腔室II,在沉浸于其中的过滤单元室II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，滤蔽穿透滤网通过排液管6经分配头中的滤液腔 室Il

6、l排出；过滤后存有濾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12用洗涤液进行滤饼洗涤，洗涤液单相置换滤饼中的滤液，洗涤厉的 洗涤波通过扌It液管经分配头中的洗涤液腔室112排出；装有己洗净濾饼的过滤单元室 随着内转鼓的旋转再循序进入到滤饼干燥密封胶室13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井气管经分配头中的十燥气腔室113排岀；装仔已 千燥濾饼的过滤单元室随君内转皴的旋转再循序进入到滤饼卸岀密封腔室14通过反 吹或刮刀装置将卡燥滤饼卸至料斗内，这次反吹气姥由分配头的干燥气吹入腔室114 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

7、旋转再循序进入 到滤网冲洗密封腔室15用冲洗液冲去堵塞在滤网孔隙中的残留滤饼渣,冲洗液冋收当 作洗涤阶段的洗涤液；冲洗干净的过滤单元宅随着内转藪的旋转再次进入过滤密封腔 室II,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 的循坏。总Z，就整台过滤机而言，过滤机在连续工作，并且是在It不同功能的密封 腔室中进厅的不同工作；而就随内转鼓转动的毎个过滤单元室而言，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，下面各节将对过濾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

8、内转鼓是过滤机的董要组成部分，也是过滤机的宅要运动部件。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O.lr/min-lr/minZ间；在功能上，内转鼓外侧部分 被轴向棱柱与环向隔坏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25是设计的内转披组件图，图中各件号表不的主耍零件依次是：1传动轴： 2内转微连接段；

9、3填料箱底环；4环向隔坏；5排液管；6内转鼓中间段：7内转鼓 右轴承支承段。去璋传动轴I的内转燄三维模型如图26所示。图26也定用于后面 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童，对忽略了小的圆 角和倒角。内转鼓主要尺寸如下：内转鼓宜径Im,总长2710mm；填料箱环形底环3 理径1180mm：每个单元室轴向长度300mm,深50mm共仃4x18个；内转鼓连接 段2旬7轴承支承段，外直径是500mm,过滤机左右小直径段与中间大直径段的连接 采用了镂空锥段，手孔共白8个，工作人员可以通过手孔查看与操作过濾机内部排液 管系的连接情况，锥段模型可以参看图27。图25内转鼓组件图Fi

10、g 2-5 Assembly of inside drum图24内转鼓模型Fig 2-6 Modd of inside drum图27内转鼓権形连接段Fig 2-7 Conic connection section of inside drum2. 2.2过滤单元室设计图24过滤单元宅结构图Fig 2-8 Stracture of filtration element图28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：11-轴向 棱tt； 1-2-过滤插件；13 内转鼓；14-排液管：1$垫片。在结构上，过滤单元室由轴向棱柱M及环向隔环4 （见图25）分隔而成，整个 过滤机共有318

11、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15, 通过调整垫片耳度以及拧紧嫖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420mm 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、于燥均在过 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14拮液管： 洗涤或者千燥时，洗涤液、干燥气穿透滤饼，单相置换残存的料液。进入推液管的滤 液、洗涤液、下燥气绘后均进入分配头被分离井出。波网的可更换以及滤饼厚度的可 调节性极人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

12、需要过滤 分离的行业上。2. 2 3过滤插件设计图29所示即为设计的过滤插件，图中各件号表永的零件依次为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冇一定的性能 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；同时过滤介质要有校好 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为不锈钢烧结濾网，材料为022

13、Crl7Nil2Mo2,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。五层结构一股分为保护层、过滤控制层、分散层、支據骨 架层、骨架层图210即为这种标准滤网，图2J1为标准烧结网的结构。这种滤网 具有如下几个优点：(1) 具有极髙的机械强度和耐压强度，加工、焊接与组装性能良好，便用方便.(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. 选用022Cr17Nil2Mo2材质，耐腐蚀性好，耐热性好，可用于-200*C480*C的温 度及酸碱环境的过滤。(4)

14、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.图29过滤描件图2-10血标准烧结网图211五层标准烧结网结构Fig 211 Structure of five layers standard sinicrcd mesh2. 2. 4支承轴承选型及校核根据设计的新型加压转彼过滤机的结构特点，设计中采用的轴承组合形式为：左 端为深沟球轴承，右端为单列圆柱滚子轴承.这种轴承组合形式的待点杲：左端为固 定支点，右端为浮动支点，结构简单，拧紧轴承盖时轴承不会被压紧.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 圆柱滾了轴承的型号分别为6

15、0/500, NU10/500。下面对其计算校核。过滤机内转彼的设计转速在O.lr/min-lr/min之间，支择内转彼的轴承转速也很 低，对于转速极低的轴承，它的失效形式是，如果滚动接触面上的接触应力过大，将 产生永久性的过大的凹坑，即材料表面发生了不允许的永久变形，这时应按轴承的静 强度来选择轴承的尺寸.由过滤机的使用情况，即24h连续工作，我们预先确定一个适当的轴承便用寿命, 这里取为45000h。对F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显 载荷取其中较大者选择轴承.（1）额定静载荷计算（2-1）计算时使用公式C尸So Po Cor （或Cg）式中：Co 基本额定耶载荷值

16、计算值.N；Po 当量静载荷，N,计算公式见表21；So 安全系数，族转轴承的见表22,轴承箱刚度较低时So取较 高值，反之取较低值；5轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定絆我荷，N；Cfta轴承尺寸及性能表中所列轴向基本额定静较荷.N。2-1当趙静我荷计算公式 Table 2-1 Formula of equivalent static load轴承类型计算公式说明向心轴承向心滚子轴承径向当虽庁-径向我荷轴向裁荷 儿径向静我荷系 数 人-轴向静莊荷系数 （见轴承尺寸性能向心球轴承和的向心滚子轴承仏誌卜取二式中的较人值推力输承 = 的推力轴承轴向出量ar 90的推力柚承心=23 tana+ 7表

17、2-2旋转轴承安全系数 Table 22 Safety factor of Rotary Bearing使用要求和载荷性质S。球轴承滚子紬承对熨转梢度及平稳性要求较高， 或承受强大的冲击我荷1422.5-4正常使用0.5-21-3.5对谜转将度及平稳性耍求较低， 没有冲由和振动0.5-2卜3对于深沟球轴承.屮严呵+o5 勺=k. =0.6X150001=150(x)yv耳，誌h h 卡L k-=ooo L査表22取So为1.75,得到深沟球轴承的额定紳载荷为,C。= S虫“75 x 15000 = 26250N 0 = 11780,因此适用. 査最22取为3.25,得到圆柱滚了轴承的额定静銭荷

18、为， 人严巧=15000N , Co = SoA = 3.25xl5000 = 48750N 15000N。因此，深沟球轴承的C =- P = 2.596x1.75x1.1 xI50(M) = 42321.3 IN C严 625kNfJT 1.7712x1.0圆柱滚f轴承的C =厶也 P = ?型卫 PL! X15000 = 40735.943N min 1f球轴承滚子轴承101.4941.435201.186166表24温度因数&值 Table 2-6 The value of temperahire fy工作温度/*c 得到= L06c/n = 10.6/nm 由上计算，填料箱压盖螺栓选用

19、为8xAfl6,材料是低碳钢。628xl0xx8x88.892. 4分配头设计2.4.1分配头总体结构设计图2-17分配头组件装配示意悝Fig 2-17 Assembly of distribution head图2-17是设计的分配头装配结构示意图，各件号表示的零件依次为：1密封隔块; 2棱柱；3孟板；4法兰；5压紧弹簧：&填料密封：7填料压盖：&内转鼓；9-排液 管。具体的工作原理为：5个密封隔块1由压紧弹簧5和孟板3压紧，使其紧贴在内 转鼓8外表面上，密封隔块1由此把内转鼓与分配头外光之间的空间分成了4个密封 腔室，随着内转鼓的旋转，毎个密封腔宅都能对应一定个数的排液管开口，排液管排 岀

20、的流体在不同密封腔室内积聚，通过不同的管法兰4排入不同的收集容器。这种分配头结构简单，易于清洗，容易装配，较已存在的转鼓真空过滤机等过滤 设备的分配头结构有明显的优势。2. 4.2分配头填料密封选用及计算(1)填料选用如图2-17所示，分配头填料密封选用三条正方形截面为20mm规格的碳化纤维 浸渍聚四氟乙烯编织填料，这种填料可以在介质为溶剂、酸、碱、PH=114的机械中 使用.与填料环相接触的内转鼓8(见图27)接触面要求表面租糙度出“如，M好能达到/?严0.80.4/沏，并要求轴农面有足够的硬必如进行氮化处理，以提高耐 戯性能，轴的偏摆量不大于0.07mm,或不大于填料压盖和填料箱内部 的配

21、合一般选用Hll/cll.(2)压盖螺栓计算(?1=78-5x(D2-J2)xjQ=2356W-，)xp计算原理同2.3.3 0 =78.5x(52,-48?)xl = 235-6 x(522-482 )x03= 1.10xl0N5.65xI04AT= 31400得到,叫鬆7心為rg因此填料箱压盖螺栓选用为8xM10,材料是低碳钢。2. 5动密封结构介绍2. 5.1环形端部区动密封设计的过滤机内转鼓和外鼓间的环形端部密封采用的是填料密封，分配头与内转 战之间的密封也采用填料密封密封，下面将简要介绍其密封机构，并介绍其它的几种 密封形式。设计的密封结构以分配头处的填料密封举例，如图218所示。密

22、封隔块1分隔分配头四个腔室，填料密封需要和密封隔块紧密配合，以此防止 不同压力腔室之间的窜流。由图2-17的局部放大图可以看岀，填料密封腔室与内转鼓 之间有一很小的环形间隙，在存在密封隔块的地方，密封隔块应该深入密封腔室，和 密封填料紧密接触，把微小的坏形间隙也分为四个腔室，这样才能保证密封腔室之间 的流体不会窜流.密封结构如图218所示.图218分配头处密封结构Fig 2-18 Seal structure on the location of distribution head内外转鼓坏形端部间的密封主要看重的是密封可以适应内转鼓的大直径并且要 求密封严密。对于内转鼓与外鼓Z间的动密封，除

23、了采用填料密封Z外，还可以采用 一些专利上叙述的新型密封和采用新工艺、新材料制造的密封专利US 2005/0051473 A1叙述了一种充气密封.下面对其进行简单介绍.rfti图Z19充气密封结构Fig 2-19 Inflatable seal structure从图2-19 nT以看到，这种密封结构主要有以下几个部分组成：1 压盖；2.螺栓； 3U形密封；4气嘴；5静止件；0U形密封与静止部分密封面；7充气密封圈：8-U 形密封与运动部分环形密封面；9运动件。这种密封适用于内转鼓与外鼓端部的密封，5是静止件，9是运动件，与U形密 封接触的面都是坏形。貝体的工作原理是这样的：气体通过4进入充气

24、圈7,在压力 作用下充气圈7膨胀，上下挤压U形密封3,使U形密封的上下两臂紧贴静止件5和 运动坏面9,形成密封面6和8,同时，有压盖1和螺栓2把U形密封伸出的上臂固 定在静止件5上，U形密封不会运动，于是形成里类似填料密封的一种密封形式。这 种密封密封严密，充气圈内的压力可以随着密封机器内部压力的不同而调节，机器停 止运转的时候可以泄气以减少材料损耗。3和7都是合成材料制成的密封件，例如可 以选用密封圈3的材料是聚酰胺，材料的选用需要根据机器内部物料的性质不同来选 择。这种密封圈国内生产的很少，在黃国有几家生产类似产品的知名公司，图2J3 所示即为这种充气密封的实物，由氯丁橡胶或其它合成林料制

25、成。图220几种美倒产充气膨胀密封圈 Fig 2-20 Several inflatable seals made in America图2-21 一种可以用在新型加压转彼过滤机卜的充气密封圈截面Fig 2-21 Profile of inflatable seal which can be used in new rotary pressure Glter参照产品说明，也可以直接采用这种充气密封结构，具体安装形式如图219第一 幅图所示.前面已经叙述过，过滤机的设计上有独特的密封结构，如果单独采用这种 密封结构，会引起不同密封腔室之间的帘流，因此需要其它的结构设计与配套设备， 这种配套设备对

26、应于图2-19中的2和3图2-21是一种可以应用在设计的加压转鼓 过滤机上的犬总径充气密封圈型面图，使用的时候可以直接替换图2-19中的7。2. 5. 2密封腔室动密封2节总体结构设计中已经介绍了外鼓密封腔室的设计，在滿要不同压力操作的 密封腔室分隔时用到了密封隔块装置，因为是与内转鼓构成动密封，要求密封隔块材 料与内转豉外表而摩擦系数小，耐磨，无污染。图23所示的是新型加压转鼓过滤机 上使用的密封隔块装置专利US 2005/0051473 A1也介绍了一种密封结构，可供参考。图222密封船室密封隔块東置Fig 2-21 Seal equipment used for isolated fou

27、r sealed chambers29是内转鼓与外鼓间形成的密封腔室，两个外彼棱柱8之间有密封隔块装置，压 盖？紧压充气膨胀垫6, 6充气膨胀使密封填料板5压紧密封隔块4, 4得以与内转鼓 上棱柱2紧密贴合，构成分隔不同密封腔室的动密封结构。4, 5, 6之间有密封绳阻 止了内转皱内流体沿着密封隔块缝隙泄露.从图中也可以看出，进料的地方没有复杂 的密封隔块装置，9仅仅是一块密封填料。可以对课題设计的密封腔室密封隔块装程与专利中的装置进行类比，应该可以说 课題设计的密封隔块装岂更加节省材料，与内转鼓贴合更加紧密，没有复杂的冲洗系 统，密封更加紧凄、简洁新型加压转鼓过滤机密封隔块材料使用的是聚瞇能

28、酮材料, 普通的密封块使用的是聚四氣乙烯材料。新型加压转鼓过滤机共有四处密封隔块，其 它外转鼓的棱条以及端环Z间填充了与密封隔块同等大小的聚四斯乙烯埴料块，这些 填料块不起密封不同腔室的作用，它们的存在减轻了填料盖板受到的内压，也-定程 度匕减轻了盖板密封型片的密封压力，填料块以及密封隔块容易取出，因此过滤机易 于消洗.2.6主要传动、连接部分用螺栓计算及校核2.6.1传动轴与过滤机内转鼓联结用蝮栓选用计算选用较制孔用螺栓连接，受力最大的螺栓工作剪力是,M同时按照如下公式校核联结的挤压强度与剪切强度，螺栓杆与孔率的挤压强度条件 为.螺栓杆的剪切强度条件为，M(2心4式中：F 螺栓所受的工作剪力，单位为N；do 螺栓剪切面的直径(可取为螺栓孔徳直径)，单位为mm： 螺栓孔与孔壁挤压面的最小高度，单位为mm,设计时