朱海文

（晉神能源有限公司 沙坪洗煤廠，山西 沂州 036500）

煤炭洗選加工是煤炭生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。加壓過(guò)濾機(jī)由于其固液分離效果好的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于選煤廠煤泥的脫水工藝中，但在實(shí)際洗選工作中傳統(tǒng)的加壓過(guò)濾機(jī)或多或少都存在一些問(wèn)題，影響固液分離效果。因此，設(shè)計(jì)一款新型加壓過(guò)濾機(jī)，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

1 加壓過(guò)濾機(jī)概述

在煤礦工業(yè)生產(chǎn)中常采用的傳統(tǒng)加壓過(guò)濾機(jī)包括圓盤(pán)式、轉(zhuǎn)鼓式和筒式加壓過(guò)濾機(jī)。圓盤(pán)式加壓過(guò)濾機(jī)常出現(xiàn)原煤堆積的問(wèn)題，導(dǎo)致艙內(nèi)壓力多大，且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、部件較多，后期的維護(hù)成本較高。轉(zhuǎn)鼓式加壓過(guò)濾機(jī)密封組件的研制難度高，生產(chǎn)成本較高，不適用于批量生產(chǎn)。筒式加壓過(guò)濾機(jī)需定期更換濾芯，維護(hù)成本較高。

以定盤(pán)式加壓過(guò)濾機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)不合理處進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，研制出一種新型加壓過(guò)濾機(jī)。定盤(pán)式加壓過(guò)濾機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 定盤(pán)式加壓過(guò)濾機(jī)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of fixed-disk pressure filter

2 新型加壓過(guò)濾機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

經(jīng)調(diào)研分析，目前應(yīng)用最為廣泛、故障率最低以及后期維護(hù)成本較低較方便的過(guò)濾機(jī)型號(hào)為德國(guó)BHS所研發(fā)的定盤(pán)式加壓過(guò)濾機(jī)。為此，本文基于BHS公司所研發(fā)的定盤(pán)式加壓過(guò)濾，結(jié)合國(guó)內(nèi)加壓過(guò)濾機(jī)的情況，設(shè)計(jì)一款新型加壓過(guò)濾機(jī)。德國(guó)BHS定盤(pán)式加壓過(guò)濾機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如下：

濾盤(pán)直徑/mm 50

濾盤(pán)個(gè)數(shù) 4

濾盤(pán)面積/m21.64

過(guò)濾直徑/m 5～10

設(shè)計(jì)壓力/MPa 4.5

2.2 零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 濾盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

濾盤(pán)是加壓過(guò)濾機(jī)的關(guān)鍵零部件，由帶濾孔濾盤(pán)和濾網(wǎng)組成，濾盤(pán)由中間濾盤(pán)、前濾盤(pán)和后濾盤(pán)組成。結(jié)合國(guó)內(nèi)其他加壓過(guò)濾機(jī)濾盤(pán)的結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題，設(shè)計(jì)中間濾盤(pán)直徑550 mm，寬度50 mm，材質(zhì)選用Q235鋼。與中間濾盤(pán)對(duì)應(yīng)前后濾盤(pán)直徑550 mm，對(duì)應(yīng)寬度30 mm，材質(zhì)316 L不銹鋼。最終確定濾盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 濾盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of filter

2.2.2 端板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

端板是濾盤(pán)、設(shè)備外殼以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接，一般端板分為前端板和后端板。前端板與設(shè)備外殼相連接，后端板與設(shè)備液壓動(dòng)力系統(tǒng)連接，進(jìn)行過(guò)濾后濾餅的壓縮以及壓縮完成后對(duì)密封殼體的復(fù)位操作。在前端板中部留有一個(gè)腔體，可有效避免帶壓漿料對(duì)過(guò)濾裝置的沖擊。后端板直徑590 mm，寬度120 mm，316 L不銹鋼，同樣在后端板中間部位預(yù)留一個(gè)空的腔體，為擠壓過(guò)濾和卸料放松的濾板預(yù)留一定的伸縮空間。

2.2.3 刮刀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮刀系統(tǒng)的主要功能是將濾盤(pán)上的濾餅刮除以保證下一個(gè)循環(huán)。刮刀系統(tǒng)包括刮刀、刀罩以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。結(jié)合整體設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)刮刀長(zhǎng)300 mm，寬220 mm，厚25 mm，材質(zhì)為聚四氟乙烯。根據(jù)刮刀的尺寸及選材，確定刮刀罩長(zhǎng)700 mm，寬440 mm，厚360 mm，316L不銹鋼。為節(jié)省空間，將刀套通過(guò)螺釘固定于設(shè)備的外殼。

2.2.4 卸料筒的設(shè)計(jì)

卸料筒主體結(jié)構(gòu)設(shè)定為直段、變徑段以及外接法蘭，高440 mm，長(zhǎng)620 mm，寬398 mm。卸料筒與過(guò)濾裝置下方外殼采用焊接方式連接。參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，卸料筒所配法蘭型號(hào)為150-6。

2.2.5 支腿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

支腿為新型加壓過(guò)濾機(jī)主要承載部件，包括墊板、支柱以及底板等。為保證新型加壓過(guò)濾機(jī)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)四支腿結(jié)構(gòu)。支腿的設(shè)計(jì)可以參考行業(yè)內(nèi)容器支腿設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選用B型腿式支座。四條支腿兩兩之間的間距為165 mm，支腿的高度為800 mm。經(jīng)核算，該四條支腿可承受12 kN的載荷。墊板選用主材料為鋼板的圓板，直徑100 mm，厚度10 mm，與設(shè)備外殼底端焊接連接。

一般加壓過(guò)濾機(jī)是固定在地面上的，因此在底板上預(yù)留4個(gè)螺栓孔，每個(gè)螺栓孔直徑24 mm，螺栓孔之間的間距為72 mm，螺栓規(guī)格為M20。

新型加壓過(guò)濾機(jī)的墊板、支柱以及底板均采用316L不銹鋼制造。

3 濾盤(pán)有限元分析

濾盤(pán)的強(qiáng)度和剛度是影響加壓過(guò)濾機(jī)可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)加壓過(guò)濾機(jī)濾盤(pán)結(jié)構(gòu)中濾板和中間隔板之間沒(méi)有支撐件，在實(shí)際應(yīng)用中常常出現(xiàn)變形甚至破壞現(xiàn)象。采用增加濾板厚度的措施雖然能夠在一定程度上減小變形量，但改造成本較大。因此，在濾板和中間隔板之間增設(shè)相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證不同支撐結(jié)構(gòu)下濾盤(pán)的強(qiáng)度和剛度。

3.1 支撐環(huán)濾盤(pán)結(jié)構(gòu)的有限元分析

濾盤(pán)外直徑550 mm，內(nèi)直徑55 mm。為驗(yàn)證不同支撐環(huán)數(shù)量對(duì)濾盤(pán)強(qiáng)度和剛度的提升效果，對(duì)0、1、2個(gè)支撐環(huán)結(jié)構(gòu)的濾盤(pán)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3 支撐環(huán)濾盤(pán)有限元模型Fig.3 Finite element model of support ring filter

進(jìn)行網(wǎng)格劃分，無(wú)支撐環(huán)濾環(huán)網(wǎng)格數(shù)135 507，1個(gè)支撐環(huán)濾盤(pán)網(wǎng)格數(shù)154 716，2個(gè)支撐環(huán)濾盤(pán)網(wǎng)格數(shù)169 285。濾盤(pán)材質(zhì)316L不銹鋼，強(qiáng)度極限475 MPa，屈服極限175 MPa。濾盤(pán)帶壓過(guò)濾壓力為0.8 MPa，初步擠壓壓力為1 MPa，干燥脫水后的加壓壓力為4 MPa。仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 支撐環(huán)濾盤(pán)的有限元仿真結(jié)果Table 1 Finite element simulation results of support ring filter plater

當(dāng)支撐環(huán)數(shù)量小于2個(gè)時(shí)，濾盤(pán)強(qiáng)度不能夠滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。隨著支撐環(huán)數(shù)量的增加，濾盤(pán)所承受在應(yīng)力明顯下降，增設(shè)支撐環(huán)可提高濾盤(pán)的強(qiáng)度和剛度。

3.2 支撐筋濾盤(pán)結(jié)構(gòu)的有限元分析

支撐筋的長(zhǎng)度為150 mm，橫截面為矩形，尺寸10 mm×10 mm。為驗(yàn)證不同支撐筋數(shù)量對(duì)濾盤(pán)強(qiáng)度的提升效果，對(duì)比3、4、6、8條支撐筋濾盤(pán)的強(qiáng)度，如圖4所示。

圖4 支撐筋濾盤(pán)有限模型Fig.4 Finite model of support rib filter plate

進(jìn)行網(wǎng)格劃分，3支撐筋濾環(huán)網(wǎng)格數(shù)66 026，4支撐筋濾盤(pán)網(wǎng)格數(shù)67 460，6支撐筋濾盤(pán)網(wǎng)格數(shù)66 609，8支撐筋率濾盤(pán)網(wǎng)格數(shù)66 989。待網(wǎng)格劃分完畢后根據(jù)材料屬性完成對(duì)模型的載荷設(shè)置，包括有強(qiáng)度極限、屈服極限以及彈性模型等參數(shù)，從而完成載荷和相關(guān)約束的設(shè)置。添加與支撐環(huán)濾盤(pán)相同的載荷，仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 支撐筋濾盤(pán)的有限元仿真結(jié)果Table 2 Finite element simulation results of support rib filter plater

當(dāng)增設(shè)6條支撐筋后濾盤(pán)的強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的需求。

對(duì)比表1和表2可知，雖然采用支撐環(huán)和支撐筋均能夠提升濾盤(pán)的強(qiáng)度和剛度，但支撐環(huán)的結(jié)構(gòu)相對(duì)支撐筋復(fù)雜，因此一般將支撐環(huán)用于小直徑濾盤(pán)，將支撐筋用于大直徑濾盤(pán)。

4 結(jié) 語(yǔ)

加壓過(guò)濾機(jī)作為選煤廠固液分離關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性和穩(wěn)定性非常重要。為提升加壓過(guò)濾機(jī)效率，在結(jié)合傳統(tǒng)加壓過(guò)濾機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中所遇到問(wèn)題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款新型加壓過(guò)濾機(jī)，并對(duì)濾盤(pán)選用支撐環(huán)和支撐筋在改善濾盤(pán)強(qiáng)度和剛度性能方面進(jìn)行仿真模擬分析。