廂式壓濾機(jī)的構(gòu)造、工作原理及其框架強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算(Ⅰ)*

蔡祖光

(湖南海諾電梯有限公司 湖南 湘潭 411104)

陶瓷泥漿經(jīng)廂式壓濾機(jī)(也稱室式壓濾機(jī)或板框式壓濾機(jī))脫水操作后，可以在去除(過(guò)濾去除)陶瓷原料中混入的有害可溶性鹽類(如：Ca2+、Mg2+以及其它有影響的陰離子SO42-等)后獲得含水率為25%左右的濾餅(也稱陶瓷泥餅)，濾餅化漿制成陶瓷泥漿的穩(wěn)定性非常好，特別適宜于產(chǎn)品質(zhì)量要求較高、形狀復(fù)雜的高檔衛(wèi)生潔具和日用陶瓷器皿(如茶壺、花瓶等)的注漿成形用泥漿的制備。同時(shí)考慮到含有固體顆粒(細(xì)顆粒及微細(xì)顆粒)懸浮物型化工漿液、工業(yè)廢水、污水與陶瓷泥漿有許多相同之處[1]，也可以采用廂式壓濾機(jī)進(jìn)行擠壓型脫水操作，便于獲得含水率為25%左右的廢渣或污泥聚集物(俗稱污泥)。該污泥與燃廢料(如粉煤灰、爐渣及煤等粉碎物混合料)攪拌、混合均勻后經(jīng)真空擠壓成型機(jī)處理，就可獲得燒結(jié)磚坯體；燒結(jié)轉(zhuǎn)坯體經(jīng)晾曬(干燥)處理后，進(jìn)入隧道窯或輪窯等窯爐經(jīng)高溫?zé)Y(jié)、保溫及冷卻后，就可獲得燒結(jié)磚產(chǎn)品。所以說(shuō)，廂式壓濾機(jī)也是固體顆粒懸浮物型化工漿料、工業(yè)廢水、污水處理及污泥資源化處理——污泥制作燒結(jié)磚生產(chǎn)廠家廣泛應(yīng)用的擠壓型脫水操作的關(guān)鍵設(shè)備。

事實(shí)上，廂式壓濾機(jī)(區(qū)別于帶式壓濾機(jī)，通常帶式壓濾機(jī)不宜陶瓷工業(yè)采用)按所用壓濾板(簡(jiǎn)稱濾板)濾布的排列方式可大致區(qū)分為立式(濾板垂直疊壓后形成過(guò)濾室)廂式壓濾機(jī)和臥式(濾板水平疊壓后形成過(guò)濾室)廂式壓濾機(jī)兩種結(jié)構(gòu)形式。但因立式廂式壓濾機(jī)濾餅的剝離卸除操作比較困難等，因此，目前陶瓷工業(yè)等廠家廣泛應(yīng)用的廂式壓濾機(jī)幾乎都是臥式廂式壓濾機(jī)(通常也簡(jiǎn)稱為廂式壓濾機(jī)，除非另有說(shuō)明)。同時(shí)，廂式壓濾機(jī)按濾板壓緊力的產(chǎn)生方式的差異又可區(qū)分為液壓壓緊型(由液壓油推動(dòng)油缸柱塞產(chǎn)生壓緊濾板濾布的作用力)廂式壓濾機(jī)和機(jī)械作用壓緊型(如螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等產(chǎn)生壓緊濾板濾布的作用力)廂式壓濾機(jī)?？紤]到目前陶瓷泥漿的細(xì)度要求越來(lái)越細(xì)，那么陶瓷泥漿所需的壓濾脫水阻力比較大，同時(shí)也要求固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水及污水絮凝沉淀物壓濾脫水濃縮后獲得的污泥含水率越來(lái)越低，一方面，可節(jié)約人類賴以生存的有限的水資源；另一方面，可大幅度地降低運(yùn)輸污泥至填埋場(chǎng)等運(yùn)輸費(fèi)用或降低污泥制作燒結(jié)磚的生產(chǎn)成本等。但因機(jī)械作用壓緊型廂式壓濾機(jī)的壓緊力通常較小，顯然經(jīng)機(jī)械作用壓緊型廂式壓濾機(jī)處理后所得濾餅(陶瓷泥餅)或污泥的含水量通常偏高。所以說(shuō)，機(jī)械作用壓緊型廂式壓濾機(jī)已逐漸被液壓壓緊型廂式壓濾機(jī)所取代。

事實(shí)上，實(shí)踐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明：廂式壓濾機(jī)框架的受力及其變形(剛性)的大小在一定范圍內(nèi)嚴(yán)重影響廂式壓濾機(jī)的工作可靠性及其壓濾脫水效率的高低等。具體說(shuō)來(lái)就是：如果壓濾機(jī)框架的剛性越大，其變形就越小，那么所得的濾餅(陶瓷泥餅)或污泥的含水量就越低，水資源的節(jié)約率就越高，生產(chǎn)成本就越低；反之，若壓濾機(jī)框架的剛性越小，其變形就越大，那么所得的濾餅(陶瓷泥餅)或污泥的含水量就越高，水資源的節(jié)約率就越低，生產(chǎn)成本就越高，還易造成廂式壓濾脫水操作過(guò)程中漏漿(也稱“跑漿”)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成廂式壓濾機(jī)后橫梁(也稱尾板)的斷裂等安全生產(chǎn)事故。所以，積極研究和探討廂式壓濾機(jī)框架的受力分析及其變形的大小，推導(dǎo)出其強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算或校核公式，據(jù)此合理地設(shè)計(jì)廂式壓濾機(jī)框架的強(qiáng)度和剛度，能最大限度地提高廂式壓濾機(jī)的工作可靠性及壓濾脫水效率等。

1 廂式壓濾機(jī)的構(gòu)造

液壓壓緊型廂式壓濾機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。液壓壓緊型廂式壓濾機(jī)是集機(jī)、電、液于一體的自動(dòng)化程度較高的固液分離設(shè)備，它主要由主機(jī)部分、過(guò)濾部分、液壓部分和電氣控制部分等組成。

1-尾部支架 2-后橫梁(尾板) 3-濾板濾布 4-支柱 5-推壓板(頭板) 6-行程開(kāi)關(guān) 7-拉桿(導(dǎo)軌) 8-前橫梁 9-頭部支架 10-鎖緊螺母 11-液壓油缸柱塞壓緊裝置 12-液壓站 13-電氣控制箱 14—電接點(diǎn)力

圖1某液壓壓緊型廂式壓濾機(jī)的構(gòu)造示意圖

1.1 主機(jī)部分

液壓壓緊型廂式壓濾機(jī)通常利用頭部支架和尾部支架支承整臺(tái)設(shè)備的質(zhì)量。尾部后橫梁(與濾板濾布接觸處安置有漏水收集溝槽，俗稱尾板、也稱止推板)和進(jìn)漿管相連接，頭部前橫梁內(nèi)安裝有液壓油缸柱塞壓緊裝置，頭部前橫梁與尾部后橫梁兩側(cè)由拉桿 (工作時(shí)，因?yàn)V板在拉桿上需縱向移動(dòng)，所以拉桿也稱導(dǎo)桿)連接成一整體?？紤]到廂式壓濾機(jī)工作時(shí)，拉桿既承受壓緊裝置所產(chǎn)生的壓緊力(縱向)，又承受濾板濾布及陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水等過(guò)濾物的質(zhì)量載荷(垂直方向)，而且頭部前橫梁與尾部后橫梁通常相距較遠(yuǎn)，因此，每側(cè)拉桿中間需設(shè)有一個(gè)或兩個(gè)支柱支承，以減少拉桿在垂直方向的彎曲變形等，確保液壓油缸柱塞帶動(dòng)推壓板(與濾板濾布接觸處安置有漏水收集溝槽，也稱頭板)產(chǎn)生預(yù)定的壓緊濾板濾布的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)(俗稱緊榨)和退回卸餅(濾餅，陶瓷泥餅或污泥餅)運(yùn)動(dòng)(俗稱松榨)，從而實(shí)現(xiàn)陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水等的壓濾脫水操作。由此可見(jiàn)，主機(jī)部分是壓濾機(jī)的基礎(chǔ)，用于支撐過(guò)濾機(jī)構(gòu)及連接其他部件，通常由前橫梁、液壓油缸柱塞壓緊裝置、推壓板、后橫梁(俗稱尾板、也稱止推板)和拉桿等組成。液壓壓緊型廂式壓濾機(jī)表工作時(shí), 液壓油缸柱塞推動(dòng)推壓板，將位于推壓板和止推板之間的濾板濾布依次壓緊，確保具有一定工作壓力(過(guò)濾推動(dòng)力)的陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水或污水等在濾板濾布所形成的濾室內(nèi)完成加壓過(guò)濾脫水操作而獲得含水率為25%左右的濾餅、廢渣或污泥等。

1.2 過(guò)濾部分

過(guò)濾部分主要是由濾板和濾布(也稱過(guò)濾布)等組成。如圖2所示，濾板是中間有圓孔(待過(guò)濾漿料的通道)兩端內(nèi)凹且具有許多相互連通的排水溝槽的圓形盤狀零件。其頂部制有濾布托架，便于安裝濾布。濾板兩側(cè)部制有支撐耳，可通過(guò)支撐耳垂直支承在兩側(cè)導(dǎo)桿上。

圖2 某廂式壓濾機(jī)濾板的結(jié)構(gòu)示意圖

由于鑄鐵濾板的鑄造性能和機(jī)械切削加工性能良好，加工后表面噴塑處理后即可適用于陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水等壓濾脫水操作。但鑄鐵濾板的材料消耗大、質(zhì)量大，人工拉開(kāi)濾板卸餅(濾餅，陶瓷泥餅或污泥餅)時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大；此外，為了確保濾布免遭鑄鐵濾板排水溝槽的劃傷等損害，鑄鐵濾板兩側(cè)表面的排水溝槽表面須安裝(覆蓋)多孔的鋁質(zhì)薄圓板(俗稱濾水板)。即便如此，壓濾脫水操作時(shí)，濾布仍會(huì)擠入鋁質(zhì)濾水板的濾水孔中而損壞?？傊?，采用鑄鐵濾板壓濾脫水操作時(shí)，濾布的破損率較高，壓濾脫水操作生產(chǎn)成本較高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鑄鐵濾板已逐漸被塑料濾板所取代，所以說(shuō)，目前陶瓷工業(yè)或固體懸浮物型工業(yè)廢水等廣泛應(yīng)用的廂式壓濾機(jī)大多數(shù)是采用塑料濾板進(jìn)行壓濾脫水操作的。

目前，塑料濾板的常用材質(zhì)主要是聚乙烯、聚丙烯、增強(qiáng)聚丙烯、填充聚四氟乙烯、尼龍、聚甲醛和超高分子量聚乙烯等。因超高分子量聚乙烯是一種新型高效節(jié)能材料，具有耐壓性能好、耐磨性能好、耐熱性能好、耐腐蝕、抗沖擊、質(zhì)量輕、防粘接性能好、易于壓注成形和機(jī)械切削加工性能良好等優(yōu)點(diǎn)，并且使用壽命長(zhǎng)(通常為聚丙烯濾板的4～6倍，鑄鐵濾板的3～9倍)及價(jià)格適中。同時(shí)，考慮到目前陶瓷泥漿的細(xì)度要求越來(lái)越細(xì)，而生產(chǎn)企業(yè)要求所得污泥的含水率也越來(lái)越低，那么陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水及污水等所需的過(guò)濾脫水阻力大，要求塑料濾板應(yīng)具有較高的耐壓和耐磨性能等。由此可見(jiàn)，超高分子量聚乙烯塑料濾板是目前陶瓷工業(yè)或固體懸浮物型工業(yè)廢水及污水等廂式壓濾機(jī)的最佳選擇。

濾布屬于機(jī)織物，是由經(jīng)、緯兩系統(tǒng)紗線在織機(jī)上相互交織而成的織物。濾布又是一種過(guò)濾介質(zhì)，通常由合成纖維制成。合成纖維是化學(xué)纖維中的一類，它是利用煤、石油和天然氣等為原料，經(jīng)提煉和化學(xué)合成作用而制成，包括：腈綸、滌綸、錦綸、維綸、氯綸及尼龍等，它們不僅具有不易發(fā)霉、不易被蟲蛀、質(zhì)地輕、耐磨、耐酸堿、表面光潔及過(guò)濾后形成的濾餅剝離性好等特點(diǎn)，而且還具有抗拉、抗彎、抗磨等物理機(jī)械強(qiáng)度高及化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因此合成纖維濾布是目前過(guò)濾行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的。同時(shí)，考慮到濾布的選用和使用對(duì)物料(漿料)的過(guò)濾效果具有決定性的作用，所以說(shuō)，選用濾布時(shí)須根據(jù)過(guò)濾漿料的pH值、固含量的多少、固體微粒物的粒徑等因素選用適宜材質(zhì)和適宜孔徑的高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)濾布，這樣可確保獲得較低的過(guò)濾成本和較高的過(guò)濾效率。具體包括以下幾方面：

1)濾布應(yīng)經(jīng)久耐用。

2)濾布應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。

3)濾布應(yīng)具有較高的物理機(jī)械強(qiáng)度。不管過(guò)濾漿料的多寡或密度的大小如何變化，濾布應(yīng)能從頭到尾保持恒定的過(guò)濾速度，為達(dá)到這一目標(biāo)，濾布必須具有較高的耐壓強(qiáng)度及耐磨強(qiáng)度等。

4)濾布制作前應(yīng)先下水再晾干，待濾布縮水后再制作。制作時(shí)，濾布的開(kāi)孔直徑應(yīng)與濾板孔徑相等并且同心，然后通過(guò)兩側(cè)的銅質(zhì)空心螺釘、銅質(zhì)空心螺母(軸心是進(jìn)漿通道)將濾布?jí)壕o在濾板兩側(cè)的表面上。同時(shí)還要求濾布應(yīng)能在給定的時(shí)期內(nèi)保持恒定的過(guò)濾速度，如果過(guò)濾一開(kāi)始，濾布的毛細(xì)孔就堵塞了，當(dāng)然就達(dá)不到過(guò)濾的目的，濾布應(yīng)該從始到終保持恒定的過(guò)濾速度。

5)要求濾布在形成濾餅之后，還能成為過(guò)濾介質(zhì)而起著過(guò)濾的作用，即形成濾餅的剝離性能良好。

6)濾布不應(yīng)在使用過(guò)程中發(fā)生收縮變化或膨脹變化等。一般說(shuō)來(lái)，濾布毛細(xì)孔堵塞的原因主要是在于組成濾布的纖維本身在使用過(guò)程中發(fā)生收縮變化或膨脹變化等。

7)移動(dòng)濾板剝離卸除濾餅時(shí)，用力應(yīng)均勻適當(dāng)，不得沖擊碰撞等，以免損壞濾扳密封面及濾扳手把等。通常濾布使用一段時(shí)間后會(huì)變硬或發(fā)生毛細(xì)孔的堵塞等現(xiàn)象，需采用適宜的洗滌方法，如：采用相應(yīng)低濃度的弱酸弱堿液進(jìn)行中和清洗，可以使其恢復(fù)到足以繼續(xù)使用的程度，否則須及時(shí)更換濾布。

1.3 液壓部分

液壓部分主要是指液壓站，它是驅(qū)動(dòng)液壓油缸柱塞壓緊裝置產(chǎn)生預(yù)定的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓緊各濾板濾布的動(dòng)力裝置。主要由三相異步電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、軸向柱塞泵(高壓油泵的一種)、三位四通電磁換向閥、溢流閥、液控單向閥、濾油器、油路塊(俗稱集成塊)、油箱、壓力表、壓力表開(kāi)關(guān)和油壓管路等組成。

1.4 電氣控制部分

電氣控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，在電磁換向閥、行程開(kāi)關(guān)及電接點(diǎn)壓力表的共同作用下，實(shí)現(xiàn)液壓油缸柱塞的“前進(jìn)”、“后退”和“停止”等動(dòng)作。同時(shí)，由于液壓傳動(dòng)裝置不可避免地存在液壓密封件的磨損、液壓油的污染及液壓油的泄漏等缺陷，會(huì)造成濾板濾布?jí)壕o力的降低，一旦液壓缸內(nèi)油液壓力(嚴(yán)格地說(shuō)，應(yīng)為壓強(qiáng))降低至某一預(yù)定值后，電接點(diǎn)壓力表立即發(fā)訊，迅速起動(dòng)油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再次向液壓油缸工作腔供油(俗稱灌油)，確保濾板濾布?jí)壕o力在一定范圍內(nèi)大致恒定不變。否則，就會(huì)“漏漿”，污染生產(chǎn)環(huán)境，不利于生產(chǎn)環(huán)保。此外，其還具有欠電壓、過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)等功能。