雙級(jí)推料離心機(jī)無間隙推料片的研究與應(yīng)用

呂麗珍，吳將天，陶淵卿

(浙江輕機(jī)實(shí)業(yè)有限公司，浙江杭州 311401)

雙級(jí)活塞推料離心機(jī)是一種連續(xù)進(jìn)料、脈動(dòng)卸料的自動(dòng)連續(xù)過濾式離心機(jī)[1]。我國(guó)推料離心機(jī)的發(fā)展較晚，20世紀(jì)60年代開始設(shè)計(jì)和制造，發(fā)展至80年代僅形成兩個(gè)系列四種規(guī)格的產(chǎn)品，不能滿足多種物料的分離要求。自從20世紀(jì)80年代末開始引進(jìn)外國(guó)的先進(jìn)技術(shù)，并在此技術(shù)上產(chǎn)生了大量的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，不僅滿足了多種物料的分離要求，同時(shí)大大提高了分離品質(zhì)和分離效果。

隨著雙級(jí)推料離心機(jī)在環(huán)保、化工廢水處理上的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)由于分離物料顆粒細(xì)小，部分細(xì)小顆粒會(huì)通過推料片與篩網(wǎng)的間隙流入到推料盤與第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓底部之間，由于細(xì)小顆粒在推料盤與第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓底部間的不斷堆積，會(huì)阻礙推料行程并導(dǎo)致推料停止。這樣不僅影響了雙級(jí)推料離心機(jī)的正常離心過濾，而且細(xì)小顆粒容易通過轉(zhuǎn)鼓底部進(jìn)入離心機(jī)的其它部位，影響設(shè)備的工作壽命[2]。文章就如何避免細(xì)小顆粒物料在轉(zhuǎn)鼓底部堆積展開分析研究。

1 雙級(jí)推料離心機(jī)的工作原理

雙級(jí)推料離心機(jī)的工作原理如圖1，物料通過進(jìn)料管進(jìn)入與轉(zhuǎn)鼓一起旋轉(zhuǎn)的加速盤中，在加速后均勻的分布到第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)上，在離心力的作用下，大部分的液體在這里得到過濾[3]，通過第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)間隙和第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓、第二級(jí)轉(zhuǎn)鼓上的排液孔排出，并經(jīng)收集罩匯聚后由液體出口排出機(jī)外；固體顆粒在篩網(wǎng)上形成濾渣層[4]即濾餅。由于第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，借助推料盤的作用將濾餅脈動(dòng)式推向第二級(jí)轉(zhuǎn)鼓，并在第二級(jí)轉(zhuǎn)鼓上獲得更大的離心力，將殘余的部分液體通過第二級(jí)轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)和第二級(jí)轉(zhuǎn)鼓上的排液孔排出，經(jīng)收集罩匯聚后由液體出口排出機(jī)外；濾餅則被第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓脈動(dòng)式推向固體收集槽，并經(jīng)固體出口排出機(jī)外。

圖1 雙級(jí)推料離心機(jī)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of two-stage pusher centrifuge

2 細(xì)小顆粒物料分離時(shí)問題的分析

2.1 細(xì)小顆粒物料特性

環(huán)保、化工廢水處理中的細(xì)小顆粒分離物料通常為無機(jī)鹽，如NaSO4、NaCl、KCl等，通過對(duì)物料的分析，大部分的固含量在20%～30%，細(xì)小顆粒大部分在0.08 mm～0.10 mm之間，粘度約5 mPa·s。某公司細(xì)小顆粒物料顆粒正態(tài)分布情況如圖2。

圖2 顆粒正態(tài)分布圖Fig.2 Normal distribution map of paticles

從圖2可以發(fā)現(xiàn)粒徑的分布寬度比較大，粒徑大小集中程度不高，這是固體顆粒流入推料盤與第一轉(zhuǎn)鼓底部之間的重要原因。

2.2 細(xì)小顆粒物料分離時(shí)所產(chǎn)生問題的分析

由于第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)每分鐘幾十次，這樣推料盤與第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)之間、第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓推料圈與第二級(jí)轉(zhuǎn)鼓篩網(wǎng)之間易磨損，原有結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖3，在推料盤、第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓推料圈上安裝兩排周向交叉的金屬材質(zhì)推料片，在推料片上開有長(zhǎng)槽孔用于固定并調(diào)整推料片與篩網(wǎng)的間隙，出廠前將推料片與篩網(wǎng)調(diào)整至與粒徑相匹配的設(shè)定間隙δ，使用一段時(shí)間后推料片磨損需停機(jī)通過長(zhǎng)槽將推料片外移，從而保持設(shè)定間隙δ。但是在環(huán)保、化工廢水處理的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)鼓底部的顆粒堆積現(xiàn)象比其它物料明顯，這樣不僅影響固體顆粒的收集，而且增加沖洗頻率，同時(shí)極大地浪費(fèi)沖洗水資源，若沖洗不到位極易造成推料停止。

圖3 原有安裝結(jié)構(gòu)和推料片示意圖Fig.3 The sketch map of the original installation structuve and the pusher sheet

在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)推料片與篩網(wǎng)調(diào)整至更小的間隙時(shí)，轉(zhuǎn)鼓底部的顆粒堆積現(xiàn)象可以得到明顯的改善，但還是沒有解決根本問題。同時(shí)由于更小的間隙導(dǎo)致推料片、篩網(wǎng)更嚴(yán)重的磨損。由于篩網(wǎng)是雙級(jí)推料離心機(jī)實(shí)現(xiàn)過濾的重要過濾介質(zhì)，一旦磨損嚴(yán)重，母液中的含固量會(huì)迅速提升，這樣嚴(yán)重影響分離指標(biāo)和分離效果，甚至可能在廢水的環(huán)保處理上達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，頻繁更換篩網(wǎng)導(dǎo)致用戶生產(chǎn)成本的增加。如何從根本上解決細(xì)小顆粒物料分離時(shí)轉(zhuǎn)鼓底部顆粒堆積問題，必須對(duì)推料片與篩網(wǎng)的間隙展開研究。

3 無間隙推料片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

3.1 推料片與篩網(wǎng)之間間隙的設(shè)計(jì)

離心機(jī)在分離細(xì)小顆粒物料時(shí)，為克服轉(zhuǎn)鼓底部的顆粒堆積現(xiàn)象，將推料片與篩網(wǎng)的間隙調(diào)至更小時(shí)，粒徑大小接近該間隙的顆粒會(huì)被卡在推料片與篩網(wǎng)之間，這樣會(huì)導(dǎo)致推料片、篩網(wǎng)的磨損加快。如果將間隙設(shè)計(jì)為無間隙，將從根本上解決了細(xì)小顆粒物料分離所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)鼓底部顆粒堆積問題，但是由于推料片與篩網(wǎng)之間有頻繁的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)推料片與篩網(wǎng)相互滑動(dòng)，除出現(xiàn)最大剪應(yīng)力外，與物體表面還會(huì)出現(xiàn)最大的拉應(yīng)力區(qū)，脆性材料的裂紋往往發(fā)生于此處[5]，因此，推料片和篩網(wǎng)不但會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損還會(huì)出現(xiàn)裂紋。如果將推料片的材質(zhì)設(shè)計(jì)為非金屬耐磨材料[6]，那就是非金屬與金屬之間的摩擦，可以降低篩網(wǎng)的磨損速度，降低更換篩網(wǎng)的頻率，降低用戶的生產(chǎn)成本。在環(huán)保、化工廢水處理時(shí)，由于物料通常都有較強(qiáng)的腐蝕性，發(fā)現(xiàn)一種非金屬材料不僅滿足抗腐蝕性要求，也具有較高的耐磨性能；同時(shí)對(duì)篩網(wǎng)也不會(huì)造成嚴(yán)重的磨損，篩網(wǎng)的使用壽命可以得到保證，可以減少更換推料片、篩網(wǎng)的頻率。

3.2 無間隙推料片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推料片與篩網(wǎng)間頻繁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)磨損是在所難免的，在磨損的同時(shí)為保證推料片與篩網(wǎng)間的無間隙，通過自動(dòng)補(bǔ)償因磨損而產(chǎn)生的間隙是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。雙級(jí)推料離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓部件是高速旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)鼓部件的所有零件都會(huì)受到因自身質(zhì)量在高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的離心力，從結(jié)構(gòu)上如何保證無間隙推料片利用受到的離心力來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無間隙補(bǔ)償是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

要保證推料片與篩網(wǎng)無間隙，要求無間隙推料片的徑向往外方向必須是在離心力的作用下可以自由運(yùn)動(dòng)。因雙級(jí)推料離心機(jī)的第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，無論是安裝在推料盤上的推料片還是安裝在第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓推料圈上的推料片與篩網(wǎng)都有相對(duì)的軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以無間隙推料片在軸向必須受約束。結(jié)合推料片原有安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，無間隙推料片的軸向可以通過壓圈來實(shí)現(xiàn)約束(如圖4)。而徑向是為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償目的。

無間隙推料片必須是多片組合成一個(gè)圓周來實(shí)現(xiàn)，這樣理論上無間隙推料片的圓周半徑可以持續(xù)與篩網(wǎng)半徑重合，實(shí)現(xiàn)了無間隙脈動(dòng)推料，切斷了細(xì)小顆粒物料向轉(zhuǎn)鼓底部運(yùn)動(dòng)的間隙，從設(shè)計(jì)上避免了轉(zhuǎn)鼓底部的顆粒堆積，降低沖洗頻率，節(jié)約用戶的生產(chǎn)成本。

另外，由于濾餅是整個(gè)圓周的，多片無間隙推料片組合成一整個(gè)圓周時(shí)在兩片交界處會(huì)有細(xì)小的間隙，隨著推料片的磨損，推料片徑向往外運(yùn)動(dòng)，這個(gè)間隙就會(huì)越來越大，導(dǎo)致物料可以通過這個(gè)間隙往后運(yùn)動(dòng)，這就必須從結(jié)構(gòu)上考慮兩側(cè)通過鑲嵌缺口、部分重疊來實(shí)現(xiàn)弧長(zhǎng)的補(bǔ)償，兩側(cè)重疊部分弧長(zhǎng)L必須大于磨損補(bǔ)償弧長(zhǎng)，以確保由多片無間隙推料片組成的圈體在圓周上是連續(xù)的。如是偶數(shù)組成，兩側(cè)的鑲嵌缺口可以在同一表面上，正反交替安裝；如是奇數(shù)組成，兩側(cè)的鑲嵌缺口必須在不同表面上。無間隙推料片的外側(cè)弧面半徑R2與篩網(wǎng)的內(nèi)半徑R1相等，弧面寬度h除考慮磨損補(bǔ)償寬度外還需考慮無間隙推料片強(qiáng)度、徑向軸向定位需要。無間隙推料片的內(nèi)側(cè)可以通過鍵、槽結(jié)構(gòu)與推料盤(第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓推料圈)(如圖5)來實(shí)現(xiàn)周向約束，推料盤(第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓推料圈)與壓圈可以通過在無間隙推料片的凹槽位置實(shí)現(xiàn)螺栓連接。

圖4 無間隙推料片及安裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Clearance-free pusher and installation structure shematic diagram

圖5 推料盤(第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓推料圈)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural sketch of pusher tray(first stage drum pusher ring)

為了實(shí)現(xiàn)無間隙推料片在離心力作用下徑向往外方向的自由運(yùn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)軸向約束、周向約束時(shí)必須加以考慮，設(shè)計(jì)是通過公差的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)的。在軸向推料盤(第一轉(zhuǎn)鼓推料圈)的槽深H大于無間隙推料片的厚度T，兩者之間保證有0.05 mm～0.10 mm的間隙。在軸向推料盤(第一轉(zhuǎn)鼓推料圈)的槽寬K大于無間隙推料片的鍵寬F，兩者之間保證有0.05 mm～0.10 mm的間隙。

4 結(jié)束語

文章介紹了雙級(jí)推料離心機(jī)推料片與篩網(wǎng)的間隙設(shè)計(jì)、無間隙推料片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在環(huán)保、化工廢鹽的處理應(yīng)用表明，無間隙推料片在磨損的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)目的，推料盤與第一級(jí)轉(zhuǎn)鼓底部之間的顆粒堆積現(xiàn)象得到有效的改善，不僅降低了沖洗頻率節(jié)約沖洗水資源，而且拆裝方便，減少了停機(jī)調(diào)整、更換推料片和篩網(wǎng)的頻率，提高了固體顆粒的收集，降低了用戶的生產(chǎn)成本。因此，無間隙推料片的設(shè)計(jì)是成功的。