FWZ型翻袋式離心機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

張德友，朱碧肖，方 毅

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

離心過(guò)濾是利用離心力作為推動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)固、液混合物的分離，是化工、制藥、食品、環(huán)保等行業(yè)中常見(jiàn)的生產(chǎn)工序。隨著技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的更新?lián)Q代，普通的離心過(guò)濾設(shè)備如傳統(tǒng)的三足式（平板式）離心機(jī)、刮刀離心機(jī)等，因?yàn)樽詣?dòng)化程度低、密閉性能差或者有殘余濾餅影響過(guò)濾性能，現(xiàn)已不能滿足用戶對(duì)分離設(shè)備的自動(dòng)化、安全可靠性及環(huán)境保護(hù)等方面的更高和更嚴(yán)格的要求［1］。國(guó)外德國(guó)HEINKEL和意大利COMICONDOR兩家離心機(jī)公司先后開(kāi)發(fā)了一種翻袋式離心機(jī)［2-3］，第一代的翻袋式離心機(jī)的翻袋機(jī)構(gòu)為液壓驅(qū)動(dòng)，因?yàn)闊o(wú)法避免軸向液壓油的滲漏進(jìn)而進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓污染物料，之后推料機(jī)構(gòu)均改進(jìn)為機(jī)械傳動(dòng)。在吸收國(guó)內(nèi)外最新技術(shù)的基礎(chǔ)上，成功開(kāi)發(fā)出一種新型的固-液分離設(shè)備——FWZ型翻袋式離心機(jī)，該設(shè)備具有完全卸料且不破壞晶體形狀、全密閉、全自動(dòng)程序控制等優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)鼓與進(jìn)料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)密閉，從進(jìn)料機(jī)構(gòu)引入壓縮氣體，壓力最高可達(dá)0.6 MPa，通過(guò)離心過(guò)濾和加壓過(guò)濾作用疊加，進(jìn)一步降低濾餅含濕量，能夠很好滿足GMP 生產(chǎn)規(guī)范［4-5］，可應(yīng)用于制藥、化工、食品、新材料等許多行業(yè)。

1 結(jié)構(gòu)原理

FWZ型翻袋式離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓沿水平方向布置，屬于臥式離心機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)時(shí)，將傳統(tǒng)的臥式離心機(jī)回轉(zhuǎn)構(gòu)件分為同步旋轉(zhuǎn)的內(nèi)、外軸系兩部分［6］，外軸系軸向固定，由主電機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；內(nèi)軸系與外軸系同步旋轉(zhuǎn)，卸料時(shí)，內(nèi)軸系在卸料電機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，與外軸系產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)速差，使得內(nèi)軸系通過(guò)特定的機(jī)械裝置可沿軸向運(yùn)動(dòng)。

圖1 FWZ型翻袋式離心機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The structure diagram of FWZ model inverting filter centrifuge

FWZ型翻袋式離心機(jī)采用濾布為過(guò)濾介質(zhì)，濾布做成袋狀，一端固定在外軸系的轉(zhuǎn)鼓大端，另一端固定在內(nèi)軸系的推盤小端。進(jìn)料過(guò)濾時(shí)，懸浮液由進(jìn)料管進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)部，在轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，濾液穿過(guò)濾布和轉(zhuǎn)鼓由集液腔收集，固體顆粒則被截留在濾布過(guò)濾面形成濾餅；卸料時(shí)，內(nèi)軸系的推盤沿軸向被推出，帶動(dòng)濾袋進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使過(guò)濾時(shí)的過(guò)濾面翻至朝外，濾餅被抖落，濾袋過(guò)濾面上的濾餅在離心力的作用下被完全卸除，工作原理如圖2所示。

圖2 FWZ型翻袋式離心機(jī)工作原理Fig.2 The working principle diagram of FWZ model inverting filter centrifuge

FWZ型翻袋式離心機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有如下主要特點(diǎn)：

（1）翻袋式離心力自動(dòng)卸料取代傳統(tǒng)機(jī)械刮刀卸料機(jī)構(gòu)，無(wú)殘余濾餅，不會(huì)刮削、擠壓濾餅，使固相結(jié)晶顆粒的形狀和純度得到有力保護(hù)；

（2）可實(shí)現(xiàn)濾餅的100%卸出，并且在濾袋伸出和縮回的過(guò)程中可以通過(guò)CIP裝置使濾袋得到良好清洗和再生，每批次之間不會(huì)相互影響，同時(shí)因?yàn)闊o(wú)殘余濾餅，濾布始終維持初始過(guò)濾性能，使得該機(jī)對(duì)于固相顆粒細(xì)小極難過(guò)濾的物料具有極強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值；

（3）平動(dòng)的推盤部分有前后2個(gè)圓盤，之間有若干相連的支撐桿，在進(jìn)料和洗滌過(guò)程中，起到分散的作用，可以實(shí)現(xiàn)均勻布料和洗滌。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

在進(jìn)行FWZ型翻袋式離心機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)主要部件如轉(zhuǎn)鼓的厚度、推盤的推料力及卸料電機(jī)的功率等進(jìn)行計(jì)算、選型。本文以轉(zhuǎn)鼓直徑為800 mm的FWZ800型翻袋式離心機(jī)為例進(jìn)行以下相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.1 轉(zhuǎn)鼓壁厚的計(jì)算

參照文獻(xiàn)［7-8］，對(duì)于圓筒形開(kāi)孔轉(zhuǎn)鼓，物料按密度計(jì)，得到轉(zhuǎn)鼓壁厚計(jì)算公式：

式中 ρ2—— 物料或濕濾餅的密度（最大值），kg/m3，ρ2=1.25×103kg/m3；

r1——轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑，m，r1=0.4 m；

r3——物料環(huán)的內(nèi)半徑，m，r3=0.26 m；

ρ3—— 篩網(wǎng)或襯里材料的密度，kg/m3，ρ1=7.98×103kg/m3；

Z ——加強(qiáng)箍系數(shù)，無(wú)加強(qiáng)箍時(shí)，Z =1；

K1—— 焊接接頭系數(shù)，由于轉(zhuǎn)鼓焊縫為100%射線探傷檢測(cè)，則K1=0.95；

ω ——轉(zhuǎn)鼓的角速度，rad/s；

q ——鼓壁開(kāi)孔引起的表觀密度減小系數(shù)；

δs——篩網(wǎng)當(dāng)量厚度，m；

ρ1——轉(zhuǎn)鼓材料的密度，kg/m3，ρ1=7.98×103kg/m3；

r2——轉(zhuǎn)鼓壁平均半徑，m。

轉(zhuǎn)鼓的角速度計(jì)算公式如下：

式中 n ——轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，r/min，n=1 600 r/min。

經(jīng)計(jì)算，得到ω=167 rad/s。

圓筒形轉(zhuǎn)鼓內(nèi)篩網(wǎng)的當(dāng)量厚度：

式中 ms——篩網(wǎng)總質(zhì)量，kg，ms=7.9 kg；

h ——轉(zhuǎn)鼓有效高度，m，h =0.39 m。

將有關(guān)各值帶入式（3），得到δs=0.001 m。

轉(zhuǎn)鼓開(kāi)孔引起的表觀密度減小系數(shù)：

式中 d ——開(kāi)孔直徑，m，d=0.008 m；

b1，b2—— 轉(zhuǎn)鼓壁上相鄰兩孔的中心距，m，b1=0.05 m，b2=0.035 m；

α —— 轉(zhuǎn)鼓交錯(cuò)孔連線間的夾角，（°），α =45°。

將有關(guān)各值代入式（4），得到q=0.96。

式（1）中δ，r1和r2存在如下關(guān)系：

聯(lián)合式（1）和式（5），得到：

轉(zhuǎn)鼓加壓增加的壁厚：

式中 Pc—— 轉(zhuǎn)鼓加壓氣體的壓力，MPa，Pc=0.6 MPa；

D1——轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)直徑，m，D1=0.8 m；

將有關(guān)各值代入式（6），得到：

綜上所述，得到轉(zhuǎn)鼓壁厚計(jì)算值：

以上述計(jì)算結(jié)果初步確定轉(zhuǎn)鼓壁厚，然后再根據(jù)實(shí)際介質(zhì)腐蝕情況及加工制造等情況適當(dāng)增加厚度。

2.2 推料力、推料功率計(jì)算

圖3 濾餅離心力計(jì)算示意Fig.3 The calculation diagram of filter cakes centrifugal force

如圖3所示，半徑r方向上，厚度為dr的薄圓柱環(huán)濾餅的質(zhì)量為dm，

式中H ——濾餅的高度，m，H=0.34 m。

質(zhì)量為dm的薄圓柱環(huán)濾餅所受離心力：

式中 ω1——卸料時(shí)的角速度，rad/s。

整個(gè)圓柱環(huán)濾餅所受的離心力為：

轉(zhuǎn)鼓卸料時(shí)的角速度：

式中 n1——轉(zhuǎn)鼓卸料時(shí)的轉(zhuǎn)速，r/min。

社區(qū)矯正經(jīng)國(guó)外許多國(guó)家的長(zhǎng)期實(shí)踐,已經(jīng)取得了良好的效果。在我國(guó)，社區(qū)矯正屬于新興的刑罰執(zhí)行措施，其發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。健全和完善的社區(qū)矯正制度是提高罪犯改造質(zhì)量的有效途徑，是適應(yīng)國(guó)際刑罰輕緩化的需要，有助于促進(jìn)我國(guó)社會(huì)和諧、持續(xù)、健康的發(fā)展，推動(dòng)法治中國(guó)的建設(shè)。

翻袋式離心機(jī)卸料速度一般設(shè)定在過(guò)濾轉(zhuǎn)速的1/3～1/4范圍，對(duì)于FWZ800型翻袋式離心機(jī)，轉(zhuǎn)鼓卸料時(shí)的轉(zhuǎn)速n1=400 r/min，計(jì)算得到ω1=41.9 rad/s。

將有關(guān)各值代入式（9），得到濾餅所受離心力Fr=72 510 N。

翻袋式離心機(jī)推料時(shí)需要克服轉(zhuǎn)鼓內(nèi)物料與轉(zhuǎn)鼓壁之間的摩擦阻力，而此摩擦力在推料之初最大，記為最大靜摩擦力Ff，其計(jì)算式如下：

式中 f —— 濾餅與過(guò)濾介質(zhì)之間的摩擦系數(shù)，一般為 0.4～0.8，此處取 f =0.6。

經(jīng)計(jì)算，得到Ff=43 506 N。

翻袋式離心機(jī)的推料裝置是通過(guò)滑動(dòng)螺旋副傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，卸料電機(jī)輸入功率通過(guò)滑動(dòng)螺旋副轉(zhuǎn)換為推桿的軸向力，從而帶動(dòng)與推桿連接的推盤翻轉(zhuǎn)濾袋。滑動(dòng)螺旋副傳動(dòng)的軸向力即推料力，則推料力［9］。

式中 T ——傳遞扭矩，N·m；

ψ——螺旋升角，（°）；

ρv——當(dāng)量摩擦角，（°）；

D2——螺桿中徑，m，D2=0.048 m。

對(duì)于螺旋升角：

式中 S ——螺距，m，S=0.008 m；

經(jīng)計(jì)算，得到ψ=3.03°。

對(duì)于當(dāng)量摩擦角：

式中 μ —— 螺旋副摩擦系數(shù)，鋼對(duì)青銅時(shí)，取μ =0.1。

經(jīng)計(jì)算，得到 ρv=5.71°。

若要使濾袋翻轉(zhuǎn)，則推料力Fp≥Ff，即：

將有關(guān)各值代入式（15），得到T≥160.48 N·m。

電機(jī)的輸入功率：

經(jīng)計(jì)算，得到P=6.72 kW。

因此選用功率為7.5 kW的電機(jī)作為卸料電機(jī)，滿足推料要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了FWZ型翻袋式離心機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理，并以轉(zhuǎn)鼓直徑為800 mm的翻袋式離心機(jī)為例進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，可以看出翻袋式離心機(jī)相比于普通的離心機(jī)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，特別在制藥及精細(xì)化學(xué)品等生產(chǎn)行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景，本文的介紹對(duì)于該離心機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用推廣具有推動(dòng)作用。