加壓過濾機的關鍵結構設計及有限元分析

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)。加壓過濾機由于其固液分離效果好的優(yōu)勢被廣泛應用于選煤廠煤泥的脫水工藝中，但在實際洗選工作中傳統(tǒng)的加壓過濾機或多或少都存在一些問題，影響固液分離效果。因此，設計一款新型加壓過濾機，提高設備的可靠性和穩(wěn)定性。

1 加壓過濾機概述

在煤礦工業(yè)生產(chǎn)中常采用的傳統(tǒng)加壓過濾機包括圓盤式、轉(zhuǎn)鼓式和筒式加壓過濾機。圓盤式加壓過濾機常出現(xiàn)原煤堆積的問題，導致艙內(nèi)壓力多大，且結構相對復雜、部件較多，后期的維護成本較高。轉(zhuǎn)鼓式加壓過濾機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)。筒式加壓過濾機需定期更換濾芯，維護成本較高。

以定盤式加壓過濾機為研究對象，對結構不合理處進行改進設計，研制出一種新型加壓過濾機。定盤式加壓過濾機基本結構如圖1所示。

圖1 定盤式加壓過濾機基本結構Fig.1 Basic structure of fixed-disk pressure filter

2 新型加壓過濾機的結構設計

2.1 總體設計

經(jīng)調(diào)研分析，目前應用最為廣泛、故障率最低以及后期維護成本較低較方便的過濾機型號為德國BHS所研發(fā)的定盤式加壓過濾機。為此，本文基于BHS公司所研發(fā)的定盤式加壓過濾，結合國內(nèi)加壓過濾機的情況，設計一款新型加壓過濾機。德國BHS定盤式加壓過濾機的關鍵參數(shù)如下：

濾盤直徑/mm 50

濾盤個數(shù) 4

濾盤面積/m21.64

過濾直徑/m 5～10

設計壓力/MPa 4.5

2.2 零部件結構設計

2.2.1 濾盤的結構設計

濾盤是加壓過濾機的關鍵零部件，由帶濾孔濾盤和濾網(wǎng)組成，濾盤由中間濾盤、前濾盤和后濾盤組成。結合國內(nèi)其他加壓過濾機濾盤的結構尺寸和實際應用中的問題，設計中間濾盤直徑550 mm，寬度50 mm，材質(zhì)選用Q235鋼。與中間濾盤對應前后濾盤直徑550 mm，對應寬度30 mm，材質(zhì)316 L不銹鋼。最終確定濾盤結構如圖2所示。

圖2 濾盤結構Fig.2 Structure of filter

2.2.2 端板的結構設計

端板是濾盤、設備外殼以及驅(qū)動系統(tǒng)的連接，一般端板分為前端板和后端板。前端板與設備外殼相連接，后端板與設備液壓動力系統(tǒng)連接，進行過濾后濾餅的壓縮以及壓縮完成后對密封殼體的復位操作。在前端板中部留有一個腔體，可有效避免帶壓漿料對過濾裝置的沖擊。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留一個空的腔體，為擠壓過濾和卸料放松的濾板預留一定的伸縮空間。

2.2.3 刮刀系統(tǒng)的結構設計

刮刀系統(tǒng)的主要功能是將濾盤上的濾餅刮除以保證下一個循環(huán)。刮刀系統(tǒng)包括刮刀、刀罩以及驅(qū)動系統(tǒng)。結合整體設計理念，設計刮刀長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700 mm，寬440 mm，厚360 mm，316L不銹鋼。為節(jié)省空間，將刀套通過螺釘固定于設備的外殼。

2.2.4 卸料筒的設計

卸料筒主體結構設定為直段、變徑段以及外接法蘭，高440 mm，長620 mm，寬398 mm。卸料筒與過濾裝置下方外殼采用焊接方式連接。參照相關標準，卸料筒所配法蘭型號為150-6。

2.2.5 支腿結構的設計

支腿為新型加壓過濾機主要承載部件，包括墊板、支柱以及底板等。為保證新型加壓過濾機的穩(wěn)定性，設計四支腿結構。支腿的設計可以參考行業(yè)內(nèi)容器支腿設計的相關標準，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，與設備外殼底端焊接連接。

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

新型加壓過濾機的墊板、支柱以及底板均采用316L不銹鋼制造。

3 濾盤有限元分析

濾盤的強度和剛度是影響加壓過濾機可靠性和穩(wěn)定性的關鍵因素。傳統(tǒng)加壓過濾機濾盤結構中濾板和中間隔板之間沒有支撐件，在實際應用中常常出現(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相應的支撐結構，并驗證不同支撐結構下濾盤的強度和剛度。

3.1 支撐環(huán)濾盤結構的有限元分析

濾盤外直徑550 mm，內(nèi)直徑55 mm。為驗證不同支撐環(huán)數(shù)量對濾盤強度和剛度的提升效果，對0、1、2個支撐環(huán)結構的濾盤強度和剛度進行對比，如圖3所示。

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

進行網(wǎng)格劃分，無支撐環(huán)濾環(huán)網(wǎng)格數(shù)135 507，1個支撐環(huán)濾盤網(wǎng)格數(shù)154 716，2個支撐環(huán)濾盤網(wǎng)格數(shù)169 285。濾盤材質(zhì)316L不銹鋼，強度極限475 MPa，屈服極限175 MPa。濾盤帶壓過濾壓力為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。仿真結果見表1。

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

當支撐環(huán)數(shù)量小于2個時，濾盤強度不能夠滿足實際生產(chǎn)要求。隨著支撐環(huán)數(shù)量的增加，濾盤所承受在應力明顯下降，增設支撐環(huán)可提高濾盤的強度和剛度。

3.2 支撐筋濾盤結構的有限元分析

支撐筋的長度為150 mm，橫截面為矩形，尺寸10 mm×10 mm。為驗證不同支撐筋數(shù)量對濾盤強度的提升效果，對比3、4、6、8條支撐筋濾盤的強度，如圖4所示。

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

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

表2 支撐筋濾盤的有限元仿真結果Table 2 Finite element simulation results of support rib filter plater

當增設6條支撐筋后濾盤的強度和剛度滿足實際生產(chǎn)的需求。

對比表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的強度和剛度，但支撐環(huán)的結構相對支撐筋復雜，因此一般將支撐環(huán)用于小直徑濾盤，將支撐筋用于大直徑濾盤。

4 結 語

加壓過濾機作為選煤廠固液分離關鍵設備，其可靠性和穩(wěn)定性非常重要。為提升加壓過濾機效率，在結合傳統(tǒng)加壓過濾機實際生產(chǎn)中所遇到問題的基礎上，設計一款新型加壓過濾機，并對濾盤選用支撐環(huán)和支撐筋在改善濾盤強度和剛度性能方面進行仿真模擬分析。