加压过滤机的关键结构设计及有限元分析

2022-04-14朱海文

煤炭与化工 2022年2期

朱海文

（晋神能源有限公司沙坪洗煤厂，山西沂州 036500）

煤炭洗选加工是煤炭生产的重要环节。加压过滤机由于其固液分离效果好的优势被广泛应用于选煤厂煤泥的脱水工艺中，但在实际洗选工作中传统的加压过滤机或多或少都存在一些问题，影响固液分离效果。因此，设计一款新型加压过滤机，提高设备的可靠性和稳定性。

1 加压过滤机概述

在煤矿工业生产中常采用的传统加压过滤机包括圆盘式、转鼓式和筒式加压过滤机。圆盘式加压过滤机常出现原煤堆积的问题，导致舱内压力多大，且结构相对复杂、部件较多，后期的维护成本较高。转鼓式加压过滤机密封组件的研制难度高，生产成本较高，不适用于批量生产。筒式加压过滤机需定期更换滤芯，维护成本较高。

以定盘式加压过滤机为研究对象，对结构不合理处进行改进设计，研制出一种新型加压过滤机。定盘式加压过滤机基本结构如图1所示。

图1 定盘式加压过滤机基本结构Fig.1 Basic structure of fixed-disk pressure filter

2 新型加压过滤机的结构设计

2.1 总体设计

经调研分析，目前应用最为广泛、故障率最低以及后期维护成本较低较方便的过滤机型号为德国BHS所研发的定盘式加压过滤机。为此，本文基于BHS公司所研发的定盘式加压过滤，结合国内加压过滤机的情况，设计一款新型加压过滤机。德国BHS定盘式加压过滤机的关键参数如下：

滤盘直径/mm 50

滤盘个数 4

滤盘面积/m21.64

过滤直径/m 5～10

设计压力/MPa 4.5

2.2 零部件结构设计

2.2.1 滤盘的结构设计

滤盘是加压过滤机的关键零部件，由带滤孔滤盘和滤网组成，滤盘由中间滤盘、前滤盘和后滤盘组成。结合国内其他加压过滤机滤盘的结构尺寸和实际应用中的问题，设计中间滤盘直径550 mm，宽度50 mm，材质选用Q235钢。与中间滤盘对应前后滤盘直径550 mm，对应宽度30 mm，材质316 L不锈钢。最终确定滤盘结构如图2所示。

图2 滤盘结构Fig.2 Structure of filter

2.2.2 端板的结构设计

端板是滤盘、设备外壳以及驱动系统的连接，一般端板分为前端板和后端板。前端板与设备外壳相连接，后端板与设备液压动力系统连接，进行过滤后滤饼的压缩以及压缩完成后对密封壳体的复位操作。在前端板中部留有一个腔体，可有效避免带压浆料对过滤装置的冲击。后端板直径590 mm，宽度120 mm，316 L不锈钢，同样在后端板中间部位预留一个空的腔体，为挤压过滤和卸料放松的滤板预留一定的伸缩空间。

2.2.3 刮刀系统的结构设计

刮刀系统的主要功能是将滤盘上的滤饼刮除以保证下一个循环。刮刀系统包括刮刀、刀罩以及驱动系统。结合整体设计理念，设计刮刀长300 mm，宽220 mm，厚25 mm，材质为聚四氟乙烯。根据刮刀的尺寸及选材，确定刮刀罩长700 mm，宽440 mm，厚360 mm，316L不锈钢。为节省空间，将刀套通过螺钉固定于设备的外壳。

2.2.4 卸料筒的设计

卸料筒主体结构设定为直段、变径段以及外接法兰，高440 mm，长620 mm，宽398 mm。卸料筒与过滤装置下方外壳采用焊接方式连接。参照相关标准，卸料筒所配法兰型号为150-6。

2.2.5 支腿结构的设计

支腿为新型加压过滤机主要承载部件，包括垫板、支柱以及底板等。为保证新型加压过滤机的稳定性，设计四支腿结构。支腿的设计可以参考行业内容器支腿设计的相关标准，选用B型腿式支座。四条支腿两两之间的间距为165 mm，支腿的高度为800 mm。经核算，该四条支腿可承受12 kN的载荷。垫板选用主材料为钢板的圆板，直径100 mm，厚度10 mm，与设备外壳底端焊接连接。

一般加压过滤机是固定在地面上的，因此在底板上预留4个螺栓孔，每个螺栓孔直径24 mm，螺栓孔之间的间距为72 mm，螺栓规格为M20。

新型加压过滤机的垫板、支柱以及底板均采用316L不锈钢制造。

3 滤盘有限元分析

滤盘的强度和刚度是影响加压过滤机可靠性和稳定性的关键因素。传统加压过滤机滤盘结构中滤板和中间隔板之间没有支撑件，在实际应用中常常出现变形甚至破坏现象。采用增加滤板厚度的措施虽然能够在一定程度上减小变形量，但改造成本较大。因此，在滤板和中间隔板之间增设相应的支撑结构，并验证不同支撑结构下滤盘的强度和刚度。

3.1 支撑环滤盘结构的有限元分析

滤盘外直径550 mm，内直径55 mm。为验证不同支撑环数量对滤盘强度和刚度的提升效果，对0、1、2个支撑环结构的滤盘强度和刚度进行对比，如图3所示。

图3 支撑环滤盘有限元模型Fig.3 Finite element model of support ring filter

进行网格划分，无支撑环滤环网格数135 507，1个支撑环滤盘网格数154 716，2个支撑环滤盘网格数169 285。滤盘材质316L不锈钢，强度极限475 MPa，屈服极限175 MPa。滤盘带压过滤压力为0.8 MPa，初步挤压压力为1 MPa，干燥脱水后的加压压力为4 MPa。仿真结果见表1。

表1 支撑环滤盘的有限元仿真结果Table 1 Finite element simulation results of support ring filter plater

当支撑环数量小于2个时，滤盘强度不能够满足实际生产要求。随着支撑环数量的增加，滤盘所承受在应力明显下降，增设支撑环可提高滤盘的强度和刚度。

3.2 支撑筋滤盘结构的有限元分析

支撑筋的长度为150 mm，横截面为矩形，尺寸10 mm×10 mm。为验证不同支撑筋数量对滤盘强度的提升效果，对比3、4、6、8条支撑筋滤盘的强度，如图4所示。

图4 支撑筋滤盘有限模型Fig.4 Finite model of support rib filter plate

进行网格划分，3支撑筋滤环网格数66 026，4支撑筋滤盘网格数67 460，6支撑筋滤盘网格数66 609，8支撑筋率滤盘网格数66 989。待网格划分完毕后根据材料属性完成对模型的载荷设置，包括有强度极限、屈服极限以及弹性模型等参数，从而完成载荷和相关约束的设置。添加与支撑环滤盘相同的载荷，仿真结果见表2。