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的重要環節。加壓過濾機由于其固液分離效果好的優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定性。

1 加壓過濾機概述

在煤礦工業生產中常采用的傳統加壓過濾機包括圓盤式、轉鼓式和筒式加壓過濾機。圓盤式加壓過濾機常出現原煤堆積的問題，導致艙內壓力多大，且結構相對復雜、部件較多，后期的維護成本較高。轉鼓式加壓過濾機密封組件的研制難度高，生產成本較高，不適用于批量生產。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

經調研分析，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所研發的定盤式加壓過濾機。為此，本文基于BHS公司所研發的定盤式加壓過濾，結合國內加壓過濾機的情況，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如下：

濾盤直徑/mm 50

濾盤個數 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組成，濾盤由中間濾盤、前濾盤和后濾盤組成。結合國內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、設備外殼以及驅動系統的連接，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 刮刀系統的結構設計

刮刀系統的主要功能是將濾盤上的濾餅刮除以保證下一個循環。刮刀系統包括刮刀、刀罩以及驅動系統。結合整體設計理念，設計刮刀長300 mm，寬220 mm，厚25 mm，材質為聚四氟乙烯。根據刮刀的尺寸及選材，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定性，設計四支腿結構。支腿的設計可以參考行業內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定性的關鍵因素。傳統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變形甚至破壞現象。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 支撐環濾盤結構的有限元分析

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

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

進行網格劃分，無支撐環濾環網格數135 507，1個支撐環濾盤網格數154 716，2個支撐環濾盤網格數169 285。濾盤材質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

當支撐環數量小于2個時，濾盤強度不能夠滿足實際生產要求。隨著支撐環數量的增加，濾盤所承受在應力明顯下降，增設支撐環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

進行網格劃分，3支撐筋濾環網格數66 026，4支撐筋濾盤網格數67 460，6支撐筋濾盤網格數66 609，8支撐筋率濾盤網格數66 989。待網格劃分完畢后根據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，從而完成載荷和相關約束的設置。添加與支撐環濾盤相同的載荷，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的需求。

對比表1和表2可知，雖然采用支撐環和支撐筋均能夠提升濾盤的強度和剛度，但支撐環的結構相對支撐筋復雜，因此一般將支撐環用于小直徑濾盤，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，其可靠性和穩定性非常重要。為提升加壓過濾機效率，在結合傳統加壓過濾機實際生產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。