机械压滤机过滤板设计研究.pdf

装备及自动化 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料46机械压滤机过滤板设计研究郑世燚福建船政交通职业学院，福建 福州 350007摘要：文章从材料选用设计、结构设计、成型工艺设计、应用设计四个方面展开了机械压滤机过滤板的设计研究，指出过滤板材料设计时要结合物料特性选择强度适宜的过滤板，同时提出腹板强度涉及指标的计算方法，分析了过滤板的结构设计方法。最后给出了压滤机过滤板成型工艺和应用工艺的设计思路，旨在设计出性能质量优异的压滤机过滤板，保障压滤机的安全稳定运行。关键词：压滤机；过滤板；结构设计；工艺设计分类号：TD462压滤机属于固液分离的间歇性过滤设备，可在流体静压力作用下，利用过滤板及过滤介质分离液体和颗粒物，进而实现固液有效分离。作为压滤机核心构件的过滤板，设计质量与压滤机产能指标、过滤效果密切相关，要科学设计过滤板结构，并选用强度和韧性良好的滤板制作材料，采用适合的生产工艺和布设形式，从而发挥过滤板的应用价值。1 压滤机滤板材料选用设计在压滤机滤板的制作中，应用较为广泛的材料是改性聚丙烯，其有两种类型，一是碳酸钙改性增强型聚丙烯，二是玻璃纤维改性增强型聚丙烯。二者对聚丙烯强度和韧性指标均有改善作用，并可增强过滤板成型时物料的流动性，可使滤板表面更加光洁，但抗酸性不强，适用于 10 70 的温度条件。同时，还可采用玻璃纤维作为过滤板制作材料，这是一种增强型添料，兼具模量高、强度大等特点，伸长率相对较低，可对其进行表面偶联处理后再与聚丙烯复合，能够得到强度更高、抗高温性、抗酸碱性更强的材料，适用于 90 的温度条件。过滤板材料选用设计时，需要充分考虑到物料特性和过滤板强度的关系，若过滤物料具有强酸性或强碱性，或是过滤温度较高，需要降低过滤板材料强度，降幅应为 35%左右1。2 机械压滤机过滤板结构设计压滤机过滤板有多种材料，如金属过滤板、塑料过滤板等，下面以厢式塑料滤板为例展开压滤机滤板的结构设计。2.1 腹板强度设计设计滤板结构时，为保障滤板结构设计的合理性，要充分关注塑料原材料的特性。厢式塑料滤板的设计尺寸应为 2 m2 m，根据以下两个公式分别计算出滤板腹板的最大应力与最大挠度。滤板腹板最大应力计算公式：（1）式中：为腹板的最大应力；t 为腹板厚度；为纵向钢筋应力；b 为腹板宽度；q 为偏应力状态。滤板腹板最大挠度计算公式：（2）式中：为腹板的最大挠度；为计算截面的剪跨比；E 为钢筋的弹性模量。经计算，滤板的最大应力与最大挠度分别为4.65 MPa 与 0.069 mm，而该厢式塑料滤板的应力及挠度分别为 28 MPa 与 0.211 mm，均高于最大应力及最大挠度，说明此滤板结构的强度符合设计要求。同时，过滤板起到的是简支梁作用，其腹板中心变矩较大，且边缘处会受到较高的剪切应力，并且还要支撑凸台，因此过滤板所承受的弯曲应力及剪切应力均较高。为此，腹板与边框的安全系数要分别设置为 28 以上与90 以上。2.2 过滤面设计滤板设计中，过滤面设计是较为关键的设计环节，腹板上设置凸台的目的是支撑过滤布并构建滤液水道。若凸台设计过小或是排列不够密集，会影响滤布的支作者简介：郑世燚，男，本科，高级工程师，研究方向为机械产品开发。文章编号：2096-3092（2023）08-0046-03造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 装备及自动化47撑性能，若滤布柔性过大，在受到较高过滤压力时，则会出现下陷现象，可能堵塞滤液通道，或是降低过滤速度，使滤饼无法成形，还会导致滤布受损，降低其使用寿命。2.2.1 流通表面设计过滤面高度与滤液流道的大小成正相关，如果高度设置过大，会导致过滤腔室容积变小。为此，过滤面设计时，需要将滤液流通量与滤布支撑情况纳入考量。流通表面要略大于滤布支撑面，二者比值应控制为 1.85 1 2 12。文章提出一种滤板过滤面设计，如图 1 所示，根据过滤面设计参数计算出此种设计模式下，流通表面与滤布支撑面的比例为 1.9 1，符合规定要求。d滤孔直径；a相邻滤孔中心点间距离；h两排滤孔间距离。图 1 滤板过滤面设计及过滤参数2.2.2 关键水道设计利用水力学半径减去相对粗糙度导致的流体流动阻力，得到的便是有效水力学半径。尺寸为 2 m2 m的厢式塑料滤板，应以流体流动方向作为主线布置滤水凸台，以确保其水力学半径的下降速度介于 2.5 2.8 mm/s，保障滤板关键水道设计的合理性。根据伯努利方程，压力、流体密度、流量均是滤板压力的重要影响因素，当外排流量越大时，压强越小，此时过滤板由内而外受到的压力越低，此种压力梯度对液体向外流出具有促进作用，能够增强排液的通畅性与快速性3。2.3 滤板边框设计滤板边框设计包含两部分内容，一是滤室设计，二是密封面宽度设计。滤室设计是指应合理设计过滤板的厚度，需要以压滤机设计标准为依据，选择适合的滤室类型，以使滤板厚度与规定要求相契合。与此同时，还要做好密封面宽度设计，应以滤板压缩强度值作为滤板封密面宽度的设计依据，要求压紧机构所提供的压紧力要始终低于过滤板压缩强度的最大值。3 压滤机过滤板成型工艺设计生产工艺设计是否科学是压滤机滤板质量高低的重要影响因素，为确保滤板弯曲强度、拉伸强度、缺口冲击强度、热变形温度分别达到规定值，需要合理设计过滤板的生产工艺流程，如图 2 所示。干燥高速搅拌干燥挤出造粒干燥挤出开模取出制品模压成型制品后处理检查入库性能检测注射试样偶联剂PP、CaCO3、滑石粉图 2 过滤板生产工艺流程图3.1 物料配混工艺由于 PP 具备易吸湿特性，因而混合物流前需要做好原料干燥处理，在 105 左右的烘箱中对 PP、CaCO3、滑石粉等原料进行 1.5 h 的干燥处理。之后根据物料质量确定偶联剂使用量，并采用分析纯酒精将偶联剂稀释到 20%的质量浓度，通过加入偶联剂构建刚性与韧性协调一致的包裹层。在高速混合机中按比例加入 PP、CaCO3以及滑石粉三种材料，并采取密封加料方式，之后开启电机运行，起步速度应较低，之后逐步提升至750 r/min，混料 20 min 后可关闭电机。再等待 3 min 后揭开密封盖并均匀洒入偶联剂，再盖上密封盖，以高速状态进行混合，持续 25 min 左右，然后将混匀的物料取出放入 100 的烘箱中，干燥 1 h 后再取出。3.2 挤出造粒工艺造粒前 1 h 应启动设备预热，但注意预热时间不可过长，防止温度过高导致熔体老化变黄，或是出现烧焦现象。为增强熔体流动性，提升挤出效率，熔体温度设置时应比纯 PP 熔点值略高，加料段三个区域的温度应分别设置为 200、210、215，压缩段及机头的温度则均要控制在 220。挤出造粒前，需要全面清理料筒并洗净螺杆，达到预设温度后，先向加料斗中加入少量 PP，之后再添加干燥好的物料，挤出时转速应控制在 300 r/min，并应根据加粒口的情况变化调控喂料速度。熔体温度应 装备及自动化 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料48始终控制在 183 210，以防止熔体塑化或老化而影响其使用性能。挤出物料后，应在水槽中进行冷却处理，再使上下牵引滚轮组合成的滑轮式牵引设备以匀速牵引物料，牵引速度应比挤出速度高出 8%左右，以便得到精细均匀的料条。利用风机干燥处理后，要调好刀具，将外壳尺寸调整为料条的 2/3，使切刀以 300 r/min 的速度运行，从而保障造粒质量。3.3 试样注射工艺试样注射前，需要对粒料进行烘干处理，并提前20 min 预热注塑机，同时启动冷动循环水。应将螺杆加料区温度设置为 220，熔融区及机头温度应分别比螺杆加料区温度低 10 与 20。结合模具型号确定注射时的熔胶量和注射速度，注塑压力应设为 70 MPa，保压时间控制在 15 60 s，保压压力应设为 55 MPa。设定好注射参数后，还要洗净模具并涂刷好脱模剂，实施试模及试车工作，并清除喷嘴处的残余物料。之后，将少许纯 PP 添加到加料斗中，采用人工方式调整射台，使之与模具紧密贴合，在合模与熔胶后，停止一段时间后再射胶，保压冷却 1 2 min 后再将试样取出检测其性能情况。3.4 模压成型工艺3.4.1 挤料与预热压滤机过滤板模压成型属于过滤板生产的关键环节，此工艺应设计为挤出熔融物料、预热模具、模压成型、脱模、热处理等多个环节。先在双螺杆挤出机中添加干燥处理后的粒状物料，为加快物料流速，温度可比挤出造粒时设置温度稍高。然后将挤出熔融物料放置于温度为 200 的烘箱中烘干，再向模压机模具中添加物料。在 80 温度条件下预热模具，以防止过滤板成型时出现表面熔合纹，或剥皮、表层分离、表面灰暗等问题。3.4.2 合模保压与保压固化取出烘箱粒槽中的熔料后以最快速度放入模具阴模中，并立即合模。在阴模与阳模接触后可放慢速度，并在合模后以 6.33 MPa 的压力对熔料施压。之后，要预留相应的固化时间，达到标准外观后应立即脱模。如果制作的是大尺寸、结构并不复杂的过滤板，并且模具的模压值、温度值均不高，应实施 30 min 的保压，以使过滤板具备更好的固化性能。3.4.3 脱模过滤板固化后，需利用顶杆进行脱模。由于过滤板壁厚度并不均匀、结构相对复杂，模压成型时可能会出现过滤板不同部分冷却速度不同的情况，会因内应力导致脱模时出现裂纹或断裂现象。可利用铜制工具脱模，运用硬度较小的金属片对模内废边、毛刺进行清理，之后再采用压缩空气清理压机台面和模具，利用除垢剂解决塑料粘模等问题。3.4.4 热处理脱模后需对过滤板进行热处理，以促使塑料完全固化，减少其内应力，降低聚合物大分子的弹性，避免过滤板内部水分过度蒸发，并减少挥发物的挥发量。热处理时温度应控制在 100 120，在热处理后要利用刀具再次修理毛边，进而提高过滤器质量，使之加工成型的过滤板能够一次通过成品检验。4 压滤机过滤板应用设计应用过滤板时，要做好过滤介质的选用设计，并考虑到滤布过滤特性、使用时限、过滤层构建效果等等。应根据料浆的过滤特性设定压滤机的过滤压力。过滤易滤料浆时，可采用板框式压滤机或厢式压滤机。带压榨隔膜的厢式压滤机则适合过滤难泵送浆料、细粒子浆料、强压缩性料浆。需要采用焊接方式将弹性膜片及芯板连接到一起构成隔膜滤板，还可结合应用厢式与隔膜式两种过滤板，需要采用间隔排布方法合理排布过滤板。5 结束语作为机械压滤机运行的核心部件，过滤板结构设计、材料选用设计、成型工艺设计、应用设计能否科学化、合理性开展，决定着压滤机的运行质效。压滤机过滤板可采用改性聚丙烯或是玻璃纤维作为原料，但需要考虑到物料特性及滤板强度的关系。结构设计时要将腹板强度设计、过滤面设计、边框设计三方面作为重点。还要从物料配混工艺、挤出造粒工艺、试样注射工艺、模压成型工艺几方面设计过滤板成型工艺，最后要科学选用过滤板，合理设置过滤板排布形式，进而为压滤机作用的有效发挥提供保障。参考文献1 郭年琴,乔保蒙,林通.厢式压滤机过滤过程数值模拟与仿真J.金属矿山,2016(5):144-148.2 王宇.基于飞秒激光烧蚀的微过滤板结构设计与加工工艺研究D.石河子:石河子大学,2022.3 韩改荣.交流液压技术及其在压滤过程中的应用D.太原:太原理工大学,2022.