隔膜压滤机压紧装置的设计与研究

2017-09-15 06:08高东强李颖超葛文益蔡其明辛晓龙

制造业自动化 2017年8期

关键词：板结构压滤机隔膜

高东强，李颖超，葛文益，蔡其明，辛晓龙

（陕西科技大学机电工程学院，西安 710021）

隔膜压滤机压紧装置的设计与研究

高东强，李颖超，葛文益，蔡其明，辛晓龙

（陕西科技大学机电工程学院，西安 710021）

压紧装置是隔膜压滤机的重要组成部分，针对单缸压紧装置压紧力小的缺点，本文重点对隔膜压滤机的双缸压紧装置进行了设计，并利用ANSYS Workbench对缸筒、压紧油缸整体、油缸座和压紧板进行了分析，得到了应力和变形云图。通过对设计的四种不同结构的压紧板进行静力学分析，获得了质量和变形均较小的压紧板结构。

压紧装置；ANSYS Workbench；静力学分析；应力；变形

0 引言

隔膜压滤机是压滤机的一种，其在制糖、煤矿、化工等领域有着非常广泛的应用。压紧装置是隔膜压滤机重要的组成部分，其作用是在过滤开始时将横梁上的一片片滤板压紧并保压，防止物料在过滤时从滤板间喷出。目前，压滤机按压紧方式分三种：手动式压紧、电动式压紧和液压式压紧。手动式压紧装置比较简单，提供的压紧力也比较小，主要应用于小型压滤机上。电动式压紧装置组成比较复杂，压紧力不易控制，效率低，所以其只在一小部分小型压滤机上应用。液压式压紧装置用液压缸提供压紧力不仅作用力大，结构紧凑，而且还便于控制。液压式压紧装置可分为单缸压紧和多缸压紧。由于压滤机正朝着大型化发展，所需的压紧力也越来越大，在大中型压滤机中单缸压紧正被多缸压紧所取代。本文主要对隔膜压滤机的双缸压紧装置进行设计与研究。用ANSYS Workbench对缸筒、压紧油缸整体进行了分析，对双缸油缸座和压紧板进行了结构设计。

1 压紧装置的结构分析

隔膜压滤机双缸压紧装置主要由压紧板、油缸座、油缸座支腿、压紧油缸组成，如图1所示。两个压紧油缸的缸筒通过螺栓固定在油缸座上，活塞杆顶端和压紧板相连，两个压紧油缸的活塞杆能够同步运动带动压紧板在左右横梁的轨道上移动，完成压紧和松开滤板。两个压紧油缸的位置有上下分布和左右分布两种，但在隔膜压滤机压滤过程中，由于物料重力等因素，滤板上下容易受力不均匀，所以现在双缸压紧装置的两个压紧油缸一般都是上下布置。

图1 双缸压紧装置结构组成

2 压紧装置主要部件的设计与研究

2.1 压紧油缸

2.1.1 压紧油缸负载计算

压紧油缸活塞杆的阻力等于使所有滤板压紧密封的压紧力F，压紧力F由压滤介质产生的内力和滤板接触面上的密封力两部分组成，即：

根据实际经验，滤板接触面上所必需的最小压强，应满足p=3q。

式中：

F0为将滤板压紧密封的压紧力，N；

Q为过滤时作用在滤板上的内力，N；

P为滤板接触面上的密封力，N；

q为过滤操作压强，该隔膜压滤机过滤操作压强的大小为0.8MPa；

p为为保证密封，滤板接触面上所必需的最小压强，其大小为2.4MPa；

S1为滤板之间密封接触面，其面积为284316mm2；

S2为滤板承受液体压力的面，其面积为1081442mm2。

代入数据计算出使滤板密封最小的压紧力为1.548×106N，则压紧油缸负载

2.1.2 缸体设计

1）缸筒内径计算

式中：

D为缸筒内径，mm；

F1为油缸的负载（取最大负载值），N；

p0为油缸设定工作压力，MPa；

ηm为机械效率，一般取0.95；

每个油缸的负载=0.774×106N，将油缸的工作压力设为18MPa。代入数据计算出D=240.04mm，取标准值D0=250mm。则液压缸的工作压力

2）缸筒壁厚的计算

式中：

δ为缸筒的壁厚，mm；

pmax为油缸最高工作压力，MPa；

D0为缸筒内径，mm；

σs—材料的屈服极限，MPa；为了保持足够的强度和良好的焊接性缸筒材料选用35号冷拔无缝钢管，其屈服极限

ns为安全系数，一般可取ns=3～5。

油缸的最高压力一般要比工作压力高出1/4，即pmax=1.25，p1=20MPa；由于隔膜压滤机压紧油缸的负载为交变不对称载荷，所以取ns=4，则缸筒材料许用应力将数据代入到公式中计算出δ=31.4mm≈32mm。

3）缸底厚度计算

[δ]为缸底材料的许用应力，MPa；缸底选用35号钢，则[δ]=78.75MPa；

式中：

h为缸底厚度，mm；

代入数据计算得缸底厚度h=54.55mm≈55mm。

缸体的三维模型如图2所示。

图2 缸体的三维模型

2.1.3 活塞杆设计

1）活塞杆材料的选择

本文设计的活塞杆采用实心杆。为了提高的强度和减小变形，活塞杆采用45号钢。

2）活塞杆直径的计算：

得到压紧油缸活塞杆的直径d=140mm。活塞杆组件结构示意图如图3所示。

图3 活塞杆组件结构示意图

2.1.4 压紧油缸整体分析

将压紧油缸装配体模型导入到ANSYS Workbench中，进行材料、接触设置、划分网格、添加约束等进行静力学分析，结果如图4、5所示。

图4 等效应力

图5 总变形

由图可知，压紧油缸最大应力为190.54MPa，主要在缸底与缸筒交界处。其余各部分的应力都在63～105MPa之间，均能满足材料的强度要求。

2.2 油缸座的设计与分析

2.2.1 油缸座的结构设计

油缸座是隔膜压滤机的重要的受力部件，在压紧油缸对滤板压紧时，其主要承受来自横梁的巨大拉力，另外油缸座还要承受来自水洗架的压力。本文设计的是双缸油缸座，在单缸的基础上增加几个钢板，钢板通过焊接构成一个整体，钢板材料是Q345，两个压紧油缸上下布置，如图6所示。

图6 双缸油缸座

2.2.2 油缸座的静力学分析

将双缸油缸座的模型进行简化后，导入到ANSYS Workbench中，对其划分网格，然后对其添加约束和载荷：在油缸底部与支腿连接处添加固定约束；在油缸座两边8个螺栓孔处添加固定约束；在油缸座与左右横梁连接处添加强迫位移约束，分别限制油缸座X轴与Y轴的位移；在油缸座前面与压紧油缸配合的两个孔处添加强迫位移约束，限制其X、Y轴的位移。静力学分析结果如图7、8所示。

图7 等效应力

图8 总变形

油缸座的最大应力为170.38MPa，主要在油缸座上边与压紧油缸配合孔的边缘，其它部位的应力主要在37～86MPa之间，油缸座的最大总变形为0.29715mm，主要在油缸座与压紧油缸配合孔上边缘和压紧油缸顶部后边缘处，油缸座的变形越往上越大，因为约束主要靠近下部。因此油缸座的变形和应力均能保证压紧油缸的正常工作。

2.3 压紧板的设计与分析

压紧板能够在压紧油缸的作用下在横梁的导轨上移动，用来压紧与松开滤板。本文在设计双缸压紧板结构的时候也同样参考了单缸压紧板的结构，如图9所示。压紧板材料是Q235，压紧板各部件间通过焊接成为一个整体。

双缸压紧板在单缸压紧板的基础上，将原来一个凸台改为两个；将反吹法兰放在压紧板的正面，增加反吹效果；将正方形小面板改为圆形；根据筋板的形状，提出了四种方案，这四种方案中边板与筋板的高度相同，如图10所示。分别为十字筋板结构，叉形筋板结构，星型筋板结构和米型筋板结构。现将该模型导入ANSYS Workbench中进行分析，获得最大等效应力与最大总变形，由图知它们都满足要求。