FWZ型翻袋式离心机的结构设计与计算

张德友，朱碧肖，方 毅

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

离心过滤是利用离心力作为推动力来实现固、液混合物的分离，是化工、制药、食品、环保等行业中常见的生产工序。随着技术的进步和设备的更新换代，普通的离心过滤设备如传统的三足式（平板式）离心机、刮刀离心机等，因为自动化程度低、密闭性能差或者有残余滤饼影响过滤性能，现已不能满足用户对分离设备的自动化、安全可靠性及环境保护等方面的更高和更严格的要求［1］。国外德国HEINKEL和意大利COMICONDOR两家离心机公司先后开发了一种翻袋式离心机［2-3］，第一代的翻袋式离心机的翻袋机构为液压驱动，因为无法避免轴向液压油的渗漏进而进入转鼓污染物料，之后推料机构均改进为机械传动。在吸收国内外最新技术的基础上，成功开发出一种新型的固-液分离设备——FWZ型翻袋式离心机，该设备具有完全卸料且不破坏晶体形状、全密闭、全自动程序控制等优点，转鼓与进料机构实现密闭，从进料机构引入压缩气体，压力最高可达0.6 MPa，通过离心过滤和加压过滤作用叠加，进一步降低滤饼含湿量，能够很好满足GMP 生产规范［4-5］，可应用于制药、化工、食品、新材料等许多行业。

1 结构原理

FWZ型翻袋式离心机的转鼓沿水平方向布置，属于卧式离心机，其结构如图1所示。设计时，将传统的卧式离心机回转构件分为同步旋转的内、外轴系两部分［6］，外轴系轴向固定，由主电机通过皮带驱动旋转；内轴系与外轴系同步旋转，卸料时，内轴系在卸料电机通过皮带驱动下旋转，与外轴系产生一定的转速差，使得内轴系通过特定的机械装置可沿轴向运动。

图1 FWZ型翻袋式离心机结构简图Fig.1 The structure diagram of FWZ model inverting filter centrifuge

FWZ型翻袋式离心机采用滤布为过滤介质，滤布做成袋状，一端固定在外轴系的转鼓大端，另一端固定在内轴系的推盘小端。进料过滤时，悬浮液由进料管进入转鼓内部，在转鼓高速旋转产生的离心力作用下，滤液穿过滤布和转鼓由集液腔收集，固体颗粒则被截留在滤布过滤面形成滤饼；卸料时，内轴系的推盘沿轴向被推出，带动滤袋进行翻转，使过滤时的过滤面翻至朝外，滤饼被抖落，滤袋过滤面上的滤饼在离心力的作用下被完全卸除，工作原理如图2所示。

图2 FWZ型翻袋式离心机工作原理Fig.2 The working principle diagram of FWZ model inverting filter centrifuge

FWZ型翻袋式离心机的结构设计具有如下主要特点：

（1）翻袋式离心力自动卸料取代传统机械刮刀卸料机构，无残余滤饼，不会刮削、挤压滤饼，使固相结晶颗粒的形状和纯度得到有力保护；

（2）可实现滤饼的100%卸出，并且在滤袋伸出和缩回的过程中可以通过CIP装置使滤袋得到良好清洗和再生，每批次之间不会相互影响，同时因为无残余滤饼，滤布始终维持初始过滤性能，使得该机对于固相颗粒细小极难过滤的物料具有极强的应用价值；

（3）平动的推盘部分有前后2个圆盘，之间有若干相连的支撑杆，在进料和洗涤过程中，起到分散的作用，可以实现均匀布料和洗涤。

2 设计计算

在进行FWZ型翻袋式离心机结构设计时，需要对主要部件如转鼓的厚度、推盘的推料力及卸料电机的功率等进行计算、选型。本文以转鼓直径为800 mm的FWZ800型翻袋式离心机为例进行以下相关设计计算。

2.1 转鼓壁厚的计算

参照文献［7-8］，对于圆筒形开孔转鼓，物料按密度计，得到转鼓壁厚计算公式：

式中 ρ2—— 物料或湿滤饼的密度（最大值），kg/m3，ρ2=1.25×103kg/m3；

r1——转鼓内半径，m，r1=0.4 m；

r3——物料环的内半径，m，r3=0.26 m；

ρ3—— 筛网或衬里材料的密度，kg/m3，ρ1=7.98×103kg/m3；

Z ——加强箍系数，无加强箍时，Z =1；

K1—— 焊接接头系数，由于转鼓焊缝为100%射线探伤检测，则K1=0.95；

ω ——转鼓的角速度，rad/s；

q ——鼓壁开孔引起的表观密度减小系数；

δs——筛网当量厚度，m；

ρ1——转鼓材料的密度，kg/m3，ρ1=7.98×103kg/m3；

r2——转鼓壁平均半径，m。

转鼓的角速度计算公式如下：

式中 n ——转鼓的转速，r/min，n=1 600 r/min。

经计算，得到ω=167 rad/s。

圆筒形转鼓内筛网的当量厚度：

式中 ms——筛网总质量，kg，ms=7.9 kg；

h ——转鼓有效高度，m，h =0.39 m。

将有关各值带入式（3），得到δs=0.001 m。

转鼓开孔引起的表观密度减小系数：

式中 d ——开孔直径，m，d=0.008 m；

b1，b2—— 转鼓壁上相邻两孔的中心距，m，b1=0.05 m，b2=0.035 m；

α —— 转鼓交错孔连线间的夹角，（°），α =45°。

将有关各值代入式（4），得到q=0.96。

式（1）中δ，r1和r2存在如下关系：

联合式（1）和式（5），得到：

转鼓加压增加的壁厚：

式中 Pc—— 转鼓加压气体的压力，MPa，Pc=0.6 MPa；

D1——转鼓的内直径，m，D1=0.8 m；

将有关各值代入式（6），得到：

综上所述，得到转鼓壁厚计算值：

以上述计算结果初步确定转鼓壁厚，然后再根据实际介质腐蚀情况及加工制造等情况适当增加厚度。

2.2 推料力、推料功率计算

图3 滤饼离心力计算示意Fig.3 The calculation diagram of filter cakes centrifugal force

如图3所示，半径r方向上，厚度为dr的薄圆柱环滤饼的质量为dm，

式中H ——滤饼的高度，m，H=0.34 m。

质量为dm的薄圆柱环滤饼所受离心力：

式中 ω1——卸料时的角速度，rad/s。

整个圆柱环滤饼所受的离心力为：

转鼓卸料时的角速度：

式中 n1——转鼓卸料时的转速，r/min。

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翻袋式离心机卸料速度一般设定在过滤转速的1/3～1/4范围，对于FWZ800型翻袋式离心机，转鼓卸料时的转速n1=400 r/min，计算得到ω1=41.9 rad/s。

将有关各值代入式（9），得到滤饼所受离心力Fr=72 510 N。

翻袋式离心机推料时需要克服转鼓内物料与转鼓壁之间的摩擦阻力，而此摩擦力在推料之初最大，记为最大静摩擦力Ff，其计算式如下：

式中 f —— 滤饼与过滤介质之间的摩擦系数，一般为 0.4～0.8，此处取 f =0.6。

经计算，得到Ff=43 506 N。

翻袋式离心机的推料装置是通过滑动螺旋副传动实现的，卸料电机输入功率通过滑动螺旋副转换为推杆的轴向力，从而带动与推杆连接的推盘翻转滤袋。滑动螺旋副传动的轴向力即推料力，则推料力［9］。

式中 T ——传递扭矩，N·m；

ψ——螺旋升角，（°）；

ρv——当量摩擦角，（°）；

D2——螺杆中径，m，D2=0.048 m。

对于螺旋升角：

式中 S ——螺距，m，S=0.008 m；

经计算，得到ψ=3.03°。

对于当量摩擦角：

式中 μ —— 螺旋副摩擦系数，钢对青铜时，取μ =0.1。

经计算，得到 ρv=5.71°。

若要使滤袋翻转，则推料力Fp≥Ff，即：

将有关各值代入式（15），得到T≥160.48 N·m。

电机的输入功率：

经计算，得到P=6.72 kW。

因此选用功率为7.5 kW的电机作为卸料电机，满足推料要求。

3 结语

本文阐述了FWZ型翻袋式离心机的结构、工作原理，并以转鼓直径为800 mm的翻袋式离心机为例进行相关设计计算，可以看出翻袋式离心机相比于普通的离心机有其独特的优点，特别在制药及精细化学品等生产行业有着良好的应用前景，本文的介绍对于该离心机的开发设计及应用推广具有推动作用。