中心盘集装式拉袋卸料机构的设计与应用_朱碧肖.pdf

流 体 机 械2023 年 2 月56 第 51 卷第 2 期 收稿日期：2022-02-24 修稿日期：2022-09-26基金项目：安徽省科技重大专项项目（202003a05020010）；合肥通用机械研究院有限公司青年基金项目（2020011735）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.02.008中心盘集装式拉袋卸料机构的设计与应用朱碧肖，陈崔龙，邓 超（合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）摘 要：针对刮刀离心机残余滤饼增加过滤阻力、加剧振动及物料批次交叉等难题，现有内置和外置气缸式拉袋卸料机构的驱动气缸由于离心机主轴结构限制，存在技术参数不高、拉袋动作不畅、可靠性低等安全隐患，提出了一种中心盘集装式拉袋卸料机构，并给出了滤袋与转鼓内壁之间的黏附力计算方法。中心盘集装式拉袋卸料机构将驱动气缸与转子中心盘进行了集成设计，利用中心盘外圆柱面作为气动装置的活塞，将驱动力传递到滤袋上，实现拉袋卸料和复位动作。经计算中心盘集装式拉袋卸料机构提供的拉袋驱动力较内置气缸式提高 14 倍以上，拉袋可靠性得到提升。在锂电三元材料前驱体水洗工序中的应用结果表明，采用中心盘集装式拉袋卸料机构，残余滤饼卸除率大于 86%，每批次滤袋残余滤饼重量小于 4kg。关键词：拉袋；离心机；卸料机构中图分类号：TH117.2；Q051 文献标志码：A Design and application of the central plate integrated filter-bag pulling and discharge mechanismZHUBixiao，CHENCuilong，DENGChao（HeFeiGeneralMachineryResearchInstituteCo.，Ltd.，Hefei 230031，China）Abstract：Fortheproblemsthattheresidualfiltercakeinthescraperpeeldischargecentrifugewouldincreasefiltrationresistance，aggravatethevibrationandbringcrossingofmateriallots，duetotherestrictionofcentrifugemainshaftstructure，therearepotentialhazardssuchaslowtechnicalparameters，poorbagpulling，lowreliabilityofthedrivingcylinderinstalledinbuilt-inandexternalcylindermodelfilter-bagpullinganddischargemechanisms，theintegratedfilter-bagpullinganddischargemechanisminthecentralplatewasproposed，andthecalculationmethodfortheadhesionbetweenfilter-bagandinnerwallofdrumwasgiven.Thecentralplateintegratedfilter-bagpullinganddischargingmechanismintegratesthedrivingcylinderwiththerotorcentralplate，andusestheoutercylindricalsurfaceofthecentralplateasthepistonofthepneumaticdevicetotransmitthedrivingforcetothefilterbagtorealizethebagpulling，dischargeandresettingaction.Thedrivingforceforfilter-bagpullingofthecentralplateintegratedfilter-bagpullinganddischargemechanismisincreasedbymorethan14timesofthebuilt-incylindermodel，andthereliabilityoffilter-bagpullingisimproved.Theresultsofapplicationinthewashingprocessoflithiumternarymaterialprecursorshowthattheremovalrateofresidualfiltercakeisgreaterthan86%andtheweightofresidualfiltercakeinfilterbagislessthan4kg/batchwhenthecentralplateintegratedfilter-bagpullinganddischargemechanismisadopted.Key words：filter-bagpulling；centrifuge；dischargemechanism0 引言平板无基础立式刮刀卸料离心机（以下简称刮刀离心机）是一种过滤式、刮刀下部卸料、间歇式离心机，具有操作方便、易于维护、无需浇注基础等特点，广泛应用于双氰胺、二氧化钛、镍钴粉体材料、排酸石膏、下水污泥等以及医药、食品等行业的物料脱水，效果良好1-4。随着应用推广，尤其在医药、食品、生物等领域，其残余滤饼问题越来越突出，成为技术难点。刮刀离心机选用滤布作为过滤介质，材质有尼龙（聚酰胺，PA）、涤纶（聚酯纤维，PET）、丙57纶（聚丙烯，PP）等，织造类滤布含平纹、斜纹及缎纹；为提高颗粒截留率、可剥离性和滤液通过量，研制出复合滤布5-6，单丝双层复合滤布成为刮刀离心机过滤介质的首选。为防止卸料时刮刀刮坏滤布，刮刀摆动行程设有机械限位，使刀片与滤布之间留有815mm间隙，该间隙形成的环形腔体内在刮刀卸料后填满残余滤饼。如转鼓直径为 1250mm 时，间隙以 10mm 计，残余滤饼重量可达约 50kg；对于1500mm 以上转鼓直径，残余滤饼量更多。残余滤饼层会增加过滤阻力或物料批次交叉，当物料粒径较细、有黏性或可压缩时，会导致生产中断或设备振动加剧，带来安全隐患7。针对该难题，技术人员采用了机械振打、气流吹扫等卸除残余滤饼的方法，效果均欠佳8-9。近年来，我国离心机厂家制造出内置气缸式和外置气缸式拉袋辅助卸料装置，为解决上述难题提供了较好的思路，但应用中还存在故障率高、可靠性差等问题。本文通过梳理分析，在不破坏刮刀离心机现有结构前提下，提出了一种中心盘集装式拉袋卸料机构，并详细介绍了其设计计算方法，该中心盘集装式拉袋卸料机构在解决现有问题的同时还可获得较大驱动力，提高拉袋效率。1 拉袋卸料机构拉袋辅助卸料刮刀离心机与普通刮刀离心机主要不同在于，其转鼓需要设计成筒-锥-筒形状。上端的圆筒形部分是主要离心过滤区，其内径即为离心机核心参数，如规格型号GLZ1500，则转鼓圆筒形部分的内径为1500mm；中端的圆锥形部分除了提供径向拉力，在拉袋及复位时，起到导向作用，其半锥角一般为6075。圆锥形部分可开设过滤孔，辅助离心过滤脱水；下端的小圆筒形部分主要与升降套筒配合，对滤袋起到收紧、导向作用。滤袋设计成与转鼓形状一致的筒-锥-筒形，滤袋上部固定在转鼓上端，下部与升降套筒连接。当前常用的拉袋卸料机构有内置和外置气缸式。1.1 内置气缸式拉袋卸料机构内置气缸式是将刮刀离心机的主轴设计成中空结构，将拉袋驱动气缸整体放置在中空主轴内，如图 1 所示。驱动气缸穿过中空主轴，气缸壳体固定在主轴中心孔内，与主轴同步旋转；气缸活塞杆与升降套筒固定连接；压缩空气通过旋转接头输入或输出。在驱动气缸作用下，活塞杆带动升降套筒做上下升降动作。活塞杆下降，滤袋下拉、绷紧，残余滤饼被卸除；活塞杆上升，滤袋松动，在物料离心压力作用下，贴紧转鼓内壁，实现复位。如此，完成一次拉袋动作。图 1 内置气缸式拉袋卸料机构Fig.1 Built-incylindermodelfilter-bagpullinganddischargemechanism1.2 外置气缸式拉袋卸料机构外置气缸式是将驱动气缸放置在外部，通过连杆机构将气缸驱动力传递到滤袋上，实现拉袋卸料和复位动作。图 2 外置气缸式拉袋卸料机构Fig.2 Externalcylindermodelfilter-bagpullinganddischargemechanism内置气缸式和外置气缸式拉袋卸料机构的优势和不足详见表 1。朱碧肖，等：中心盘集装式拉袋卸料机构的设计与应用58FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023表 1 内置气缸式与外置气缸式拉袋卸料机构对比Tab.1 Comparisonofbuilt-inandexternalcylindermodelfilter-bagpullinganddischargemechanisms结构名称优势不足内置气缸式结构紧凑，附属件较少主轴中空直径较大，对强度、刚性有影响；气缸内置于中空主轴中，同心度要求较高；主轴尺寸有限，导致气缸直径难以扩大，拉力局限性较大；可靠性低外置气缸式主轴中空直径较小，对强度、刚性影响较小；气缸外置，对同心度要求较低；气缸选型较宽，加之杠杆作用，可实现较大拉力，有利于拉袋动作顺畅结构较复杂，附件较多；不利于在洁净区域、防爆区域使用2 中心盘集装式拉袋卸料机构刮刀离心机主轴尺寸因结构、转子内部空间等因素，难以增大，因此内置气缸式和外置气缸式拉袋卸料机构的驱动气缸技术参数受限，导致实际应用中拉袋动作不畅、可靠性低，同时随着刮刀离心机在洁净、防爆区域应用的增多，拉袋卸料机构急需进行优化。2.1 结构设计如图 3 所示，中心盘集装式拉袋卸料机构将驱动气缸与转子中心盘进行了集成设计，利用中心盘外圆柱面作为气动装置的活塞，既不改变原有离心机基本结构，不破坏主轴，又可获得较大受力面积，提高拉袋驱动力。升降套筒与中心盘同轴配合，可靠性高。（a）工作状态 （b）拉袋卸料状态图 3 中心盘集装式拉袋卸料机构Fig.3 Centralplateintegratedfilter-bagpullinganddischargemechanism2.2 拉袋驱动力计算拉袋卸料机构工作时，依靠驱动活塞产生的拉力实现拉袋动作，首先需要确定卸除残余滤饼所需的拉力，该拉力主要和滤袋与转鼓内壁之间的黏附力、残余滤饼受到的离心力有关。2.2.1 滤袋与转鼓内壁之间的黏附力如图 4 所示，圆筒形部分半径方向上，厚度为dr 的薄圆柱环滤饼的质量10：ddmr L r112=（1）式中，残余滤饼的密度，kg/m3，（一般为堆积密度）；L1为转鼓圆筒形部分的长度，m。质量为 dm1的薄圆柱环滤饼所受离心力：ddFmr112=（2）式中，为卸料时转鼓的角速度，rad/s，=2n/60；n 为卸料时转鼓的转速，r/min。圆筒形部分滤饼所受的离心力：Fmrrrrr1121213232123=-()d L（3）式中，r1为转鼓的内半径，m；r2为转鼓拉袋卸料时滤饼的自由表面半径，m。图 4 中心盘集装式拉袋卸料机构参数Fig.4 Parametersofcentralplateintegratedfilter-bagpullinganddischargemechanism滤袋与滤饼之间的黏附力使刮刀卸料后仍有部分残余滤饼留在滤袋上，该黏附力以滤袋与滤饼之间的最大静摩擦力进行计算，由圆筒形部分滤饼离心力引起的滤袋与转鼓内壁之间的黏附力：f11=F（4）式中，为滤袋与转鼓内壁之间的摩擦系数，与滤袋材质、编织方法和残余滤饼的物理化学性质有关11，一般为 0.40.8。59如图 4 所示，圆锥形部分半径 r 方向上，厚度为 dr 的薄圆柱环滤饼的质量：ddmrrr Lrrr212122=-()-cos（5）式