廂式壓濾機的構造、工作原理及其框架強度和剛度的設計計算(Ⅰ)*

蔡祖光

(湖南海諾電梯有限公司 湖南 湘潭 411104)

陶瓷泥漿經廂式壓濾機(也稱室式壓濾機或板框式壓濾機)脫水操作后，可以在去除(過濾去除)陶瓷原料中混入的有害可溶性鹽類(如：Ca2+、Mg2+以及其它有影響的陰離子SO42-等)后獲得含水率為25%左右的濾餅(也稱陶瓷泥餅)，濾餅化漿制成陶瓷泥漿的穩定性非常好，特別適宜于產品質量要求較高、形狀復雜的高檔衛生潔具和日用陶瓷器皿(如茶壺、花瓶等)的注漿成形用泥漿的制備。同時考慮到含有固體顆粒(細顆粒及微細顆粒)懸浮物型化工漿液、工業廢水、污水與陶瓷泥漿有許多相同之處[1]，也可以采用廂式壓濾機進行擠壓型脫水操作，便于獲得含水率為25%左右的廢渣或污泥聚集物(俗稱污泥)。該污泥與燃廢料(如粉煤灰、爐渣及煤等粉碎物混合料)攪拌、混合均勻后經真空擠壓成型機處理，就可獲得燒結磚坯體；燒結轉坯體經晾曬(干燥)處理后，進入隧道窯或輪窯等窯爐經高溫燒結、保溫及冷卻后，就可獲得燒結磚產品。所以說，廂式壓濾機也是固體顆粒懸浮物型化工漿料、工業廢水、污水處理及污泥資源化處理——污泥制作燒結磚生產廠家廣泛應用的擠壓型脫水操作的關鍵設備。

事實上，廂式壓濾機(區別于帶式壓濾機，通常帶式壓濾機不宜陶瓷工業采用)按所用壓濾板(簡稱濾板)濾布的排列方式可大致區分為立式(濾板垂直疊壓后形成過濾室)廂式壓濾機和臥式(濾板水平疊壓后形成過濾室)廂式壓濾機兩種結構形式。但因立式廂式壓濾機濾餅的剝離卸除操作比較困難等，因此，目前陶瓷工業等廠家廣泛應用的廂式壓濾機幾乎都是臥式廂式壓濾機(通常也簡稱為廂式壓濾機，除非另有說明)。同時，廂式壓濾機按濾板壓緊力的產生方式的差異又可區分為液壓壓緊型(由液壓油推動油缸柱塞產生壓緊濾板濾布的作用力)廂式壓濾機和機械作用壓緊型(如螺旋傳動機構等產生壓緊濾板濾布的作用力)廂式壓濾機?？紤]到目前陶瓷泥漿的細度要求越來越細，那么陶瓷泥漿所需的壓濾脫水阻力比較大，同時也要求固體顆粒懸浮物型工業廢水及污水絮凝沉淀物壓濾脫水濃縮后獲得的污泥含水率越來越低，一方面，可節約人類賴以生存的有限的水資源；另一方面，可大幅度地降低運輸污泥至填埋場等運輸費用或降低污泥制作燒結磚的生產成本等。但因機械作用壓緊型廂式壓濾機的壓緊力通常較小，顯然經機械作用壓緊型廂式壓濾機處理后所得濾餅(陶瓷泥餅)或污泥的含水量通常偏高。所以說，機械作用壓緊型廂式壓濾機已逐漸被液壓壓緊型廂式壓濾機所取代。

事實上，實踐生產經驗表明：廂式壓濾機框架的受力及其變形(剛性)的大小在一定范圍內嚴重影響廂式壓濾機的工作可靠性及其壓濾脫水效率的高低等。具體說來就是：如果壓濾機框架的剛性越大，其變形就越小，那么所得的濾餅(陶瓷泥餅)或污泥的含水量就越低，水資源的節約率就越高，生產成本就越低；反之，若壓濾機框架的剛性越小，其變形就越大，那么所得的濾餅(陶瓷泥餅)或污泥的含水量就越高，水資源的節約率就越低，生產成本就越高，還易造成廂式壓濾脫水操作過程中漏漿(也稱“跑漿”)，嚴重時甚至造成廂式壓濾機后橫梁(也稱尾板)的斷裂等安全生產事故。所以，積極研究和探討廂式壓濾機框架的受力分析及其變形的大小，推導出其強度和剛度的設計計算或校核公式，據此合理地設計廂式壓濾機框架的強度和剛度，能最大限度地提高廂式壓濾機的工作可靠性及壓濾脫水效率等。

1 廂式壓濾機的構造

液壓壓緊型廂式壓濾機的結構示意圖如圖1所示。液壓壓緊型廂式壓濾機是集機、電、液于一體的自動化程度較高的固液分離設備，它主要由主機部分、過濾部分、液壓部分和電氣控制部分等組成。

1-尾部支架 2-后橫梁(尾板) 3-濾板濾布 4-支柱 5-推壓板(頭板) 6-行程開關 7-拉桿(導軌) 8-前橫梁 9-頭部支架 10-鎖緊螺母 11-液壓油缸柱塞壓緊裝置 12-液壓站 13-電氣控制箱 14—電接點力

圖1某液壓壓緊型廂式壓濾機的構造示意圖

1.1 主機部分

液壓壓緊型廂式壓濾機通常利用頭部支架和尾部支架支承整臺設備的質量。尾部后橫梁(與濾板濾布接觸處安置有漏水收集溝槽，俗稱尾板、也稱止推板)和進漿管相連接，頭部前橫梁內安裝有液壓油缸柱塞壓緊裝置，頭部前橫梁與尾部后橫梁兩側由拉桿 (工作時，因濾板在拉桿上需縱向移動，所以拉桿也稱導桿)連接成一整體。考慮到廂式壓濾機工作時，拉桿既承受壓緊裝置所產生的壓緊力(縱向)，又承受濾板濾布及陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業廢水等過濾物的質量載荷(垂直方向)，而且頭部前橫梁與尾部后橫梁通常相距較遠，因此，每側拉桿中間需設有一個或兩個支柱支承，以減少拉桿在垂直方向的彎曲變形等，確保液壓油缸柱塞帶動推壓板(與濾板濾布接觸處安置有漏水收集溝槽，也稱頭板)產生預定的壓緊濾板濾布的前進運動(俗稱緊榨)和退回卸餅(濾餅，陶瓷泥餅或污泥餅)運動(俗稱松榨)，從而實現陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業廢水等的壓濾脫水操作。由此可見，主機部分是壓濾機的基礎，用于支撐過濾機構及連接其他部件，通常由前橫梁、液壓油缸柱塞壓緊裝置、推壓板、后橫梁(俗稱尾板、也稱止推板)和拉桿等組成。液壓壓緊型廂式壓濾機表工作時, 液壓油缸柱塞推動推壓板，將位于推壓板和止推板之間的濾板濾布依次壓緊，確保具有一定工作壓力(過濾推動力)的陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業廢水或污水等在濾板濾布所形成的濾室內完成加壓過濾脫水操作而獲得含水率為25%左右的濾餅、廢渣或污泥等。

1.2 過濾部分

過濾部分主要是由濾板和濾布(也稱過濾布)等組成。如圖2所示，濾板是中間有圓孔(待過濾漿料的通道)兩端內凹且具有許多相互連通的排水溝槽的圓形盤狀零件。其頂部制有濾布托架，便于安裝濾布。濾板兩側部制有支撐耳，可通過支撐耳垂直支承在兩側導桿上。

圖2 某廂式壓濾機濾板的結構示意圖

由于鑄鐵濾板的鑄造性能和機械切削加工性能良好，加工后表面噴塑處理后即可適用于陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業廢水等壓濾脫水操作。但鑄鐵濾板的材料消耗大、質量大，人工拉開濾板卸餅(濾餅，陶瓷泥餅或污泥餅)時勞動強度大；此外，為了確保濾布免遭鑄鐵濾板排水溝槽的劃傷等損害，鑄鐵濾板兩側表面的排水溝槽表面須安裝(覆蓋)多孔的鋁質薄圓板(俗稱濾水板)。即便如此，壓濾脫水操作時，濾布仍會擠入鋁質濾水板的濾水孔中而損壞?？傊?，采用鑄鐵濾板壓濾脫水操作時，濾布的破損率較高，壓濾脫水操作生產成本較高。隨著科學技術的發展，鑄鐵濾板已逐漸被塑料濾板所取代，所以說，目前陶瓷工業或固體懸浮物型工業廢水等廣泛應用的廂式壓濾機大多數是采用塑料濾板進行壓濾脫水操作的。

目前，塑料濾板的常用材質主要是聚乙烯、聚丙烯、增強聚丙烯、填充聚四氟乙烯、尼龍、聚甲醛和超高分子量聚乙烯等。因超高分子量聚乙烯是一種新型高效節能材料，具有耐壓性能好、耐磨性能好、耐熱性能好、耐腐蝕、抗沖擊、質量輕、防粘接性能好、易于壓注成形和機械切削加工性能良好等優點，并且使用壽命長(通常為聚丙烯濾板的4～6倍，鑄鐵濾板的3～9倍)及價格適中。同時，考慮到目前陶瓷泥漿的細度要求越來越細，而生產企業要求所得污泥的含水率也越來越低，那么陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業廢水及污水等所需的過濾脫水阻力大，要求塑料濾板應具有較高的耐壓和耐磨性能等。由此可見，超高分子量聚乙烯塑料濾板是目前陶瓷工業或固體懸浮物型工業廢水及污水等廂式壓濾機的最佳選擇。

濾布屬于機織物，是由經、緯兩系統紗線在織機上相互交織而成的織物。濾布又是一種過濾介質，通常由合成纖維制成。合成纖維是化學纖維中的一類，它是利用煤、石油和天然氣等為原料，經提煉和化學合成作用而制成，包括：腈綸、滌綸、錦綸、維綸、氯綸及尼龍等，它們不僅具有不易發霉、不易被蟲蛀、質地輕、耐磨、耐酸堿、表面光潔及過濾后形成的濾餅剝離性好等特點，而且還具有抗拉、抗彎、抗磨等物理機械強度高及化學穩定性、熱穩定性好等優點，因此合成纖維濾布是目前過濾行業中應用最為廣泛的。同時，考慮到濾布的選用和使用對物料(漿料)的過濾效果具有決定性的作用，所以說，選用濾布時須根據過濾漿料的pH值、固含量的多少、固體微粒物的粒徑等因素選用適宜材質和適宜孔徑的高強度優質濾布，這樣可確保獲得較低的過濾成本和較高的過濾效率。具體包括以下幾方面：

1)濾布應經久耐用。

2)濾布應具有良好的化學穩定性和熱穩定性。

3)濾布應具有較高的物理機械強度。不管過濾漿料的多寡或密度的大小如何變化，濾布應能從頭到尾保持恒定的過濾速度，為達到這一目標，濾布必須具有較高的耐壓強度及耐磨強度等。

4)濾布制作前應先下水再晾干，待濾布縮水后再制作。制作時，濾布的開孔直徑應與濾板孔徑相等并且同心，然后通過兩側的銅質空心螺釘、銅質空心螺母(軸心是進漿通道)將濾布壓緊在濾板兩側的表面上。同時還要求濾布應能在給定的時期內保持恒定的過濾速度，如果過濾一開始，濾布的毛細孔就堵塞了，當然就達不到過濾的目的，濾布應該從始到終保持恒定的過濾速度。

5)要求濾布在形成濾餅之后，還能成為過濾介質而起著過濾的作用，即形成濾餅的剝離性能良好。

6)濾布不應在使用過程中發生收縮變化或膨脹變化等。一般說來，濾布毛細孔堵塞的原因主要是在于組成濾布的纖維本身在使用過程中發生收縮變化或膨脹變化等。

7)移動濾板剝離卸除濾餅時，用力應均勻適當，不得沖擊碰撞等，以免損壞濾扳密封面及濾扳手把等。通常濾布使用一段時間后會變硬或發生毛細孔的堵塞等現象，需采用適宜的洗滌方法，如：采用相應低濃度的弱酸弱堿液進行中和清洗，可以使其恢復到足以繼續使用的程度，否則須及時更換濾布。

1.3 液壓部分

液壓部分主要是指液壓站，它是驅動液壓油缸柱塞壓緊裝置產生預定的運動實現壓緊各濾板濾布的動力裝置。主要由三相異步電動機、聯軸器、軸向柱塞泵(高壓油泵的一種)、三位四通電磁換向閥、溢流閥、液控單向閥、濾油器、油路塊(俗稱集成塊)、油箱、壓力表、壓力表開關和油壓管路等組成。

1.4 電氣控制部分

電氣控制部分是整個系統的控制中心，在電磁換向閥、行程開關及電接點壓力表的共同作用下，實現液壓油缸柱塞的“前進”、“后退”和“停止”等動作。同時，由于液壓傳動裝置不可避免地存在液壓密封件的磨損、液壓油的污染及液壓油的泄漏等缺陷，會造成濾板濾布壓緊力的降低，一旦液壓缸內油液壓力(嚴格地說，應為壓強)降低至某一預定值后，電接點壓力表立即發訊，迅速起動油泵驅動電機，再次向液壓油缸工作腔供油(俗稱灌油)，確保濾板濾布壓緊力在一定范圍內大致恒定不變。否則，就會“漏漿”，污染生產環境，不利于生產環保。此外，其還具有欠電壓、過電壓和過電流保護等功能。