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）式中，L2为转鼓圆锥形部分滤饼沿转鼓内表面方向的长度，m；为转鼓圆锥形部分的半锥角，（）。质量为 dm2的薄圆柱环滤饼所受离心力：ddFmr222=（6）圆锥形部分滤饼所受的离心力：Fmrrrr rrrrrr222221211222132321=-()-|d Fmrrrr rrrrrr2222212112221323223=-()-|L cos|（7）由圆锥形部分滤饼离心力引起的滤袋与转鼓内壁之间的黏附力：f22=F cos（8）2.2.2 拉袋驱动力中心盘集装式拉袋卸料机构驱动活塞产生的拉袋驱动力：F=nPS（9）式中，n 为气缸传递力的安全系数，一般气缸垂直使用时取n=0.512；P为输入气源的压力，Pa；S为活塞的受力面积，m2，S=（R12-R22）；R1为活塞的外半径，m；R2为活塞的内半径，m。拉袋卸料时，需克服滤袋与残余滤饼之间的黏附力，才能将滤袋拉动。升降套筒在中心盘集装式拉袋卸料机构驱动下，沿中心盘外圆周面向下运动，满足：F ff12+cos（10）2.2.3 计算实例以 LGLZ1250-N 型拉袋辅助卸料离心机为例进行计算，其技术参数如下：r1=0.625m，r2=0.61m，=1250kg/m3，n=100r/min，L1=0.54m，L2=0.017m，=65，=0.6，n=0.5，R1=0.24m，R2=0.22m，P=6105Pa，代入式（3）和式（4）得到，F1=2632N和 f1=1579N；代入式（7）（9），得到 F2=82N、f2=49N 和 F=8700N，满足式（10）。2.3 技术参数根 据 式（9）计 算 转 鼓 内 径 1000mm 到1600mm 的中心盘集装式拉袋卸料机构的拉袋驱动力，并将相关技术参数见表 2。表 2 中心盘集装式拉袋卸料机构技术参数Tab.2 Tableoftechnicalparametersofcentralplateintegratedfilter-bagpullinganddischargemechanism离心机转鼓内径/mm活塞受力面积/m2气源压力/MPa拉袋驱动力 F/N最大提高倍数10000.0200.66000 1612500.0298700 1515000.03410200 1516000.03610800 142.4 优势比较中心盘集装式拉袋卸料机构已经应用在刮刀离心机所有规格型号上，逐步替代传统内置气缸式和外置气缸式拉袋卸料机构。在新能源三元材料前驱体及正极材料洗涤分离、湿法铜精炼、原料药肌酸胍盐生产等应用中，优势表现见表 3。表 3 中心盘集装式拉袋卸料机构优势比较Tab.3 Advantagecomparisonofcentralplateintegratedfilter-bagpullinganddischargemechanisms项目卸料频率/Hz同轴度控制量/mm 故障率中心盘集装式0.1250.2 0.5低内置气缸式0.10.1251.05.0高外置气缸式0.0670.11.02.0较高3 典型应用在锂电池三元材料前驱体洗涤脱水工序，拉袋辅助卸料离心机可获得较低含水率的滤饼，洗涤脱水效率较高。某项目中，氢氧化物浆料数据以及工艺要求如下：（1）浆料温度：5095；（2）浆料密度：1.31.5g/cm3；（3）浆料粒径（激光粒度）：Dmin1m，3mD5020m，Dmax45m；（4）浆料pH值：1013；（5）浆料含固量：10%50%；（6）洗涤液：温度为80100的脱盐水或碱洗水；（7）处理量：300500kg/批次。根据以上参数，选用采用 LGLZ1250-N 型拉袋辅助卸料离心机，其技术参数如下：转鼓直径1250mm，转鼓高度630mm，转子转速1000r/min，分离因数700，工作容积340L，装料限量425kg，电机功率 22kW。为避免物料腐蚀及铁铜锌对三元材料前驱体的影响，转子材质采用双相不锈钢 2205，刮刀材质采用工业纯钛 TA2，与物料接触的其它部分喷涂碳化钨。滤袋名义过滤精度为3m。经实测，经过离心机洗涤脱水后，滤饼含水率6%，母液固含量0.2%。通过中心盘集装式拉袋卸料机构，残余滤饼卸除率超过 86%，没朱碧肖，等：中心盘集装式拉袋卸料机构的设计与应用60FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023批次滤袋残余滤饼重量小于 4kg。拉袋辅助卸料离心机工作过程中，滤饼过滤属于恒压过滤13。残余滤饼去除，有利于下一批物料过滤，得到了广泛应用。4 结论（1）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。（2）中心盘集装式拉袋卸料机构不改变原有离心机主轴结构，获得较大结构参数，拉袋驱动力较内置气缸式可提高 14 倍以上，可靠性高，故障率低，卸料频率快。（3）通过在三元材料前驱体洗涤脱水工序中的应用，中心盘集装式拉袋卸料机构可实现残余滤饼卸除率超过 86%，每批次滤袋残余滤饼重量小于 4kg。参考文献：1 陈崔龙.新型刮刀离心机在双氰胺生产中的应用J.现代化工，2007（增刊 2）：440-442.CHENCL.Applicationofnovelcentrifugebyscraperindicyandiamineproduction J.ModernChemicalIndustry，2007（Sup.2）：440-442.2 金倬敏，徐斌，曹果林，等.PGZ 平板式全自动下部卸料离心机在镍钴粉体材料生产中的应用 J.粉末冶金工业，2013（23）：55-59.JINZM，XUB，CAOGL.ApplicationofPGZflatfullautomaticbottomdischargecentrifugeintheproductionofnickel-cobaltpowdermaterialsJ.PowderMetallurgyIndustry，2013（23）：55-59.3 汤玲花，谭玉虎，刘光辉，等.平板刮刀下卸料离心机在粉体生产中的应用 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M.Beijing：MetallurgicalIndustryPress，2017.作者简介：朱碧肖（1990），女，硕士研究生，工程师，研究方向为过滤与分离设备设计，通信地址：230031 安徽省合肥市长江西路 888 号合肥通用机械研究院有限公司，E-mail：。本文引用格式：朱碧肖，陈崔龙，邓超.中心盘集装式拉袋卸料机构的设计与应用 J.流体机械，2023，51（2）：56-60.ZHUBX，CHENCL，DENGC，etal.Designandapplicationofthecentralplateintegratedfilter-bagpullinganddischargemechanism J.FluidMachinery，2023，51（2）：56-60.