蔡祖光

(湖南海諾電梯有限公司 湖南 湘潭 411104)

(續(xù)上期)

2 液壓壓緊型廂式壓濾機(jī)工作原理

液壓壓緊型廂式壓濾機(jī)的液壓原理示意圖如圖3所示，按下“柱塞前進(jìn)”按鈕時，啟動油泵電動機(jī)，油泵由油箱經(jīng)濾油器過濾后吸入液壓油，液壓油輸出后，進(jìn)入油路塊和三位四通電磁換向閥，此時因三位四通電磁換向閥處于中間位置，油泵卸荷。同時，時間繼電器開始延時，延時幾秒(可調(diào))后，三位四通換向閥用電磁鐵1CT通電，油泵輸出的壓力油進(jìn)入液壓油缸無桿腔并推動柱塞帶動推壓板及濾板濾布實(shí)現(xiàn)“前進(jìn)”的動作。在推壓板、濾板濾布和止推板靠緊時，液壓油缸內(nèi)的油液壓力迅速上升，當(dāng)液壓油缸無桿腔內(nèi)的油液壓力上升到電接點(diǎn)壓力表YX的上限(可調(diào))時，電接點(diǎn)壓力表YX立即發(fā)訊號迫使1CT失電，結(jié)果油缸柱塞立即停止“前進(jìn)”的動作，延時幾秒后油泵電機(jī)停止工作，這時液壓系統(tǒng)因液控單向閥的關(guān)閉作用而自動形成鎖緊保壓過濾回路。然后再啟動進(jìn)漿泵(液壓柱塞泥漿泵)，此時陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水或污水由泥漿攪拌池或固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水聚集池(采用攪拌機(jī)攪拌防止固體顆粒懸浮物沉淀)或污水聚集池(采用攪拌機(jī)攪拌防止固體顆粒懸浮物沉淀)經(jīng)進(jìn)漿管路和止推板上的進(jìn)漿口依次進(jìn)入各濾板濾布所組成的濾室內(nèi)進(jìn)行壓濾脫水操作。

1-油泵 2—溢流閥 3—行程開關(guān)XK 4—三位四通電磁換向閥 5—壓力表開關(guān) 6—壓力表 7—電機(jī) 8—液控單向閥 9—電接點(diǎn)壓力表YX 10—油缸 11—濾油器 12—油箱 1CT、2CT—電磁鐵

圖3液壓壓緊型廂式壓濾機(jī)的液壓原理示意圖

壓濾脫水操作過程結(jié)束時，需要液壓缸柱塞做“退回”運(yùn)動，此時首先應(yīng)停止進(jìn)漿泵(液壓柱塞泥漿泵)的工作，然后開啟止推板上進(jìn)漿管路上的泥漿轉(zhuǎn)換開關(guān)，將剩余(未完成過濾脫水操作)的漿料全部排回泥漿攪拌池或固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水聚集池或污水聚集池后，再按下“柱塞退回”按鈕，此時油泵電機(jī)立即起動，同時三位四通換向閥用電磁鐵2CT得電，油泵輸出的壓力油進(jìn)入液壓油缸的有桿腔并推動柱塞快速退回，當(dāng)柱塞退回到終點(diǎn)并壓下行程開關(guān)XK時，行程開關(guān)XK立即發(fā)訊號迫使2CT失電，柱塞停止“退回”動作，延時幾秒后油泵停止工作。最后用人工拉開濾板，搬出濾餅(陶瓷泥餅)，清潔和清洗濾布。這樣就完成了陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水或污水等過濾脫水操作過程。

若在脫水過濾過程中，因液壓油的泄漏等引起液壓油缸內(nèi)油液壓力的下降，當(dāng)液壓油液的壓力下降到電接點(diǎn)壓力表YX調(diào)定的油壓下限值(可調(diào))時，電氣控制系統(tǒng)將自動起動油泵電機(jī)，向液油缸壓緊裝置進(jìn)行補(bǔ)能(灌油)，迫使液壓油缸無桿腔內(nèi)的液壓油壓再次上升到電接點(diǎn)壓力表YX調(diào)定的油壓上限值，然后又自動斷開電源，油泵停止供油，再次形成鎖緊保壓過濾回路。這樣循環(huán)可確保陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型工業(yè)廢水或污水等壓濾脫水過程中所產(chǎn)生的液壓緊力的相對恒定，從而獲得含水量較低及含水量相對恒定的濾餅或污泥。

3 基本假設(shè)

液壓壓緊型廂式壓濾機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。廂式壓濾機(jī)框架是廂式壓濾機(jī)的主要承載構(gòu)件，不僅需要支承所有濾板、濾布及推壓板(又稱頭板)的重量、所有濾板、濾布、推壓板及后橫梁(又稱尾板或止推板)所形成的所有過濾室內(nèi)填充物(待過濾物)的重量，而且還要承受濾板濾布的壓緊力(液壓油缸柱塞的推壓力)以及過濾物料(漿料)產(chǎn)生的過濾推動力等。所以說，為了簡化廂式壓濾機(jī)框架強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算，我們可以將廂式壓濾機(jī)框架簡化為一個封閉的“四邊形”框架(又稱“矩形”框架)[2～4]，如圖4所示。顯然這是一個超靜定系統(tǒng)(也稱靜不定系統(tǒng)或靜不定構(gòu)件)。眾所周知，靜不定構(gòu)件是一個整體的受力構(gòu)件，當(dāng)外力作用下，各構(gòu)件之間存在著復(fù)雜的受力變形制約(協(xié)調(diào))關(guān)系，通常是不能簡單地將靜不定構(gòu)件簡化成或者拆分成“梁狀”構(gòu)件和“桿狀”構(gòu)件的組合體等。為了求解此靜不定構(gòu)件的受力及其變形之間的復(fù)雜關(guān)系，我們需采用以下基本假設(shè)。

1)圖1中的廂式壓濾機(jī)正常工作時，施加于濾板濾布的壓緊力必須大于過濾物料(如：陶瓷泥漿或固體顆粒懸浮物型化工漿液、工業(yè)廢水及污水)的壓濾脫水(過濾脫水)推動力，否則就會使所獲得的濾餅(陶瓷泥餅)或污泥的含水率過高，導(dǎo)致壓濾脫水效率降低，嚴(yán)重時，甚至還會產(chǎn)生漏漿(也稱“跑漿”)等，浪費(fèi)原材料，污染生產(chǎn)環(huán)境，不利于文明生產(chǎn)等。因此，在設(shè)計(jì)計(jì)算時，我們必須以濾板濾布的壓緊力F(單位：N)為依據(jù)，并認(rèn)為可濾板濾布的壓緊力F通過推壓板及各濾板濾布等分別作用于前橫梁和后橫梁的中斷面上，而且可以簡化為一對大小相等、方向相反、作用在一條直線上的縱向作用力F，如圖4所示。

1-前橫梁 2-拉桿 3-后橫梁 4-鎖緊螺母

2)從圖1可以看出，因廂式壓濾機(jī)兩側(cè)的拉桿(又稱導(dǎo)軌)通常采用一個或兩個支柱支承，這就最大限度地限制了兩側(cè)拉桿在自重方向(垂直方向)的變形。同時，考慮到推壓板、所有濾板濾布及所有過濾室內(nèi)的填充物的重量與濾板濾布的壓緊力F相比都很小，因此，我們可以近似認(rèn)為該作用力對拉桿所產(chǎn)生的垂直變形(自重方向)非常小，并可以忽略不計(jì)。

3)由于廂式壓濾機(jī)框架的受力及結(jié)構(gòu)具有對稱性，同時壓緊濾板濾布的移動過程中推壓板、所有濾板濾布與拉桿接觸所產(chǎn)生的支承力及摩擦阻力與濾板濾布的壓緊力F相比極小，也可忽略不計(jì)。所以，我們獲得廂式壓濾機(jī)受力后其變形示意圖如圖5所示。

4)如圖1和圖4所示，考慮到廂式壓濾機(jī)框架是由前橫梁、后梁和兩側(cè)拉桿兩端分別通過高強(qiáng)度的螺紋連接可靠地連接構(gòu)成“矩形”框架這一客觀事實(shí)。那么，我們可近似地認(rèn)為廂式壓濾機(jī)框架的前橫梁、后橫梁和兩側(cè)拉桿交界處(又稱拐角)的剛性為無限大，所以廂式壓濾機(jī)框架受力變形后，其拐角扔保持為直角示意圖如圖5所示。

圖5 廂式壓濾機(jī)框架的受力變形示意圖

4 力學(xué)模型的建立

為了簡化廂式壓濾機(jī)框架強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算或校核，我們可近似地認(rèn)為廂式壓濾機(jī)框架的前橫梁、后橫梁和拉桿在其計(jì)算長度(單位：m)內(nèi)屬于等截面梁狀構(gòu)件或等截面柱狀構(gòu)件，且?guī)綁簽V機(jī)框架的前橫梁、后橫梁和拉桿的等效截面慣性矩(單位：m4)及等效截面積(單位：m2)依次分別為J1、J2、J3、A1、A2、A3，并且J1>J2>J3，A1>A2>A3，生產(chǎn)實(shí)踐中通常是h>L(如圖5所示)。同時，又考慮到廂式壓濾機(jī)框架的前橫梁和后橫梁通常采用鑄造性能較好、金屬切削加工性能良好及強(qiáng)度較高的球墨鑄鐵(如：QT600-3等)或鑄鋼(如：ZG35等)等鑄造成形，經(jīng)消除鑄造內(nèi)應(yīng)力處理后再經(jīng)金屬切削加工后制成；或采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板(如；Q235A等)和型材(如：角鋼、槽鋼及工字鋼，其材質(zhì)仍為Q235A等)焊接成廂式壓濾機(jī)框架的前橫梁和后橫梁毛坯，前橫梁和后橫梁的焊接式毛坯經(jīng)消除焊接內(nèi)應(yīng)力處理后再經(jīng)金屬切削加工后制成廂式壓濾機(jī)框架的前橫梁和后橫梁。此外，廂式壓濾機(jī)框架兩側(cè)的拉桿通常采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(如：45#鋼等)經(jīng)調(diào)質(zhì)處理及調(diào)直校正處理后，再經(jīng)車削成形。由此可見，廂式壓濾機(jī)框架的前橫梁、后橫梁和拉桿所用材料的彈性模量基本相似，都標(biāo)記為E(單位：Pa)。在上述基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，我們可將廂式壓濾機(jī)框架簡化為“矩形”構(gòu)件[2～4](如圖5所示)。

5 受力分析

以軸力N0和彎矩M0作為多余約束反力，并標(biāo)記為X1=N0及X2=M0來求解此超靜定系統(tǒng)。同時，考慮到“矩形”構(gòu)件受力后所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形在其寬度方向(橫向)也是對稱的，因此我們可選取二分之一“矩形”構(gòu)件進(jìn)行受力分析，并根據(jù)理論力學(xué)和材料力學(xué)的相關(guān)知識獲得如圖7(a)所示的基本靜定系[2～3]。

N0——中截面的軸力 Q0——中截面的剪力 M0——中截面的彎矩圖6 廂式壓濾機(jī)框架后橫梁中斷面假想剖切時的受力分析示意圖

同時，考慮到“矩形”構(gòu)件所產(chǎn)生的變形在其寬度方向(橫向)也是對稱的這一客觀事實(shí)，H截面(中截面)在X1方向及X2方向絕不允許產(chǎn)生變形，否則，此“矩形”構(gòu)件即廂式壓濾機(jī)框架將受到破壞而斷裂，顯然這與廂式壓濾機(jī)正常工作是相互矛盾的。由此可見，H截面(中截面)在X1方向及X2方向所獲得的位移只能分別為零。所以我們求得“矩形”構(gòu)件的變形協(xié)調(diào)方程(二元一次方程組)為[2～3]：

△1+δ11X1+δ12X2=0

△2+δ21X1+δ22X2=0

為了便于描述，可假設(shè)迫使“矩形”構(gòu)件產(chǎn)生向“矩形”構(gòu)件內(nèi)側(cè)凸出變形的彎矩為正，顯然，迫使“矩形”構(gòu)件產(chǎn)生向“矩形”構(gòu)件外側(cè)凸出變形的彎矩為負(fù)，為此，分別計(jì)算二分之一“矩形”構(gòu)件在各段的彎矩方程如下：

2)基本靜定系在X1方向單位作用力的單獨(dú)作用下(見圖7(c))所產(chǎn)生的彎矩方程如下：

CA段：M1(y)=-y (0≤y≤h)

3)基本靜定系在X2方向單位力偶矩的單獨(dú)作用下(見圖7(d))所產(chǎn)生的彎矩方程如下：

CA段：M2(y)=1 (0≤y≤h)

4)根據(jù)材料力學(xué)的莫爾積分可求出各系數(shù)之值，如圖7所示。

圖7 多余約束反力的求解示意圖

5)將各系數(shù)值代入變形協(xié)調(diào)方程(二元一次線性方程組)為：

將變形協(xié)調(diào)方程(二元一次線性方程組)兩側(cè)除以公因式，整理后得：

我們可以利用行列式或代入法求解上述二元一次線性方程組，得到：

6 強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算

因廂式壓濾機(jī)框架的受力及其幾何形狀在其寬度方向(橫向)的對稱性，同理我們可以從二分之一“矩形”構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算著手，然后按對稱性原則求出整個“矩形”構(gòu)件的強(qiáng)度，即為所求廂式壓濾機(jī)框架的強(qiáng)度，如圖7(a)所示，分別計(jì)算二分之一“矩形”構(gòu)件各段的彎矩方程及軸力方程如下。

6.1 彎矩方程

根據(jù)上述彎矩方程，我們可以做出二分之一“矩形”構(gòu)件的彎矩圖，然后按照“矩形”構(gòu)件在其寬度方向(橫向)的受力對稱原則，即可作出整個“矩形”構(gòu)件的彎矩圖，如圖8(a)所示，即為所求廂式壓濾機(jī)框架的彎矩圖。同時，拐角處的彎矩分別為：

1)廂式壓濾機(jī)框架的前橫梁與兩側(cè)拉桿拐角處的彎矩，即為：

2)廂式壓濾機(jī)框架的后橫梁與兩側(cè)拉桿拐角處的彎矩，即得到：

3)廂式壓濾機(jī)框架前橫梁中截面處的彎矩，即得到：

4)廂式壓濾機(jī)框架后橫梁中截面處的彎矩，即得到：

因廂式壓濾機(jī)框架通常是J1>J2>J3，h>L，即可得到：K1>K2，α>1，所以得出MA=MB

由此可見，廂式壓濾機(jī)框架將在前橫梁或后橫梁的中截面處獲得最大的彎曲應(yīng)力，它所對應(yīng)的彎矩分別為：

1)廂式壓濾機(jī)框架前橫梁中截面處的彎矩，即得到：

2)廂式壓濾機(jī)框架后橫梁中截面處的彎矩，即得到：

6.2 軸力方程

(a)彎矩圖 (b)軸力圖圖8 廂式壓濾機(jī)框架受力后的彎矩圖和軸力圖

同理，根據(jù)上述軸力方程，我們可以做出二分之一“矩形”構(gòu)件的軸力圖，然后按照“矩形”構(gòu)件在其寬度方向(橫向)的受力對稱原則，即可作出整個矩形”構(gòu)件的軸力圖(如圖8(b)所示)，即為所求廂式壓濾機(jī)框架的軸力圖。

實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，通常剪力對廂式壓濾機(jī)框架(“矩形”構(gòu)件)的破壞作用極小，因此強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)計(jì)算或校核時通?？珊雎约袅Φ挠绊慬2～3]，因此，我們可以根據(jù)廂式壓濾機(jī)框架的彎矩圖和軸力圖(見圖8)，對廂式壓濾機(jī)框架進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算或強(qiáng)度校核。

同時圖8也表明，廂式壓濾機(jī)框架后橫梁中截面處既承受較大的彎曲拉應(yīng)力，又承受較大的軸向拉應(yīng)力，兩者迭加后易達(dá)到材料的斷裂應(yīng)力(抗拉強(qiáng)度極限)，并且球墨鑄鐵(如：QT600-3等)、鑄鋼(如：ZG35等)和普通碳素結(jié)構(gòu)鋼(如：Q235A等)材料的抗拉能力通常比抗壓能力差。值得注意的是，若設(shè)計(jì)制造考慮欠妥時，其后果是易造成廂式壓濾機(jī)框架后橫梁受到破壞甚至斷裂等安全隱患，這是廂式壓濾機(jī)框架設(shè)計(jì)制造過程中應(yīng)避免的毀壞性事故。在實(shí)踐生產(chǎn)中確實(shí)也發(fā)生了廂式壓濾機(jī)框架后橫梁斷裂的事故，這與理論分析及設(shè)計(jì)計(jì)算完全吻合，同時也驗(yàn)證了采用廂式壓濾機(jī)框架強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算或校核公式設(shè)計(jì)制造廂式壓濾機(jī)是安全可靠的。

7 剛度的設(shè)計(jì)計(jì)算

從圖1和圖5可得出，廂式壓濾機(jī)工作時，在濾板濾布的壓緊力(液壓油缸柱塞的推壓力)的作用下，廂式壓濾機(jī)框架在濾板濾布的壓緊方向——廂式壓濾機(jī)框架的長度方向(縱向)和寬度方向(橫向)都產(chǎn)生了變形。實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明：廂式壓濾機(jī)框架在其寬度方向(橫向)所產(chǎn)生的變形f0遠(yuǎn)小于在長度方向(縱向)所產(chǎn)生的變形量(f1+ f2)。若廂式壓濾機(jī)在濾板濾布的壓緊方向——廂式壓濾機(jī)的長度方向(縱向)的變形量(f1+ f2)過大，就會造成所獲得的濾餅(陶瓷泥餅)或污泥餅的含水率過高，降低其壓濾脫水效率，嚴(yán)重時，甚至產(chǎn)生漏漿(也稱“跑漿”)等，浪費(fèi)原材料，污染生產(chǎn)環(huán)境，不利于清潔生產(chǎn)等。因此，設(shè)計(jì)制造廂式壓濾機(jī)框架時，必須限制廂式壓濾機(jī)框架縱向變形量(f1+ f2)的大小，才能確保廂式壓濾機(jī)的正常工作和提高其壓濾脫水效率。

事實(shí)上，我們考慮到廂式壓濾機(jī)正常工作時，廂式壓濾機(jī)框架將在前橫梁和后橫粱的中截面處即濾板濾布的壓緊力F的作用線處(縱向)產(chǎn)生最大變形量(f1+ f2)(見圖5)并符合構(gòu)件受力與其變形之間的關(guān)系——卡氏定律[2～3]，因此我們可獲得：

式中：U(y)為整個廂式壓濾機(jī)框架在濾板濾布的壓緊力F的作用下所產(chǎn)生的變形能量之總和。

因廂式壓濾機(jī)框架即“矩形”構(gòu)件的受力、幾何形狀及其變形的軸對稱性特點(diǎn)，所以整個廂式壓濾機(jī)框架在濾板濾布的壓緊力F的作用下所產(chǎn)生的最大變形量(f1+ f2)是按卡氏定律計(jì)算二分之一“矩形”構(gòu)件變形量的兩倍(如圖7所示)，可得到：

將二分之一“矩形”構(gòu)件在HC段、CA段及AG段的軸力方程及彎矩方程代入上式，同時，為了簡化設(shè)計(jì)計(jì)算過程，可令：

這就是廂式壓濾機(jī)框架在濾板濾布的壓緊方向(廂式壓濾機(jī)長度方向——縱向)所產(chǎn)生的最大變形量，所以，我們可以根據(jù)上述設(shè)計(jì)計(jì)算公式對廂式壓濾機(jī)框架進(jìn)行剛度設(shè)計(jì)計(jì)算或剛度校核。

1 張雪敏,王建義,梁嘉琪.建筑垃圾生產(chǎn)燒結(jié)墻體材料的預(yù)約化處理[J].磚瓦.北京:清華大學(xué)出版社,2017

2 盧耀祖,鄭惠強(qiáng).機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2004

3 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:人民教育出版社,1982

4 西北工業(yè)大學(xué).理論力學(xué)[M].北京:人民教育出版社,1981