工业卧式全自动反冲洗滤水器结构设计说明 

        工业卧式全自动反冲洗滤水器结构设计说明，压载水用设备在寸土寸金的狭小空间使用，应尽量缩小其体积，而且压载水的排放标准极其苛刻，对过滤器的功能有更高的要求。提出了采用卧式自动反冲洗过滤器的构思，确定反冲洗结构方案，设计过滤器的滤网、筒体和反冲洗部件，通过Matlab机构运动学分析软件对吸嘴在滤网上的运动进行分析，在此基础上应用Pro/E对其三维建模，并对滤筒内的流场进行压损分析，通过相关实验，验证了设计的合理性，为该类产品设计提供参考依据。
       在船舶航行过程中加装的水及其悬浮物称为船舶压载水，主要用于控制船舶在空载情况下的稳定性。压载水的危害主要包括以下3个方面：生态影响、健康影响和经济影响。因此，为了加强管理船舶压载水的排放，国际海事组织IMO为此门制定相关法规来约束。我国作为航业大国、IMOA类理事国及公约当事国之一，必须拥有一套自主知识产权的压载水处理技术。因此，发展本国的船舶压载水处理技术，拥有一套具有完全自主知识产权和具备国际领先水平的船舶压载水处理系统有非常重要的意义。
       在综合分析和比较国内外现有的船舶压载水处理系统中压载水过滤技术的前提下，提出一种安全、高效、经济、环保的处理方法，希望能够为船舶压载水处理技术方面提供一些相关的支持和探索。
1、全自动反冲洗过滤器结构
1.1工业卧式全自动反冲洗滤水器技术参数
       表1为工业卧式全自动反冲洗滤水器设计的技术参数，处理流量为300m3/h,当海水过滤介质通过该工业卧式全自动反冲洗滤水器后，介质中大于50μm的颗粒和生物体被滤网截止，随着过滤的继续进行，滤网上的过滤杂质会慢慢积累形成滤饼，为了防止滤饼增厚影响滤网的过滤效能，设计通过在进出口设定压差传感器，当压差传感器的压差在0.48kPa时，过滤自动进行反冲洗自动压差在0.48kPa以下，当压差达到0.6kPa时，发出报警信号，从而保证工业卧式全自动反冲洗滤水器的安全。
表1过滤器设计的技术参数
过滤  介质 处理  流量/
(m3/h) 工作压力/kPa 温度/℃ 介质温度 反冲洗时 过滤
精度/μm 压差/kPa  范围/℃间/s  
压载水 300 10 0～60 0～6020 500.48
1.2工业卧式全自动反冲洗滤水器结构
       工业卧式全自动反冲洗滤水器结构如图1所示，主要由反冲洗结构、滤网、筒体、丝杆驱动机构等部件组成。过滤器实现双级过滤功能，由2个过滤室组成，一级过滤室由粗滤网构成，二级过滤室由细滤网及排污装置组成。吸嘴在其轴线上按一定距离均布着若干个吸污管，吸污轴与排污腔相通。排污阀设置在排污腔外，在进出管口分别装有压力传感器用来监控压差，把压差信号传入PLC控制器中分析，若达到压差反冲洗设定值0.48kPa,则排污阀打开，在排污阀打开时，工业卧式全自动反冲洗滤水器内部水压与外部大气之间形成的压差使吸嘴产生强劲吸力，高速的水流将杂质携入排污管，通过排污阀排出。吸嘴由一个连有丝杆螺母装置机构的双向电机驱动，按照固定的转速作螺旋式的运动，这样几个吸嘴就能吸遍整个滤网内表面。螺旋机构运动达到设定值20s后，排污阀关闭，从而完整地完成一次反冲洗过程，但压差设定值达到0.48kPa吸嘴却为进行反冲洗时，压差会继续变大，当压差值增加到0.6kPa时，控制系统就会接通警报电路，从而保证过滤器的安全运行，如此循环即可达到设计要求。
图1工业卧式全自动反冲洗滤水器结构
2反冲洗过滤器结构设计
       压载水用反冲洗过滤器主要由粗细滤芯、筒体、吸污轴、封头、压载水进出口、排污阀、丝杠螺旋机构及其驱动装置等部件组成。
       2.1过滤器滤芯的选型与设计滤材采用的是316L不锈钢，该材料有耐腐蚀、机械强度大、化学性质稳定和造价经济实惠等优点。为实现50μm的过滤精度，滤网目数为80×400,不锈钢丝编织滤网。
       2.1.1有效过滤面积A的确定
有效过滤面积为：(1)Q为过滤器的设计流量滤面积；v为过滤速度；f为滤网的净面积系数。设计中，Q取值为300m3/s,v的取值为1.5m/s,f的取值为0.07,计算得A=7936.5079cm2(2)
       2.1.2过滤元件内径D和有效长度的确定过滤元件内径为：(3)D圆整取值360mm,即L=2D=720mm(4)
       2.2过滤器筒体的设计筒体厚度为：(5)pe是计算压力，取值为110MPa,D,是筒体内径，取值为400mm;[o]′是许用应力，取值为118MPa,p为筒体设计压力，取值为1.1MPa;p焊接接头系数，取值为0.85。将各值带入式(5)得δ=2.2mm,对于低合金钢制的容器规定腐蚀余量应不小于3mm,所以取名义厚度为6.0mm。
       2.3筒体的强度校核根据圆筒筒壁应力校核公式可得水压试验时的应力为：(6)δ。为筒体有效厚度，取值为3.7mm,即8=60.01MPa(7)316L钢制容器在常温水压试用时的许可压力[o]'=118MPa。[o]φ=118×0.85=10.3MPa≥o因此筒体厚度满足水压试验时强度要求。
2.4吸污轴结构的确定
      外径为：(8)T为轴传递的额定扭矩；[r]为轴材料的许用剪应力，on轴材料的抗拉强度，查《机械材料手册》可知316L的为480MPa;v为排污轴的内径d。与外径d之比，取0.93。T=T?+T?+T?(9)T?负载扭矩；T?惯性扭矩；T?摩擦力矩。
      2.4.1惯性扭矩计算由转动惯量定理可知：T?=Ja(10)(11)J为转动惯量，a为角加速度，通过Pro/E对其三维建模可估算其质量属性m=8.12kg,r=60mm,J=14616kg·m2;△t为启动时间，一般为2~3s,在此取2s,w=πn/30,n=27r/min,所以α=1.41rad/s2计算得T?=20663N·mm。
2.4.2负载扭矩和摩擦力矩计算
       通过CFD软件对吸嘴在流场中的受力分析，可知排污轴在反清洗运转时受到的流体作用的负载扭矩T?=80N·mm,相比惯性力矩太小可忽略不计。在运转时还受到支撑部位的摩擦力，因设计采用机械轴封摩擦力很小可忽略不计，因此总扭矩T=20663N·mm,代入式(12)得：(12)d=24.26mm<60mm,符合设计要求。
3反冲洗机构建模与仿真
       依据反冲洗机构的结构形式，应用Pro/E对其虚拟样机建模和利用Matlab/Simulink中的Sim-Mechanics工具箱对其进行运动学仿真，检测吸嘴在滤网上轨迹曲线，验证机构设计的合理性。
3.1基于SIMMECHANICS机构仿真
       参数设定好后就可进行仿真。根据反冲洗时间将“SimulationStoptime”设置为20s。单击运行即可看到图2过滤器三维动画仿真过程图。刚体B1的轴向位移、轴向速度变化曲线如图3所示，角速度的单位为rad/s,角加速度的单位为rad/s2。从图3中可以看出B1的轴向位移在20s内是90mm,速度为4.5mm/s完全符合设计的要求。X/cm(a)X-Z平面初始状态(b)三维空间运动状记(a)X-Z平面终止状态图2运动仿真过程t/s(a)轴向运动位移
图3刚体B1运动参数
       刚体B2的角速度变化如图4所示，从图中可以看出，刚体B2处的角速度不发生变化，属于匀速转动，末端执行器的运动轨迹如图5所示。末端轨迹线为螺旋曲线，末端位移为170mm,从图5可以看出，符合吸嘴设计的运动轨迹，从而进一步说明了螺旋丝杆机构设计的合理性。轴向位移/mmt/s
图4杆件B2角速度
3.2设计虚拟样机
       结合SimMechanics螺旋丝杆运动学仿真结果，利用Creo2.0三维设计软件对过滤器进行三维模型设计，3D虚拟样机如图6所示。
图63D样机4滤网压损当压载水通过多孔介质滤网层时，其流速和压降成线性关系，并且满足达西定律。达西定律是由法国水力学家达西在1852～1855年通过大量实验得出的，则该流动可表述为：(13)(14)ξ为过滤介质的孔隙度；K。为科泽尼系数；S?为过滤介质比面。(15)将数据带入，可计算得滤网内外表面的压差△P1为0.011MPa。
5过滤器流场仿真
       应用Gambit2.3.16建立工业卧式全自动反冲洗滤水器内流体流场的三维模型，边界条件入口inlet类型为VELOCITY_
INLET,出口OUTLET类型为OUTFLOW。经过fluent求解器反复迭代计算后得到其Z=0平面速度矢量图7和压力云图8,从图7中可以看出，进水口垂直对面的地方压力高，中部压力小。
图8Z=0平面速度矢量图
       从图8的速度分布图上可以看出流体在从入口进入后，速度方向发生了变化，速度值也逐渐减小。流体刚进入过滤器时，由于速度值较大，入口处的压力值相对较低，当流体到达顶端，流体速度和方向变化大，所以该处的压力值就大。当流体在过滤器内往两边旋转后，速度值比较稳定，当碰到两端面时，速度和方向又发生很大的波动，因此过滤器的左上部分和右上部分的压力比较集中。
       通过Fluent流体仿真软件计算得进出口压差p?=4.8kPa,因此工业卧式全自动反冲洗滤水器内总体压损p=p?+p?=0.158kPa;设计要求的压损大值为0.38kPa,因而压损值完全符合设计要求。
       确定过滤器总体反冲洗过滤方案为吮吸式自动反冲洗。工业卧式全自动反冲洗滤水器由粗滤网、细滤网、排污阀、反冲洗机构等组成，反冲洗机构由吸嘴、排污轴、丝杆、螺套、导套、蜗轮蜗杆箱等零部件组成。对过滤器内的流场和压损仿真，通过达西流体理论公式计算滤网的压损，在应用流体仿真软件对过滤器筒体内的流场进行速度场仿真，理论分析和压损仿真表明，设计的过滤器符合设计要求。