基于鉸桿的高壓污泥深度脫水裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要目前，污泥脫水對于減少污泥量以實(shí)現(xiàn)高成本效益的運(yùn)輸和最終處置是必要的[1]。但是初步脫水之后的污泥基本沒有辦法繼續(xù)使用，想要將污泥資源化利用，我們首先要做的是將污泥的含水量降低。當(dāng)下污水處理的必要過程是污泥深度脫水，它在污泥后續(xù)處理中也起重要作用。本文通過對污泥壓縮性能的分析，設(shè)計(jì)了符合其壓縮性能的污泥的深度脫水高壓裝置。在3MPa的壓力條件下壓榨10min可快速降低污泥的含水率至50%以下，為后續(xù)污泥的資源利用提供很好的條件。該高壓裝置是利用鉸桿的增力機(jī)構(gòu)還有碟簧的保壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合來完成壓榨污泥。鉸桿擁有力放大的特性，而且機(jī)構(gòu)的這個(gè)特性與污泥的壓縮特性非常符合，并具備了自鎖功能。本文鉸桿增力機(jī)構(gòu)可以達(dá)到18倍力放大，進(jìn)行一次壓榨可以對93mm污泥實(shí)現(xiàn)深度脫水。通過圓盤、軸承壓力大、變形小的具體組合，減少壓力保護(hù)過程中因水損失對污泥的擠壓壓力。另外，由于在擠壓過程中，泥餅表面含水量低，內(nèi)部含水量高，而在高壓下，泥餅內(nèi)的水不易排水。如果內(nèi)部水分含量不能有效排出，將大大降低脫水裝置的脫水效率。因此，在污泥內(nèi)設(shè)計(jì)了引水裝置，在泥餅擠壓過程中可以幫助污泥內(nèi)的水快速排出，提高了脫水裝置的脫水效率。關(guān)鍵詞：高壓脫水；污泥的壓縮特性；目錄TOC\o"1-3"\h\u280211.緒論 1176411.1課題的研究背景 1271271.2當(dāng)前脫水裝置研究狀況及其發(fā)展?fàn)顩r 1237391.2.1、機(jī)械脫水 1292051.2.2、熱力脫水 1283581.2.3、自然干化法 1290291.2.4、造粒脫水法 2129611.3國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及存在問題 2148722.污泥壓縮特性的研究 338082.1污泥進(jìn)行預(yù)處理 3104782.2對污泥脫水性能的研究 3173452.3對污泥機(jī)械脫水的影響因素 3250282.4研究污泥的壓縮特性曲線 4327553.設(shè)計(jì)高壓污泥深度脫水裝置 6127183.1進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì) 7227453.2對機(jī)構(gòu)總體尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì) 7191243.3鉸桿增力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及力學(xué)、運(yùn)動(dòng)分析 7106883.3.1對鉸桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析 8283353.3.2鉸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析 緒論1.1課題的研究背景當(dāng)前的城市污水處理廠污泥脫水技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，從自然干化脫水發(fā)展到機(jī)械脫水。我國的污水處理廠大多數(shù)都是通過機(jī)械設(shè)備來完成污泥脫水的，因此占地比較少，與自然干化相比，惡臭影響也較小。由于污泥產(chǎn)生量越來越大，污泥對人類生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響日益突出。如何降低污泥對環(huán)境的影響，并實(shí)現(xiàn)對污泥的資源化利用，是污泥處置和保護(hù)環(huán)境的一個(gè)重要課題[2]。但污水污泥的減量化和資源化利用卻長期得不到有效的解決，久而久之污泥的排放和堆置將變成新的污染源[3]。對于我國日益增多的污泥，該怎樣處理污泥將其無害化、減少污泥的產(chǎn)生、將污泥資源化已經(jīng)是我國一個(gè)需要早日解決的問題。當(dāng)前我國大多以土地使用處理污泥為主，還有燒毀、填埋等方式，但不論采取哪種方式來進(jìn)行污泥后續(xù)處理，首先要進(jìn)行解決的是怎樣有效的降低污泥含水量。污泥深度脫水技術(shù)是指在對高含水率、難脫水污泥進(jìn)行預(yù)處理后,再經(jīng)過高壓壓榨、熱干化等脫水工藝,將含水率降低到45%以下的一種污泥處理技術(shù)[4]。污泥脫水是減少污泥體積、穩(wěn)定其有機(jī)成分、實(shí)現(xiàn)資源化利用的一個(gè)重要問題[5]。1.2當(dāng)前脫水裝置研究狀況以及發(fā)展?fàn)顩r現(xiàn)在國內(nèi)外相對于污泥脫水的方法主要有機(jī)械脫水、熱力脫水、自然干化法以及造粒脫水等。1.2.1、機(jī)械脫水采用機(jī)械脫水技術(shù)污泥脫水時(shí)需要對化工企業(yè)產(chǎn)生的污泥進(jìn)行前期處理。前期處理工作需要先濃縮污泥,減小污泥體積,改善污泥脫水性。改善污泥脫水性所使用的方法為熱處理法或投放化學(xué)試劑(混凝劑、無機(jī)鹽)。經(jīng)過前期處理后的污泥便可以進(jìn)行機(jī)械脫水了,污泥機(jī)械脫水法有過濾法和離心機(jī)離心法[6]。1.2.2、熱力脫水熱脫水一般采用熱源干燥進(jìn)行干燥。熱干燥利用熱能將水分從液相轉(zhuǎn)化為蒸汽相進(jìn)行分離。因?yàn)闊崦撍姆椒ú粌H可以去除污泥中的間隙水，還能破壞污泥中某些有機(jī)物中的細(xì)胞，使內(nèi)部水流出，并將污泥中的含水量降至最低限度。然而，熱脫水需要熱源加熱，建立脫水的熱源消耗大量能量。如果采用余熱干污泥，需要更換原基本設(shè)備。另一方面，熱脫水是一種熱交換，熱傳遞，能量消耗巨大，但最終收益不值得損失。1.2.3、自然干化法污泥自然干化法常采用污泥干化場(或稱曬泥場),是利用天然的蒸發(fā)、滲濾、重力分離等作用,使泥水分離,達(dá)到脫水的目的,是污泥脫水中最經(jīng)濟(jì)的一種方法。通過自然干化,污泥含水率可降低到75%左右,污泥體積大大縮小,干化后的污泥壓成餅狀,可以直接運(yùn)輸[7]。1.2.4、造粒脫水法造粒脫水機(jī)是我國新研發(fā)的設(shè)備，主體又分成好幾個(gè)部分，如造粒、脫水以及壓縮等。在污泥中加入高分子混凝劑后，污泥被運(yùn)輸?shù)皆炝２?，在自身重力作用下，開始絮凝壓縮，然后分層滾成泥丸，接下來泥丸和水會(huì)一起被輸送到脫水部，從環(huán)向泄水的斜縫會(huì)將水排出。最終，泥球會(huì)進(jìn)入到壓縮部分，會(huì)繼續(xù)進(jìn)行下一步壓縮和脫水，然后形成一個(gè)密集泥球，并推出氣缸。1.3國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及存在問題雖然國內(nèi)外對給水污泥的特性以及脫水性能已經(jīng)有了不少研究,但是仍不夠成熟、全面,未能形成有效的理論體系及應(yīng)用指導(dǎo)[6]。而且污泥深度脫水仍存在許多問題有待解決：脫水的方式單一。污泥深度脫水與傳統(tǒng)的濃度脫水有很大的區(qū)別，但許多污水處理廠基本采用傳統(tǒng)的濃度脫水設(shè)備，只增加污泥脫水壓力，所以效果很小。我們應(yīng)該考慮在高壓過濾條件下，如何可以更好地利用污泥的流體特性，改進(jìn)機(jī)械脫水方案，來得到更好的脫水效果。使用過于復(fù)雜的脫水過程進(jìn)行深度脫水。一些高壓壓力過濾脫水裝置的設(shè)計(jì)者使用其他的物理脫水方案，如增加電磁場和使用超聲波。雖然采用上述物理脫水方案可以提高污泥的脫水率，但由于這些技術(shù)的難度大、成本高、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，脫水裝置的成本和運(yùn)行都大大增加。使用一些會(huì)導(dǎo)致二次環(huán)境污染的化學(xué)介質(zhì)來改善污泥脫水。雖然在污泥預(yù)處理階段會(huì)加入一些絮凝劑以提高污泥的脫水性能，但使用一些絮凝劑會(huì)對環(huán)境造成二次污染。因此，在污泥預(yù)處理階段，應(yīng)選用環(huán)保的回火劑來完成該工藝。2.污泥壓縮特性的研究2.1污泥進(jìn)行預(yù)處理污泥處理首先就是對污泥進(jìn)行濃縮，因?yàn)槲鬯畯S所產(chǎn)生的污泥含水量較高，一般會(huì)達(dá)到99.3%以上。如果直接進(jìn)行脫水，會(huì)造成成本過大，所以在進(jìn)行深度脫水過程前都要對污泥進(jìn)行預(yù)處理[7]。對于一些工業(yè)廢水,直接高壓壓濾后污泥含水率可能達(dá)到60%有左右，但對于大多數(shù)城市生活污泥來說，即使施加超高的壓力如30-50MPa，污泥的脫水效率也不高[8]。由于污泥中有機(jī)質(zhì)中的內(nèi)部水不能僅僅通過擠壓來去除，因此必須采用一些調(diào)質(zhì)處理來分散污泥的膠體結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的物理方法可以添加固體粉末，以及一些新興的方法，如用超聲波來破壞細(xì)胞膜以此去除內(nèi)水，用磁場法可以改變微生物的代謝，并可以改變污泥的結(jié)構(gòu)，來使間隙的水與內(nèi)部水容易去除。但污泥的預(yù)處理主要事通過化學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)的，比如在污泥中加入絮凝劑來改變污泥的性質(zhì)，從而影響污泥的脫水性能，傳統(tǒng)方法包括加入一定量的鋁鹽和鐵鹽以達(dá)到絮凝效果。目前，采用生物法也實(shí)現(xiàn)了絮凝效果，主要利用部分細(xì)菌的生命活性來實(shí)現(xiàn)對污泥的絮凝效果，還可添加微生物絮凝劑、生物排水等。比較之前幾種污泥的預(yù)處理，為了使污泥深度脫水效果最佳，我們可以選擇在污泥中加入化學(xué)試劑的方式來達(dá)到絮凝作用。2.2對污泥脫水性能的研究污泥資源化利用的關(guān)鍵因素是降低污泥中的水分，但污泥的含水特征又決定了污泥脫水處理的難度。與污泥深度脫水相關(guān)的污泥性能包括污泥的壓縮特性、擠壓過程中水分分布特性等，通過研究污泥壓縮特性曲線、污泥比阻（SRF）、有機(jī)質(zhì)含量、粘度、粒徑分布等特性來表征污泥脫水性能。通過污泥土工學(xué)的固結(jié)實(shí)驗(yàn)，在不同壓力保壓時(shí)間下，研究了污泥變形與含水量的關(guān)系，得到了污泥的壓縮特性曲線。由于污泥的組成成分復(fù)雜，污泥中水分除自由水之外，還存在被顆粒、絮體和細(xì)胞束縛的水分，充分了解了污泥中水分的結(jié)合方式有利于分析各種預(yù)處理方法對污泥進(jìn)行調(diào)理的作用機(jī)理和預(yù)測最佳調(diào)理效果，因此理解和測試污泥水分分布對比較現(xiàn)有預(yù)處理方法效果和研究新型預(yù)處理方法有重要意義[9]。2.3對污泥機(jī)械脫水的影響因素與污泥機(jī)械脫水有關(guān)的因素主要有有機(jī)質(zhì)含量、粘度、粒徑分布。（1）有機(jī)質(zhì)含量：一般來說,污泥中的有機(jī)物含量越高,污泥形成膠體的情況就越嚴(yán)重,脫水就越困難。有研究表明,胞外聚合物的含量是影響污泥脫水性能的重要因素，由于胞外聚合物是菌膠團(tuán)之間連接的媒介,當(dāng)有機(jī)物含量較高時(shí),微生物的生長繁殖迅速,胞外聚合物的含量增加,使得污泥菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,從而污泥脫水變得更加困難[10]。（2）粘度：在之前的介紹中我們提到污泥在預(yù)處理時(shí)會(huì)加入絮凝劑，使其改變污泥的屬性，從而改變污泥的脫水能力。但添加過量的絮凝劑會(huì)使污泥粘度增加，在擠壓脫水過程中會(huì)堵塞濾板，反而降低了污泥的脫水性能。另外污泥中的一些其他物質(zhì)如溶解油等也會(huì)導(dǎo)致污泥的粘度增大，從而降低污泥脫水性能[11]。（3）粒徑分布：粒徑分布被認(rèn)為是影響污泥脫水性能的另一關(guān)鍵因素。一般來講,細(xì)小污泥顆粒所占比例越大,污泥脫水性能就越差。Higgins和Novak指出粒徑為1-100納米的超膠體顆粒對污泥脫水影響最為顯著,超膠體顆粒極易堵塞污泥濾餅或過濾介質(zhì),進(jìn)而影響污泥過濾和脫水效率。此外,高比例的超膠體顆粒也能大幅提高顆粒表面積/體積比,這不僅會(huì)增強(qiáng)污泥顆粒的水合程度,削弱其脫水性能,同時(shí)也會(huì)造成脫水調(diào)理劑劑量的明顯增加[12]。2.4研究污泥的壓縮特性曲線實(shí)驗(yàn)方法采用固結(jié)實(shí)驗(yàn)在固結(jié)儀上進(jìn)行，測試方法為：在高度為20mm的泥環(huán)內(nèi)盛滿污泥，將泥環(huán)內(nèi)污泥的空隙填滿，然后將泥環(huán)放置在固結(jié)儀上，對泥樣開始逐級的施加垂直壓力且分級加載至2-3MPa，在一級荷載加載了一小段時(shí)間之后，再開始加載下一級的荷載，直到達(dá)到所要求的壓力為止。采用千分表或者位移傳感器來測量在不同壓力-時(shí)間下的變形量，并測量壓縮結(jié)束后污泥的含水率。污泥含水率通過快速水分儀或者對污泥進(jìn)行24H的烘干后，測定污泥烘干前質(zhì)量與烘干后的質(zhì)量的差值，便可以測得污泥中的含水量，通過換算就可得出含水率。表2.1污泥壓力-時(shí)間-壓縮變形量表壓力（MPa）0.050.10.20.40.60.8壓榨時(shí)間(m)555151010壓縮變形量(mm)5.667.89.0811.212.6813.31壓力（MPa）1.01.21.41.61.82.0壓榨時(shí)間(m)1033333壓縮變形量(mm)13.813.9514.2214.2714.4214.69圖2.1實(shí)驗(yàn)污泥壓縮特性曲線從上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：(1)壓縮初期，污泥壓縮明顯，變形大，壓濾出水快，壓縮后期壓縮不明顯，變形小，最后階段幾乎無變形，原因是開始的時(shí)候污泥松散，間隙比大，含水量高，隨著壓縮、壓力增大，污泥顆粒被擠壓，間隙比變小，水分被排出，體積進(jìn)一步降低。(2)壓濾脫水主要是在前期以及中期，隨著壓縮進(jìn)行到壓力超過2MPa時(shí)，污泥的出水量很少，相當(dāng)于沒有。在采用固結(jié)儀實(shí)驗(yàn)時(shí)的加壓過程中，開始加壓時(shí)，每加壓一次，壓濾應(yīng)該停留一定的時(shí)間，如果時(shí)間太短，污泥不穩(wěn)，容易產(chǎn)生跑泥現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。(3)壓縮結(jié)束卸載后，污泥會(huì)存在一定程度的反彈現(xiàn)象，反彈量大概是壓縮之后泥餅厚度的10%，原因是污泥的有機(jī)質(zhì)含量較多，具有一定的彈塑性。卸載后也會(huì)產(chǎn)生變形，從壓縮后泥餅的剪切斷裂也可得到驗(yàn)證。3.設(shè)計(jì)高壓污泥深度脫水裝置3.1進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)根據(jù)之前對污泥壓縮特性的分析，可以得出污泥在較高壓力擠壓的情況下，含水率可降低低至35%至50%。根據(jù)污泥的壓縮特性曲線可以得出，開始時(shí)污泥含水率比較高，需要的擠壓力也是相對較小，但隨著壓縮量的增大，需要的擠壓力也越來越大，而且在壓縮后期需要一段時(shí)間的保壓過程，來保證污泥中的水分能夠充分的被排除。由于鉸鏈具有良好的力放大特性與操作特性，可以滿足污泥壓縮時(shí)擠壓力的增加，而且行程良好，能滿足污泥的壓縮特性，力放大比可以達(dá)到10-25倍。力的放大機(jī)構(gòu)采用的是鉸桿放大機(jī)構(gòu)，選用增壓油缸來為鉸桿放大機(jī)構(gòu)提供輸入力。利用鉸桿放大機(jī)構(gòu)對力的放大作用，可以讓其輸出在壓濾板上的力不斷增大，壓濾板對污泥擠壓作用的力也不斷增大，而且增力過程滿足污泥壓縮特性曲線并具有自鎖功能，自鎖的意義：不需要外力作用也可以實(shí)現(xiàn)對污泥的持續(xù)擠壓，降低能耗。因?yàn)樵诒哼^程中污泥中的水分會(huì)不斷流失，導(dǎo)致壓濾腔中的壓力降低，失去對污泥的持續(xù)擠壓作用。所以設(shè)計(jì)了一個(gè)碟簧保壓機(jī)構(gòu)，碟簧具有載荷大、變形小、緩沖和吸收能力強(qiáng)、適合空間小的優(yōu)點(diǎn)，適用于空間小，負(fù)荷大的精密重機(jī)械，而且具有一定的保壓功能。適用多塊碟片并選取合適的組合方式，可以得到符合要求的保壓特性曲線。本裝置需要承載壓力大，變形量小的保壓裝置，所以采取合適的蝶片數(shù)量及碟片組合能得到滿足要求的碟簧保壓裝置。另外由于在壓濾過程中，泥餅表面的水分含量較低，而內(nèi)部水分含量較高，但在高壓作用下，泥餅內(nèi)部的水分不容易排出。若內(nèi)部的水分沒有有效排出，將會(huì)很大的降低脫水裝置的脫水效率。所以在污泥的內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)水分導(dǎo)流裝置，可以在泥餅擠壓的過程當(dāng)中幫助污泥內(nèi)部的水分能快速的排出，從而提升脫水裝置的脫水效率。自動(dòng)進(jìn)料裝置采用了無軸螺旋輸送機(jī)，與傳統(tǒng)的軸向輸送機(jī)、皮帶式輸送機(jī)相比，可輸送顆粒和粉狀材料、濕糊材料、半液體和粘性材料，易于包裝和堵塞材料，以及有特殊衛(wèi)生要求的材料，滿足污泥輸送的條件。無軸螺桿輸送機(jī)材料和排放出口不易堵塞，具有上述特點(diǎn)和良好的環(huán)保性能。與軸向輸送機(jī)相比，成本和重量都會(huì)減少。高壓污泥深度脫水裝置如圖3.1所示，包括增壓油缸1、鉸桿增力機(jī)構(gòu)2-5、碟簧組6、擠壓板7、水分導(dǎo)流裝置8、過濾板9、液壓千斤頂10組成。裝置工作原理如下，通過初步脫水后含水率較高（80%-90%）的污泥由無軸螺旋上料裝置輸送進(jìn)入壓濾腔，增壓缸帶動(dòng)鉸桿機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，對擠壓板進(jìn)行作用。污泥的壓縮曲線和鉸桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)曲線開始相互吻合的時(shí)候，即是壓縮開始階段，伴隨著污泥不斷的壓縮，污泥會(huì)變得越來越固體，污泥的間隙比將會(huì)變得非常小，鉸桿的機(jī)構(gòu)特性與此方法是一致的；到壓濾后期的時(shí)候，碟簧在擠壓板作用下可以產(chǎn)生彈性變形，碟簧產(chǎn)生彈性變形產(chǎn)生的能量可以在保壓期間對污泥持續(xù)擠壓，為防止由于水分流失而導(dǎo)致壓濾腔壓力降低的情況。通過在壓濾腔內(nèi)設(shè)置一個(gè)導(dǎo)流發(fā)生器，使污泥層內(nèi)部水分可以通過導(dǎo)流發(fā)生器從而進(jìn)入排水通道排出，可以解決當(dāng)前機(jī)械壓濾裝置在脫水時(shí)存在的表層污泥水分低而內(nèi)部脫水比較困難且含水率高的這個(gè)難題，以此來提高脫水效果。增壓油缸，2、十字頭，3、鉸桿Ⅰ，4、鉸桿Ⅱ，5、鉸桿Ⅲ，6、碟簧組，7、擠壓板，8、水分導(dǎo)流裝置，9、壓濾板,10、液壓千斤頂圖3.1高壓污泥深度脫水裝置3.2對機(jī)構(gòu)總體尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)壓濾腔體的直徑取1000mm，壓榨壓力為3MPa,則所需要的壓榨力為2.36×106N，綜合考慮脫水效果以及生產(chǎn)效率，取壓榨后泥餅的厚度為25mm，根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合不同的泥樣，可以取污泥壓縮系數(shù)為0.27，則壓榨前污泥厚度為93mm，污泥的壓縮量為68mm，鉸桿機(jī)構(gòu)行程為污泥壓縮量再加上碟簧產(chǎn)生的變形量為73mm。3.3鉸桿增力機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及力學(xué)、運(yùn)動(dòng)分析3.3.1對鉸桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析圖3.2鉸桿增力機(jī)構(gòu)總體示意圖當(dāng)十字滑塊受到輸入力Fi的作用不斷的向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，短鉸桿和十字滑塊之間的夾角在不斷地變小，該放大機(jī)構(gòu)的輸出力Fo在不斷的增加。根據(jù)鉸桿力的平衡方程式可得出理論輸出力以及理論輸出系數(shù)的公式。具體計(jì)算過程如下：圖3.3鉸桿I與十字滑塊受力的平衡示意圖由圖3.3可得出：…………………（1）圖3.4：鉸桿I、鉸桿II、鉸桿III受力的平衡示意圖由圖3.4可得出： …………（2） …………（3）式中互為作用力與反作用力。圖3.5：長鉸桿與推板力的平衡示意圖 …………（4）式中互為作用力與反作用力。聯(lián)立上述（1）（2）（3）（4）可得出：………………（5）力的放大比為i：……（6）在現(xiàn)實(shí)工作要求當(dāng)中，我們要考慮鉸桿副的摩擦因素和力的傳遞效率考慮鉸桿副的摩擦：………………（7）1、2為鉸鏈副的當(dāng)量摩擦角?！?）考慮力的傳遞效率：…………（9）綜上則該力的放大機(jī)構(gòu)放大比i: …(10)——輸出力，N；——輸入力，N；——鉸桿理論壓力角，°；Β——鉸桿理論壓力角，°；R——鉸鏈的半徑，mm；L1——短鉸桿長度，mm；L2——長鉸桿的長度，mm；——鉸鏈副摩擦因素；——力的傳遞效率；由于加工精度和機(jī)構(gòu)尺寸因素的限制以及機(jī)構(gòu)行程方面的因素影響，在實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)需要α，β一般取8°~20°之間。3.3.2鉸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析由圖3.6可知，鉸桿增力機(jī)構(gòu)的行程為擠壓板行程S2可由式（11）確定，油缸行程為（十字滑塊）S1可由式（12）確定，行程系數(shù)K為輸入行程S1與輸出行程S2的比值。…………（11）……（12）………（13）…………（14）…………（15）式中：S1、S2，分別為油缸和擠壓板行程，mm；、分別為鉸桿L1起始壓力角、終止壓力角，°；、分別為鉸桿L2起始壓力角、終止壓力角，°；B，滑塊中心距，mm；k，行程系數(shù)，油缸行程S1與擠壓板行程S2的比值。圖3.6鉸桿機(jī)構(gòu)的位移分析圖3.3.3設(shè)計(jì)鉸桿增力機(jī)構(gòu)的具體尺寸由鉸桿增力機(jī)構(gòu)力學(xué)分析以及運(yùn)動(dòng)分析可知，取終止壓力角為=12°、=12°，擠壓板鉸接處離擠壓板的中心點(diǎn)距離為400mm，滑塊中心距B為150mm。起始角為40°，起始角應(yīng)小于的補(bǔ)角。由之前的總體設(shè)計(jì)可知污泥壓縮量為68mm，碟簧設(shè)計(jì)壓縮量為5mm，則鉸桿增力機(jī)構(gòu)行程S2為73mm。根據(jù)式（11）（12）（13）（14）可得到鉸桿L1=296mm，L2=172mm初始壓力角=43.5°，油缸行程S1=179mm。根據(jù)式（10）可得鉸桿增力機(jī)構(gòu)放大比i為18.15倍。取力的傳遞效率=0.95，鉸鏈副摩擦因素=0.1，鉸鏈的半徑r=30mm。3.3.4對鉸桿增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核由上述設(shè)計(jì)尺寸可知鉸桿軸半徑r=30mm，鉸桿軸在鉸桿增力機(jī)構(gòu)中受到剪切作用，實(shí)心圓界面受剪切應(yīng)力計(jì)算公式如下：………（16） FQ=5.75×105N，A=0.0029㎡根據(jù)式（16）可得τ=198MPa。鉸桿增力機(jī)構(gòu)中心軸材料使用淬硬處理后的硬鋁（2A12），硬鋁的抗剪強(qiáng)度為280-320MPa，符合設(shè)計(jì)要求。3.4進(jìn)行碟簧保壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)碟簧具有行程短、載荷大、所需空間小等優(yōu)點(diǎn)，適用于空間小，負(fù)荷大之精密重機(jī)械，并具有一定的保壓功能。由于碟簧可以改變碟片數(shù)量或碟片的組合形式，可以得到不同的承載能力和特性曲線[13]。我們可以用Almen-Laszlo公式來表達(dá)碟簧的載荷和變形量的關(guān)系，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：圖3.7碟簧結(jié)構(gòu)參數(shù)…………（17）式中，P——為碟簧載荷，N；E——為彈性模量，MPa；D——為碟簧外徑，mm；——為泊松比，取0.3；h——為碟簧錐高，mm；t——為碟簧高度，mm；f——為變形量，mm；h0——無支承面碟簧壓平時(shí)變形量，mm；h——自由高度，h=h0+t,mm； n——碟簧數(shù)量；C——直徑比；K1、K4——計(jì)算系數(shù)；——為碟簧錐面間的摩擦系數(shù)；計(jì)算系數(shù)K1由下式算得：，K1也可查表得出，K1=0.686；K4為計(jì)算公式得出，K4=5.5；取0.01，加載時(shí)取負(fù)號，卸載時(shí)取正號；由不同數(shù)量及不同組合方式組成的碟型彈簧組能實(shí)現(xiàn)不同的承載能力及不同的變形量，下面列舉一些碟簧的組合方式及受力變形情況：表3.1碟型彈簧的組合方式組合方式疊合對合混合圖示變形與單個(gè)碟型彈簧相同單個(gè)碟型彈簧乘以彈簧數(shù)量單個(gè)碟型彈簧乘以對合中的彈簧數(shù)量受力單個(gè)碟型彈簧乘以彈簧數(shù)量與單個(gè)碟型彈簧相同單個(gè)碟型彈簧乘以一組中疊合彈簧數(shù)量由于污泥在高壓壓榨后期需要一段時(shí)間的保壓過程，使其內(nèi)部水分充分流出。為防止在保壓期間由于水分流出而導(dǎo)致壓力腔中壓力下降過快的情況，本文設(shè)計(jì)了一款碟簧保壓機(jī)構(gòu)，在對污泥持續(xù)擠壓的過程中，碟簧組會(huì)發(fā)生彈性變形，儲(chǔ)存彈性變形的能力。在保壓脫水期間，當(dāng)污泥中水分流出時(shí)，能釋放彈性變形的能量，從而持續(xù)對污泥產(chǎn)生擠壓作用?？煞乐箟毫η恢杏捎谒至魇Ф鴮?dǎo)致的壓力下降過快的情況。由污泥的壓縮特性曲線可知，在壓榨后期，污泥中出水量很少。所以我們應(yīng)該選擇所占空間較小，且承載能力更大的碟簧組合方式。由表3.1可知，疊合的組合方式鎖占空間最小，且承載能力最大。所以碟簧的組合方式選疊合的方式。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可得,碟簧選擇A系列，查表選取碟簧外徑D為250mm，內(nèi)徑d為127mm，厚度t為14mm，h0為5.6mm，H0為19.6mm，采用疊合組合碟簧，根據(jù)式（17）可計(jì)算得出，碟簧變形1mm需要的載荷為4.9×105N，需要產(chǎn)生2.36×106N碟簧變形量為5mm，所以取碟簧數(shù)量n=5。3.5對壓力腔進(jìn)行設(shè)計(jì)污泥的整個(gè)高壓脫水動(dòng)作在壓濾腔中完成，由于污泥受到擠壓板的擠壓作用進(jìn)行壓濾脫水，真?zhèn)€過程需要保證壓濾腔中的密封性，又根據(jù)之前的設(shè)計(jì)要求，采用無縫鋼管作為壓濾腔的桶壁的材料。設(shè)計(jì)尺寸為R=500mm。初定壁厚為20mm。3.5.1承壓腔壁厚尺寸校核承壓強(qiáng)壁厚計(jì)算公式如下：……………（18）t——承壓腔壁厚，m；P——內(nèi)壓力，N；R——內(nèi)半徑，MPa；S——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；Sy——材料的屈服強(qiáng)度，MPa；E——焊接接頭系數(shù)；由總體設(shè)計(jì)方案可得，內(nèi)壓力為3MPa，內(nèi)半徑為500mm；按GBT20801.2-2006壓力管規(guī)范工業(yè)管道第2部分：材料-壓力管道規(guī)范表A.1選用材料Q345，許用應(yīng)力為115MPa。由于選用無縫鋼管作為壓濾腔的桶壁的材料。所以焊接接頭系數(shù)為1。由式（18）計(jì)算得，壁厚t=14.93mm。選用壁厚為20mm>14.93mm所以滿足設(shè)計(jì)要求；圖3.8壓濾腔3.6進(jìn)行水分導(dǎo)流裝置的設(shè)計(jì)由于在壓濾過程中，泥餅表面水分含量較低，內(nèi)部水分含量較高，而在高壓作用下，泥餅內(nèi)部的水分不易排出。若污泥內(nèi)部水分不能有效的排出，將大大降低脫水裝置的脫水效率。所以在污泥內(nèi)部設(shè)計(jì)了一款水分導(dǎo)流裝置，能在泥餅擠壓過程中幫助污泥內(nèi)部的水分能夠快速排出，從而提升了脫水裝置的脫水效率。圖3.9水分導(dǎo)流裝置水份導(dǎo)流裝置如（圖3.9）的有效高度由壓濾后污泥的厚度決定，根據(jù)污泥的壓縮比可知，壓濾后污泥的厚度為25mm，則水分導(dǎo)流裝置的有效高度為25mm。為防止較細(xì)小的污泥穿過導(dǎo)流裝置的慮水孔，在導(dǎo)流裝置上需包裹濾布。水分導(dǎo)流裝置由螺栓固定在擠壓板上，并可由裝置上螺紋旋入的深度來調(diào)節(jié)水分導(dǎo)流裝置的高度。由于水分導(dǎo)流裝置外圍需包裹濾布，濾布的固定采用兩塊鐵片壓緊，并由螺栓固定在導(dǎo)流裝置外壁上，兩塊鐵片在導(dǎo)流管外壁上均布。由于污泥在高壓作用下形成的泥餅常常會(huì)粘連在濾布上，在推泥過程中容易撕扯濾布，導(dǎo)致濾布脫落或損壞濾布。所以在設(shè)計(jì)水分導(dǎo)流裝置時(shí)導(dǎo)流管是有5°的傾斜角，這樣設(shè)計(jì)可以使泥餅在落料的過程中減少對濾布的撕扯，從而增加了濾布的使用壽命。3.7對自動(dòng)上料裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)自動(dòng)上料裝置采用無軸螺旋輸送機(jī),無軸螺旋輸送機(jī)與傳統(tǒng)有軸輸送機(jī)、皮帶輸送機(jī)相比，能輸送顆粒狀和粉狀物料、濕的和糊狀物料、半流體和粘性物料、易纏繞和易堵塞物料、有特殊衛(wèi)生要求的物料[14]。符合污泥輸送的條件。3.7.1進(jìn)行單次脫水污泥量計(jì)算由上述設(shè)計(jì)可知,壓濾腔內(nèi)徑R為500mm，壓榨前污泥厚度為93mmV=π×R2×H…………………（19）由式（19）可得V=0.073m33.7.2自動(dòng)上料裝置進(jìn)行選型無軸的污泥螺旋輸送機(jī)其輸送量和螺旋內(nèi)污泥的橫截面積、轉(zhuǎn)速與螺距以及填充系數(shù)有關(guān)系。則無軸可忽略螺旋葉片的內(nèi)徑為：………………（20）…………（21）V1=Sn/60……………（22）式中：——為輸送量，t/h；M——為螺旋內(nèi)污泥橫截面積，㎡；——為污泥的單位容積質(zhì)量；——傾斜輸送系數(shù)；S——螺旋螺距，mm；N——螺旋轉(zhuǎn)速，r/min取無軸螺旋輸送機(jī)螺旋葉片直徑為D=150mm，螺距S=150mm；查機(jī)械化運(yùn)輸設(shè)計(jì)手冊，取填充因素=0.18，污泥的單位容積質(zhì)量為=1.3t/m；傾斜輸送系數(shù)可以通過下表進(jìn)行查詢：表3.2：無軸螺旋輸送機(jī)傾斜輸送系數(shù)傾斜角度（°）0510152030傾斜輸送系數(shù)10.970.940.920.880.82傾斜角度（°）405060708090傾斜輸送系數(shù)0.760.700.640.580.520.46由之前的計(jì)算可知V=0.073m3，設(shè)完成一次輸送的時(shí)間為1min，則污泥的輸送量Q=2.19t/h。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)方案，取傾斜角度為30°，則傾斜輸送系數(shù)ε=0.82；由式（20）、（21）、（22）可得：n=71.8r/min。選用Y系列Y90L-4電機(jī)，電機(jī)功率為1.5Kw。綜合上述參數(shù)選擇WLS150無軸螺旋上料機(jī)構(gòu)。螺旋體的直徑為150(mm)，外殼管的直徑為180(mm)，最大的輸送長度為12(m)。其輸送能力是2-4t/h。圖3.9無軸螺旋污泥自動(dòng)上料裝置3.8對支承架拉伸應(yīng)力進(jìn)行校核由于鉸桿增力機(jī)構(gòu)會(huì)對鉸桿頂板產(chǎn)生一個(gè)向上的2.36×106N的力，所以支撐架受拉伸力作用?！?3）由查表可知：45號鋼的拉伸許用應(yīng)力為355MPa，75MPa<355MPa。所以滿足設(shè)計(jì)要求。3.9對液壓裝置選型本文的設(shè)計(jì)中共使用了3個(gè)油缸，下面對3個(gè)油缸的作用及選型做一個(gè)介紹。油缸1：液壓油缸，它作為鉸桿增力機(jī)構(gòu)的輸入力，在整個(gè)壓榨過程中都起著主要作用。根據(jù)之前的設(shè)計(jì)計(jì)算可以得知，增壓油缸需要為鉸桿增力機(jī)構(gòu)提供1.31×105N的輸入力，行程也要大于73mm。所以選擇油缸內(nèi)徑為200mm，桿徑為100mm，PN=6.3MPa，行程為150mm。選用油缸HSG01-200/DE油缸，內(nèi)徑為200mm，可提供5×105N的推力，滿足設(shè)計(jì)需求。油缸2：液壓缸，提供推泥推板的輸入力，主要克服泥餅與桶壁及濾布之間的摩擦力。根據(jù)之前的設(shè)計(jì)計(jì)算可得知，機(jī)構(gòu)需要提供1×103N的推力，行程為25mm。所以選用MOB100的標(biāo)準(zhǔn)油缸，油缸內(nèi)徑為100mm，桿徑為50mm,行程為100mm，PN=3MPa。可提供2.3×104N的推力。滿足設(shè)計(jì)需求。油缸3：自鎖式液壓千斤頂，在壓榨過程中提供對濾板底板的支持力。根據(jù)之前的計(jì)算，需要提供1.31×106N的壓力，行程需要大于30mm。選用QFD250/100的液壓千斤頂，能提供300T的推力，并且具有自鎖功能。油缸選型綜述見表3.3：表3.3液壓裝置的選型油缸序號油缸類型型號內(nèi)徑(mm)桿徑(mm)PN(MPa)行程(mm)1液壓油缸HSG01-200/DE2001006.31502標(biāo)準(zhǔn)油缸MOB1001005031003液壓千斤頂自鎖式QFD250/100500200201004.對脫水裝置的壓縮特性曲線進(jìn)行分析根據(jù)污泥特征曲線分析，壓縮階段的初期污泥壓縮比較明顯，而且變形量大；但是壓縮到后期，變形量變小，在最后的階段變形量近乎為零，流出水分非常小。根據(jù)污泥的壓縮特性，該脫水裝置也應(yīng)該具有相類似的壓縮特性，而且在相同壓縮比的情況下，該裝置對污泥施加的壓力需要大于污泥在該壓縮比下所需要的壓力。分析該脫水裝置在不同運(yùn)行的位置下壓縮量以及產(chǎn)生的壓力可以得到脫水裝置的壓縮特性曲線。具體數(shù)值見表4.1：表4.1高壓污泥深度脫水裝置壓力-壓縮比表脫水裝置對污泥產(chǎn)生的壓力（MPa）鉸桿增力機(jī)構(gòu)壓縮量（mm）碟簧壓縮量（mm）裝置總壓縮比（%）0.39625.000.63526.240.48637.370.77939.400.54643.010.87545.370.72653.161.16456.001.06260.781.70263.651.22463.671.96266.511.71667.192.75069.491.87268.003.00170.122.07069.563.31871.482.20270.013.52971.742.47870.873.97272.233734.80973.68由表4.1可繪制脫水裝置的壓縮特性曲線，見圖4.1：圖4.1：高壓污泥深度脫水裝置壓縮特性曲線將之前得到的污泥壓縮特性曲線和該裝置的特性曲線比較如圖4.2，可得出在相同壓縮比的狀態(tài)下，裝置對污泥施加的壓力大于污泥所需的壓力，所以該裝置滿足設(shè)計(jì)需求。圖4.2污泥壓縮特性曲線與脫水裝置壓縮特性曲線5.總結(jié)和展望5.1總結(jié)本文主要通過研究污泥的相關(guān)脫水性能，設(shè)計(jì)了一種高壓污泥深度脫水裝置，可大大降低污泥含水量，顯著提高污泥處理能力、明顯降低污泥處理的排量，促進(jìn)污泥后續(xù)的資源利用。該裝置的主要設(shè)計(jì)包括力放大機(jī)構(gòu)、碟簧保壓機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓濾腔形成裝置、水分“導(dǎo)流渠道”與排出機(jī)構(gòu)、以及自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)還充分的考慮了污泥的壓縮特性，使該裝置壓縮特性能夠滿足污泥的壓縮特性。壓濾開始階段，裝置對擠壓板的推力比較小，而裝置的行程較長，此時(shí)污泥的含水量較高，壓縮量比較明顯，變形量大，符合污泥開始壓濾時(shí)的壓縮特性。而隨著壓濾的不斷進(jìn)行，放大機(jī)構(gòu)放大比在不斷增大，裝置對擠壓板的推力也不斷的增大，行程在隨之減小，而此時(shí)的污泥壓縮量不太明顯，變形量較小，所以符合壓濾后期的壓縮特性。綜上所述，該裝置的壓縮特性滿足污泥的壓縮特性。如此設(shè)計(jì)的好處就是能夠降低裝置的能耗，相比于恒壓壓濾來說，恒壓壓濾開始的時(shí)候壓榨力很大，但是此時(shí)的污泥脫水并不要求那么大的壓力，此時(shí)容易導(dǎo)致能耗的增加，而且長時(shí)間的高壓環(huán)境容易降低機(jī)構(gòu)以及密封圈等設(shè)備的壽命，大大的提高了成本。本文設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)尺寸為：機(jī)構(gòu)總長2570mm，機(jī)構(gòu)總寬1200mm，機(jī)構(gòu)總高2350mm。在壓榨壓力為3Mp的情況下，一次工作能完成對0.073m3,含水率為80%的污泥在進(jìn)行深度脫水之后，泥餅的含水率大約為40%，一次脫水所需時(shí)間為10min。本文設(shè)計(jì)的鉸桿增力機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)18.15倍力的放大，鉸桿I長：L1=296mm，鉸桿II長：L2=172mm，油缸行程S1=179mm，鉸桿增力機(jī)構(gòu)行程S2=73mm。保壓機(jī)構(gòu)選用5塊碟簧，以疊合的方式組合而成。選用外徑為250mm的碟簧，碟簧具體參數(shù)見上文。5.2未來期望本課題設(shè)計(jì)了一種符合污泥壓縮特性的高壓污泥深度脫水裝置，并分析了一下污泥壓縮特性。由于自身水平的限制，在本次設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中還存在一些問題，對高壓污泥深度脫水裝置的發(fā)展做了一些未來期望:將力放大的機(jī)構(gòu)：該裝置采用鉸桿力增強(qiáng)機(jī)構(gòu)。雖然放大特性滿足了污泥壓縮特性，但是尺寸設(shè)計(jì)僅僅滿足了設(shè)計(jì)要求，沒有得到很好的優(yōu)化。設(shè)計(jì)水分導(dǎo)流的裝置：導(dǎo)流裝置高度將由污泥壓縮后的泥餅厚度決定。只要確定了導(dǎo)流裝置的高度，那么泥餅的最終厚度必須要一致。因?yàn)槲勰嗪穸瓤赡懿煌?，而改進(jìn)設(shè)計(jì)了高度可調(diào)的導(dǎo)流機(jī)構(gòu)。在當(dāng)前設(shè)計(jì)壓力下，需要對污泥保壓處理12min，如果可以減少保壓的時(shí)間，并且壓濾的效果不變，就可以很好地提升生產(chǎn)效率。參考文獻(xiàn)[1]DongYanting,ShenYanwen,GeDongdong,BianChang,Y