压滤机作为一种不可或缺的固-液分离设备,应用历史悠久,早在18世纪初就已用于化工生产,当前已广泛用于环保、医药、食品、采矿、化工等行业,具有性能稳定、结构简单、操作方便、安全高效等优点。随着工业技术的快速发展和环保要求的不断提高,压滤机的发展迎来了新的机遇,同时压滤机的过滤和抗疲劳等使役性能面临新的挑战。虽然近年来压滤机的功能日益多样化和综合化、工作效率也有所提高,但是由于滤板压紧后形成的滤室为全密闭结构,滤室内料浆的流动状态、颗粒相沉积成饼的过程、压力的空间分布和时间演变特点均难以直接监测,滤板的使役状态、滤板几何结构对料浆流动和颗粒相沉积成饼的影响机制都不明晰。另外,压滤机在使役过程中受到压紧力、重力和压榨压力的直接作用并产生复杂的形变,使得压滤机的使役状态分析和优化设计充满挑战。针对上述的关键核心共性产业技术问题,根据山东大学先进制造专业博士研究生定向培养方案中的“为大型或重点企业培养创新型工程技术领军人才”培养目标,结合笔者任职企业的生产实际情况,本文以产销量较大的1250型厢式压滤机为研究对象,以计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)、结构力学有限元分析(Finite Element Analysis,FEA)、疲劳分析、拓扑优化和在线监测等理论技术为基础,梳理了本课题的体系架构和逻辑关系,设计了压滤机使役过程分析和优化设计的技术路线,进而开展了系统研究。在压滤过程的料浆流动与颗粒相沉积成饼方面,本文采用Ansys Fluent计算流体动力学软件及其用户自定义方程(User Defined Function,UDF),根据欧拉多相流理论,建立了料浆流动与颗粒相沉积成饼的CFD分析模型。首先以铁矿粉在厢式压滤机中的压滤脱水过程为研究对象,在分析压滤机实际使役过程的基础上,系统地研究了压滤过程CFD分析涉及到的欧拉多相流的相间动量交换系数模型和固相剪切应力模型,确定了适用于本文研究对象的数学模型;综合地考虑了进料口、出水口、滤布支撑点、支撑台等关键几何结构,分析了压滤机专用渣浆泵的扬程-流量特性对进料边界的影响,建立了结构要素完整、符合生产实际的具有多个连续滤室的几何模型;根据渣浆泵的扬程-流量特性曲线,应用UDF方法定义了能体现渣浆泵特性的进料口边界条件,使压滤进料的流量能根据系统的流动阻力按照渣浆泵的特性曲线变化,不仅保证了 CFD分析结果符合实际情况,而且使CFD分析中不至于出现过大的压力或者流速;然后根据滤室内料浆的流动特点和滤板的几何特点,对滤板几何模型进行了合理的分切与简化,使得网格质量大幅度提升,从而在保证计算精度的基础上使CFD分析的效率大幅度提升,使得多滤室的压滤过程CFD分析具备可行性。最终建立了理论模型可靠、几何模型精确、边界条件合理、具备分析可行性的压滤过程CFD分析模型。在所建立的CFD分析模型的基础上,数值模拟了料浆在滤室中的流动规律、颗粒相的沉积成饼规律、滤室内压力的分布规律,研究了颗粒密度、进料泵特性对压滤过程的影响。结果表明:颗粒的沉积受到了液相与颗粒相之间的曳力和颗粒真密度的双重影响;当颗粒真密度较大时或两相间曳力较小时,颗粒的流动受其自身惯性的影响较大,液相流动对颗粒运动的影响较小;当颗粒真密度较小或两相间曳力较大时,颗粒运动受液相流动的影响较大。具有更高额定流量的进料泵在一定程度上缩短了压滤周期,同时导致压滤过程消耗的能量大幅度增加。应根据颗粒密度等物料特性综合设计压滤工艺参数,而在选择进料泵时应同时关注所需的压滤周期和经济成本两个因素。在滤板使役状态方面,采用Abaqus/CAE2019有限元软件,建立了滤板使役状态分析模型。以1250型厢式滤板为研究对象,应用点云方式将压滤过程CFD分析得到的随时间变化的压力分布数据作为压力载荷导入到滤板使役状态分析模型中,建立了具有4块滤板的常温料浆压滤过程的滤板使役状态分析模型;在上述模型的基础上,在滤板与料浆、空气接触的界面上分别施加相应的热对流边界,应用Abaqus热-力耦合分析方法建立了高温料浆压滤过程的滤板使役状态分析模型。然后分别模拟了滤板在常温和高温料浆作用下的使役状态。结果表明:在常温使役条件下,滤板在压滤过程中的应力分布和变形主要受滤室内料浆及滤饼的压力影响,现有滤板的强度能很好地满足压滤需要;在高温料浆的使役条件下,滤板因温度分布不均而形成了受限热膨胀,并产生了较大的热应力,取代滤室内压力而成为影响滤板应力分布和变形的主要因素。因此在设计用于高温料浆的滤板时,应该着重考虑滤板传热性能的提升,从而降低温度分布的不均匀性。在机架使役状态方面,以装配1250型滤板的某型厢式压滤机的机架为研究对象,采用Abaqus/CAE2019有限元软件,建立了机架使役状态分析模型,分别构建了包括主梁、止推板和油缸座的装配体分析模型和压紧板的独立分析模型,数值分析了在正常使役状态和偶发过冲载荷时的机架各部件的应力分布与变形情况。结果表明:除主梁的勾头连接区域和止推板上下边框的中段边缘存在超过材料屈服强度的拉应力集中、油缸座与勾头接触的区域存在超过材料屈服强度的压应力集中外,压滤机的五大主要部件的整体应力水平较低。然后应用自制的复合材料基片式光纤光栅应变传感器,开展了机架使役过程的实时在线监测实验,结果发现:粘贴于机架表面的复合材料基片式光纤光栅传感器能较准确地在线监测机架应变随加载力的演变过程,且二者呈现良好的线性相关性,线性相关系数在0.99以上。通过对比实验测试数据和有限元模拟数据,在同一测试点、相同加载压力下,实验结果与有限元模拟结果的吻合度较好,所建立的有限元模型和仿真计算结果是可靠的。最后,基于机架在正常使役状态下的有限元仿真结果,采用FE-Safe 2019疲劳分析软件,开展了机架正常使役状态的疲劳分析,结果表明:当前设计的压滤机的机架疲劳强度高,能完全满足一千万次的正常使役循环。有限元分析和疲劳分析的结果都说明当前压滤机结构存在较大的优化设计空间。在机架拓扑优化设计方面,采用Tosca2019拓扑优化软件,建立了油缸座和压紧板等机架关键构件的拓扑优化模型,进行了拓扑优化设计,并再次基于Abaqus/CAE 2019和FE-Safe 2019软件数值分析了优化设计后的油缸座和压紧板的使役状态与疲劳性能。优化设计后,压紧板和油缸座的材料得以充分利用,并分别减重39%和28%,每台压滤机节省钢材467kg;优化后的油缸座和压紧板仍能完全满足一千万次的正常使役循环和偶发过冲载荷。综上所述,本文首先研究了压滤机使役过程分析和优化设计的体系架构和逻辑关系,然后开展了压滤过程的分析,揭示了料浆流动和颗粒相沉积成饼规律、滤板和机架的使役特点,进而开展了机架使役状态的在线监测、疲劳分析和拓扑优化设计,改变了笔者任职企业多年来过于依赖经验而缺乏理论指导的现状,为压滤工艺、滤板和机架结构的协同优化提供了理论依据。