李養(yǎng)良，李鏡明，趙繼亮，劉良文

（1.九江學(xué)院機械與材料工程學(xué)院 江西九江 332005；2.中船九江科技研發(fā)中心 江西九江 332000）

壓載水專用全自動反沖洗臥式過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計

李養(yǎng)良1，李鏡明1，趙繼亮2，劉良文1

（1.九江學(xué)院機械與材料工程學(xué)院 江西九江 332005；2.中船九江科技研發(fā)中心 江西九江 332000）

0 引言

在船舶航行過程中加裝的水及其懸浮物稱為船舶壓載水，主要用于控制船舶在空載情況下的穩(wěn)定性。壓載水的危害主要包括以下3個方面：生態(tài)影響、健康影響和經(jīng)濟影響。因此，為了加強管理船舶壓載水的排放，國際海事組織IMO為此專門制定相關(guān)法規(guī)來約束。我國作為航業(yè)大國、IMO A類理事國及公約當(dāng)事國之一，必須擁有一套自主知識產(chǎn)權(quán)的壓載水處理技術(shù)。因此，發(fā)展本國的船舶壓載水處理技術(shù)，擁有一套具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)和具備國際領(lǐng)先水平的船舶壓載水處理系統(tǒng)有非常重要的意義［1-3］。

在綜合分析和比較國內(nèi)外現(xiàn)有的船舶壓載水處理系統(tǒng)中壓載水過濾技術(shù)的前提下，提出一種安全、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的處理方法，希望能夠為船舶壓載水處理技術(shù)方面提供一些相關(guān)的支持和探索。

1 全自動反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)

1.1 反沖洗過濾器技術(shù)參數(shù)

表1為過濾器設(shè)計的技術(shù)參數(shù)，處理流量為300 m3／h，當(dāng)海水過濾介質(zhì)通過該過濾器后，介質(zhì)中大于50μm的顆粒和生物體被濾網(wǎng)截止，隨著過濾的繼續(xù)進(jìn)行，濾網(wǎng)上的過濾雜質(zhì)會慢慢積累形成濾餅，為了防止濾餅增厚影響濾網(wǎng)的過濾效能，設(shè)計通過在進(jìn)出口設(shè)定壓差傳感器，當(dāng)壓差傳感器的壓差在0.48 k Pa時，過濾自動進(jìn)行反沖洗自動壓差在0.48 kPa以下，當(dāng)壓差達(dá)到0.6 k Pa時，發(fā)出報警信號，從而保證過濾器的安全。

表1 過濾器設(shè)計的技術(shù)參數(shù)

1.2 反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)

過濾器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由反沖洗結(jié)構(gòu)、濾網(wǎng)、筒體、絲桿驅(qū)動機構(gòu)等部件組成。過濾器實現(xiàn)雙級過濾功能，由2個過濾室組成，一級過濾室由粗濾網(wǎng)構(gòu)成，二級過濾室由細(xì)濾網(wǎng)及排污裝置組成。吸嘴在其軸線上按一定距離均布著若干個吸污管，吸污軸與排污腔相通。排污閥設(shè)置在排污腔外，在進(jìn)出管口分別裝有壓力傳感器用來監(jiān)控壓差，把壓差信號傳入PLC控制器中分析，若達(dá)到壓差反沖洗設(shè)定值0.48k Pa，則排污閥打開，在排污閥打開時，過濾器內(nèi)部水壓與外部大氣之間形成的壓差使吸嘴產(chǎn)生強勁吸力，高速的水流將雜質(zhì)攜入排污管，通過排污閥排出。吸嘴由一個連有絲桿螺母裝置機構(gòu)的雙向電機驅(qū)動，按照固定的轉(zhuǎn)速作螺旋式的運動，這樣幾個吸嘴就能吸遍整個濾網(wǎng)內(nèi)表面。螺旋機構(gòu)運動達(dá)到設(shè)定值20 s后，排污閥關(guān)閉，從而完整地完成一次反沖洗過程，但壓差設(shè)定值達(dá)到0.48 k Pa吸嘴卻為進(jìn)行反沖洗時，壓差會繼續(xù)變大，當(dāng)壓差值增加到0.6 k Pa時，控制系統(tǒng)就會接通警報電路，從而保證過濾器的安全運行，如此循環(huán)即可達(dá)到設(shè)計要求［4-6］。

圖1 反沖洗結(jié)構(gòu)過濾器結(jié)構(gòu)

2 反沖洗過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓載水專用反沖洗過濾器主要由粗細(xì)濾芯、筒體、吸污軸、封頭、壓載水進(jìn)出口、排污閥、絲杠螺旋機構(gòu)及其驅(qū)動裝置等部件組成［7-8］。

2.1 過濾器濾芯的選型與設(shè)計

濾材采用的是316L不銹鋼，該材料有耐腐蝕、機械強度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和造價經(jīng)濟實惠等優(yōu)點。為實現(xiàn)50μm的過濾精度，濾網(wǎng)目數(shù)為80× 400，不銹鋼絲編織濾網(wǎng)。

2.1.1 有效過濾面積A的確定

有效過濾面積為：

Q為過濾器的設(shè)計流量濾面積；v為過濾速度；f為濾網(wǎng)的凈面積系數(shù)。設(shè)計中，Q取值為300 m3／s，v的取值為1.5 m／s，f的取值為0.07，計算得

2.2 過濾器筒體的設(shè)計

筒體厚度為：

pc是計算壓力，取值為110 MPa，Di是筒體內(nèi)徑，取值為400 mm；［σ］t是許用應(yīng)力，取值為118 MPa，p為筒體設(shè)計壓力，取值為1.1 MPa；φ焊接接頭系數(shù)，取值為0.85。將各值帶入式（5）得δ＝2.2 mm，對于低合金鋼制的容器規(guī)定腐蝕余量應(yīng)不小于3 mm，所以取名義厚度為6.0 mm。

2.3 筒體的強度校核

根據(jù)圓筒筒壁應(yīng)力校核公式可得水壓試驗時的應(yīng)力為：

因此筒體厚度滿足水壓試驗時強度要求。

2.4 吸污軸結(jié)構(gòu)的確定

外徑為：

J為轉(zhuǎn)動慣量，α為角加速度，通過Pro／E對其三維建?？晒浪闫滟|(zhì)量屬性m＝8.12 kg，r＝60 mm，J＝14 616 kg·m2；Δt為啟動時間，一般為2～3 s，在此取2 s，ω＝πn／30，n＝27 r／min，所以α＝1.41 rad／s2計算得T2＝20 663 N·mm。

2.4.2 負(fù)載扭矩和摩擦力矩計算

通過CFD軟件對吸嘴在流場中的受力分析，可知排污軸在反清洗運轉(zhuǎn)時受到的流體作用的負(fù)載扭矩T1＝80 N·mm，相比慣性力矩太小可忽略不計。在運轉(zhuǎn)時還受到支撐部位的摩擦力，因設(shè)計采用機械軸封摩擦力很小可忽略不計，因此總扭矩T＝20 663 N·mm，代入式（12）得：

d＝24.26 mm＜60 mm，符合設(shè)計要求。

3 反沖洗機構(gòu)建模與仿真

依據(jù)反沖洗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用Pro／E對其虛擬樣機建模和利用Matlab／Simulink中的Sim-Mechanics工具箱對其進(jìn)行運動學(xué)仿真，檢測吸嘴在濾網(wǎng)上軌跡曲線，驗證機構(gòu)設(shè)計的合理性。

3.1 基于SImmECHANICS機構(gòu)仿真

參數(shù)設(shè)定好后就可進(jìn)行仿真。根據(jù)反沖洗時間將“Simulation Stop time”設(shè)置為20 s。單擊運行即可看到圖2過濾器三維動畫仿真過程圖。

剛體B1的軸向位移、軸向速度變化曲線如圖3所示，角速度的單位為rad／s，角加速度的單位為rad／s2。從圖3中可以看出B1的軸向位移在20 s內(nèi)是90 mm，速度為4.5 mm／s完全符合設(shè)計的要求。

圖2 運動仿真過程

圖3 剛體B1運動參數(shù)

剛體B2的角速度變化如圖4所示，從圖中可以看出，剛體B2處的角速度不發(fā)生變化，屬于勻速轉(zhuǎn)動，末端執(zhí)行器的運動軌跡如圖5所示。末端軌跡線為螺旋曲線，末端位移為170 mm，從圖5可以看出，符合吸嘴設(shè)計的運動軌跡，從而進(jìn)一步說明了螺旋絲桿機構(gòu)設(shè)計的合理性。

圖4 桿件B2角速度

圖5 吸嘴運動軌跡

3.2 設(shè)計虛擬樣機

結(jié)合Sim Mechanics螺旋絲桿運動學(xué)仿真結(jié)果，利用Creo2.0三維設(shè)計軟件對過濾器進(jìn)行三維模型設(shè)計，3D虛擬樣機如圖6所示。

圖6 3 D樣機

4 濾網(wǎng)壓損

當(dāng)壓載水通過多孔介質(zhì)濾網(wǎng)層時，其流速和壓降成線性關(guān)系，并且滿足達(dá)西定律［910］。達(dá)西定律是由法國水力學(xué)家達(dá)西在1852～1855年通過大量實驗得出的，則該流動可表述為：

將數(shù)據(jù)帶入，可計算得濾網(wǎng)內(nèi)外表面的壓差ΔP 1為0.011 MPa。

5 過濾器流場仿真

應(yīng)用Gambit 2.3.16建立過濾器內(nèi)流體流場的三維模型，邊界條件入口inlet類型為VELOCITY_ INLET，出口OUTLET類型為OUTFLOW。經(jīng)過fluent求解器反復(fù)迭代計算后得到其Z＝0平面速度矢量圖7和壓力云圖8，從圖7中可以看出，進(jìn)水口垂直對面的地方壓力最高，中部壓力最小。

圖7 Z＝0平面壓力云圖

圖8 Z＝0平面速度矢量圖

從圖8的速度分布圖上可以看出流體在從入口進(jìn)入后，速度方向發(fā)生了變化，速度值也逐漸減小。流體剛進(jìn)入過濾器時，由于速度值較大，入口處的壓力值相對較低，當(dāng)流體到達(dá)最頂端，流體速度和方向變化最大，所以該處的壓力值就最大。當(dāng)流體在過濾器內(nèi)往兩邊旋轉(zhuǎn)后，速度值比較穩(wěn)定，當(dāng)碰到兩端面時，速度和方向又發(fā)生很大的波動，因此過濾器的左上部分和右上部分的壓力比較集中。

通過Fluent流體仿真軟件計算得進(jìn)出口壓差p2＝4.8 kPa，因此過濾器內(nèi)總體壓損p＝p1＋p2＝0.158 k Pa；設(shè)計要求的壓損最大值為0.38 k Pa，因而壓損值完全符合設(shè)計要求。

6 結(jié)束語

確定過濾器總體反沖洗過濾方案為吮吸式自動反沖洗。過濾器由粗濾網(wǎng)、細(xì)濾網(wǎng)、排污閥、反沖洗機構(gòu)等組成，反沖洗機構(gòu)由吸嘴、排污軸、絲桿、螺套、導(dǎo)套、蝸輪蝸桿箱等零部件組成。對過濾器內(nèi)的流場和壓損仿真，通過達(dá)西流體理論公式計算濾網(wǎng)的壓損，在應(yīng)用流體仿真軟件對過濾器筒體內(nèi)的流場進(jìn)行速度場仿真，理論分析和壓損仿真表明，設(shè)計的過濾器符合設(shè)計要求。

［1］ 李世信，王學(xué)忠.IMO海上環(huán)境保護(hù)委員會第45屆會議［J］.中國船檢，2000（6）：45- 48

［2］ 翁石光.船舶壓載水對生態(tài)環(huán)境的威脅及其對策的探討［J］.航海技術(shù).2005（5）：67- 68.

［3］ 吳春杰，楊玉峰，俞健康.淺析船舶壓載水的污染及對策［J］.中國水運，2007，7（4）：27- 28.

［4］ 杜清華.UV／O3船舶壓載水滅菌系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［5］ 唐立夫，王維一，張懷清.過濾機［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1984.

［6］ 陳蕊娜.超聲波自動反沖洗過濾器的設(shè)計與機理研究［D］，大連：大連交通大學(xué)，2008.

［7］ 徐灝.機械設(shè)計手冊1［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［8］ 李福寶，李勤.壓力容器及過程設(shè)備設(shè)計［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［9］ 劉飛，劉煥芳，鄭鐵剛，等.微灌用自吸式自動過濾器濾網(wǎng)內(nèi)外工作壓差的設(shè)置研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2010（4）：50- 53.

［10］ 張凱.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

Automatic Backwash Horizontal Filter Structure Design for Ballast Water

LI Yangliang1，LI Jingming1，ZHAO Jiliang2，LIU Liangwen2
（1.School of Mechanical and Materials Engineering，Jiujiang University，Jiujiang 332005，China；2.Jiujiang Scicence and Technoloy Developing Center of CSSC，Jiujiang 332005，China）

壓載水專用設(shè)備在寸土寸金的狹小空間使用，應(yīng)盡量縮小其體積，而且壓載水的排放標(biāo)準(zhǔn)極其苛刻，對過濾器的功能有更高的要求。提出了采用臥式自動反沖洗過濾器的構(gòu)思，確定反沖洗結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計過濾器的濾網(wǎng)、筒體和反沖洗部件，通過Matlab機構(gòu)運動學(xué)分析軟件對吸嘴在濾網(wǎng)上的運動進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用Pro／E對其三維建模，并對濾筒內(nèi)的流場進(jìn)行壓損分析，通過相關(guān)實驗，驗證了設(shè)計的合理性，為該類產(chǎn)品設(shè)計提供參考依據(jù)。

船舶壓載水；過濾；結(jié)構(gòu)設(shè)計；仿真

Ballast water special equipment should be considered in the limited use case of dealing with the high cost of land.The volume should be reduced，and ballast water discharge standard is strict，having higher requirements on the function of the filter.This paper proposes a concept using horizontal automatic backwash filter.The design identified backwash structure plan and created a detailed design of the filter screen，filter cylinder and the backwash components.Matlab institution simulation motion analysis software is used to analyze the movement of the nozzle on the filter applied on this basis.On this basis，Pro／ E is used for three- dimensional modeling.The flow field and cartridge pressure loss within the cylinder is also analyzed.This paper proposes using horizontal automatic backwash filter conception.

ballast water；filter；structural design；simulation

TH122

A

1001- 2257（2015）08- 0022- 04

李養(yǎng)良 （1966－），男，江西九江人，碩士，教授，研究方向為機械設(shè)計及材料表面改性研究。

2015-04-20

江西省教_育廳_2012年、2013年教改項目（JXJG- 12- 17-18、JXJG-13-17-7）、九江學(xué)院2013年校級科研項目（2013ZD07）；江西省首批“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”實施成果“贛財教2011［244］號”。