Dr in. Piotr MATUSIAK Mgr in. Arkadiusz TOMAS Mgr in. Krzysztof KWANY Instytut Techniki Górniczej KOMAG Nowe rozwizanie prasy filtracyjnej PFK 570N S t r e s z c z e n i e Przedstawiono now konstrukcj prasy filtracyjnej PFK 570N, przeznaczon do odwadniania drobnoziarnistych produktów wzbogacania w zakładach mechanicznej przeróbki kopal wgla kamiennego. Opisano rozwizania konstrukcyjne tej prasy, podano parametry, opisano zmiany wprowadzone wzgldem starej konstrukcji oraz pokazano metodyk projektowania i wykorzystanie narzdzi komputerowych wspomagania procesu projektowania. Okrelono kierunki dalszych prac modernizacyjnych i rozwojowych pras filtracyjnych projektowanych w ITG KOMAG. S u m m a r y New design of PFK 570N filtration press for dewatering of fine beneficiation products in hard coal mechanical processing plants in mines is presented. Design solutions of new press and its parameters are given, changes introduced to old design are described as well as designing methodology and use of computer tools aiding the designing are showed. Directions of further modernization and development work in the field of filtration presses designed at the KOMAG Institute of Mining Technology are determined. 1. Wprowadzenie Prasy filtracyjne stosowane s w procesach przeróbki wgla, przy wzbogacaniu rud, w oczyszczalniach cieków oraz w przemyle spoywczym. Ich zaletami s: prosta budowa, wygodna obsługa, łatwy sposób dostosowania parametrów procesu filtracji i automatyzacja pracy. W zakładach mechanicznej przeróbki wgla prasy filtracyjne stosowane s do odwadniania drobnoziarnistych produktów wzbogacania. Proces filtracji polega na oddzieleniu cieczy od czci stałej. Dziki cinieniu wywieranym na zawiesin i filtr, ciecz zawarta w zawiesinie przechodzi przez szczeliny filtra, natomiast czci stałe pozostaj przed filtrem, tworzc placek filtracyjny. Proces filtracji jest złoony i zaleny od wielu czynników m.in. od charakterystyki filtrowanej zawiesiny, wywieranego cinienia i rodzaju filtra [1, 2, 4]. W procesie filtracji wyróni mona nastpujce etapy: zamknicie płyt i docisk, napełnianie nadaw, utrzymywanie cinienia roboczego - właciwa filtracja, luzowanie płyt, rozsuwanie płyt i usuwanie placków filtracyjnych. Uzyskiwane wilgotnoci odwodnionego materiału wynosz od 33,0 80,0% dla osadów pogalwanicznych, do 13,5 20,0% dla koncentratów miedzi [7] i 18,0 30,0% dla osadów wglowych [6, 7]. Prasy budowane s jako ramowe, komorowe i membranowe. Wystpuj dwa rodzaje konstrukcji - z belkami bocznymi lub z belk górn [5,7]. W latach siedemdziesitych XX wieku, w ówczesnym Centralnym Orodku Projektowo-Konstrukcyjnym Maszyn Górniczych KOMAG w Gliwicach, opracowano rozwizania kilku typów pras filtracyjnych, m.in. pras PF 570. Prasa ta była produkowana i modernizowana wspólnie z Fabryk Maszyn Górniczych Pioma i Rybnickimi Zakładami Naprawczymi, znajdujc zastosowanie w wikszoci zakładów mechanicznej przeróbki wgla. Po 40 latach eksploatacji urzdze, wiele kopal sygnalizuje potrzeb remontów lub gruntownej modernizacji posiadanych pras. Majc powysze na uwadze, w ITG KOMAG podjto prace majce na celu uaktualnienie dokumentacji prasy filtracyjnej PF 570, z zastosowaniem nowych materiałów i elementów, z uwzgldnieniem obowizujcych norm, a take z wykorzystaniem dowiadcze z ponad czterdziestoletniej ich eksploatacji. W pracach projektowych wykorzystano modelowanie 3D, z uyciem programu Autodesk Inventor. Wykonano model prasy PFK 570N oraz dokumentacj 2D. Zastosowanie modelowania trójwymiarowego skróciło proces przygotowania dokumentacji oraz stworzyło moliwo analizy kolizji oraz automatycznego generowania widoków i przekroi. Zmniejszyło równie liczb błdów i usprawniło proces projektowania. Przeprowadzono take analiz wytrzymałociow elementów prasy za pomoc Metody Elementów Skoczonych (MES). MASZYNY GÓRNICZE 1/2013 27
2. Załoenia projektowe W oparciu o przeprowadzone analizy stosowanych rozwiza, przyjto nastpujce załoenia projektowe: prasa komorowa z belkami bocznymi, docisk płyt hydrauliczny z centralnym siłownikiem, rozsuwanie płyt za pomoc mechanizmu łacuchowego z zamkiem, grubo placka: g=30 mm, liczba płyt filtracyjnych: i = 170 oraz 2 stałe, wymiar płyty: 1500 x 1500 x 55 mm, powierzchnia czynna jednej płyty: A=1,8 m 2. Przyjto maksymalne cinienie w siłowniku wynoszce 40 MPa oraz maksymalne cinienie nadawy 1,5 MPa. Jako opcje przyjto: przedmuch placka, przepłukiwanie placka. hydraulicznym (1). Do tłoka (2) siłownika zamocowana jest nakładka oporowa (3), z powierzchni sferyczn. Umoliwia to kompensacj luzów i błdów połoenia głowicy ruchomej. Po bokach głowicy znajduj si gniazda (4) do mocowania belek. Głowica stała posiada zderzaki (5) ograniczajce ruch głowicy ruchomej. Skok siłownika wynosi 600 mm, za rednica tłoka 320 mm. 3. Konstrukcja prasy Na rysunku 1 przedstawiono model 3D prasy PFK 570N. Urzdzenie składa si z głowicy stałej z cylindrem (1), z któr powizana jest głowica ruchoma (3), opierajca si na belkach (5). Belki podparte s wspornikami (6). Rys.2. Głowica stała z cylindrem [7] 3.2. Głowica ruchoma Rys.1. Model 3D prasy filtracyjnej PFK 570N [7] Po przeciwległej stronie prasy znajduje si głowica stała z przegubem (2) oraz powizana z ni głowica przegubowa (4). Pomidzy głowicami: ruchom i przegubow, znajduj si płyty filtracyjne (7) wraz z tkanin filtracyjn. Płyty opieraj si swobodnie na belkach, po których mog si przesuwa. Po stronie głowicy ruchomej znajduje si agregat hydrauliczny (8) i cz napdowa (9) układu rozsuwania płyt, obudowane osłon (10). Po stronie głowicy przegubowej znajduje si układ doprowadzenia nadawy (11) i nacig (12) układu rozsuwania płyt. Płyty rozdzielane s bezporednio mechanizmem rozsuwania (13). Prasa moe by wyposaona w instalacj przemywania placka filtracyjnego (14). 3.1. Głowica stała z cylindrem Głowica stała (rys.2), jest przestrzenn konstrukcj spawan, z centralnie umieszczonym siłownikiem Rys.3. Głowica ruchoma [7] Głowica ruchoma (rys. 3), jest przestrzenn konstrukcj spawan, ze sferyczn powierzchni (1) 28 MASZYNY GÓRNICZE 1/2013
współpracujc z nakładk oporow siłownika oraz rolkami (2), poruszajcymi si po belkach nonych prasy. Po stronie przeciwległej do powierzchni sferycznej, głowica posiada płyt filtracyjn skrajn (3). W górnej czci głowicy znajduje si uchwyt transportowy (4). 3.3. Głowica stała z przegubem Głowica stała z przegubem (rys. 4), jest przestrzenn konstrukcj spawan, wyposaon w gniazda mocowania belek (1) oraz dwa gniazda przegubów (2), które umoliwiaj wahadłowy ruch głowicy przegubowej. W centralnej czci głowicy znajduje si otwór (3), którym transportowana jest nadawa. Rys.4. Głowica stała z przegubem [7] 3.4. Głowica przegubowa Głowica przegubowa (rys. 5), jest przestrzenn konstrukcj spawan, z przegubami (1) i wahaczami (2), umoliwiajcymi kompensacj pionowych odchyle płyt filtracyjnych. Czci głowicy jest płyta filtracyjna skrajna (3). Na górnej powierzchni głowicy zamocowany jest uchwyt transportowy (4). W centralnej czci głowicy znajduje si otwór (5), którym transportowana jest nadawa. Belki (rys. 6), s głównymi elementami nonymi. S przestrzenn konstrukcj spawan, z wypustami (1) wchodzcymi w gniazda w głowicach oraz z powierzchni lizgow (2) dla płyt filtracyjnych. Belki s mocowane do głowicy stałej z cylindrem i stałej z przegubem. 3.6. Płyty filtracyjne Płyta filtracyjna (rys. 7), złoona jest z głównej płyty (1) z rowkami (2), powierzchniami oporowymi (3), otworami spływowymi (4) i głównym kanałem (5) odprowadzajcym odscz oraz uchwytów (6), na których płyta opiera si na belkach. W centralnej czci płyty znajduje si otwór (7), którym transportowana jest nadawa. Płyta filtracyjna wyposaona jest w tkanin filtracyjn. Dobór tkaniny przeprowadza si dla konkretnej nadawy i charakterystycznych warunków dla danej kopalni. Wstpnie załoono stosowanie tkanin PT911 lub SPT77, jako czsto obecnie stosowanych w zakładach mechanicznej przeróbki wgla [7]. Ze wzgldu na due cinienie nadawy wynoszce 1,5 MPa, zasadne jest wykorzystanie dodatkowej warstwy wzmacniajcej, umieszczonej midzy płyt, a tkanin, np. tzw. "podkoszulek" SP22 OFTIM. Rys.7. Płyta filtracyjna [7] 3.7. Układ rozsuwania płyt Rys.5. Głowica przegubowa [7] 3.5. Belki Rys.8. Mechanizm rozsuwania płyt [7] Rys.6. Belka [7] Układ rozsuwania płyt składa si z silnika hydraulicznego, reduktora zbatego, kół łacuchowych, mechanizmu rozsuwania płyt oraz nacigu. Mechanizm rozsuwania płyt (rys. 8), składa si z łacucha (1) z rolkami bocznymi (2) oraz wózka (3) z zaczepami (4). Podczas ruchu zaczepy rozsuwaj płyty. Dosunicie odsuwanej płyty filtracyjnej do poprzedniej wywołuje MASZYNY GÓRNICZE 1/2013 29
wzrost obcienia, co jest sygnałem dla układu do zmiany kierunku ruchu. Napd z silnika hydraulicznego, zasilanego z głównego agregatu hydraulicznego prasy, przenoszony jest poprzez reduktor zbaty, na koła łacuchowe. Długo łacuchów jest dobierana według iloci płyt i długoci belek tak, by wózek mógł porusza si w całym zakresie płyt filtracyjnych. Aby zmniejszy mas, cigna odpowiadajce za nacig s wykonane z linek stalowych, za koła nawrotne s kołami linowymi. Do napdu dobrano silnik hydrauliczny o mocy 1 kw i cinieniu pracy 5 MPa. 4. Modelowanie 3D w procesie projektowania prasy W celu przeprowadzenia analiz wytrzymałociowych utworzono uproszczony model prasy. Cz symulacji przeprowadzono dla modelu z 25 płytami, ze wzgldu na bardzo długi czas symulacji dla kompletnego modelu. Wprowadzone uproszczenia wynikały równie ze znacznych gabarytów urzdzenia oraz duej liczby elementów. Usunito wszystkie elementy nieistotne z punktu widzenia wytrzymałoci konstrukcji prasy. Stopie wykonanych uproszcze uzaleniono od rodzaju wykonywanych analiz. W przypadku analiz pojedynczych elementów, uproszczenia były mniejsze, natomiast w analizach całoci konstrukcji prasy wiksze (rys. 9). W modelu pominito równie nadlewy spoin [3]. wystpujcych w głowicach oraz elementów siłownika. W modelach wprowadzono niewielkie uproszczenia. W celu zwikszenia dokładnoci zastosowano zagszczenie siatki podziałowej. Rys.10. Wyniki analizy płyty filtracyjnej: a) naprenia pochodzce od zadanej siły ciskajca (pochodzca od siłownika), b) naprenia pochodzce od zadanej siły ciskajcej i cinienia pochodzcego od nadawy, wynoszcego 1,5 MPa [7] Na rysunku 10 przedstawiono przykładowe wyniki analiz płyt filtracyjnych, przy rónych rodzajach obcie. Rysunek 10a przedstawia płyt obcion jedynie sił ciskajc, natomiast rysunek 10b obcion dodatkowo od cinienia nadawy 1,5 MPa. W celu symulacji warunków zblionych do rzeczywistych uyto pakietu płyt połczonych ze sob. Nastpnie "ukryto" wszystkie płyty, poza jedn, znajdujc si na rodku pakietu, w stosunku do której zastosowano lokalne zagszczenie siatki podziałowej. Na tym etapie prac wykonano równie analizy elementów oporowych przegubów wystpujcych w głowicach oraz elementów siłownika. Ich przebieg był analogiczny jak w przypadku płyt filtracyjnych. 5.2. Analizy zespołów prasy filtracyjnej Rys.9. Uproszczenie modelu płyty oporowej przegubu: a) pierwotna posta płyty, b) posta płyty do analizy pojedynczego przegubu, c) posta płyty do analizy całej konstrukcji prasy [7] W kolejnym etapie wykonano analizy poszczególnych zespołów prasy. Objto nimi: wszystkie głowice prasy, belki none oraz zespół siłownika z tłoczyskiem. Na rysunku 11 pokazano przykładowe wyniki analiz głowic prasy. 5. Analizy wytrzymałociowe Obliczenia wytrzymałociowe Metod Elementów Skoczonych (MES) wykonano w programie Autodesk Inventor. Obliczenia podzielono na kilka etapów. W pierwszym etapie wykonano analizy pojedynczych, głównych elementów prasy, za w kolejnych zakres analiz rozszerzano o poszczególne zespoły, a do analizy całoci konstrukcji prasy. 5.1. Analizy głównych elementów prasy W pierwszej kolejnoci wykonano analizy głównych elementów prasy, decydujcych o poprawnej pracy: płyt filtracyjnych, elementów oporowych przegubów Rys.11. Przykładowe analizy poszczególnych zespołów prasy: a) głowica stała z cylindrem, b) głowica przegubowa [7] Zastosowane modele charakteryzowały si wikszym stopniem uproszczenia ni w przypadku analiz opisanych w punkcie 5.1. Przyjto siatk podziałow o mniejszym zagszczeniu, ze wzgldu na wiksz złoono modelu. Wyniki były bardziej zblione do stanu rzeczywistego ni w przypadku analiz pojedynczych elementów. Jest to efektem lepszego odwzoro- 30 MASZYNY GÓRNICZE 1/2013
wania rozkładu sił na poszczególnych elementach i wystpowania odkształce elementów współpracujcych ze sob. 5.3. Analiza całoci konstrukcji prasy Do celów analizy całej konstrukcji prasy zastosowano model o najwikszym stopniu uproszczenia. Ze wzgldu na moliwoci programu Autodesk Inventor, zastpiono zestaw płyt jednolitym modelem, o odpowiadajcych mu wymiarach (rys. 12). Pozwoliło to na szybkie wykonanie analiz i uzyskanie wyników o wymaganej dokładnoci. Rys.12. Wyniki analizy całoci konstrukcji prasy [7] Modelowi nadano wizania odpowiadajce przytwierdzeniu prasy do podłoa. Obcienia na konstrukcj zadano w postaci nacisków powierzchniowych, na wewntrzne ciany siłownika. Warto nacisków powierzchniowych wynosiła 40 MPa i odpowiadała maksymalnemu cinieniu czynnika roboczego zasilajcego siłownik. Uzyskane w wyniku analizy informacje były szczególnie cenne, poniewa uwzgldniały oddziaływania pomidzy poszczególnymi zespołami prasy. Podstawowym skutkiem tych oddziaływa s niekontrolowane odkształcenia konstrukcji prasy oraz dodatkowe naprenia. Na rysunku 13 pokazano rozkład odkształce wystpujcych w głowicach stałych i belkach nonych. 5.4. Analiza wpływu wartoci cinienia nadawy na rozkład wartoci napre w głowicach Wykonano równie dwie serie analiz, które dotyczyły głowic bezporednio ssiadujcych z płytami filtracyjnymi, w zestawieniu z kilkoma skrajnymi płytami (rys. 14). W pierwszej kolejnoci wykonano analiz z zadan sił ciskajc płyty. Odpowiadała ona sile wywołanej przez siłownik. Pozwoliło to na uzyskanie informacji o rozkładzie wartoci napre i odkształce, jakie wystpuj w czasie zamykania prasy (rys. 14a). Nastpnie dodano obcienie w postaci nacisku powierzchniowego, na wewntrzne ciany płyt filtracyjnych, odpowiadajce wartoci cinienia nadawy podawanej do prasy. Dla tak obcionego modelu przeprowadzono seri symulacji, zmieniajc warto nacisku powierzchniowego w zakresie od 0 do 2 MPa. Na podstawie uzyskanych wyników okrelono wpływ wartoci cinienia nadawy na rozkład wartoci napre i odkształce w głowicach. Wyznaczono równie przyblion warto cinienia nadawy, przy której moe nastpi rozszczelnienie prasy. Przy wartoci cinienia ok. 1,6 MPa stwierdzono moliwo utraty spójnoci pomidzy krawdziami płyt filtracyjnych. Rys.14. Analiza głowicy ruchomej w zestawieniu z płytami filtracyjnymi: a) z zadan sił ciskajc, b) z zadan sił ciskajc i cinieniem 1,5 MPa pochodzcym od nadawy [7] Z tego wzgldu warto cinienia nadawy 1,5 MPa traktowa naley jak maksymaln, za prasa powinna pracowa przy mniejszym cinieniu, rzdu 1,2 1,4 MPa. 5.5. Analiza napre i przemieszcze w głowicy w funkcji jej gruboci Rys.13. Odkształcenia w głowicach i belkach bocznych prasy [7] Poszukiwano rozwiza zmierzajcych do zmniejszenia niekontrolowanych odkształce w konstrukcji prasy, a tym samym do zmniejszenia napre. Jednym z rozwiza jest czciowe upodatnienie konstrukcji prasy, na przykład poprzez zapewnienie jednej z głowic oraz wspornikom swobody ruchu w ograniczonym zakresie, w kierunku działania siły pochodzcej od siłownika. Daje to moliwo kontrolowanego odkształcenia sprystego belek nonych i zapobiega niekontrolowanym odkształceniom głowic. Do celów analizy uyto modelu opisanego w punkcie 5.4. Głowic obciono siłciskajc oraz zadano obcienie odpowiadajce maksymalnej wartoci cinienia nadawy - 1,5 MPa. Przeprowadzono seri symulacji, w których kolejno zmieniano grubo głowicy w zakresie od 160 do 750 mm. Wyniki analiz dla głowicy ruchomej przedstawiono na rysunku 15. W czasie analiz wykorzystano funkcj parametryzacji modelu. Polega ona na połczeniu pliku modelu 3D z plikiem arkusza kalkulacyjnego, w którym definiuje si poszczególne parametry, przypisane do odpowiednich wymiarów modelu. Dziki temu, zmieniajc wartoci parametrów w arkuszu, mona sterowa dowolnymi wielkociami modelu. MASZYNY GÓRNICZE 1/2013 31
Rys.15. Wyniki analiz: a) model głowicy (grubo 220 mm), b) odkształcenia krawdzi głowicy, c) naprenia w rurze do przedmuchu i w konstrukcji głowicy [7] Wielkociami rejestrowanymi w czasie analiz były wartoci odkształcenia krawdzi głowicy (rys. 15a) oraz wystpujce wartoci naprenia (rys. 15b). W przypadku odkształce wyróniono odkształcenia bezwzgldne oraz wzgldne, odniesione do powierzchni głowicy, do której przylegaj płyty filtracyjne. Napr- enia rejestrowano dla konstrukcji nonej głowicy oraz dla rury doprowadzajcej powietrze do przedmuchu. Wynikało to z funkcji jakie pełni oba elementy (zadaniem konstrukcji nonej jest przenoszenie obcie, natomiast rura ma za zadanie doprowadzenie powietrza do komór filtracyjnych i powinna by obciona w jak najmniejszym stopniu). 6. Zakres modernizacji Na podstawie przeprowadzonych symulacji, analizy konstrukcji i analiz wytrzymałociowych, stwierdzono potrzeb: wzmocnienia konstrukcji głowicy stałej i ruchomej, szczególnie w rejonie cylindra hydraulicznego, zmniejszenia odkształce belek prasy, poprzez upodatnienie wybranych elementów, np. poprzez zapewnienie wspornikom lub głowicy stałej z przegubem moliwoci przesuwu w ograniczonym zakresie, Porównanie bazowej prasy PF570 ze zmodernizowan pras PFK 570N [7] Wielko/cecha PF570 PFK570N liczba płyt 151+2 skrajne 170+ 2 skrajne rozmiar płyty 1500 x 1500 x 62 mm 1500 x 1500 x 55 mm materiał płyty eliwo/tworzywo sztuczne polipropylen masa płyty 630 kg/90 kg 80 kg objto komór 7,35 m 3 9,23 m 3 całkowita powierzchnia filtracyjna 576 m 2 613,8 m 2 masa prasy 127000 kg/40000 kg 40000 kg Tabela 1 cinienie nadawy 0,9 MPa nominalnie1,2 1,4 MPa, maks.1,5 MPa cinienie zasilania siłownika 32 MPa 40 MPa wymiary LxSxH 14965 x 2710 x 1675 mm 14590 x 2706 x 1690 mechanizm rozsuwania płyt łacuchowy z napdem hydraulicznym łacuchowo-linowy, napd hydrauliczny z reduktorem zbatym 32 MASZYNY GÓRNICZE 1/2013
zmniejszenia masy urzdzenia, uproszczenia mechanizmu rozsuwania płyt i zastosowania łacuchów o mniejszym rozmiarze, zastosowania kontroli połoenia płyt filtracyjnych za pomoc dedykowanego układu elektronicznego/ optycznego, eliminacji głowicy przegubowej z amortyzatorem oraz przegubów na głowicy stałej, Dla poprawy bezpieczestwa uytkowania zasadne jest zastosowanie automatycznego wyłczania prasy w przypadku stwierdzenia obecnoci osób w niebezpiecznie bliskiej odległoci. Systemy takie s coraz czciej stosowane w prasach filtracyjnych [7]. W tabeli 1 przedstawiono porównanie parametrów bazowej prasy PF570 ze zmodernizowan pras PFK 570N. 7. Podsumowanie W ramach przeprowadzonych prac wykonano projekt prasy filtracyjnej PFK 570N. Wykonano modele 3D elementów prasy do analiz wytrzymałociowych oraz dokumentacj techniczn urzdzenia. Przeprowadzono analizy wytrzymałociowe elementów. Dobrano parametry pracy prasy, takie jak: ilo płyt, objto komór oraz cinienia nadawy i siłownika docisku. Przygotowany projekt umoliwia jego elastyczne dostosowanie do wymaga klientów, poprzez moliwo zastosowania rónych tkanin, płócien wzmacniajcych oraz układów przemywania i przedmuchu. Literatura 1. Battalia A.: Odwadnianie produktów wzbogacania i obiegi wodne płuczek. Wydawnictwo Górniczo- Hutnicze. Katowice 1963. 2. Blaschke S., Blaschke W.: Technika wzbogacania wgla, skrypt uczelniany nr 658, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 1979. 3. Jankowski Ł., Garczyski Z, Czartoryski B. i inni: Opracowanie linii do gicia belki czołowej wózka jezdnego wagonu kolejowego. Projektowanie i konstrukcje inynierskie, 2012 nr 4 (55) s. 18-25. 4. Leszczyski S.: Filtracja w przemyle. WNT. Warszawa 1972. 5. Nawrocki J.: Budowa i eksploatacja maszyn do odwadniania produktów wzbogacania. Wydawnictwo Politechniki lskiej. Gliwice, 1975. 6. Pyc A., Giemza H., Gruszka G., Lenartowicz M.: Odwadnianie flotokoncentratu wgla koksowego w prasach filtracyjnych komorowo membranowych, Górnictwo i Geologia 2011,Tom 6, Zeszyt 2. 7. Tomas A., Matusiak P., Kwany K.: Nowe rozwizanie prasy filtracyjnej typu KOMAG przeznaczonej do odwadniania produktów wzbogacania. ITG KOMAG, Gliwice 2012. (materiały nie publikowane). Artykuł wpłynł do redakcji w marcu 2013 r. MASZYNY GÓRNICZE 1/2013 33