高效填料生产专用机床设计及应用郑东丹

第46卷第14期2018年7月广州化工GuangzhouChemicalIndustryVol.46No.14Jul.2018化工机械高效填料生产专用机床设计及应用郑东丹1，黄金洲1，汤飞2(1广州赛特环保工程有限公司，广东广州510641;2广州市赛特检测有限公司，广东广州510641)摘要:移动生物膜法关键技术在于对悬浮填料的研究和加工技术。普通塑料机械能够大批量生产的填料只有多面空心球等几种填料，但实际使用效果不理想，而普通机床对高分子材料的加工只能生产少量塑料成品。本设计针对高分子材料的性能，通过将待加工材料改为连续进给方式，开发出能够连续、大批量加工出塑料填料的专用机床，生产出长径比约为1∶1、比表面积为600～800m2/m3的双面折皱螺旋状填料，应用效果满意。关键词:填料;机械加工;大批量;专用机床中图分类号:TH6文献标志码:B文章编号:1001－9677(2018)14－0097－03第一作者:郑东丹(1969－)，男，工程师，主要从事污水处理设备研发与工程应用。DesignandApplicationofSpecialFillersMachineforEfficiencyProductionZHENGDong－dan1，HUANGJin－zhou1，TANGFei2(1GuangzhouSPTEnvironmentProtectionCo.，Ltd.，GuangdongGuangzhou510641;2GuangzhouSTTestingCo.，Ltd.，GuangdongGuangzhou510641，China)Abstract:ThekeytechnologyofMovingBedBiofilmＲeactor(MBBＲ)isthetechnologyofsuspendedfillers.Althoughtraditionalplasticmachinecanproducefillers，itislackofpracticability.Thetraditionalmachinetoolscanonlyproduceasmallamountofplasticproductswithpolymermaterials，itisnotsuitableforourrequirement.Aimingattheperformanceofpolymermaterials，polymerplasticwasdesignedasrawmaterialtoproducefillers，andaspecialfillersmachineforcontinuousandmassprocessingwithexcellentsewagetreatmentperformancewasdeveloped.Thisspecialfillersmachineintegratedmaterialdistribution，materialstraight，feeding，cutting，coolingandreceiving.Thespecialmachinecanproducesatisfactorypolymerfillerwithlengthdiameterratioof1∶1，andthedoublefoldedspiralfillerswithasurfaceareaof600～800m2/m3.Keywords:fillers;mechanicalprocessing;massproduction;specialmachine移动生物膜法(MovingBedBiofilmＲeactor，MBBＲ)是新兴的污水处理技术，其关键技术在于对微生物赖以栖息的新型悬浮填料的研究和加工技术。高性能的新型填料在应用上应具有价格低廉、使用寿命长、易挂膜、能耗低等特点，新型填料的比表面积应尽可能地大，并可以制造一些功能区，适应不同要求的厌氧、需氧微生物的生长，有机高分子材料成型的填料具有优异的性能［1］。总体而言，我国目前对悬浮填料的研究尚处于初步阶段，新型填料在我国污水处理工程中的应用具有广泛的发展空间［2］。1填料的生产与加工技术现阶段国内悬浮填料有多面空心球、内置式悬浮球、Kaldnes悬浮载体、Natrix悬浮载体等，填料的直径基本上都是在20～150mm之间，而粒径为0.5～10mm的填料才能形成理想的生物膜［3］，并且在流化时能耗低，因此研究生产中粒径填料很有意义。悬浮填料的形状通常为球状、圆筒状或粒状，一般认为球状有良好的水力学特性，是最理想的形状，长径比为1∶1的圆柱状材料性能比较接近球状［4］。多孔材料粒径小，比较接近球状，但容易堵塞，一般较大体积、空隙率高的填料不容易堵塞。受到生产技术的限制，将材料加工成5～10mm的球状填料很困难，而生产长径比约为1∶1的10mm圆柱状材料在加工技术上比较容易实现。此外，MBBＲ法中悬浮填料倾向于使用高分子材料加工而成。高分子材料是随着合成树脂的发展而发展起来的，它和塑料机械的发展互相促进，现代广泛使用的塑料机械有:注塑机、挤出机、中空吹塑机、压延机等［5］。只有多面空心球等少数填料能够应用普通塑料机械进行大批量生产，但其成品比表面积只有50～300m2/m3，在流化时能耗大，使用效果不理想。机械加工也是高分子材料加工的另外一个重要的途径。高分子材料的机械加工借用金属和木材等的加工方法而改良完成，也可作为成型的辅助工序，如挤出型材的锯切。由于高分子材料的性能与金属和木材不同，高分子材料的热导性差，热膨胀系数、弹性模量低，当夹具或刀具加压太大时，易于引起变形，切削时受热易熔化，且易粘附在刀具上。因此，高分子材料进行机械加工时，所用的刀具及相应的切削速度等都要适应高分子材料特点。现有利用普通机床的加工只能制造尺寸很精确或数量不多的高分子材料成品［6］，而针对长径比为1∶1、粒径98广州化工2018年7月5～10mm、比表面积大于500m2/m3的高分子材料填料则无法使用现有的塑料机械或者通用机床进行大批量生产。因此设计开发出能够大批量生产高分子填料的专用机床非常有必要。本设计针对此难点，开发制造一款填料加工机，能够大批量生产长径比约为1∶1的双面折皱螺旋状填料，以满足工程所需。2机床设计原理传统机床包括数码机床的设计都是材料用各种夹具夹紧后定位不动，刀具移动或者转动进行加工成型［7］，这一原理提高了机床加工材料的精度，但降低了生产效率，无法短期内生产加工大批量填料。因此，本填料加工机设计中着重对生产效率的提高，通过连续进给待加工的材料，改变刀具模式为绕材料转动切削，从而快速生产出长径比约为1∶1的双面折皱螺旋状塑料填料，实现批量化生产，满足工程需求。具体工艺流程为:填料材料首先进行分配，选用直径为10mm的塑料棒进行加工，在驱动控制系统控制下进入材料校直机构、送料机构和切割结构。材料进行切割时会产热，加入冷却系统进行降温，确保在适温下完成材料切割，提高成品率，最后设计接收系统接收成品。本设计最终能生产出长度为10mm、长径比约为1∶1的双面折皱螺旋状塑料填料(图1)。图1机床设计原理图Fig.1Themapofmachinetooldesign3填料加工专用机床各机构设计3.1材料分配设计由于高分子填料原材料较为复杂，为保证后续生产的速度，由人工对直径为10mm的高分子塑料棒根据生产要求分配到各个机台。3.2材料校直机构为保证连续进给待加工的材料，减少换料时间，原材料选用较长长度塑料棒，为了运输方便将塑料棒卷成圆圈。原本弯曲的塑料棒需要先经放开进入校直机构，校直完成后经送料机构输出。校直机构采用圆盘加材料限位架机构，送料机构与校直机构间采用链轮连接，确保材料拉直的同时可以直接进入送料机构，实现校直机构材料进给与送料机构材料进给的同步(图2)。3.3材料送料机构塑料棒拉直以后在进入切割机构之前必须对其进行校正，校正工作由送料机构完成，保证材料垂直进入切割机构进行加工成型。送料机构使用两对滚轮协同作业，前一对滚轮对已拉直的材料进行校正，滚轮中间设有凹槽，材料经上下滚轮中间凹槽送到后滚轮;后一对滚轮通过手动轮调节滚轮以压紧弹簧，弹簧可以根据材料的软硬度进行压力调整，控制材料送料速度。两队滚轮中前一对滚轮为从动轮，后一对滚轮为主动轮，是动力的输入端，前后滚轮通过齿轮传递动力(图2)。3.4材料切割机构材料切割机构是本机实现填料成型的核心部分，切割机构中主要结构为切割刀具。刀具在生产上选用薄片刀具，限定与材料送进方向的夹角为10°～20°，转动速度为1280～2000转/min，切削速度约为100～120粒/min。材料上应控制直径(10±0.2)mm，软硬适中，材料送进方向为直线，材料前进速度300～400mm/min。同时设定当刀具转动5～10圈后，可利用凸轮顶开送料机构后滚轮的压紧弹簧，短时停止送料，同时利用水冷使塑料弹性收缩断开成型。根据不同的材料选用不同的刀具切割(图2)。图2填料加工专用机的校直、送料与切割机构Fig.2Thespecialmachinewithmaterialstraight，feedingandcutting3.5驱动控制系统本机的动力系统采用变频器控制电机，分别对送料机构、切割机构、冷却系统进行调速控制，主要的功能是保证送料系统与切割系统根据材料的不同进行工作，以达到生产不同形状、性能成品的目的。3.6冷却系统本机的切割冷却系统结合传统机床的水冷系统设计原理，应用新型的水冷却系统，利用小量高速水流对断开高分子塑料粒进行喷射，加快成品冷却收缩成型，冷却水与成品分离后经过滤可循环使用。3.7成品接收机构填料加工专用机中成品接收使用圆形200L塑料桶进行接收，桶满后通过人工更换。4设计结果评价本填料加工专用机设计完成后投入生产线中实际应用，优化改良后制作出合格的成品。该成品为双面折皱螺旋状塑料，长度为10mm，长径比约为1∶1，比表面积为600～800m2/m3，经检验为合格的填料，可以满足使用。实际应用中发现，这些填料在污水处理过程中可以形成多个厌氧、缺氧、好氧区，不同的微生物可以在不同的区域内附着，生长性能良好。与市场上所售的填料相比，通过本填料加工专用机生产而成的填料微生物附着效率更高，生物菌群运作更为稳定和高效(图3)。后期针对生产效率进行优化，改善刀具后可以使得长径比为1∶1的填料由原来每个刀具1m3/天的生产速度提高为每个刀具2m3/天的生产速度，生产效率进一步提升，填料的表面结构也得到优化，更为适合微生物的生长，污水处理效率更高。经本填料加工专用机生产的填料已运用在多个项目中，其中的多个填料已获得专利［8－10］，同时以该填料为核心的污水处理技术获广州市科技进步二等奖。第46卷第14期郑东丹，等:高效填料生产专用机床设计及应用99图3本填料加工专用机生产的填料Fig.3Thefillersmadefromthespecialpackingmachine5结论本次设计完成的填料加工专用机能够采用有机高分子材料作为原材料，通过改变材料与刀具的进给方式，生产出长径比约为1∶1、长度为10mm的高分子填料，且能满足批量生产需求。虽然加工精度不高，但是对于应用于污水处理的大批量填料而言，高比表面积、低能耗才是理想的填料。本设计研究中填料加工专用机床生产的填料经过实际生产工程的验证效果十分理想，可以大规模推广使用。本填料加工专用机床的研制成功改变了塑料成品的机械加工只能生产少量成品的观念，为污水处理填料生产打开广阔的空间。参考文献［1］罗雪梅，桑岚，等.流化床生物反应器载体的研究［J］.水处理技术，2010，36(7):20－23.［2］沙锦箖，高健磊.悬浮填料生物反应器的研究现状与进展［J］.中国环保产业，2005，3:23－24.［3］曹玉成，王平，常银子，等.废水处理生物流化床中载体选择的研究进展［J］.青海环境，2004，14(4):158－161.［4］金冬霞，田刚，施及昌，等.悬浮填料的选取及其性能试验研究［J］．环境科学学报，2002，22(