矿用净水站系统设计与纤维过滤器仿真研究

摘要

在井下建立净水站，对矿井水进行净化软化，在一定程度上可以减轻水环境保护压力，改善煤矿经济和环境效益。目前，潞安王庄矿、常村矿采用清水箱+喷雾泵+软水箱组合方式来实现矿井水的局部循环利用，但出现了诸如设备大而笨重、滤芯过滤精度差、容易堵塞、箱底堆积污物不易清除、自动化程度低等问题。基于上述情况，本论文提出了一种用于综采工作面的自动在线净水站，并对净水站的机械结构设计、弹塑性力学分析、静力学分析以及液压系统设计四个主要方面进行研究。
　　论文在分析表层过滤与深层过滤机理的基础上，运用SolidWorks建立净水站的三维结构模型，按照过滤精度逐级提高的原则，设计四级过滤装置：一级网板式过滤，选取8mm规格圆孔过滤板，圆孔排列方式呈60°梅花排列；二级缝隙式过滤，选取楔形丝规格为2mm，开口率0.99％；三级纤维式过滤，选取旋翼式纤维滤料作为过滤介质；四级折叠式过滤，选取过滤精度为5μm，截留率达90%以上的折叠式滤芯，能够最大程度的提高过滤精度，保障出水水质。
　　为了确保设备的安全运行，论文通过 ANSYS有限元法对球罐环焊缝的残余应力进行分析和预测，利用单元生死技术，在体积热源的作用下，得到球罐的温度场与应力场。结果表明：在球罐外表面焊料与母材结合处经向残余应力较大可达510 MPa，纬向峰值则出现在焊缝中心；而在球罐内表面赤道位置处两向残余应力最大且均小于420 MPa；沿焊缝熔深方向焊接残余应力逐渐减小。
　　为了满足煤矿设备对轻量化的要求，论文利用 Workbench的 Statics Structural静力分析模块对纤维过滤器内压作用下的应力进行分析。在此基础上，调用Direct Optimization直接优化模块，选取Screening筛选优化法进行优化分析，分析结果表明：过滤器总质量从553.15Kg降至392.79Kg，质量减少了约29%，优化效果明显。
　　为了提高净水站的自动化程度和系统的可靠性，论文根据四级过滤的先后顺序以及缝隙滤网和纤维滤料的反洗原理，设计净水站反向冲洗回路与液压油路。其中，反冲洗液压回路包含五种工作模式：正常过滤模式、L罐反向冲洗模式、L罐正向冲洗模式、R罐反向冲洗模式、R罐正向冲洗模式。并建立液压系统的逻辑结构，使隔爆电动球阀的开闭与电磁换向阀动作位的切换更加安全可靠。
　　自动在线净水站结构紧凑，阀件可靠，自动化程度高，正常净水与自动反冲洗功能的实现，使系统的智能化得到了进一步的提高，五种工作模式的自由切换，保证了供水的连续性。这对构建数字化矿井、智能化矿井、集约化矿井具有非常重要的意义。

目录

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3论文研究内容与技术路线

第二章 矿用净水站结构设计

2.1过滤机理

2.2过滤装置结构设计

2.3控制装置结构设计

2.4净水站整体结构设计

2.5本章小节

第三章纤维球罐热结构耦合分析

3.1焊接有限元分析理论基础

3.2球罐环焊缝焊接过程数值模拟

3.3球罐温度场计算结果与分析

3.4球罐应力场计算结果与分析

3.5本章小结

第四章纤维过滤器结构仿真及优化

4.1线性静力学分析基础

4.2纤维过滤器静力分析

4.3纤维过滤器壁厚优化

4.4本章小结

第五章净水站液压系统设计

5.1液压元件选型设计

5.2反冲洗液压回路设计

5.3净水站液压系统设计

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文