用于機床切削液過濾的幾種重力式紙帶過濾機結構探討

用于機床切削液過濾的幾種重力式紙帶過濾機結構探討

    用于機床切削液冷卻液過濾的紙帶過濾機，比較普及的形式是以冷卻液自重形成的壓強透過濾紙完成過濾的，而靠負壓提高流量的真空過濾機在國內用量不多。國內常用靠液體自重過濾的典型紙帶過濾機，無外乎平臥型、鼓型。近年又出現了弧型紙帶過濾機。

    因為我們討論的是過濾機的結構，所以在不考慮濾紙過濾系數和介質粘度系數因素的條件下，過濾機的流量與液體所通過濾紙的面積和液體作用在濾紙表面的平均壓強的乘積成正比。

    濾紙面積取決于設備大小，壓強產生于液體的自重，在設備體積受限情況下，根據上式關系，只有提高作用于濾紙的液體高度，才能有效提高過濾機的流量。所以怎樣提高液體在過濾前緩存高度就是研究過濾機結構的焦點。

一.    平臥型紙帶過濾機

    原始型紙帶過濾機出自于平臥型，這種過濾機濾紙支撐面是由柔性金屬編織網構成，金屬網不僅支撐濾紙，同時由動力驅動其行走并帶動濾紙行走，從而更新過于堵塞的濾紙。柔性金屬編織網靠自重與一定量的冷卻液重量的疊加形成的窩形底，這個窩形底就是過濾前液體緩存的區域。

    金屬編織網有限的柔性限制了窩形底的深度，使得作用在濾紙表面的緩存液體高度度值h非常有限，即使h可以繼續增加，從物理特點來看，如果濾紙以同樣的窩形附貼在支撐金屬網上，過大的h值勢必會使濾紙產生以窩底為中心向四周放射形的皺褶，*終導致濾紙跑偏、紊亂。所以這種結構的限制確定了此種過濾機難以形成太大的流量，除非以龐大的體積犧牲整體加工系統總體布局為代價。另外，濾紙是浮鋪在金屬網表面上的，金屬網運行時是靠與濾紙之間的摩擦力帶動濾紙行走的，當濾紙面承載較小時，摩擦力不足以帶動濾紙軸轉動，會產生相對滑動現象，即運紙機構行走而濾紙不走。

    歸納起來說，與其他類型相比在同流量條件下，平臥型型過濾機占地面積較大。由于此類過濾機結構、操作都相對簡單，加之其屬于早期技術相對成熟產品，故在國內普及量較大。

二.    鼓型紙帶過濾機

     為了減小占地面積，增加過濾前液體緩存高度，出現了鼓型紙帶過濾機因其結構主體是轉鼓，故而得名。

    轉鼓是由兩片相連的輥輪組成，由濾紙支撐網相連的兩條套筒滾子鏈騎壓在轉鼓的兩個輪緣上，動力軸上的鏈輪驅動鏈子運行時帶動轉鼓轉動，壓在鏈子與輪緣之間的濾紙也隨之行走，從而實現輸出污紙的功能。

    從鼓型紙帶過濾機結構形式看，轉鼓使濾紙形成半月形腔體，使得作用在濾紙表面的緩存液體高度度值h有了很大提高，因此液體過濾流量有了顯著提高。相對同等流量平臥式紙帶過濾機，鼓型紙帶過濾機減小了占地面積，雖然增加了高度，但高度的增加對于大多數用戶來說并不敏感。

    為了防止液體在轉鼓邊緣處側漏，在浮動的傳動軸處設置了張緊簧，張緊簧的拉力作用，使鏈子及濾紙緊壓在輪緣上。隨著轉鼓內液體高度增加，作用在濾紙支撐面的壓力增大，騎壓在輪緣的鏈子、濾紙有可能離開輪緣而產生縫隙造成液體側漏，影響過濾質量，所以張緊簧的張力必須大于液體極限高度時的重力，才不至于產生側漏。

    為了提高緩存液體高度，增加流量，就要盡可能加大濾紙支撐面在轉鼓上的包角α，這也勢必增加污紙輸出口的高度。實踐證明，當污紙輸出高度高于轉鼓中心軸時，輸出的污紙極易附貼在支撐面絞回設備內腔，再則，隨著包角α增大，污紙輸出口內側濾紙與垂直面的夾角θ會隨之減小，甚至為負值，這樣濾紙上的污物很難隨濾紙“爬出”，所以在轉鼓內積存液體高度的極限是轉鼓的半徑。實際上，液面高度受許多條件限制，諸如裝配工藝、液位電信號反饋設置、轉鼓軸端密封等因素，為了權衡這些因素，協調設備的總體綜合機能，緩存液面高度只能低于轉鼓中心一定尺寸方可實現正常運行。

由此看來，鼓型紙帶過濾機轉鼓中心以上部分難以利用似乎是一種空間資源的浪費。

三. 弧型紙帶過濾機

1. 弧型紙帶過濾機結構形式

     弧型紙帶過濾機的基型取自于平臥式紙帶過濾機紙帶過濾機，弧型紙帶過濾機在主體框架兩側安置了弧型導軌，濾紙支撐面沿導軌下緣分布形成谷底，弧型導軌的曲率確定了緩存液體深度。

    為了提高緩存液體高度，增加流量，就要盡可能加大弧型導軌的曲率，隨著弧型導軌的曲率增大，污紙輸出口內側濾紙與垂直面的夾角θ會隨之減小，θ值過小時濾紙上的污物很難隨濾紙“爬出”污紙輸出口，所以弧型導軌的曲率也不能無限制增大。根據污物顆粒吸附力的不同，弧形導軌圓心角取80~110°較為適宜。

    同屬于以強制手段形成液體緩存空間，相對鼓型紙帶過濾機而言，谷型紙帶過濾機省去了轉鼓的上部分空間，因此，谷型紙帶過濾機綜合了平臥型紙帶過濾機和鼓型紙帶過濾機的優點。

2.側邊密封形式

    既然濾紙隨支撐面形成谷型就存在側邊密封問題。首先導軌與主體框架是密封的，剩下的只是支撐面、濾紙、導軌之間的密封問題。

（1）橡膠墊在濾紙上面

    這種密封形式是將橡膠密封墊安置在弧形導軌下面，由濾紙支撐面將濾紙壓貼在橡膠密封墊下表面，我們且稱之為“上柔下剛式”，這里的上、下是以濾紙為界限的。因為橡膠密封墊固定不動，所以這種密封形式簡單，容易實現。目前市場出現的谷型紙帶過濾機就是此種密封形式過濾機。此種密封形式過濾機運紙方式是由濾紙支撐面帶動濾紙行走，濾紙行走時要克服與橡膠墊之間的摩擦阻力，在橡膠面滑行，很顯然，剛性的濾紙支撐面與濾紙之間的摩擦系數遠小于濾紙與柔性的橡膠墊之間的摩擦系數，所以理論上濾紙支撐面行走時是不可能帶動濾紙行走的。解決方式是減小橡膠密封墊的寬度從而減小與濾紙的接觸面，甚至是線接觸，同時減小支撐面、濾紙、橡膠墊三者之間的壓力。這樣做勢必影響密封效果，帶來容易側漏的不利因素。即使如此，它的運紙過程也不是十分穩定可靠的，這是此種密封形式的缺陷。

（2）橡膠墊在濾紙下面

    這種密封形式是將橡膠密封墊安置在濾紙下面，由濾紙支撐面將橡膠密封墊、濾紙壓貼在弧形導軌下表面，我們稱之為“上剛下柔式”。這種密封形式要求橡膠密封墊必須與濾紙支撐面隨動，即當濾紙支撐面運行時帶動濾紙同步行走。因為柔性的橡膠墊與濾紙之間的摩擦系數遠大于濾紙與剛性的弧形導軌之間的摩擦系數，所以此種密封形式的運紙功能十分穩定可靠。

3.運紙夾壓形式

    濾紙在濾紙支撐面與導軌間需要一定的夾壓力才能保證液體不側漏同時實現運紙功能。運紙夾壓有如下三種形式：

（1）上下固定式

    導軌固定在主體框架兩側，撐張濾紙支撐面的前后軸固定，這就形成了上下固定的夾壓形式。這種形勢在設備裝配時需要調整前或后軸的位置，使濾紙支撐面張緊后固定，這個張緊力必須大于極限緩存液體的重力，才能避免側漏。但是由于承受張緊與液體重力疊加力的鏈子在使用一段時間后會產生塑性變形而拉長，*終還會產生側漏，還需再次調整張緊力，如此反復直至材料冷作硬化極限，這是上下固定式的缺陷。

（2）上固定下浮動式

    導軌固定在主體框架兩側，撐張濾紙支撐面的前或后軸浮動并以拉簧張緊，受拉簧張緊力作用，濾紙支撐面將濾紙壓貼在固定上導軌的下弧面。拉簧的張緊力必須大于極限緩存液體的重力，才能避免側漏。對比上下固定式，上固定下浮動運紙夾壓形式避免了由于鏈子塑性變形產生的側漏現象。

（3）上浮動下固定式

    撐張濾紙支撐面的前后軸固定，由壓簧壓力作用于浮動的上導軌，并通過上導軌施壓于濾紙、支撐面，將支撐面張緊。設備工作時，因為夾壓力與液體重力方向一致，所以支撐面受力為壓簧壓力與液體重力的疊加，而液體重力通過濾紙只作用于濾紙支撐面，那么濾紙受到的夾壓力就是壓簧的壓力，這個壓力恒定的，也就是說無論緩存腔內有多少液體，上浮動導軌通過密封墊始終以恒定的壓力緊壓在濾紙上，減少了側漏之虞。因此上浮動下固定式應理想的為首選結構。

4.上浮動導軌的形狀

    前面說過，上浮動下固定式結構使濾紙受到的夾壓力是恒定的，但這個恒定只是壓力的總和。雖然壓在濾紙面上的導軌是浮動的，但是導軌本身的形狀是剛性的，所以這個壓力在導軌各處的分布是不均勻的。

    沒有液體時支撐面和在自重作用下呈懸鏈線形狀，有部分液體時，液體上部為曳物線，液體下部為液力底線（因為沒有描述相應線形方程式故暫且稱之為液力底線），從感性分析，有液體時線形較無液體時的懸鏈線底部下凸出，兩側內收斂，而且線形是隨液體高度變化而變化的。因為我們關心的是側漏問題，所以根據分析，導軌*理想的設計形狀應該與液力底線相吻合，這樣才能夠使導軌作用在濾紙各處壓力均勻，但是由于液力底線是變化的，所以無論導軌形狀如何，只能在某一固定的液位高度才能達到壓力均勻的效果，那么這個高度就應該取預計設計極限高度。

    我們分析線形及變化的目的在于對此有一個感性認識，在實際中，我們要把導軌做成諸如懸鏈線或液力底線形狀很困難，也沒必要，所以一般以圓弧代用即可。

    綜合上述分析，谷型紙帶過濾機的側邊密封形式采用“上剛下柔式”，運紙夾壓形式采用上浮動下固定式應該是*理想的設計思路，那么如何去實現呢？

四.浮動內腔膠瓦運紙式紙帶過濾機

1.基本結構

    浮動內腔膠瓦運紙式紙帶過濾機以下簡稱浮腔膠瓦過濾機，與其他紙帶過濾機不同的是浮腔膠瓦過濾機有一個獨立的內腔，內腔底部中空，兩側底邊為一定寬度的弧形導軌，內腔兩側由主體框架限位，限制了Z方向位移自由度并限制了X、Y軸旋轉自由度，由固定在主體框架兩側面的擺軸限制了X、Y方向的兩個位移自由度，所以內腔僅保留一個擺動的自由度，重力通過擺軸形成扭矩壓在濾紙支撐面邊緣。

    側邊密封形式為“上剛下柔式”， 這種密封形式要求柔性密封墊必須與濾紙支撐面隨動，即壓在濾紙下邊緣的柔性密封帶必須能夠隨濾紙支撐面同步運行才能帶動濾紙輸出，要實現同步功能有兩個可挑選的方案，其一是采用同步齒形帶代替鋼鏈，其二是采用橡膠瓦與鋼鏈并行，每一塊橡膠瓦有兩孔，孔徑與鏈子銷軸軸徑相同，孔距與鏈子節距相同。每2節套筒滾子鏈側邊并穿一塊橡膠瓦。

    齒形帶柔軟、連續、附貼性能好，但齒形帶周長固定、封閉，不利于裝配、調整和維修，再者齒形帶與濾紙支撐面的連接難以實現。橡膠瓦是密封兼運紙機構的一個單元，多個橡膠瓦單元的連接形成完整的密封帶，橡膠瓦密封結構靈活，裝配、調整和維修方便，而且橡膠瓦單元可以在多個系列產品中通用。從微觀上看，橡膠瓦柔軟性、連續性、附貼性不及齒形帶，但只要橡膠瓦形狀及尺寸設計合理，完全可以達到密封要求。因此對比兩個方案，擬采用膠瓦密封形式為好。

2.擺軸位置及受力分析

    濾紙在內腔和支撐面之間，所以內腔下的弧形導軌對支撐面壓力越大產生側漏的幾率越小，擺軸軸心與內腔重心水平距離越遠對濾紙支撐面形成的壓力越大，所以擺軸應設置在遠離內腔重心的前端或后端。從靜態看，由于內腔形狀為前后對稱，所以擺軸軸心設置在內腔的*前端和*后端對濾紙支撐面形成的壓力是相等的，但是在動態情況下擺軸軸心設置在內腔的*前端受力情況要好于擺軸軸心設置在*后端。

總壓力即是分布在內腔弧形導軌各點壓力的積分。

結論：浮腔膠瓦式紙帶過濾機結構及裝配調整工藝簡單，體積小，運行穩定，濾紙平整，無跑偏現象，它集中了其他幾種過濾機所有優點，應該說是發展趨勢。