紙帶過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)分析

許 銅

(沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110142)

用于機(jī)床切削液冷卻液過(guò)濾的紙帶過(guò)濾機(jī)，比較普及的形式是以冷卻液自重形成的壓強(qiáng)透過(guò)濾紙完成過(guò)濾的，而靠負(fù)壓提高流量的真空過(guò)濾機(jī)在國(guó)內(nèi)用量不多。國(guó)內(nèi)常用靠液體自重過(guò)濾的典型紙帶過(guò)濾機(jī)，無(wú)外乎平臥型、鼓型，近年又出現(xiàn)了弧型紙帶過(guò)濾機(jī)。以下就幾種典型重力式紙帶過(guò)濾機(jī)的結(jié)構(gòu)及優(yōu)劣差異，在宏觀上加以分析。

因?yàn)楸疚挠懻摰氖沁^(guò)濾機(jī)的結(jié)構(gòu)，所以在不考慮濾紙過(guò)濾系數(shù)和介質(zhì)粘度系數(shù)因素的條件下，過(guò)濾機(jī)的流量與液體所通過(guò)濾紙的面積和液體作用在濾紙表面的平均壓強(qiáng)的乘積成正比。即

式中：Q為流量；P為液體作用在濾紙表面的平均壓強(qiáng)；S為液體所通過(guò)濾紙的面積。

濾紙面積取決于設(shè)備大小，壓強(qiáng)產(chǎn)生于液體的自重，在設(shè)備體積受限情況下，根據(jù)上式關(guān)系，只有提高作用于濾紙的液體高度，才能有效提高過(guò)濾機(jī)的流量。所以怎樣提高液體在過(guò)濾前緩存高度就是研究過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)的焦點(diǎn)。

1 平臥型紙帶過(guò)濾機(jī)

原始型紙帶過(guò)濾機(jī)出自于平臥型(圖1)，這種過(guò)濾機(jī)濾紙支撐面是由柔性金屬編織網(wǎng)構(gòu)成，金屬網(wǎng)不僅支撐濾紙，同時(shí)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)其行走并帶動(dòng)濾紙行走，從而更新過(guò)于堵塞的濾紙。柔性金屬編織網(wǎng)靠自重與一定量的冷卻液重量的疊加形成的窩形底(圖2a)，這個(gè)窩形底就是過(guò)濾前液體緩存的區(qū)域。

金屬編織網(wǎng)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值h非常有限(圖2b)。即使h可以繼續(xù)增加，從物理特點(diǎn)來(lái)看，如果濾紙以同樣的窩形附貼在支撐金屬網(wǎng)上，過(guò)大的h值勢(shì)必會(huì)使濾紙產(chǎn)生以窩底為中心向四周放射形的皺褶，最終導(dǎo)致濾紙行走時(shí)跑偏、紊亂。所以這種結(jié)構(gòu)的限制確定了此種過(guò)濾機(jī)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(tǒng)總體布局為代價(jià)。另外，濾紙是浮鋪在金屬網(wǎng)表面上的，金屬網(wǎng)運(yùn)行時(shí)是靠與濾紙之間的摩擦力帶動(dòng)濾紙行走的，當(dāng)濾紙面承載較小時(shí)，摩擦力不足以帶動(dòng)濾紙軸轉(zhuǎn)動(dòng)、輸出，會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象，即運(yùn)紙機(jī)構(gòu)行走而濾紙不走。

歸納起來(lái)說(shuō)，與其他類型相比在同流量條件下，平臥型過(guò)濾機(jī)占地面積較大，濾紙輸出不可靠。但由于此類型過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)、操作都相對(duì)簡(jiǎn)單，加之其屬于早期技術(shù)相對(duì)成熟產(chǎn)品，故在國(guó)內(nèi)普及量較大。

2 鼓型紙帶過(guò)濾機(jī)

為了減小占地面積，增加過(guò)濾前液體緩存高度，出現(xiàn)了鼓型紙帶過(guò)濾機(jī)(圖3)，因其結(jié)構(gòu)主體是轉(zhuǎn)鼓，故而得名。

轉(zhuǎn)鼓是由兩片相連的輥輪組成，由濾紙支撐網(wǎng)相連的兩條套筒滾子鏈騎壓在轉(zhuǎn)鼓的兩個(gè)輪緣上，動(dòng)力軸上的鏈輪驅(qū)動(dòng)鏈子運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)，壓在鏈子與輪緣之間的濾紙也隨之行走，從而實(shí)現(xiàn)輸出污紙的功能。

從鼓型紙帶過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)形式看，轉(zhuǎn)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值h有了很大提高，因此液體過(guò)濾流量有了顯著提高。相對(duì)同等流量平臥型紙帶過(guò)濾機(jī)，鼓型紙帶過(guò)濾機(jī)減小了占地面積，雖然增加了高度，但高度的增加對(duì)于大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)并不敏感。

為了防止液體在轉(zhuǎn)鼓邊緣處側(cè)漏，在浮動(dòng)的傳動(dòng)軸處設(shè)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(zhuǎn)鼓內(nèi)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(chǎn)生縫隙造成液體側(cè)漏，影響過(guò)濾質(zhì)量。所以張緊簧的張力必須大于液體極限高度時(shí)的重力，才不至于產(chǎn)生側(cè)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(zhuǎn)鼓上的包角α(圖4)，這也勢(shì)必增加污紙輸出口的高度。實(shí)踐證明，當(dāng)污紙輸出高度高于轉(zhuǎn)鼓中心軸時(shí)，輸出的污紙極易附貼在支撐面絞回設(shè)備內(nèi)腔；再則，隨著包角α增大，污紙輸出口內(nèi)側(cè)濾紙與垂直面的夾角θ會(huì)隨之減小，甚至為負(fù)值，這樣濾紙上的污物很難隨濾紙“爬出”。所以在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)積存液體高度的極限是轉(zhuǎn)鼓的半徑。實(shí)際上，液面高度受許多條件限制，諸如裝配工藝、液位電信號(hào)反饋設(shè)置、轉(zhuǎn)鼓軸端密封等因素。為了權(quán)衡這些因素，協(xié)調(diào)設(shè)備的總體綜合機(jī)能，緩存液面高度只能低于轉(zhuǎn)鼓中心一定尺寸方可實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。

由此看來(lái)，鼓型紙帶過(guò)濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓中心以上部分難以利用似乎是一種空間資源的浪費(fèi)。

3 谷型紙帶過(guò)濾機(jī)

谷型紙帶過(guò)濾機(jī)是近幾年出現(xiàn)的一種新形式紙帶過(guò)濾機(jī)。該機(jī)型技術(shù)不是很成熟，普及量甚微，但有可能是今后發(fā)展的方向。

3.1 谷型紙帶過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)形式

谷型紙帶過(guò)濾機(jī)亦稱弧形紙帶過(guò)濾機(jī)(圖5)，它的基型取自于平臥型紙帶過(guò)濾機(jī)。谷型紙帶過(guò)濾機(jī)在主體框架兩側(cè)安置了弧型導(dǎo)軌，濾紙支撐面沿導(dǎo)軌下緣分布形成谷底，濾紙夾壓在弧形導(dǎo)軌與濾紙支撐面之間隨濾紙支撐面行走，弧型導(dǎo)軌的曲率確定了緩存液體高度。

為了提高緩存液體高度，增加流量，就要盡可能加大弧型導(dǎo)軌的曲率。隨著弧型導(dǎo)軌的曲率增大，污紙輸出口內(nèi)側(cè)濾紙與垂直面的夾角θ會(huì)隨之減小，θ值過(guò)小時(shí)濾紙上的污物很難隨濾紙“爬出”污紙輸出口，所以弧型導(dǎo)軌的曲率也不能無(wú)限制增大。根據(jù)污物顆粒吸附力的不同，弧形導(dǎo)軌圓心角α取80°～110°較為適宜。

同屬于以強(qiáng)制手段形成液體緩存空間，相對(duì)鼓型紙帶過(guò)濾機(jī)而言，谷型紙帶過(guò)濾機(jī)省去了轉(zhuǎn)鼓的上部分空間，因此，谷型紙帶過(guò)濾機(jī)綜合了平臥型紙帶過(guò)濾機(jī)和鼓型紙帶過(guò)濾機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 側(cè)邊密封形式

既然濾紙隨弧形導(dǎo)軌和支撐面形成谷型就存在側(cè)邊密封問(wèn)題。首先導(dǎo)軌與主體框架是密封的，剩下的只是支撐面、濾紙、導(dǎo)軌之間的密封問(wèn)題。

(1)橡膠墊在濾紙上面(圖6a)

這種密封形式是將橡膠密封墊安置在弧形導(dǎo)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、下是以濾紙為基準(zhǔn)的。因?yàn)橄鹉z密封墊固定不動(dòng)，所以這種密封形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。目前市場(chǎng)出現(xiàn)的谷型紙帶過(guò)濾機(jī)就是此種密封形式過(guò)濾機(jī)。此種密封形式過(guò)濾機(jī)運(yùn)紙方式是由濾紙支撐面帶動(dòng)濾紙行走，濾紙行走時(shí)要克服與橡膠墊之間的摩擦阻力，在橡膠面上滑行，很顯然，剛性的濾紙支撐面與濾紙之間的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于濾紙與柔性的橡膠墊之間的摩擦系數(shù)，所以理論上濾紙支撐面行走時(shí)是不可能帶動(dòng)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(圖6c)，同時(shí)減小支撐面、濾紙、橡膠墊三者之間的壓力。這樣做勢(shì)必影響密封效果，帶來(lái)容易側(cè)漏的不利因素。即使如此，它的運(yùn)紙過(guò)程也不是十分穩(wěn)定可靠的，這是此種密封形式的缺陷。

(2)橡膠墊在濾紙下面(圖6b)

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(dǎo)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(dòng)，即當(dāng)濾紙支撐面運(yùn)行時(shí)帶動(dòng)濾紙同步行走。因?yàn)槿嵝韵鹉z墊與濾紙之間的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于濾紙與剛性弧形導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)，所以此種密封形式的運(yùn)紙功能十分穩(wěn)定可靠。

3.3 運(yùn)紙夾壓形式

濾紙?jiān)跒V紙支撐面與導(dǎo)軌間需要一定的夾壓力才能保證液體不側(cè)漏同時(shí)實(shí)現(xiàn)運(yùn)紙功能。運(yùn)紙夾壓有如下三種形式：

(1)上下固定式(圖7a)

導(dǎo)軌固定在主體框架兩側(cè)，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。這種形式在設(shè)備裝配時(shí)需要調(diào)整前或后軸的位置，使濾紙支撐面張緊后固定，這個(gè)張緊力必須大于極限緩存液體的重力，才能避免側(cè)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(shí)間后會(huì)產(chǎn)生塑性變形而拉長(zhǎng)，最終還會(huì)產(chǎn)生側(cè)漏，還需再次調(diào)整張緊力，如此反復(fù)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(dòng)式(圖7b)

導(dǎo)軌固定在主體框架兩側(cè)，撐張濾紙支撐面的前或后軸浮動(dòng)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(dǎo)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(cè)漏。對(duì)比上下固定式，上固定下浮動(dòng)運(yùn)紙夾壓形式避免了由于鏈子塑性變形產(chǎn)生的側(cè)漏現(xiàn)象。

(3)上浮動(dòng)下固定式(圖7c、圖8)

撐張濾紙支撐面的前后軸固定，由壓簧壓力作用于浮動(dòng)的上導(dǎo)軌，并通過(guò)上導(dǎo)軌施壓于濾紙、支撐面，將支撐面張緊。設(shè)備工作時(shí)，因?yàn)閵A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(guò)濾紙僅作用于濾紙支撐面，那么濾紙受到的夾壓力就是壓簧的壓力，這個(gè)壓力是恒定的，也就是說(shuō)無(wú)論緩存腔內(nèi)有多少液體，上浮動(dòng)導(dǎo)軌通過(guò)密封墊始終以恒定的壓力緊壓在濾紙上，減少了側(cè)漏之虞。因此上浮動(dòng)下固定式應(yīng)是理想的首選結(jié)構(gòu)。

3.4 上浮動(dòng)導(dǎo)軌的形狀

前面說(shuō)過(guò)，上浮動(dòng)下固定式結(jié)構(gòu)使濾紙受到的夾壓力是恒定的，但這個(gè)恒定只是壓力的總和。雖然壓在濾紙面上的導(dǎo)軌是浮動(dòng)的，但是導(dǎo)軌本身的形狀是剛性的，所以這個(gè)壓力在導(dǎo)軌各處的分布是不均勻的。

圖9表示的是支撐面和濾紙?jiān)跊](méi)有受上導(dǎo)軌作用力情況下的簡(jiǎn)圖，沒(méi)有液體時(shí)支撐面和濾紙?jiān)谧灾刈饔孟鲁蕬益溇€形狀，有部分液體時(shí)，液體上部為曳物線，液體下部為液力底線(因?yàn)闆](méi)有描述相應(yīng)線形方程式故暫且稱之為液力底線)，從感性分析，有液體時(shí)線形較無(wú)液體時(shí)的懸鏈線底部下陷，兩側(cè)內(nèi)收斂，而且線形是隨液體高度變化而變化的。因?yàn)槲覀冴P(guān)心的是側(cè)漏問(wèn)題，所以根據(jù)分析，導(dǎo)軌最理想的設(shè)計(jì)形狀應(yīng)該與液力底線相吻合，這樣才能夠使導(dǎo)軌作用在濾紙各處壓力均勻。但是由于液力底線是隨液體高度變化的，所以無(wú)論導(dǎo)軌形狀如何，只能在某一固定的液位高度才能達(dá)到壓力均勻的效果，那么這個(gè)高度就應(yīng)該取預(yù)計(jì)設(shè)計(jì)極限高度。

我們分析線形及變化的目的在于對(duì)此有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)。在實(shí)際中，我們要把導(dǎo)軌做成諸如懸鏈線或液力底線形狀很困難，也沒(méi)必要，所以一般以圓弧代用即可。

綜合上述分析，谷型紙帶過(guò)濾機(jī)的側(cè)邊密封形式采用“上剛下柔式”，運(yùn)紙夾壓形式采用上浮動(dòng)下固定式應(yīng)該是最理想的設(shè)計(jì)思路，那么如何去實(shí)現(xiàn)呢？

4 浮動(dòng)內(nèi)腔膠瓦運(yùn)紙式紙帶過(guò)濾機(jī)

4.1 基本結(jié)構(gòu)

浮動(dòng)內(nèi)腔膠瓦運(yùn)紙式紙帶過(guò)濾機(jī)以下簡(jiǎn)稱浮腔膠瓦過(guò)濾機(jī)，與其他紙帶過(guò)濾機(jī)不同的是浮腔膠瓦過(guò)濾機(jī)有一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)腔(圖10)，內(nèi)腔底部中空，兩側(cè)底邊為一定寬度的弧形導(dǎo)軌，內(nèi)腔兩側(cè)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(zhuǎn)自由度，由固定在主體框架兩端的擺軸限制了X、Y方向的兩個(gè)位移自由度，所以內(nèi)腔僅保留一個(gè)擺動(dòng)的自由度，重力通過(guò)擺軸形成扭矩壓在濾紙支撐面邊緣(圖11)。

側(cè)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(dòng)，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(yùn)行才能帶動(dòng)濾紙輸出。要實(shí)現(xiàn)同步功能有兩個(gè)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(jié)距相同。每2節(jié)套筒滾子鏈側(cè)邊并穿一塊橡膠瓦。

齒形帶柔軟、連續(xù)、附貼性能好。但齒形帶周長(zhǎng)固定、封閉，不利于裝配、調(diào)整和維修，再者齒形帶與濾紙支撐面的連接難以實(shí)現(xiàn)。橡膠瓦是密封兼運(yùn)紙機(jī)構(gòu)的一個(gè)單元，多個(gè)橡膠瓦單元的連接形成完整的密封帶，橡膠瓦密封結(jié)構(gòu)靈活，裝配、調(diào)整和維修方便，而且橡膠瓦單元可以在多個(gè)系列產(chǎn)品中通用。從微觀上看，橡膠瓦柔軟性、連續(xù)性、附貼性不及齒形帶，但只要橡膠瓦形狀及尺寸設(shè)計(jì)合理，完全可以達(dá)到密封要求。因此對(duì)比兩個(gè)方案，擬采用膠瓦密封形式為好。

4.2 擺軸位置及受力分析

濾紙?jiān)趦?nèi)腔和支撐面之間，所以內(nèi)腔下的弧形導(dǎo)軌對(duì)支撐面壓力越大產(chǎn)生側(cè)漏的幾率越小，擺軸軸心與內(nèi)腔重心水平距離越遠(yuǎn)對(duì)濾紙支撐面形成的壓力越大，所以擺軸應(yīng)設(shè)置在遠(yuǎn)離內(nèi)腔重心的前端或后端。從靜態(tài)看，由于內(nèi)腔形狀為前后對(duì)稱，所以擺軸軸心設(shè)置在內(nèi)腔的最前端和最后端對(duì)濾紙支撐面形成的壓力是相等的，但是在動(dòng)態(tài)情況下擺軸軸心設(shè)置在內(nèi)腔的最前端受力情況要好于擺軸軸心設(shè)置在最后端(受力分析略)。

圖12為筆者設(shè)計(jì)由我公司申請(qǐng)專利的浮膠瓦式紙帶過(guò)濾機(jī)(專利號(hào)：200920 012051)。

總而言之，浮腔膠瓦式紙帶過(guò)濾機(jī)實(shí)現(xiàn)了最理想的模式——“上剛下柔式”的側(cè)邊密封形式和上浮動(dòng)下固定的運(yùn)紙夾壓形式。浮腔膠瓦式紙帶過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu)及裝配調(diào)整工藝簡(jiǎn)單，體積小，運(yùn)行穩(wěn)定，濾紙平整，無(wú)跑偏現(xiàn)象，它集中了其他幾種重力式紙帶過(guò)濾機(jī)所有優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該說(shuō)有非常好的市場(chǎng)發(fā)展前景。