汽車動力總成真空負壓過濾系統設計細節解析

大眾一汽發動機（大連）有限公司（遼寧 116000）郭富源 張希波 寇文杰

大眾一汽發動機（大連）有限公司一般規劃主管、過濾系統級化學品規劃應用專家郭富源

近些年，隨著汽車行業的飛速發展，集中式過濾系統在動力總成工廠里得到了更廣泛的應用。其中，以真空負壓過濾系統最為常見。盡管集中式真空負壓過濾系統具備了很好的設計與應用基礎，但在細節方面仍需要不斷優化提高，以不斷提高系統運行質量。

負壓過濾器依靠泵抽動負壓倉內的凈液，使液體形成真空負壓，提高液體流速。與重力過濾系統不同，其強調液體的連續性，過濾效率更高，更適合大流量集中過濾系統。其控制系統復雜、準確、自動化程度高，多用于處理切削加工所產生的廢屑過濾。

負壓過濾系統的基本組成

負壓過濾系統由初過濾/粗過濾、精過濾/負壓過濾、凈液箱、系統泵、反沖洗過濾器、換熱器及泵組、外部管道及功能管路及環保設備等幾大部分組成。下面我們將對各組成部分的功能及設計細節進行分析說明。

負壓過濾系統各組成部分的功能

圖1 負壓過濾機

整套負壓過濾系統采用三級過濾：

第一級：初過濾/粗過濾，接收從機加工設備泵回的帶有加工廢屑的冷卻液，并對其進行初步分離。

第二級：精過濾/負壓過濾，對預處理后的廢屑進行精處理，通過濾紙或濾布進行過濾。

第三級：反沖洗過濾器，對泵供出的液體進行二次過濾以滿足實際要求，一般切削系統是100 μm、30 μm兩種需求。

凈液箱在系統更新時和起到破負壓，同時滿足現場需求的作用。

系統泵是動力核心，直接決定系統的供液壓力和流量。

換熱器及泵組保證液體溫度穩定，通過換熱系統降低切削液帶回的切削熱和機床熱量，采用部分換熱原理。

外部管道實現切削液的供與回。功能管路實現一些特殊的作用，如虹吸排氣管路和沖洗管路等。

環保組件包括離心式甩干機和煙霧收集系統等。離心式甩干機主要用于廢屑的甩干，降低廢屑帶液量，保護環境的同時降低了運行成本。煙霧收集系統作用是過濾收集煙霧，降低對環境污染和對人員健康危害的同時，降低了切削液消耗量。

負壓過濾系統各組件設計細節

過濾機各組件之間存在著很大的依存關系，各組件相互影響，相互制約，任何一個組件的問題都會導致整個系統的癱瘓。我們將按照切削液流動的過程對設備各部件進行詳解。

在介紹分析各組件細節前，我們先關注一個概念周轉時間或周轉率。簡單來講，液體在一個槽體里理想化的存在時間。在下面的內容中我們將經常提到這個概念。

（1）初過濾/粗過濾：針對不同材質的廢屑，采用不同機械結構的初過濾。

鐵金屬由于其密度較大，采用重力沉淀方式對切削液帶回的鐵屑進行沉淀，再通過電動機帶動貼在箱體底部的刮板鏈條將其刮出，切削液通過上部的溢流口溢流到精過濾中。沉淀的效果與切削液在初過濾里的周轉時間直接相關，不難理解初過濾箱體體積越大，鐵屑沉淀的效果越好，后面幾級過濾的壓力也越小。在場地、成本允許的情況下，槽體體積等于理論沉降時間乘以過濾設備每分鐘流量。

鋁合金由于其密度較小，多采用通過式預處理方法。通過格柵板將箱體分為兩部分，電動機帶動貼在格柵板上的刮板鏈條將上箱體內無法通過格柵板的鋁屑刮出，切削液通過格柵板進入下箱體，流入精過濾中。格柵板的精度很大程度上決定著預處理的鋁屑尺寸和量。這樣可以最大程度地避免較大的特別是成團屑進入精過濾引起浮屑現象。近些年由于泵技術的革新，回流泵增加了切斷廢屑的功能，也有部分設備選用重力沉淀方式作為初過濾。

排屑頭的設計在刮板鏈條式箱體上也是很重要的一部分。較長的排屑頭可以延長廢屑脫離液體后到被排出的時間，達到較好地瀝干效果。同時，在刮板上開小槽孔可提高瀝干效果，減少廢屑中切削液的攜帶量，如圖2、3所示。

（2）負壓過濾/精過濾：負壓過濾器作為整個過濾系統的主過濾使用，箱體通過格柵板分為上下兩部分。上部箱體體積較大，接收從初過濾流入的帶屑切削液，切削液通過格柵板上的濾材（濾紙或濾布）進入下部倉體即負壓倉，廢屑留在濾材上。系統泵從負壓倉將切削液抽出供往下一級過濾。

圖2 短排屑頭，刮板未開槽

負壓過濾機容量的大小由過濾面積、系統周轉率決定。為獲得合適的過濾效果、充足的流量，需要根據需求量和過濾精度來計算過濾面積，從而設計其平面尺寸（長和寬）。再根據整個系統的周轉率設計槽體體積（高）。

與初過濾一樣，采用電動機驅動刮板鏈條來排出廢屑，同時更新濾材。

（3）系統泵：系統泵根據需求壓力和流量進行設計，采用多用一備的組合，使用變頻技術，保證供液壓力穩定，同時降低能耗。

系統泵在負壓過濾器上的吸口多設計在遠離濾紙濾布進入一側，這樣隨著濾餅的不斷增厚，可以獲得較好的過濾精度。

（4）反沖洗過濾器：由于負壓過濾器過濾過程中或濾材更新過程中會出現廢屑從濾材邊緣泄漏的問題。而與負壓過濾器相比，反沖洗過濾器可以獲得更穩定的過濾效果。

目前市場上常用的反沖洗過濾器主要有兩個品牌：Hydac與Boll&Kirch。兩者各有優缺點，Hydac產品采用液反沖原理，反沖效果良好，單體流量大，維護方便，但有壓力波動；Boll&Kirch產品采用壓縮空氣反沖原理，優點是無壓力波動，但反沖效果一般，單體流量較小，維護不方便。

圖3 長排屑頭，刮板開槽

負壓過濾系統常安裝100 μm和30 μm反沖洗過濾器。100 μm過濾的切削液主要用于機床沖洗，30 μ m過濾后的切削液主要用于刀具內冷。業界在是否需要安裝100 μm反沖洗過濾器的問題上有一些爭議，大多數人認為負壓過濾機過濾精度已經可以在100 μm以上，無需增加100 μm反沖洗過濾器。針對這個問題將在功能管路部分證明安裝100 μm反沖洗過濾器的必要性。

（5）凈液箱：由于系統更新時，刮板需要拖動濾材和廢屑前進，這時必須需要破負壓以保證濾材能順利更新。此時系統泵無法從負壓倉獲取切削液，因此需要由凈液箱提供破負壓以及濾材更新期間機加機床設計需求的流量。凈液箱的體積設計一般略高于系統一分鐘內的供應量。

（6）換熱器及泵組：負壓過濾系統由于其連續供液，而且供液量較大。因此，從結構上，無法實現對凈液的整體換熱。設計上采用部分換熱的原理，按照供液流量的10%～20%抽取進行換熱，換熱后再回到主供液管路，對供液管路內的切削液進行冷卻。這樣既可保證供液溫度的穩定，又避免流量的損失。

（7）外部管路與功能管路：外部管路是系統與機加機床溝通的媒介。同時，受到過濾系統和機加機床雙方面的制約。供液管路在此不做說明。

隨著環保要求的不斷提高，傳統地溝式回流已被地上管道供排所取代。根據廢屑的材質和尺寸，一般鐵金屬加工采用壓力回流方式，也有部分特殊情況采用重力回流方式，但需要增加很大的沖洗流量；鋁合金加工，由于其材質軟、重量輕，加工會形成較長的切屑，傳統多采用重力回流方式。近些年，隨著泵技術的革新不斷革新，特別是回流泵增加了切斷廢屑的功能，鋁合金加工也可采用壓力回流方式。重力回流多采用1.5%坡度的大管徑管路進行回流設計，針對鐵金屬需要分段增加沖洗以避免廢屑在管道內沉積；針對鋁合金只需要在尾部增加一個大口徑沖洗管路即可。回流支管連接到主管時，需要保持一定的斜度，以保證液流動的方向，并減少沖擊。回流方式也直接決定了機床所要選取的回流泵的揚程。

功能管路，包括凈液箱補液、虹吸排氣和沖洗等管路。主要是吸口位置設計：凈液箱補液管路由于其流量較大，要特別注意對整個供液管網壓力的影響，可根據實際運行需要調節管路上的流量調整閥進行控制；虹吸排氣管路及沖洗管路吸口的選擇需要注意防止過多的廢屑進入。實際運行時，我們已經發現如果虹吸管路吸口選在系統泵出口，在虹吸前安裝的Y形過濾器會經常被大的顆粒堵塞，因此，建議安裝在100 μm反沖洗過濾器后。這一問題也說明負壓過濾系統并不是我們所想象的理想狀態，如果不安裝100 μm反沖洗的話可能還會產生后續一系列的問題，如堵塞機床噴嘴等。

環保組件中，離心式甩干機需要根據設計產生廢屑的重量、材質和形狀進行選擇。煙霧收集系統根據過濾系統內非液體占用空間進行設計，建議采用分離式進行過濾回收。在一些工廠使用集中式進行回收，由于各過濾機內切削液的品種不同，因此無法達到回收再利用的目的，雖然可達到環保的要求，但會產生一定量的廢液。

以上我們主要介紹了各組件的設計細節。最后，我們說明一下前面提及的整機周轉率的概念。整機周轉率一般根據系統每分鐘流量的10～15倍來計算，可根據具體加工材質進行選擇，鑄鐵類建議在機床需求流量基礎上增加30%余量，鋁加工建議增加20%余量，沖洗流量另行計算。據此，也可推斷出整個系統的總容積。

負壓過濾系統流程控制

過濾系統運行的穩定性與流程控制息息相關，各組件如何協調工作是系統的核心。專業的規劃人員與設計人員需要對切削液如何在各組件間流動、過濾的主要過程和關鍵步驟有充分的了解和認識。需要結合現場實際運行經驗總結，提出有關過濾系統電氣程序優化的建議，以不斷增強過濾系統的可操作性和穩定性。

結語

真空負壓集中過濾系統作為最廣泛應用的過濾系統，其在動力總成工廠里的重要地位是不可忽視的。為了保證其運行的平穩可靠，需要充分了解其原理，各組件功能及設計細節。這樣才能為規劃、運行保證工作提供良好的幫助。

盡管真空負壓集中過濾系統應用已有多年的歷史，技術也日臻成熟，但由于其屬于非標設備，會根據用戶的具體需求有一些變化，因此在現場應用時也會有這樣或那樣的問題，在規劃與設計前期，把握住每個設計細節將大大提高實際應用效果。